CN104967382B - 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法。其中，包括一个用于修正电压合成矢量速度的转速稳定环，以及一个用于实现矢量控制的电压幅值修正环。本发明所设计的永磁同步电机无位置传感器控制方法，从本质上解决了电机运行过程中易失步崩溃的问题，同时提出了一种新的实现矢量控制的控制策略算法，从而实现永磁同步电机驱动***稳定、可靠、高效运行。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器控制方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，属于电机控制领域。

背景技术

日渐增长的能量消耗要求在工业设备中应用更加高效的控制***，电力电子和控制技术能有效提升目前大多数工业驱动***效率。永磁同步电机因其高效率、高功率密度、高动态响应等一系列优点受到业内重视，因而逐渐在工业设备中得到广泛应用。对于一些需要长时间持续运转的装置，比如风机、泵、压缩机类负载，效率上若能有提升，将节省巨大能量。将永磁同步电机应用于这些场合，能显著提升能源利用率，节约能源。

永磁同步电机的控制方法主要有：1)矢量控制，包括电流矢量控制、磁场定向控制、直接转矩控制和磁链控制等，这些控制策略具有较高的动态性能，控制精度高，抗干扰能力较强。2)标量控制，包括常规的V/f控制、带有稳定修正环的V/f控制等，这类控制策略实施较为简单，鲁棒性强，但动态响应速度不高。过去十年里，无位置传感器控制得到了大力发展，主要在于省去位置传感器有助于降低成本，同时避免了信号干扰和高速状态下抖振所造成的传感器测量不准和失灵问题。相关研究集中在考虑成本的基础上提升性能和可靠性，提升控制精度和动态响应性。

将基于标量V/f控制的永磁同步电机无位置传感器驱动***应用于风机类场合，是目前一种优质选择，主要在于这类负载对动态性能要求不高。众所周知，永磁同步电机转子上设计制造的阻尼绕组能确保转子速度与定子电频率保持同步。而出于设计和制造上的困难与成本，现有的大多数永磁同步电机转子上并未安装阻尼绕组，因而采用传统的开环V/f控制策略就无法保证电机的同步稳定运行。除此之外，对于风机、水泵、压缩机等应用场合，驱动***的效率和出力能力是一大关注点，以往对于永磁同步电机无位置传感器控制研究大都还没有对其产生足够的关注，研究基于无位置传感器技术的V/f控制上实现类似电流矢量控制的效果，具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本申请提供的是一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其中通过稳定环以及电压幅值修正环的具体结构及其设置方式进行研究和涉及，与现有产品相比更易于电机同步稳定运行以及矢量控制，同时具备一定的启动带载能力。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)：电角速度指令信号的给予，输入目标电角速度，以一定的上升或者下降斜率从原电角速度指令信号按一次函数关系变化到新的目标电角速度，其中，ω_e0 ^*定义为目标电角速度，ω_e定义为变化过程中的电角速度指令；

步骤(2)：电压合成矢量u_s ^*和θ_v ^*的确定；

步骤(3)：利用步骤(2)确定的电压合成矢量进行处理，用于驱动永磁同步电机；

步骤(4)：测量永磁同步电机两相定子电流i_A和i_B，进行转速稳定环和电压幅值修正环控制，最终完成对永磁同步电机无位置传感器的控制。

优选地，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

步骤(21)：将步骤(1)中得到的电角速度指令ω_e经过一个比例环节，比例系数为永磁链λ_m，输出得到转子反电势e_s；

步骤(22)：电压合成矢量幅值处理，具体包括：

步骤(221)：将步骤(21)得到的e_s、初始启动提升电压u₀和电压幅值修正环的输出电压量Δu进行相加，输出量为电压幅值u_s；

步骤(222)：将步骤(221)得到的电压幅值u_s进行限幅处理，限幅环节上限为其中，定义逆变桥输入的直流母线电压为U_dc，限幅环节下限为0，输出量为电压合成矢量幅值u_s ^*；

步骤(23)：电压合成矢量角度处理，具体包括：

步骤(231)：将步骤(1)中所述的ω_e与转速稳定环的输出电角速度量Δω_e，通过一个减法器，输出电压矢量的电角速度值ω_e ^*；

步骤(232)：将步骤(231)得到的电角速度ω_e ^*通过积分环节进行积分，得到电压合成矢量角度值θ_v ^*。

优选地，所述步骤(3)具体包括以下步骤：

步骤(31)：将步骤(2)得到的电压合成矢量幅值u_s ^*和角度值θ_v ^*，进行极坐标系量到直角坐标αβ轴系的转化，得到α轴和β轴的电压给定量分别记为u_α ^*、u_β ^*；

