CN109981018B - 无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法，本方法在电机启动及低速时采用恒电流变频率模式进行控制，并经判断满足要求后切换至空间矢量控制，采用滑模算法，在获得电机基本电磁参数的基础上采集永磁同步电机的三相电流和电压并建立滑模函数，计算出永磁同步电机反电势在两相静止坐标轴下的表达式，由于电机反电势的表达式中包含转子磁场角度信息，由此可求得转子磁场的位置以及电机的转速，电机以求得的转子磁场位置以及电机转速实现空间矢量控制。本方法在获得电机基本电磁参数的基础上采集永磁同步电机的三相电流和电压并建立滑模函数，得到转子磁场位置及电机转速，实现无位置传感器情况下电机起动和矢量控制的功能。

Description

无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法

技术领域

本发明涉及一种无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法。

背景技术

目前车用永磁电机一般采用空间矢量控制(FOC)，将电机的三相电流等效为旋转坐标系下的直轴电流和交轴电流，通过控制直轴电流来控制电机的磁链，通过控制交轴电流来控制电机的力矩，将电机的磁链与力矩解耦，实现电机准确高效的控制。

由于空间矢量控制需要将电机的三相电流进行坐标变换，因此需要准确的电机磁场的方向，考虑到位置精度、响应速度和可靠性的要求，一般需要在电机转子轴上安装旋转变压器，实时测量电机转子的位置。这也导致空间矢量控制存在一定的局限性，一方面安装旋转变压器以及配套的解码芯片提高了电机控制***的成本，在某些精度要求和可靠性要求不高的场合安装旋转变压器并不是那么有必要；另一方面旋转变压器输出的位置信号可靠度很高，但是一旦旋转变压器本身出现故障，如果没有合适的控制算法作为冗余，可能会导致电机控制***故障，车辆失去动力，严重的甚至危害驾乘人员的人身安全。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法，本方法采用滑模算法，在获得电机基本电磁参数的基础上采集永磁同步电机的三相电流和电压并建立滑模函数，由此得到转子磁场的位置以及电机转速，实现无位置传感器的情况下电机起动和矢量控制的功能。

为解决上述技术问题，本发明无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法包括如下步骤：

步骤一、在电机启动及低速时采用恒电流变频率方式进行控制，给定电机启动的起始电流i_s和起始频率ω_s，根据电机的基本公式计算电机在以该起始频率对应的机械转速旋转时电机反电势的幅值区间，

其中：u_s为定子电压，u_α和u_β为定子电压在α和β轴上的分量，i_α和i_β为定子电流在α和β轴上的分量，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，p为微分算子，ω_e为电机电角速度，

为转子永磁体磁通，θ为转子磁链与α轴的夹角；

给定同样的起始电流i_s和起始频率ω_s，当电机负载不同时，同样的起始电流i_s在静止两相坐标轴上的投影i_α和i_β不同，实际的电压u_s存在差异，根据上式计算电机反电势的幅值区间为[u_min,u_max]；

步骤二、测量电机的三相端电压并与电机反电势幅值区间进行比较，如果实际测量电压小于u_min，则判断电机未能启动，测量电压仅为起始电流i_s在电机定子电阻上的压降；将起始电流i_s增加，直到实际测量电压达到[u_min,u_max]幅值区间，判断电机此时正常旋转，维持起始电流不变，逐渐增加给定的起始频率ω_s，直到达到电机采用恒电流变频率方式控制模式的切换频率ω_switch，电机起步阶段完成；如果起始电流i_s已增加到允许的最大电流而电机依然未能开始旋转，则上报电机起动失败；

