CN102647134B - 一种永磁同步电机无角度传感器的效率优化控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无角度传感器的效率优化控制方法。本发明具省去了角度传感器，提高了系统可靠性，节省了成本，并且使效率优化控制可以用在一些无法安装角度传感器的场合，从而使永磁同步电机工作在更高的效率点。

Description

一种永磁同步电机无角度传感器的效率优化控制方法

技术领域

本发明属于电机控制方法，适用于各类正弦波永磁同步电机的调速控制。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度大、损耗密度大等特点，它的定子铁芯损耗大于一般电机。因此，对于此种电机，常用的i_d＝0控制与最大转矩电流比控制都不是最佳的选择。相比之下基于损耗模型的效率优化控制方法由于考虑了铁耗模型，是比较理想的控制方法。但是此种方法需要精确的转子磁极位置，这通常依靠角度传感器来检测。而在很多场合下，无法安装角度传感器限制了这种方法的使用。

当前工业应用中，出现了通过无传感器算法来估计转子位置而取代角度传感器的思路。常见的无传感器控制算法有：基于数学模型的开环估计、高频信号注入法、模型参考自适应控制、状态观测器法、以及卡尔曼滤波器等。其中开环估计法的准确性受电机参数影响非常大，而电机的参数在电机运行时总是处于动态变化之中，因此，估计效果不佳。高频信号注入法对于没有凸极性的永磁同步电机则无能为力。至于模型参考自适应控制、状态观测器法、以及卡尔曼滤波器等闭环估计方法虽然具有较好的稳定性以及鲁棒性，但是算法复杂，在一些对实时性要求很高的场合，如高速电机，则难以使用。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明提供了一种无需角度传感器而能够对永磁同步电机实现效率优化控制的无传感器控制方法。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案：一种永磁同步电机无角度传感器的效率优化控制方法，其特征在于包括以下步骤：a、被测电机的损耗模型，通过离线求解的方法得到被测电机的等效铁损电阻R_i；b、初始位置调整，定义被测电机直轴为d、交轴为q，通过控制器给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得转子d轴对齐电机定子A轴；c、电机启动，定义假定旋转坐标系，定义被测电机的转矩轴为δ、励磁轴为γ；假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系。通过该假定旋转坐标系对电机进行电流闭环、转速开环控制使电机稳定在一定的转速；d、效率优化控制，首先根据式(1)调节δ、γ轴的给定电压U_δ和U_γ；然后根据位置估计公式(2)解出假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值△θ，并根据式(3)得到被测电机d轴和q轴电流大小i_d和i_q；接着根据q轴电流i_q和被测电机的等效铁损电阻R_i通过式(4)得到效率最优时d轴电流的大小i_d ^*＝i_dm+i_di；将效率最优时d轴电流的大小i_d ^*作为给定值，与位置估计得到的i_d作差，该差值通过PI调节器得到转矩轴电流的给定值i_δ ^*，与实际的i_δ作差，在经过PI调节器得到δ轴的给定电压；通过坐标变换输出控制电机实现效率优化控制；

其中， $\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\δ}}=K_p({i_{\mathrm{\δ}}}^{*}-i_{\mathrm{\δ}})+\frac{K_p}{{\mathrm{\τ}}_i}\text{\∫}({i_{\mathrm{\δ}}}^{*}-i_{\mathrm{\δ}})\mathrm{dt}\\ U_{\mathrm{\γ}}={\mathrm{Ki}}_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式(1)中，U_δ为δ轴电压；i_δ为δ轴电流；i_δ ^*为给定δ轴电流；K_p为比例系数；τ_i为积分常数；U_γ为γ轴电压；K为控制增益。

$\mathrm{\Δ\θ}=\arcsin \left(\frac{R_S{i}_{\mathrm{\γ}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\γ}}}{\mathrm{dt}}}{-e_0}\right)---\left(2\right)$

