CN105811843A - 一种永磁同步电机任意转速快速启动方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机任意转速快速启动方法。本方法包括七步，第一步安装在永磁同步电机转子侧的霍尔传感器测得电机机械角速度的当前转速n_mechr/min；第二步根据第一步中的转速信息n_mech求得电气频率第三步将第二步中得到的电气频率f_elec输入到斜坡函数单元，生成模拟角度量θ_sim＝f_elec*t；第四步根据第三步中的模拟角度量θ_sim进行单电流闭环控制，生成频率为f_elec的三相正弦波电流；第五步根据第四步生成的三相正弦波电流，基于永磁同步电机α‑β系数学模型建立扩展滑模观测器；第六步将第四步中的模拟角度量θ_sim与第五步中的角位置估计量θ_est作差，得到角位置估计误差第七步将第六步中的角位置估计误差与给定阈值θ_th作比。本发明用于永磁同步电机任意转速快速启动。

Description

一种永磁同步电机任意转速快速启动方法

技术领域：

本发明涉及一种永磁同步电机任意转速快速启动方法。

背景技术：

永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率因数高、功率密度高、转动惯量低等优点，广泛应用于中小容量调速、伺服场合和运动控制领域，如飞轮储能、电动汽车等。由于电动和发电模式的不同需求，永磁同步电机可频繁处于升速和降速状态，电动模式下电机不断升速至额定转速，发电模式下电机不断降速至保持转速，此时要求电机的三相电流能够快速反向，从而保证电机可由当前转速进行升速，而如何实现电机任意转速快速启动成为关键问题。

现有的永磁同步电机控制方式主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两大类。其中，有位置传感器控制主要采用光电编码器、旋转变压器等测量转子磁链的实际位置，检测精度高，控制简单、可靠，但是会大幅增加电机的体积和成本，而且有许多应用场合不便于安装位置传感器。无传感器控制需要解决转子角位置的实时估计问题，目前主要有反电势直接计算法、卡尔曼滤波器法以及滑模观测器估计法等。这些方法都是基于电机的电流模型进行角位置估计，当电机由发电模式切换为电动模式时，电流迅速减小为零，此时电流模型没有输出而无法采用以上所述方法进行角位置估计。

发明内容：

本发明的目的是提供一种能够解决电机在任意转速下由发电模式切换为电动模式时电流减小为零的情况，同时提高角位置估计精度，实现电机任意转速的快速启动的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，本方法包括七步，第一步安装在永磁同步电机转子侧的霍尔传感器测得电机机械角速度的当前转速n_mechr/min；第二步根据第一步中的转速信息n_mech求得电气频率

第三步将第二步中得到的电气频率f_elec输入到斜坡函数单元，生成模拟角度量θ_sim＝f_elec*t；

第四步根据第三步中的模拟角度量θ_sim进行单电流闭环控制，生成频率为f_elec的三相正弦波电流，使电机稳定在当前转速；

第五步根据第四步生成的三相正弦波电流，基于永磁同步电机α-β系数学模型建立扩展滑模观测器，获得转子的角位置估计量θ_est；

第六步将第四步中的模拟角度量θ_sim与第五步中的角位置估计量θ_est作差，得到角位置估计误差

第七步将第六步中的角位置估计误差与给定阈值θ_th作比，当误差小于阈值时，采用角位置估计量θ_est代替模拟角度量θ_sim，电机控制方式由单电流闭环控制切换至转速/电流双闭环控制。

所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下：

第1步建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为α-β系下两相静止电压、电流与反电势，λ为反电势系数，ω为电角速度，θ为电角度；

第2步采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为I_a、I_b和I_c；

第3步根据第1步中的数学模型与第2步中的电机三相电流，建立扩展滑模观测器： 得到角位置估计量和转速估计量ω_est＝dθ_est/dt；

第4步根据第3步中的滑模观测器增益K_slide的取值原则：K_slide＞max(|e_α|，|e_β|)；低通滤波器截止频率ω₀的取值原则：ω₀＞(3～5)ω_N，其中ω_N为电机额定电角速度；饱和函数sat(x)的取值原则：

所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，所述的第三步的离散化时将时间量t用采样周期T代替，即θ_sim(k)＝θ_sim(k-1)+f_elec*T，θ_sim(k)∈[0，1)。

