CN113098339A - 无编码永磁同步电机的带速启动方法、存储介质及电子设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种无编码永磁同步电机的带速启动方法、存储介质及电子设备,向三相逆变桥输入零电压矢量,控制三相逆变桥为零电压状态;获取三相电流信号,根据所述三相电流信号判断电机当前状态;若电机当前状态为带速状态,则根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,根据所述电机转速和转子磁极位置控制电机启动;若电机当前状态为极低速状态,则向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位后,控制电机启动。本申请区分了电机两种启动状态,带速状态确定电机转速和磁场位置后控制电机启动,极低速状态则控制电机转速为零并将磁场位置拉到零位再控制电机启动,保证了不同转速下电机均能平滑启动。
Description
技术领域
本申请涉及电机技术领域,尤其涉及一种无编码永磁同步电机的带速启动方法、存储介质及电子设备。
背景技术
永磁同步电机由于体积小、效率高、功率密度高、噪声低和动态响应快等优点被应用得越来越广泛。永磁同步电机包括带编码器和无编码器两种类型,相较于带编码器永磁同步电机,无编码器永磁同步电机具有成本低、结构简单和安全可靠等优点,无编码永磁同步电机被应用于多种领域和场合。
然而,永磁同步电机的无编码器控制以矢量控制为主流,在很多工况下都会出现电机在非静止状态(带速状态)下启动的问题,比如,故障快速重启、停机快速重启、被拖动后再启动等。由于电机不带编码器,所以无法获知电机转速和转子磁极位置,如何保证再启动的平滑性成为研究的热点。
发明内容
本申请的目的在于克服现有技术中无编码器永磁同步电机无法获知电机转速和转子磁极位置,难以保证带速再启动平滑性的不足,提供一种能够确定电机转速和转子磁极位置,保证再启动平滑性的无编码永磁同步电机的带速启动方法、存储介质及电子设备。
本申请的技术方案提供一种无编码器永磁同步电机的带速启动方法,包括如下步骤:
向三相逆变桥输入零电压矢量,控制所述三相逆变桥为零电压状态;
获取三相电流信号,根据所述三相电流信号判断电机当前状态;
若电机当前状态为带速状态,则根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,根据所述电机转速和转子磁极位置控制电机启动;
若电机当前状态为极低速状态,则向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位后,控制电机启动。
进一步地,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,具体包括:
将所述三相电流信号变换为两相电流信号,获取所述两相电流信号的电流幅值;
若所述电流幅值在注入时间段内均小于第一预设电流阈值,则认为电机当前状态为极低速状态,否则认为电机当前状态为带速状态。
进一步地,所述第一预设电流阈值为电机额定电流的1/2,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,还包括:
若在注入时间段内所述电流幅值大于或等于电机额定电流,或者
所述零电压矢量注入时间大于或等于注入时间段,则
控制所述零电压矢量停止注入。
进一步地,所述根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,具体包括:
根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和所述两相电流信号,计算电机转速和转子磁极位置。
进一步地,所述根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和两相电流,计算电机转速和转子磁极位置,具体包括:
将电机在两相静止坐标系下的数学模型离散化处理后,得到电机离散数学模型:
其中,C、D为系数,ψf为永磁体磁链,w(k)为当前采样时刻角频率,θr(k)为当前采样时刻转子磁极位置,iα(k)、iβ(k)为当前采样时刻两相电流,iα(k-1)、iβ(k-1)为前一采样时刻两相电流;
根据所述电机离散数学模型得到当前采样时刻角频率表达式:
根据所述当前采样时刻角频率计算电机当前转速:
其中,pn为电机极对数。
进一步地,所述根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和两相电流,计算电机转速和转子磁极位置,还包括:
基于所述电机离散数学模型,
若Ciα(k)+Diα(k-1)=0或者Ciβ(k)+Diβ(k-1)=0,则根据三角函数确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k);
若Ciα(k)+Diα(k-1)≠0并且Ciβ(k)+Diβ(k-1)≠0,则根据转子磁场位置初始值确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k)。
进一步地,所述向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位,具体包括:
