CN108390610A - 一种永磁同步电机无位置传感器控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机控制方法，尤其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。本发明将锁相环技术引入无位置传感器反电势估算中，通过对反电势进行锁相，减少了CPU计算量，提高了估算精度和抗干扰性；能够省掉矢量控制中用到的编码器，降低了控制系统的成本，提供了可靠性，可实现永磁同步电机驱动系统稳定、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

本发明涉及一种电机控制方法，尤其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

与传统异步电机、电励磁同步电动机相比，永磁同步电动机具有损耗少、效率高、节电效果明显等优点，所以永磁同步电动机的体积和尺寸较传统异步电机和电励磁同步电动机的要小，成为高效率高密度电机。永磁同步电动机凭借这些优点，拥有广泛的应用前景。

磁同步电机的控制方法主要有矢量控制和直接转矩控制两种。这两种方法都需要准确获取转子的位置信息，通常采用增加位置传感器的做法，但是位置传感器增加了控制系统的成本，同时还存在可靠性低，安装场合受限等问题。为解决上述问题，无位置传感器算法被提出，在过去的十多年时间内得到了大力发展，按工作原理大体可分为基于反电势的速度估算算法、基于电机凸极效应的估计算法、高频信号注入法和扩展卡尔曼滤波法。后面三类算法由于理论复杂、实现难度大等原因，尚停留在理论研究层面，实际工业系统中用的多是基于反电势的速度估算算法。在反电势的速度估算算法中，通常根据计算的得到的反电势，利用反三角函数计算转子位置角度，这种做法固然简单，但存在计算耗时多，估算精度差等不足。

发明内容

本发明为解决上述的技术问题是提供一种结构设计合理的永磁同步电机无位置传感器控制系统及控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

S1、系统初始化，将所有变量初始值设置为0，给定角度估算PI系数值、速度调节PI系数值，d轴电流调节PI系数值、q轴电流调节PI系数值；

S2、经过用于将电机定子三相电流转化为两相静止坐标系α、β轴系下电流的第一坐标变换单元，计算得到α、β轴的电流；

S3、经过用于根据两相静止坐标系轴α、β轴系下的电机电压和电流计算磁链的磁链计算单元，计算α、β轴的磁链；

S4、经过用于估算永磁同步电动机转速的速度估算单元，计算转子位置角正、余弦值，计算转子角速度及角度；

S5、经过用于将两相静止坐标α、β轴系下的电流变换为同步旋转坐标d、q轴系下电流的第二坐标变换单元，计算得到d、q轴的电流；

S6、经过用于根据估算角速度和给定角速度、经过调节器调节得到转矩电流给定值的速度调节单元，产生d、q轴的电流给定值；

S7、经过用于根据同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值和反馈值计算得到d、q轴电压给定值的电流调节单元，产生d、q轴的电压给定值；

S8、经过用于根据d、q轴的电压给定值，计算得到两相静止坐标α、β轴系下电压给定值的第三坐标变换单元，产生α、β轴的电压给定值；

S9、经过用于计算三相PWM脉冲持续时间的SVPWM单元，产生PWM，完成第一个周期的控制；

S10、重复所述步骤S5-S8，进行下一周期的控制。

进一步，所述速度估算单元包括用于计算转子位置角正余弦值的正余弦计算单元；还包括用于计算转子估算角度和实际角度之间偏差的角度偏差计算单元；还包括PI调节器，根据转子估算角度和实际角度之间偏差，经过所述PI调节器调节得到角速度；还包括角度积分单元，根据所述角度积分单元的角度积分得到估算的转子位置角。