式(2)中，△θ为假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值；R_S为相电阻；e₀为电机反电势；i_γ为γ轴电流。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=i_{\mathrm{\δ}}\sin \mathrm{\Δ\θ}-i_{\mathrm{\γ}}\cos \mathrm{\Δ\θ}\\ i_q=i_{\mathrm{\δ}}\cos \mathrm{\Δ\θ}+i_{\mathrm{\γ}}\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式(3)中，i_d为d轴电流；i_q为q轴电流。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dm}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{L\ψ}}_f(R_S+R_i)}{R_S{R_i}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2(R_S+R_i)}\\ i_{\mathrm{di}}=\frac{\mathrm{\ωL}}{{R_i}^2}[\mathrm{\ω}({\mathrm{Li}}_{\mathrm{dm}}+{\mathrm{\Ψ}}_f)-i_q{R}_i]\\ {i_d}^{*}=i_{\mathrm{dm}}+i_{\mathrm{di}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式(4)中，i_dm、i_di分别为d轴电流的励磁分量与铁耗分量；ψ_f为永磁体磁链；ω为给定电角速度；L为电机相电感。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：省去了角度传感器，提高了系统可靠性，节省了成本，并且使效率优化控制可以用在一些无法安装角度传感器的场合；考虑了铁损模型，可以使永磁同步电机工作在更高的效率点。

附图说明

图1为基于效率优化的无传感器控制系统框图；

图2为电机启动过程中永磁同步电机控制方法示意图。

其中，第一PI调节器1、第二PI调节器2、坐标变换3、永磁同步电机4、损耗模型求解器5、位置估计方法6、控制增益7、反坐标变换8。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，基于效率优化的无传感器控制系统框图，该控制方法由损耗模型求解器5、PI调节器、坐标变换3、位置估计方法6四个部分组成。其工作原理是：首先采用离线求解的方法得到永磁同步电机4的等效铁损电阻。通过开环控制时电机稳定在一定的转速。根据位置估计方法6得到电机d、q轴电流大小。通过损耗模型求解器5得到当前转速与负载下达到效率最优所需要的直轴电流大小。最后通过实际直轴电流大小与计算得到的最优直轴电流大小的差值来调节电机转矩，使直轴电流跟踪给定值，实现效率优化控制。

该控制方法可以通过以下步骤来实现：

首先，根据电机的损耗模型，采用离线求解的方法得到永磁同步电机4的等效铁损电阻R_i。

第二步，调整初始位置。定义被测电机直轴为d、交轴为q。通过控制器给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得转子d轴对齐电机定子A轴。

第三步，启动电机。定义假定旋转坐标系，定义被测电机的转矩轴为δ、励磁轴为γ。假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系。对电机进行电流闭环、转速开环控制使电机稳定在一定的转速，该过程中永磁同步电机4的三相电流经反坐标变换8后输出的δ轴电流并与给定值做比较后，再经过PI调节器和控制增益7调节，分别作为δ轴与γ轴电压，通过坐标变换以及PWM调制输出到电机4。控制方法如图2。

第四步，效率优化控制。根据式(1)调节δ、γ轴给定电压。根据位置估计方法6(基于式(2))解出假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值△θ，并根据式(3)解出电机d、q轴电流大小。根据q轴电流i_q、第一步求解得到的等效铁损电阻R_i以及损耗模型求解器5(基于式(4))得到效率最优时d轴电流的大小。将此d轴电流作为给定值计与位置估计方法6中得到的i_d作差，该差值通过第一PI调节器1(该PI调节器用于效率优化控制)1得到转矩轴电流i_δ的给定值，与实际的i_δ作差，在经过第二PI调节器2(用于电流闭环控制)2得到δ轴的给定电压。此时，γ轴给定电压不变如式(1)所示。将δ、γ轴给定电压经过坐标变换3以及PWM调制输出给电机4实现效率优化控制。如图1所示，此时电机将能够在保证效率优化控制的情况下，跟踪给定转速，实现在任何可调转速下的效率优化控制。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{\δ}}=K_p({i_{\mathrm{\δ}}}^{*}-i_{\mathrm{\δ}})+\frac{K_p}{{\mathrm{\τ}}_i}\text{\∫}({i_{\mathrm{\δ}}}^{*}-i_{\mathrm{\δ}})\mathrm{dt}\\ U_{\mathrm{\γ}}={\mathrm{Ki}}_{\mathrm{\δ}}\end{array}\right.---\left(1\right)$