向三相逆变桥输入任一相直流电压;
获取所述任一相直流电压对应的相电流,若所述相电流大于或等于第二预设电流阈值,则控制所述任一相直流电压停止注入,此时电机转速为零,并且转子磁极位置为零位。
进一步地,所述第二预设电流阈值为电机额定电流的1/2。
本申请的技术方案还提供一种存储介质,所述存储介质存储计算机指令,当计算机执行所述计算机指令时,用于执行如前所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法。
本申请的技术方案还提供一种电子设备,包括至少一个处理器;以及,
与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行如前所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法。
采用上述技术方案后,具有如下有益效果:
本申请区分了电机在带速和极低速下启动两种状态,带速状态根据三相电流信号确定电机转速和磁场位置后控制电机启动,极低速状态则控制电机转速为零并将磁场位置拉到零位再控制电机启动,保证了不同转速下电机均能平滑启动。
附图说明
参见附图,本申请的公开内容将变得更易理解。应当理解:这些附图仅仅用于说明的目的,而并非意在对本申请的保护范围构成限制。图中:
图1是本申请一实施例中无编码器永磁同步电机的带速启动方法的流程图;
图2是注入零电压矢量时电机启动电路的示意图;
图3是转子磁极在不同坐标系中的状态示意图;
图4是注入A相直流电压时电机启动电路的示意图;
图5是本申请一较佳实施例中无编码器永磁同步电机的带速启动方法的流程图;
图6是本申请一实施例中电子设备的硬件结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图来进一步说明本申请的具体实施方式。
容易理解,根据本申请的技术方案,在不变更本申请实质精神下,本领域的一般技术人员可相互替换的多种结构方式以及实现方式。因此,以下具体实施方式以及附图仅是对本申请的技术方案的示例性说明,而不应当视为本申请的全部或视为对申请技术方案的限定或限制。
在本说明书中提到或者可能提到的上、下、左、右、前、后、正面、背面、顶部、底部等方位用语是相对于各附图中所示的构造进行定义的,它们是相对的概念,因此有可能会根据其所处不同位置、不同使用状态而进行相应地变化。所以,也不应当将这些或者其他的方位用语解释为限制性用语。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“连接”、“相连”应做广义理解,例如,可以是固定连接,也可以可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个组件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以视具体情况理解上述属于在本申请中的具体含义。
本申请实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法,如图1所示,包括如下步骤:
步骤S101:向三相逆变桥输入零电压矢量,控制所述三相逆变桥为零电压状态;
步骤S102:获取三相电流信号,根据所述三相电流信号判断电机当前状态;
步骤S103:若电机当前状态为带速状态,则根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,根据所述电机转速和转子磁极位置控制电机启动;
步骤S104:若电机当前状态为极低速状态,则向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位后,控制电机启动。
具体来说,向永磁同步电机三相逆变桥IGBT(绝缘栅双极型晶体管)中输入零电压矢量,使三相逆变桥IGBT从全关管状态变到零电压状态,使三相上管全部开通而三相下管全部关断,此时注入的零电压矢量为SABC=111,或者,使三相上管全部关断而三相下管全部开通,此时注入的零电压矢量为SABC=000。图2示出了注入的零电压矢量为SABC=000时电机启动电路的示意图。
永磁同步电机在旋转过程中,因为永磁体的存在,会产生反电动势,向三相逆变桥输入零电压矢量时,会产生三相电流信号。通过对三相电流信号的分析,首先判断电机当前状态:
若三相电流较大,则认为电机当前状态为转速较大的带速状态,则根据该三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置后,根据电机转速和转子磁极位置控制电机启动,使电机能够平滑启动。
若三相电流较小,则认为电机当前状态为转速接近于零的极低速状态,此时根据三相电流信号无法准确确定电机转速和转子磁极位置,则控制电机转速为零并将转子磁极位置调整到零位后,在控制电机平滑启动。
本申请实施例通过向三相逆变桥输入零电压矢量,控制所述三相逆变桥为零电压状态,通过分析零电压状态下电机的三相电流信号,能够确定电机当前状态,并根据电机当前状态采用不同的方式启动,保证电机在任何情况下都能平滑启动。
在其中一个实施例中,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,具体包括:
将所述三相电流信号变换为两相电流信号,获取所述两相电流信号的电流幅值;