步骤(32)：对步骤(31)中的电压给定值u_α ^*、u_β ^*进行SVPWM调制，得到三相全桥逆变桥中六个开关管的驱动信号，上述逆变桥用于驱动永磁同步电机。

优选地，所述步骤(4)具体包括以下步骤：

步骤(41)：测量永磁同步电机定子两相电流i_A和i_B，将所测得的两相定子电流i_A和i_B经过Clark变换得到两相静止直角α-β坐标系下的电流i_α和i_β；

步骤(42)：利用步骤(31)得到的电压给定量u_α ^*、u_β ^*，和步骤(41)得到的电流i_α、i_β，进行输入功率计算，分别计算出输入电机的有功功率P和无功功率Q；

步骤(43)：利用步骤(42)输出的电机输入有功功率P进行转速稳定环控制，具体还包括如下处理：

步骤(431)：将所述电机输入有功功率P，经过一个一阶高通滤波器，得到输入电机的扰动有功功率Δp；

步骤(432)：利用步骤(431)得到的所述扰动有功功率Δp，经过一个比例系数为k_p的放大环节，输出得到转速稳定环的输出电角速度量Δω_e；

步骤(44)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和无功功率Q、以及步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*进行电压幅值修正环控制，具体还包括如下处理：

步骤(441)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*，通过Q_ref计算环节，计算输出电机在最大转矩电流比、i_d＝0控制策略下的指令无功功率Q_ref；

步骤(442)：利用步骤(441)输出得到的指令无功功率Q_ref和步骤(42)得到的输入电机的无功功率Q，通过一个减法器，输出得到无功功率偏差值ΔQ；

步骤(443)：利用步骤(442)得到的无功功率偏差值ΔQ，通过PI调节器进行调节控制，输出得到电压幅值修正环的输出电压量Δu。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、硬件实施要求少，只需采集两相定子电流，对电机参数的依赖性小，计算量小。同时通过适当提升启动电压，***具备一定的启动带载能力；

2、从电机失步崩溃的本质原因入手，提出加入转速稳定环，解决电机在中高频率域或负载突变时无法保持同步稳定运行的问题；

3、从控制输入电机的无功功率为突破点，提出最大转矩电流比(MTPA)、i_d＝0等矢量控制策略算法，加入电压幅值修正环，最终实现矢量控制。

附图说明

图1为本发明所设计的永磁同步电机无位置传感器控制方法的控制结构和原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的控制结构、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进一步详细说明。

图1所示为本发明所述的控制方法原理框图，具体包括：电角速度指令加减速环节、计算转子反电势的比例环节、电压限幅环节、电角速度积分环节、极坐标系/两相静止αβ坐标系变换、SVPWM调制、三相逆变电源、永磁同步电机、电流传感器、三相静止ABC坐标系/两相静止αβ坐标系变换(Clark变换)、两相静止αβ坐标系下功率计算环节、高通滤波器、转速稳定比例调节器、(MTPA、i_d＝0)控制策略时指令无功功率计算、电压幅值修正PI调节器等。

本发明提出了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，具体包括以下具体步骤：

步骤(1)：电角速度指令信号的给予，输入目标电角速度，以一定的上升或者下降斜率从原电角速度指令信号按一次函数关系变化到新的目标电角速度，其中，ω_e0 ^*定义为目标电角速度，ω_e定义为变化过程中的电角速度指令；

步骤(2)：电压合成矢量的确定，具体包括如下处理：

步骤(21)：将步骤(1)中得到的ω_e经过一个比例环节，比例系数为永磁链λ_m，输出得到转子反电势e_s；

步骤(22)：电压合成矢量幅值处理，具体包括：

步骤(221)：将步骤(21)得到的e_s，初始启动提升电压u₀和电压幅值修正环的输出电压量Δu进行相加，输出量为电压幅值u_s；

步骤(222)：将步骤(221)得到的电压幅值u_s进行限幅处理，限幅环节上限为其中，定义逆变桥输入的直流母线电压为U_dc，限幅环节下限为0。输出量为电压合成矢量幅值u_s ^*；