有益效果：

1.本发明采用基于模拟角度量与扩展滑模观测器角位置估计量相结合的无传感器控制结构，能够解决电机输入电流为零时无法采用传统方法进行角位置估计的缺陷，实现了电机由发电模式到电动模式的快速切换。

2.本发明采用基于永磁同步电机α-β系下的电流模型与反电势模型的扩展滑模观测器进行角位置估计，有效地抑制了电机转度对反电势估计的影响，提高了观测器的估计性能。

附图说明：

附图1是本发明的电机任意转速快速启动方法的流程图。

附图2为本发明的斜坡函数单元流程图。

附图3为本发明的转速/电流双闭环控制结构图。

附图4为采用本发明的斜坡函数单元生成的模拟角度量。

附图5为采用本发明的扩展滑模观测器得到的角位置估计量。

具体实施方式：

实施例1：

一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，其特征是：本方法包括七步，第一步安装在永磁同步电机转子侧的霍尔传感器测得电机机械角速度的当前转速n_mechr/min；第二步根据第一步中的转速信息n_mech求得电气频率单位Hz，其中p为电机定子的极对数；

第三步将第二步中得到的电气频率f_elec输入到斜坡函数单元，生成模拟角度量θ_sim＝f_elec*t；其中t为时间量；

第四步根据第三步中的模拟角度量θ_sim进行单电流闭环控制，生成频率为f_elec的三相正弦波电流，使电机稳定在当前转速；

第五步根据第四步生成的三相正弦波电流，基于永磁同步电机α-β系数学模型建立扩展滑模观测器，获得转子的角位置估计量θ_est；

第六步将第四步中的模拟角度量θ_sim与第五步中的角位置估计量θ_est作差，得到角位置估计误差

第七步将第六步中的角位置估计误差与给定阈值θ_th作比，当误差小于阈值时，采用角位置估计量θ_est代替模拟角度量θ_sim，电机控制方式由单电流闭环控制切换至转速/电流双闭环控制。

实施例2：

实施例1所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下：

第1步建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为α-β系下两相静止电压、电流与反电势，λ为反电势系数，ω为电角速度，θ为电角度；

第2步采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为I_a、I_b和I_c；

第3步根据第1步中的数学模型与第2步中的电机三相电流，建立扩展滑模观测器： 得到角位置估计量和转速估计量ω_est＝dθ_est/dt；其中K_slide为滑模观测器增益，ω₀为一阶低通滤波器的截止频率；

第4步根据第3步中的滑模观测器增益K_slide的取值原则：K_slide＞max(|e_α|，|e_β|)；低通滤波器截止频率ω₀的取值原则：ω₀＞(3～5)ω_N，其中ω_N为电机额定电角速度；饱和函数sat(x)的取值原则：

实施例3：

实施例1所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，所述的第三步的离散化时将时间量t用采样周期T代替，即θ_sim(k)＝θ_sim(k-1)+f_elec*T，θ_sim(k)∈[0，1)；其中k为采样时刻。

实施例4：

实施例1所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，如附图2所示为本方法的斜坡函数单元流程图。首先采用霍尔传感器测得电机的当前转速n_mech(r/min)，若n_mech＝0，则电机处于首次启动状态，此时将电气频率初始值设置为零即f_elec(0)＝0，而且每采样周期T内电气频率增加固定值Δf_elec，即f_elec(k)＝f_elec(k-1)+Δf_elecT，其中k为采样时刻，Δf_elec和T的值可根据实验测试确定，若电机转速达到设定值则电气频率不再增加。

若n_mech≠0，则电机处于由发电模式向电动模式切换状态，此时将电气频率f_elec设置为与当前转速n_mech相对应的值并保持不变，即其中p为电机定子极对数。然后，根据电气频率f_elec的值生成模拟角度量θ_sim(k)＝θ_sim(k-1)+f_elecT，并进行限幅