若所述电流幅值在注入时间段内均小于第一预设电流阈值,则认为电机当前状态为极低速状态,否则认为电机当前状态为带速状态。
具体来说,从电机中获取的电流信号为三相电流信号,将三相电流信号通过Clark变换为两相电流信号,如图3所示,即将三相静止坐标系ABC下的电流信号转变为两相静止坐标系αβ下的电流信号,Clark变换公式如下:
其中,ia、ib、ic分别为零电压矢量注入下的A相、B相、C相的响应电流信号,iα、iβ分别为三相电流经过Clark变换后的α相、β相的电流信号。
本申请实施例通过判断转换后的两相电流信号的电流幅值,确定电机当前状态:电流幅值在注入时间段内均小于第一预设电流阈值,则认为电机当前状态为极低速状态,否则认为电机当前状态为带速状态。作为一个例子,注入时间段设置为8-12ms,较佳地为10ms,第一预设电流阈值设置为电机额定电流的1/2。即电流幅值在10ms内始终小于电机额定电流的1/2,则可以认为此时电机转速极低,即电机当前状态为极低速状态。
较佳地,为保证电流幅值判断的准确性,对于两相电流信号的电流幅值的判断,不仅对当前采样时刻两相电流进行判断,还对前一采样时刻两相电流进行判断,只有当前采样时刻两相电流和前一采样时刻两相电流均小于第一预设电流阈值时,才认为电机当前状态为极低速状态,通过公式表示为:
本申请实施例将三相电流信号等效变换为两相电流信号,根据两相电流信号的幅值判断电机当前状态,方便判断且判断结果精准。
在其中一个实施例中,所述第一预设电流阈值为电机额定电流的1/2,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,还包括:
若在注入时间段内所述电流幅值大于或等于电机额定电流,或者
所述零电压矢量注入时间大于或等于注入时间段,则
控制所述零电压矢量停止注入。
本申请实施例中零电压矢量的最长注入时间为预设的注入时间段(较佳为10ms),在注入时间段内,若三相电流信号等效变换后的两相电流信号的幅值达到电机额定电流,则提前控制零电压矢量停止注入。
在其中一个实施例中,在电机处于带速状态下,所述根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,具体包括:
根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和所述两相电流信号,计算电机转速和转子磁极位置。
关于电机转速的计算,具体为:
首先,将电机在两相静止坐标系下的数学模型离散化处理后,得到电机离散数学模型:
ψf为永磁体磁链;w(k)为当前采样时刻角频率,θr(k)为当前采样时刻转子磁极位置;iα(k)、iβ(k)为当前采样时刻两相电流;iα(k-1)、iβ(k-1)为前一采样时刻两相电流;
之后,根据所述电机离散数学模型变形得到当前采样时刻角频率表达式:
根据所述当前采样时刻角频率计算电机当前转速:
其中,pn为电机极对数。
根据上述步骤,即可计算出每个采样时刻的电机转速。
如图3所示,随着电机的转动,转子磁极坐标系dq相对于两相静止坐标系αβ转动,转子磁极位置θr(k)指转子磁极坐标系dq相对于两相静止坐标系αβ的转动角度。关于转子磁极位置的计算,具体为:
基于所述电机离散数学模型:
若Ciα(k)+Diα(k-1)=0或者Ciβ(k)+Diβ(k-1)=0,则根据三角函数确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k),具体为:
若Ciα(k)+Diα(k-1)=0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)<0时,则
θr(k)=0;
若Ciα(k)+Diα(k-1)=0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)>0时,则
θr(k)=π;
若Ciα(k)+Diα(k-1)>0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)=0时,则
若Ciα(k)+Diα(k-1)<0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)=0时,则
若Ciα(k)+Diα(k-1)≠0并且Ciβ(k)+Diβ(k-1)≠0,则根据转子磁场位置初始值确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k),具体为:
转子磁场位置初始值
当Ciα(k)+Diα(k-1)>0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)<0时,则
θr(k)=θr1(k);
当Ciα(k)+Diα(k-1)>0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)>0时,则
θr(k)=π-θr1(k);
当Ciα(k)+Diα(k-1)<0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)>0时,则
θr(k)=π+θr1(k);
当Ciα(k)+Diα(k-1)<0且Ciβ(k)+Diβ(k-1)<0时,则
θr(k)=2π+θr1(k)。