步骤三、达到切换频率ω_switch之后，逐渐减小起始电流i_s，此时电机负载低于起动负载，则电机的电磁力矩保持恒定，电机转速维持不变，当起始电流i_s减小到无法维持该电磁力矩时，电机的电磁力矩降低，电机出现减速，此时切换频率ω_switch将高于通过滑模算法计算得到的实际电机旋转速度对应的电频率ω_fbk，将切换频率ω_switch进行积分得到变化的电流角度θ_switch，将滑模算法计算得到的实际电频率ω_fbk进行积分得到变化的实际磁场角度θ_fbk，由于ω_switch>ω_fbk,|θ_switch-θ_fbk|的值以ω_switch-ω_fbk的速度变化，当|θ_switch-θ_fbk|小于设定的切换阈值dθ时，电机控制模式切换为空间矢量控制；

步骤四、根据电机基本公式，在两相静止坐标系下通过电机的三相端电压的测量值估算电流值，

其中：

Rs为定子电阻，Ls为定子电感，Ts为采样周期，G_smopos＝(1-F_smopos)/R_s，

和

为k时刻的估算电流值，u_α(k-1)和u_β(k-1)为k-1时刻的电压采样值，E_α(k-1)和E_β(k-1)为k-1时刻的电机反电势值，Z_α(k-1)和Z_β(k-1)为k-1时刻的滑模量；

步骤五、估算电流误差值计算如下：

其中：i_α(k)和i_β(k)为k时刻的实际电流采样值，

和

为k时刻的估算电流误差值；

步骤六、采用饱和函数替代开关滑模函数：

其中：K_slide为滑模增益，取

为转子永磁体磁通，E₀为饱和函数的饱和限值，ω_{e_max}为最大电角速度，可根据电机的最高转速和极对数计算得到，Z_α(k)和Z_β(k)为k时刻的滑模量；

步骤七、经过低通滤波器之后求得电机反电势表达式：

其中：E_α(k)和E_β(k)为k时刻的电机反电势值，，K_slf＝2πf₀T_s，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，Ts为采样周期；

步骤八、根据电机反电势表达式在静止坐标系α轴和β轴上的分量求得k时刻的转子位置估算值

根据转子位置信息计算得到k时刻的电机电角速度ω_e(k)：

其中：K₁为角度计算周期的倒数，

电机以求得的转子位置和电机转速进行空间矢量控制。

进一步，对电机转速信号进行滤波处理，消除滑模算法带来的抖动：

其中：K₂和K₃为滤波系数，ω_e(k)为k时刻的角速度计算值，

为k时刻的角速度滤波值。

进一步，由于在电机转子位置估算过程中采用低通滤波器，出现电机转子估算角度的滞后，需要进行角度的补偿：

其中：θ_delay为补偿角度，ω_r为电机当前角速度，ω_f＝2πf₀，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，

将补偿角度θ_delay叠加到转子位置估算角度

上得到最终用于电机矢量控制的转子角度θ(k)。

由于本发明无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法采用了上述技术方案，即本方法在电机启动及低速时采用恒电流变频率模式进行控制，并经判断满足要求后切换至空间矢量控制，采用滑模算法，在获得电机基本电磁参数的基础上采集永磁同步电机的三相电流和电压并建立滑模函数，计算出永磁同步电机反电势在两相静止坐标轴下的表达式，由于电机反电势的表达式中包含转子磁场角度信息，由此可求得转子磁场的位置以及电机的转速，电机以求得的转子磁场位置以及电机转速实现空间矢量控制。本方法采用滑模算法，在获得电机基本电磁参数的基础上采集永磁同步电机的三相电流和电压并建立滑模函数，由此得到转子磁场的位置以及电机转速，实现无位置传感器的情况下电机起动和矢量控制的功能。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本方法中电机启动直至切换至空间矢量控制的流程框图；

图2为本方法中采用滑模算法计算电机转子磁场位置及电机转速示意图。

具体实施方式

实施例如图1和图2所示，本发明无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法包括如下步骤：

步骤一、在电机启动及低速时采用恒电流变频率方式进行控制，给定电机启动的起始电流i_s和起始频率ω_s，根据电机的基本公式计算电机在以该起始频率对应的机械转速旋转时电机反电势的幅值区间，

其中：u_s为定子电压，u_α和u_β为定子电压在α和β轴上的分量，i_α和i_β为定子电流在α和β轴上的分量，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，p为微分算子，ω_e为电机电角速度，