如附图3所示为本发明的转速/电流双闭环控制结构图。外环路为转速环，由转速设定值ω_ref与转速估计值ω_est或霍尔传感器测速值ω_mea组成闭环反馈，经转速补偿器(通常为PI控制器)，输出I_q电流参考值I_qRef，而I_d电流参考值通常设置为零即I_dRef＝0。内环路为电流环，包括I_q电流环和I_d电流环两部分，电流参考值I_qRef、I_dRef经过电流补偿器(通常为PI控制器)分别输出d-q系下的两相旋转电压Q_s和D_s；Q_s和D_s经过两相旋转到两相静止(IPARK)变换转换为α-β系下的两相静止电压U_α和U_β；两相静止电压经过空间矢量脉宽调制(SVPWM)算法生成三路脉冲宽度调制(PWM)占空比信号T_a、T_b和T_c，取值范围(-1，1)；控制器的PWM单元根据三路占空比生成PWM信号，这三路信号分别标记为PWMA、PWMB和PWMC。反馈通道：霍尔电流传感器测得电机的三相电流信号I_a、I_b和I_c，三相静止电流经过CLARKE变换转换为α-β系下的两相静止电流I_α和I_β，两相静止电流经过PARK变换转换为d-q系下的两相旋转电流I_d和I_q并反馈至电流补偿器；控制器根据直流母线电压检测值Volt与三路占空比信号T_a、T_b和T_c，得到α-β系下的两相静止电压V_α和V_β；两相静止电压和两相静止电流输入到扩展滑模观测器与转速估计单元，分别得到角位置估计量θ_est和转速估计量ω_est；斜坡函数单元根据实际转速得到模拟角度量θ_sim，θ_sim和θ_est根据附图1说明进行角位置闭环反馈，最终保证电机可由当前任意快速启动。

如附图4所示为采用本发明的斜坡函数单元生成的模拟角度量θ_sim，从中可以看出采用斜坡函数生成的模拟角度量数据比较平滑，有利于永磁同步电机由当前转速平稳有效地启动。如附图5所示为采用本发明的扩展滑模观测器得到的角位置估计量θ_est，从中可以看出采用本发明的扩展滑模观测器，角位置估计量θ_est可以较好地跟踪模拟角度量θ_sim，相位滞后较小，角位置估计误差从而验证了所采用的滑模观测器的有效性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，其特征是：本方法包括七步，第一步安装在永磁同步电机转子侧的霍尔传感器测得电机机械角速度的当前转速n_mechr/min；第二步根据第一步中的转速信息n_mech求得电气频率

第三步将第二步中得到的电气频率f_elec输入到斜坡函数单元，生成模拟角度量θ_sim＝f_elec*t；

第四步根据第三步中的模拟角度量θ_sim进行单电流闭环控制，生成频率为f_elec的三相正弦波电流，使电机稳定在当前转速；

第五步根据第四步生成的三相正弦波电流，基于永磁同步电机α-β系数学模型建立扩展滑模观测器，获得转子的角位置估计量θ_est；

第六步将第四步中的模拟角度量θ_sim与第五步中的角位置估计量θ_est作差，得到角位置估计误差

第七步将第六步中的角位置估计误差与给定阈值θ_th作比，当误差小于阈值时，采用角位置估计量θ_est代替模拟角度量θ_sim，电机控制方式由单电流闭环控制切换至转速/电流双闭环控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，其特征是：所述的第五步中的扩展滑模观测器具体实现步骤如下：

第1步建立永磁同步电机α-β系下的电流与反电势数学模型：e_α＝-λωsin(θ)，e_β＝λωcos(θ)，其中R_s、L_s分别为电机定子相绕组电阻和电感，u_α、u_β、i_α、i_β、e_α、e_β分别为α-β系下两相静止电压、电流与反电势，λ为反电势系数，ω为电角速度，θ为电角度。

第2步采用串联在电机回路中的霍尔电流传感器测量电机的三相绕组电流，分别为I_a、I_b和I_c；

第3步根据第1步中的数学模型与第2步中的电机三相电流，建立扩展滑模观测器： 得到角位置估计量和转速估计量ω_est＝dθ_est/d_t；

第4步根据第3步中的滑模观测器增益K_slide的取值原则：K_slide＞max(|e_α|，|e_β|)；低通滤波器截止频率ω₀的取值原则：ω₀＞(3～5)ω_N，其中ω_N为电机额定电角速度；饱和函数sat(x)的取值原则：

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机任意转速快速启动方法，其特征是：所述的第三步的离散化时将时间量t用采样周期T代替，即θ_sim(k)＝θ_sim(k-1)+f_elec*T，θ_sim(k)∈[0，1)。