本申请实施例基于电机离散数学模型,结合两相电流信号能够计算出电机转速,结合三角函数和转子磁场位置初始值能够计算出转子磁场位置,算法简单,通过计算出的电机转速和转子磁场位置能够控制电机平滑再启动。
在其中一个实施例中,在电机处于极低速状态下,所述向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位,具体包括:
向三相逆变桥输入任一相直流电压;
获取所述任一相直流电压对应的相电流,若所述相电流大于或等于第二预设电流阈值,则控制所述任一相直流电压停止注入,此时电机转速为零,并且转子磁极位置为零位。
本申请实施例中,在电机处于接近于零的极低速状态下,无法准确获取电机转速和转子磁极位置,此时通过向三相逆变桥IGBT输入任一相直流电压,将电机转速调整为零,并将转子磁极位置调整为零位(与两相静止坐标系αβ对应,即图3中d轴和q轴分别与α轴和β轴对应),之后在零速和转子磁极零位的情况下控制电机启动,既能保证电机平缓启动,并且由于电机原本的转速极低,将转速拉到零也不易被用户感知,不会影响电机启动的平滑性。
具体来说,可以向三相逆变桥IGBT中注入A、B、C中任一相直流电压,当注入A相直流电压SABC=100,电机启动电路的示意图如图4所示,此时通过监测A相电流是否大于或等于第二预设电流阈值,判断电机转速是否为零,以及转子磁极是否为零位;同理,当注入B相直流电压SABC=010,则监测B相电流;当注入C相直流电压SABC=001,则监测C相电流。
较佳地,所述第二预设电流阈值为电机额定电流的1/2,当电机对应的相电流达到电机额定电流的1/2时,则可以关断三相逆变桥中的所有IGBT,停止电压注入,此时电机的转速为零,并且转子磁极位置为零位。
图5示出了本申请一较佳实施例中无编码器永磁同步电机的带速启动方法的流程图,包括如下步骤:
步骤S501:向三相逆变桥输入零电压矢量,控制所述三相逆变桥为零电压状态;
步骤S502:获取三相电流信号,将所述三相电流信号变换为两相电流信号;
步骤S503:获取所述两相电流信号的电流幅值,之后同时执行步骤S504和步骤S513;
步骤S504:若所述电流幅值在注入时间段内均小于电机额定电流的1/2,则认为电机当前状态为极低速状态,执行步骤S505-S508,否则认为电机当前状态为带速状态,执行步骤S509-S512;
步骤S505:向三相逆变桥输入任一相直流电压;
步骤S506:获取所述任一相直流电压对应的相电流;
步骤S507:所述相电流大于或等于电机额定电流的1/2,则执行步骤S508,否则持续监测所述相电流;
步骤S508:控制所述任一相直流电压停止注入,此时电机转速为零,并且转子磁极位置为零位,之后控制电机零速启动;
步骤S509:将电机在两相静止坐标系下的数学模型离散化处理后,得到电机离散数学模型;
步骤S510:根据所述电机离散数学模型得到角频率,根据所述角频率计算电机转速;
步骤S511:根据所述电机离散数学模型、三角函数和转子磁场位置初始值确定转子磁极位置;
步骤S512:根据所述电机转速和转子磁极位置控制电机启动;
步骤S513:若在注入时间段内所述电流幅值大于或等于电机额定电流,或者所述零电压矢量注入时间大于或等于注入时间段,则执行步骤S514,否则继续注入零电压矢量;
步骤S514:控制所述零电压矢量停止注入。
本申请的技术方案还提供一种存储介质,所述存储介质存储计算机指令,当计算机执行所述计算机指令时,用于执行前述任一实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法。
图6示出了本申请的一种电子设备,包括:
至少一个处理器601;以及,
与所述至少一个处理器601通信连接的存储器602;其中,
所述存储器602存储有可被所述至少一个处理器601执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器601执行,以使所述至少一个处理器601能够执行前述任一方法实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法的所有步骤。
图6中以一个处理器602为例:
车载电子设备还可以包括:输入装置603和输出装置604。
处理器601、存储器602、输入装置603及显示装置604可以通过总线或者其他方式连接,图中以通过总线连接为例。
存储器602作为一种非易失性计算机可读存储介质,可用于存储非易失性软件程序、非易失性计算机可执行程序以及模块,如本申请实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法对应的程序指令/模块,例如,图1或5所示的方法流程。处理器601通过运行存储在存储器602中的非易失性软件程序、指令以及模块,从而执行各种功能应用以及数据处理,即实现上述实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法。