为转子永磁体磁通，θ为转子磁链与α轴的夹角；

给定同样的起始电流i_s和起始频率ω_s，当电机负载不同时，同样的起始电流i_s在静止两相坐标轴上的投影i_α和i_β不同，实际的电压u_s存在差异，根据上式计算电机反电势的幅值区间为[u_min,u_max]；

步骤二、测量电机的三相端电压并与电机反电势幅值区间进行比较，如果实际测量电压小于u_min，则判断电机未能启动，测量电压仅为起始电流i_s在电机定子电阻上的压降；将起始电流i_s增加，直到实际测量电压达到[u_min,u_max]幅值区间，判断电机此时正常旋转，维持起始电流不变，逐渐增加给定的起始频率ω_s，直到达到电机采用恒电流变频率方式控制模式的切换频率ω_switch，电机起步阶段完成；如果起始电流i_s已增加到允许的最大电流而电机依然未能开始旋转，则上报电机起动失败；

步骤三、达到切换频率ω_switch之后，逐渐减小起始电流i_s，此时电机负载低于起动负载，则电机的电磁力矩保持恒定，电机转速维持不变，当起始电流i_s减小到无法维持该电磁力矩时，电机的电磁力矩降低，电机出现减速，此时切换频率ω_switch将高于通过滑模算法计算得到的实际电机旋转速度对应的电频率ω_fbk，将切换频率ω_switch进行积分得到变化的电流角度θ_switch，将滑模算法计算得到的实际电频率ω_fbk进行积分得到变化的实际磁场角度θ_fbk，由于ω_switch>ω_fbk,|θ_switch-θ_fbk|的值以ω_switch-ω_fbk的速度变化，当|θ_switch-θ_fbk|小于设定的切换阈值dθ时，电机控制模式切换为空间矢量控制；

步骤四、根据电机基本公式，在两相静止坐标系下通过电机的三相端电压的测量值估算电流值，

其中：

Rs为定子电阻，Ls为定子电感，Ts为采样周期，G_smopos＝(1-F_smopos)/R_s，

和

为k时刻的估算电流值，u_α(k-1)和u_β(k-1)为k-1时刻的电压采样值，E_α(k-1)和E_β(k-1)为k-1时刻的电机反电势值，Z_α(k-1)和Z_β(k-1)为k-1时刻的滑模量；

步骤五、估算电流误差值计算如下：

其中：i_α(k)和i_β(k)为k时刻的实际电流采样值，

和

为k时刻的估算电流误差值；

步骤六、采用饱和函数替代开关滑模函数：

其中：K_slide为滑模增益，取

为转子永磁体磁通，E₀为饱和函数的饱和限值，ω_{e_max}为最大电角速度，可根据电机的最高转速和极对数计算得到，Z_α(k)和Z_β(k)为k时刻的滑模量；

步骤七、经过低通滤波器之后求得电机反电势表达式：

其中：E_α(k)和E_β(k)为k时刻的电机反电势值，，K_slf＝2πf₀T_s，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，Ts为采样周期；

步骤八、根据电机反电势表达式在静止坐标系α轴和β轴上的分量求得k时刻的转子位置估算值

根据转子位置信息计算得到k时刻的电机电角速度ω_e(k)：

其中：K₁为角度计算周期的倒数，

电机以求得的转子位置和电机转速进行空间矢量控制。

进一步，对电机转速信号进行滤波处理，消除滑模算法带来的抖动：

其中：K₂和K₃为滤波系数，ω_e(k)为k时刻的角速度计算值，

为k时刻的角速度滤波值。

进一步，由于在电机转子位置估算过程中采用低通滤波器，出现电机转子估算角度的滞后，需要进行角度的补偿：

其中：θ_delay为补偿角度，ω_r为电机当前角速度，ω_f＝2πf₀，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，