步骤(23)：电压合成矢量角度处理，具体包括：

步骤(231)：将步骤(1)得到的ω_e与转速稳定环的输出电角速度量Δω_e，通过一个减法器，输出电压矢量的电角速度值ω_e ^*；

步骤(232)：将步骤(231)得到的电角速度ω_e ^*通过积分环节进行积分，得到电压合成矢量角度值θ_v ^*；

步骤(3)：利用步骤(2)确定的电压合成矢量进行处理，用于驱动永磁同步电机，具体包括如下处理：

步骤(31)：将步骤(2)得到的电压合成矢量幅值和角度值，进行极坐标系量到直角坐标αβ轴系的转化，得到α轴和β轴的电压给定量分别为u_α ^*、u_β ^*；

步骤(32)：对步骤(31)中的电压给定值u_α ^*、u_β ^*进行SVPWM调制，得到三相全桥逆变桥中六个开关管的驱动信号，上述逆变桥用于驱动永磁同步电机；

步骤(4)：测量永磁同步电机两相定子电流i_A和i_B，进行转速稳定环和电压幅值修正环控制，具体包括如下处理：

步骤(41)：测量永磁同步电机定子两相电流i_A和i_B，将两相电流i_A和i_B经过Clark变换得到两相静止直角α-β坐标系下的电流i_α和i_β；

步骤(42)：利用步骤(31)得到的电压给定量u_α ^*、u_β ^*，和步骤(41)得到的电流i_α、i_β，进行输入功率计算，分别计算出输入电机的有功功率P和无功功率Q；

步骤(43)：利用步骤(42)输出的电机输入有功功率P进行转速稳定环控制，具体还包括如下处理：

步骤(431)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P，经过一个一阶高通滤波器(HPF)，得到输入电机的扰动有功功率Δp；

步骤(432)：利用步骤(431)得到的输入电机的扰动有功功率Δp，经过一个比例系数为k_p的放大环节，输出得到转速稳定环的输出电角速度量Δω_e。其中，k_p值通过求解分析电机数学模型的状态传输矩阵特征根求出，即一定工况下，通过数值分析方法选定k_p值，保证状态传输矩阵的特征根均在s平面的左半区，从而确保转速稳定；

步骤(44)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和无功功率Q、以及步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*进行电压幅值修正环控制，具体还包括如下处理：

步骤(441)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*，通过一定控制策略下的Q_ref计算环节，计算输出电机在最大转矩电流比(MTPA)、i_d＝0控制策略下的指令无功功率Q_ref，具体分以下三种情况讨论：

①

在选择作为需实现的控制策略时，要求最终输入电机的无功功率为零，即Q_ref＝0

②最大转矩电流比(MTPA)

电机在稳定运行时，其电压方程为

v_d＝R_si_d-w_rL_qi_q (1)

v_q＝R_si_q+w_r(λ_m+L_di_d) (2)

电机的电磁转矩方程为

T_e＝1.5pi_q[λ_m+(L_d-L_q)i_d] (3)

其中，(v_d,v_q)，(i_d,i_q)是定子电压和电流分量，R_s是定子每相电阻，L_d,L_q分别是d,q轴电感，ω_r是转子的电角速度。ω_m是转子的机械角速度，ω_e ^*是电压合成矢量的电角速度，是功率因数角。λ_m是永磁体磁链，T_e是电磁转矩，p是电机极对数。

求得输入电机的有功功率P和无功功率Q，其中

P＝1.5(v_di_d+v_qi_q)＝1.5R_si²+ (4)

1.5w_ri_q[λ_m+(L_d-L_q)i_d]

根据式(3)和式(4)，由输入有功功率计算得电磁转矩为

结合式(1)(2)(3)，可得电机在最大转矩电流比控制时需满足

将(7)代入(5)，可得无功功率进一步表示为

由此，可得将最大转矩电流比作为控制策略时，指令无功功率

进行梳理，得到最大转据电流比控制时的指令无功功率计算流程如下：

③i_d＝0

在电机稳定运行前提下，采用i_d＝0控制策略时，i_q＝i，则输入电机无功功率为

此时电磁转矩为

T_e＝1.5pλ_mi_q (11)