式中，U_δ为δ轴电压；i_δ为δ轴电流；i_δ ^*为给定δ轴电流；K_p为比例系数；τ_i为积分常数；U_γ为γ轴电压；K为控制增益7。

$\mathrm{\Δ\θ}=\arcsin \left(\frac{R_S{i}_{\mathrm{\γ}}+L\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{\γ}}}{\mathrm{dt}}}{-e_0}\right)---\left(2\right)$

式中，△θ为假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值；R_S为相电阻；e₀为电机反电势；i_γ为γ轴电流。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_d=i_{\mathrm{\δ}}\sin \mathrm{\Δ\θ}-i_{\mathrm{\γ}}\cos \mathrm{\Δ\θ}\\ i_q=i_{\mathrm{\δ}}\cos \mathrm{\Δ\θ}+i_{\mathrm{\γ}}\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

式中，i_d为d轴电流；i_q为q轴电流。

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dm}}=-\frac{{\mathrm{\ω}}^2{\mathrm{L\ψ}}_f(R_S+R_i)}{R_S{R_i}^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}^2(R_S+R_i)}\\ i_{\mathrm{di}}=\frac{\mathrm{\ωL}}{{R_i}^2}[\mathrm{\ω}({\mathrm{Li}}_{\mathrm{dm}}+{\mathrm{\Ψ}}_f)-i_q{R}_i]\\ {i_d}^{*}=i_{\mathrm{dm}}+i_{\mathrm{di}}\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，i_dm、i_di分别为d轴电流的励磁分量与铁耗分量；ψ_f为永磁体磁链；ω为给定电角速度；L为电机相电感。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机无角度传感器的效率优化控制方法，其特征在于包括以下步骤： 

a、首先，通过离线求解的方法得到被测电机的等效铁损电阻R_i，建立被测电机的损耗模型；

b、初始位置调整，定义被测电机直轴为d、交轴为q，通过控制器给定一个与定子A轴方向相同且大小恒定的电流矢量，使得转子d轴对齐电机定子A轴； 

c、电机启动，定义假定旋转坐标系，定义被测电机的转矩轴为δ、励磁轴为γ；假定旋转坐标系不是同步旋转坐标系，它是定向于已知的转子估计位置，并且可以按照确定的控制规律自行调整的坐标系；并通过该假定旋转坐标系对电机进行电流闭环、转速开环控制使电机稳定在一定的转速； 

d、效率优化控制，首先，根据式(1)调节δ、γ轴的给定电压U_δ和U_γ；然后，根据位置估计公式(2)解出假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值△θ，并根据式(3)得到被测电机d轴和q轴电流大小i_d和i_q；接着，根据q轴电流i_q和被测电机的等效铁损电阻Ri通过式(4)得到效率最优时d轴电流的大小i_d ^*，该i_d ^*＝i_dm+i_di；将效率最优时d轴电流的大小i_d ^*作为给定值，与位置估计得到的i_d作差，该差值通过PI调节器得到转矩轴电流的给定值i_δ ^*，与实际的i_δ作差，在经过PI调节器得到δ轴的给定电压；通过坐标变换输出控制电机实现效率优化控制； 

其中，

式(1)中，U_δ为δ轴电压；i_δ为δ轴电流；i_δ ^*为给定δ轴电流；K_p为比例系数；τ_i为积分常数；U_γ为γ轴电压；K为控制增益； 

式(2)中，△θ为假定旋转坐标系与电机同步旋转坐标系的角度差值；R_S为相电阻；e₀为电机反电势；i_γ为γ轴电流； 

式(3)中，i_d为d轴电流；i_q为q轴电流； 

式(4)中，i_dm、i_di分别为d轴电流的励磁分量与铁耗分量；ψ_f为永磁体磁链；ω为给定电角速度；L为电机相电感。