将补偿角度θ_delay叠加到转子位置估算角度

上得到最终用于电机矢量控制的转子角度θ(k)。

本方法的目的在于当精度要求较低，运行工况较简单的场合下节约成本，在无位置传感器条件下完成电机启动及空间矢量控制模式的切换，避免控制模式切换时电机的抖动，或者在位置传感器出现非预期性故障或损坏时维持电机运行，保证车辆动力。

由于滑模算法需要采集电机的电压及电流信号以计算电机反电势，并根据电机反电势来计算转子磁场位置，只有在电机转速高于一定值时才有足够的端电压和反电势进行滑模算法，因此本方法在电机启动及低速时采用恒电流变频率方式进行控制，以便得到电机空间矢量控制模式所需的转子磁场位置和电机转速。

电机控制***接收整车控制器发出的使能命令之后将功率模块开管，给出初始频率和初始电流，同时滑模算法开始计算电机转子磁场角度。

由于电机没有安装位置传感器，而且在低转速时反电势过低，滑模算法计算出的电机磁场角度误差较大，所以通过电压反馈来确认电机是否启动成功。电机控制***检测当前电压反馈值，针对当前电机的给定电流和频率计算出理论电压值范围，当电压反馈值低于理论电压最小值时，说明电机未能正常起动，此时需增加电流给定，并重新计算理论电压值，将新的电压反馈值与理论电压最小值进行比较，直至电压反馈值达到理论电压值范围，确认电机启动成功。

确认电机成功起动之后，逐渐提高给定电流的频率，并继续监控电压反馈值和理论电压最小值之间的差值，直到给定频率达到预先设定的控制模式切换频率。若启动过程中电压反馈值瞬间明显低于理论电压最小值并不再随频率的提高而变化，则认为电机加速失败，需要重新起动。当电机加速成功并达到切换频率时，电机保持当前转速不变，同时控制模式从当前的给定固定电流及频率的恒电流变频率控制切换到基于滑模算法得到电机转子磁场位置的空间矢量控制。

将给定电流频率积分计算出的电流角度与滑模算法计算出的磁场角度进行比较，由于滑模算法计算出的电机转速应等于给定电流频率对应的电机机械转速，所以此时计算出的转子角度的差值应为一个稳定值。逐渐减小电流给定，当给定的电流无法维持电机转速时，给定的电流频率维持不变，而滑模算法算出的电机实际转速将会减小，导致上述电流角度与磁场角度的差值出现变化，当角度差值小于设定切换阈值的瞬间进行控制模式的切换，同时记录下当前的给定电流值，作为空间矢量控制的电流初值。

在切换至无位置传感器空间矢量控制之后，即可继续按照上述滑模算法，采集电机的电压和电流信号，计算出电机转子磁场角度并进行空间矢量控制，实现电机跟踪给定力矩或者给定转速。

当电机安装了位置传感器，同时也可采用上述的滑模算法实时估算电机转子磁场位置作为冗余。在正常行车过程中，电机采用旋转变压器反馈的转子位置进行空间矢量控制。当旋转变压器突然发生故障时，电机转子位置信号丢失，检测到该故障后电机控制***可切换至无位置传感器的空间矢量控制，将滑模算法计算得到的转子角度直接作为电机空间矢量控制算法中所需的磁场位置角度，并且限制电机的最大力矩，保证车辆在短时间内维持基本动力，可以驶离主路或者紧急停靠，保证驾乘人员的人身安全。

Claims (3)

1.一种无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法，其特征在于本方法包括如下步骤：

步骤一、在电机启动及低速时采用恒电流变频率方式进行控制，给定电机启动的起始电流i_s和起始频率ω_s，根据电机的基本公式计算电机在以该起始频率对应的机械转速旋转时电机反电势的幅值区间，

其中：u_s为定子电压，u_α和u_β为定子电压在α和β轴上的分量，i_α和i_β为定子电流在α和β轴上的分量，R_s为定子电阻，L_s为定子电感，p为微分算子，ω_e为电机电角速度，