存储器602可以包括存储程序区和存储数据区,其中,存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需要的应用程序;存储数据区可存储根据无编码器永磁同步电机的带速启动方法的使用所创建的数据等。此外,存储器602可以包括高速随机存取存储器,还可以包括非易失性存储器,例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非易失性固态存储器件。在一些实施例中,存储器602可选包括相对于处理器601远程设置的存储器,这些远程存储器可以通过网络连接至执行无编码器永磁同步电机的带速启动方法的装置。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
输入装置603可接收输入的用户点击,以及产生与无编码器永磁同步电机的带速启动方法的用户设置以及功能控制有关的信号输入。显示装置604可包括显示屏等显示设备。
在所述一个或者多个模块存储在所述存储器602中,当被所述一个或者多个处理器601运行时,执行上述任意方法实施例中的无编码器永磁同步电机的带速启动方法。
以上所述的仅是本申请的原理和较佳的实施例。应当指出,对于本领域的普通技术人员来说,将分别公开在不同的实施例中的技术方案适当组合而得到的实施方式也包括在本发明的技术范围内,在本申请原理的基础上,还可以做出若干其它变型,也应视为本申请的保护范围。
Claims (10)
1.一种无编码器永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,包括如下步骤:
向三相逆变桥输入零电压矢量,控制所述三相逆变桥为零电压状态;
获取三相电流信号,根据所述三相电流信号判断电机当前状态;
若电机当前状态为带速状态,则根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,根据所述电机转速和转子磁极位置控制电机启动;
若电机当前状态为极低速状态,则向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位后,控制电机启动。
2.根据权利要求1所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,具体包括:
将所述三相电流信号变换为两相电流信号,获取所述两相电流信号的电流幅值;
若所述电流幅值在注入时间段内均小于第一预设电流阈值,则认为电机当前状态为极低速状态,否则认为电机当前状态为带速状态。
3.根据权利要求2所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述第一预设电流阈值为电机额定电流的1/2,所述根据所述三相电流信号判断电机当前状态,还包括:
若在注入时间段内所述电流幅值大于或等于电机额定电流,或者
所述零电压矢量注入时间大于或等于注入时间段,则
控制所述零电压矢量停止注入。
4.根据权利要求2所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述根据所述三相电流信号确定电机转速和转子磁极位置,具体包括:
根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和所述两相电流信号,计算电机转速和转子磁极位置。
6.根据权利要求5所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述根据电机在两相静止坐标系下的数学模型和两相电流,计算电机转速和转子磁极位置,还包括:
基于所述电机离散数学模型,
若Ciα(k)+Diα(k-1)=0或者Ciβ(k)+Diβ(k-1)=0,则根据三角函数确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k);
若Ciα(k)+Diα(k-1)≠0并且Ciβ(k)+Diβ(k-1)≠0,则根据转子磁场位置初始值确定当前采样时刻转子磁极位置θr(k)。
7.根据权利要求2-6任一项所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述向三相逆变桥输入任一相直流电压,控制电机转速为零,并将转子磁极位置拉到零位,具体包括:
向三相逆变桥输入任一相直流电压;
获取所述任一相直流电压对应的相电流,若所述相电流大于或等于第二预设电流阈值,则控制所述任一相直流电压停止注入,此时电机转速为零,并且转子磁极位置为零位。
8.根据权利要求7所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法,其特征在于,所述第二预设电流阈值为电机额定电流的1/2。
9.一种存储介质,其特征在于,所述存储介质存储计算机指令,当计算机执行所述计算机指令时,用于执行如权利要求1-8任一项所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法。
10.一种电子设备,其特征在于,包括至少一个处理器;以及,
与所述至少一个处理器通信连接的存储器;其中,
所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令,所述指令被所述至少一个处理器执行,以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1-8任一项所述的无编码永磁同步电机的带速启动方法。
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