由此，可得将i_d＝0作为控制策略时，指令无功功率

进行梳理，得到i_d＝0控制时的指令无功功率计算流程如下：

步骤(442)：利用步骤(441)输出得到的指令无功功率Q_ref和步骤(42)得到的输入电机的无功功率Q，通过一个减法器，输出得到无功功率偏差值ΔQ；

步骤(443)：利用步骤(442)得到的无功功率偏差值ΔQ，通过PI调节器进行调节控制，输出得到电压幅值修正环的输出电压量Δu。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，该方法包括如下具体步骤：

步骤(1)：电角速度指令信号的给予，输入目标电角速度，以一定的上升或者下降斜率从原电角速度指令信号按一次函数关系变化到新的目标电角速度，其中，ω_e0 ^*定义为目标电角速度，ω_e定义为变化过程中的电角速度指令；

步骤(2)：电压合成矢量u_s ^*和θ_v ^*的确定；

步骤(3)：利用步骤(2)确定的电压合成矢量进行处理，用于驱动永磁同步电机；

步骤(4)：测量永磁同步电机两相定子电流i_A和i_B，进行转速稳定环和电压幅值修正环控制，最终完成对永磁同步电机无位置传感器的控制；

其中，所述步骤(2)具体包括以下步骤：

步骤(21)：将步骤(1)中得到的电角速度指令ω_e经过一个比例环节，比例系数为永磁链λ_m，输出得到转子反电势e_s；

步骤(22)：电压合成矢量幅值处理，具体包括：

步骤(221)：将步骤(21)得到的e_s、初始启动提升电压u₀和电压幅值修正环的输出电压量Δu进行相加，输出量为电压幅值u_s；

步骤(222)：将步骤(221)得到的电压幅值u_s进行限幅处理，限幅环节上限为其中，定义逆变桥输入的直流母线电压为U_dc，限幅环节下限为0，输出量为电压合成矢量幅值u_s ^*；

步骤(23)：电压合成矢量角度处理，具体包括：

步骤(231)：将步骤(1)中所述的ω_e与转速稳定环的输出电角速度量Δω_e，通过一个减法器，输出电压矢量的电角速度值ω_e ^*；

步骤(232)：将步骤(231)得到的电角速度ω_e ^*通过积分环节进行积分， 得到电压合成矢量角度值θ_v ^*。

2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(3)具体包括以下步骤：

步骤(31)：将步骤(2)得到的电压合成矢量幅值u_s ^*和角度值θ_v ^*，进行极坐标系量到直角坐标αβ轴系的转化，得到α轴和β轴的电压给定量分别记为u_α ^*、u_β ^*；

步骤(32)：对步骤(31)中的电压给定值u_α ^*、u_β ^*进行SVPWM调制，得到三相全桥逆变桥中六个开关管的驱动信号，上述逆变桥用于驱动永磁同步电机。

3.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于：所述步骤(4)具体包括以下步骤：

步骤(41)：测量永磁同步电机定子两相电流i_A和i_B，将所测得的两相定子电流i_A和i_B经过Clark变换得到两相静止直角α-β坐标系下的电流i_α和i_β；

步骤(42)：利用步骤(31)得到的电压给定量u_α ^*、u_β ^*，和步骤(41)得到的电流i_α、i_β，进行输入功率计算，分别计算出输入电机的有功功率P和无功功率Q；

步骤(43)：利用步骤(42)输出的电机输入有功功率P进行转速稳定环控制，具体还包括如下处理：

步骤(431)：将所述电机输入有功功率P，经过一个一阶高通滤波器，得到输入电机的扰动有功功率Δp；

步骤(432)：利用步骤(431)得到的所述扰动有功功率Δp，经过一个比例系数为k_p的放大环节，输出得到转速稳定环的输出电角速度量Δω_e；

步骤(44)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和无功功率Q、以及步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*进行电压幅值修正环控制，具体还包括如下处理：

步骤(441)：利用步骤(42)得到的电机输入有功功率P和步骤(231)输出得到的电压矢量电角速度ω_e ^*，通过Q_ref计算环节，计算输出电机在 最大转矩电流比、i_d＝0控制策略下的指令无功功率Q_ref；

步骤(442)：利用步骤(441)输出得到的指令无功功率Q_ref和步骤(42)得到的输入电机的无功功率Q，通过一个减法器，输出得到无功功率偏差值ΔQ；

步骤(443)：利用步骤(442)得到的无功功率偏差值ΔQ，通过PI调节器进行调节控制，输出得到电压幅值修正环的输出电压量Δu。