为转子永磁体磁通，θ为转子磁链与α轴的夹角；

给定同样的起始电流i_s和起始频率ω_s，当电机负载不同时，同样的起始电流i_s在静止两相坐标轴上的投影i_α和i_β不同，实际的电压u_s存在差异，根据上式计算电机反电势的幅值区间为[u_min,u_max]；

步骤二、测量电机的三相端电压并与电机反电势幅值区间进行比较，如果实际测量电压小于u_min，则判断电机未能启动，测量电压仅为起始电流i_s在电机定子电阻上的压降；将起始电流i_s增加，直到实际测量电压达到[u_min,u_max]幅值区间，判断电机此时正常旋转，维持起始电流不变，逐渐增加给定的起始频率ω_s，直到达到电机采用恒电流变频率方式控制模式的切换频率ω_switch，电机起步阶段完成；如果起始电流i_s已增加到允许的最大电流而电机依然未能开始旋转，则上报电机起动失败；

步骤三、达到切换频率ω_switch之后，逐渐减小起始电流i_s，此时电机负载低于起动负载，则电机的电磁力矩保持恒定，电机转速维持不变，当起始电流i_s减小到无法维持该电磁力矩时，电机的电磁力矩降低，电机出现减速，此时切换频率ω_switch将高于通过滑模算法计算得到的实际电机旋转速度对应的电频率ω_fbk，将切换频率ω_switch进行积分得到变化的电流角度θ_switch，将滑模算法计算得到的实际电频率ω_fbk进行积分得到变化的实际磁场角度θ_fbk，由于ω_switch>ω_fbk,|θ_switch-θ_fbk|的值以ω_switch-ω_fbk的速度变化，当|θ_switch-θ_fbk|小于设定的切换阈值dθ时，电机控制模式切换为空间矢量控制；

步骤四、根据电机基本公式，在两相静止坐标系下通过电机的三相端电压的测量值估算电流值，

其中：

Rs为定子电阻，Ls为定子电感，Ts为采样周期，G_smopos＝(1-F_smopos)/R_s，

和

为k时刻的估算电流值，u_α(k-1)和u_β(k-1)为k-1时刻的电压采样值，E_α(k-1)和E_β(k-1)为k-1时刻的电机反电势值，Z_α(k-1)和Z_β(k-1)为k-1时刻的滑模量；

步骤五、估算电流误差值计算如下：

其中：i_α(k)和i_β(k)为k时刻的实际电流采样值，

和

为k时刻的估算电流误差值；

步骤六、采用饱和函数替代开关滑模函数：

其中：K_slide为滑模增益，取

为转子永磁体磁通，E₀为饱和函数的饱和限值，ω_{e_max}为最大电角速度，可根据电机的最高转速和极对数计算得到，Z_α(k)和Z_β(k)为k时刻的滑模量；

步骤七、经过低通滤波器之后求得电机反电势表达式：

其中：E_α(k)和E_β(k)为k时刻的电机反电势值，K_slf＝2πf₀T_s，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，Ts为采样周期；

步骤八、根据电机反电势表达式在静止坐标系α轴和β轴上的分量求得k时刻的转子位置估算值

根据转子位置信息计算得到k时刻的电机电角速度ω_e(k)：

其中：K₁为角度计算周期的倒数，

电机以求得的转子位置和电机转速进行空间矢量控制。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法，其特征在于：对电机转速信号进行滤波处理，消除滑模算法带来的抖动：

其中：K₂和K₃为滤波系数，ω_e(k)为k时刻的角速度计算值，

为k时刻的角速度滤波值。

3.根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法，其特征在于：由于在电机转子位置估算过程中采用低通滤波器，出现电机转子估算角度的滞后，需要进行角度的补偿：

其中：θ_delay为补偿角度，ω_r为电机当前角速度，ω_f＝2πf₀，f₀为低通滤波器的截止频率，可根据电机最高转速计算得到，

将补偿角度θ_delay叠加到转子位置估算角度

上得到最终用于电机矢量控制的转子角度θ(k)。

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