更进一步，步骤S2中，三相电流与两相静止坐标系α、β轴的电流关系为：

其中，为α、β轴系下定子电流，为三相abc坐标系下定子电流，为CLARK变换矩阵。

更进一步，步骤S3中，两相静止坐标系轴α、β轴系下的电机定子磁链为：

其中，为α、β轴系下的电机电压给定值，等于α、β轴系下电压给定值，为为α、β轴系下的电机定子磁链。

更进一步，步骤S5中，两相静止坐标α、β轴系下的定子电流和同步旋转坐标d、q轴系下的电流关系为：

其中，为同步旋转坐标d、q轴系下的定子电流，为PARK变换矩阵。

更进一步，步骤S4中，转子位置角正、余弦值为：

转子角速度及角度为：

其中，θ为转子与a相绕组轴线实时角度，θ₀为0时刻转子与a相绕组间夹角，ω为转子旋转角速度，为转子位置角，为估算的转子旋转角度。

更进一步，步骤S6中，转矩电流给定值为：

其中ω^*为角速度给定值。

更进一步，步骤S7中，同步旋转坐标d、q轴电压给定值为：

更进一步，步骤S8中，两相静止坐标系α、β轴系下电压给定值为：

其中为d、q轴电压给定值，为逆park变换矩阵。

本发明同现有技术相比具有以下优点及效果：

1、本发明将锁相环技术引入无位置传感器反电势估算中，通过对反电势进行锁相，减少了CPU计算量，提高了估算精度和抗干扰性；

2、本发明能够省掉矢量控制中用到的编码器，降低了控制系统的成本，提供了可靠性，可实现永磁同步电机驱动系统稳定、可靠、高效运行。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的控制系统示意图。

图2为本发明的控制系统控制流程框图。

具体实施方式

永磁同步电机，英文名称为permanent magnet synchronous motor，简称PMSM。

在永磁同步电机中存在两种坐标系，一种是固定在定子上的、相对静止的，即α、β坐标系(以下称为α、β轴)，它的方向和定子三相绕组的位置相对固定，它的方向定位于定子绕组a相的产生磁势的方向；另一种是固定在转子上的旋转坐标系，即为d、q坐标(以下称为d、q轴)，其中d轴跟单磁极的N极方向相同，即和磁力线的方向相同。

锁相环(phase locked loop)，即锁定相位的环路，是一种典型的反馈控制电路，利用外部输入的参考信号控制环路内部振荡信号的频率和相位，实现输出信号频率对输入信号频率的自动跟踪，一般用于闭环跟踪电路。

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以下实施例是对本发明的解释而本发明并不局限于以下实施例。

第一坐标变换单元，用以将电机定子三相电流转化为两相静止坐标系α、β轴系下的电流。其中电流可采用如下的计算公式得到：

，其中为αβ轴系下定子电流；为三相abc坐标系下定子电流；为CLARK变换矩阵。

磁链计算单元，用以根据两相静止坐标系轴α、β轴系下的电机电压和电流计算磁链。电机电压可采用α、β轴系下的电压给定值，计算公式为：

由此公式(3)可推算出：

其中为α、β轴系下的电机电压给定值，等于α、β轴系下电压给定值，为αβ轴系下的电机定子磁链。

实际系统中公式(3)中的纯积分环节易带来零漂，为减小积分零漂影响，此处用一阶惯性环节代替积分环节，即：

其中T为惯性环节时间常数，可根据滤波需求确定。

第二坐标变换单元，用以将两相静止坐标α、β轴系下的电流变换为同步旋转坐标d、q轴系下的电流。其中电流可采用如下的计算公式得到：

其中为同步旋转坐标d、q轴系下的定子电流，为PARK变换矩阵。

速度估算单元，用以估算永磁同步电动机转速；在该速度估算单元中可以采用现有技术中的系统和估算方法，较佳的方案为该速度估算单元还包括正余弦计算单元、角度偏差计算单元、PI调节器和角度积分单元；其中正余弦计算单元，用于计算转子位置角正余弦值；角度偏差计算单元，用以计算转子估算角度和实际角度之间的偏差；根据转子估算角度和实际角度之间偏差，经过所述PI调节器调节得到角速度；根据角度积分单元的角度积分得到估算的转子位置角。

在正余弦计算单元中，转子位置角定义为永磁同步电机转子与定子a相绕组轴线之间夹角，即：θ＝∫ωdt+θ₀ (6)，其中θ为转子与a相绕组轴线实时角度；θ₀为0时刻，转子与a相绕组间夹角；ω为转子旋转角速度。根据电机磁链方程有：

可推得：

在角度偏差计算单元中，根据公式(8)可摧算得到

常规反电势计算法，是通过公式(9)来计算转子位置角度和旋转速度，但这种算法存在以下问题：一是反三角函数在硬件处理器上实现时，需要查rom中数学表，耗费计算时长很大；二是速度计算采用微分算法，易引入高频干扰；三是这种方法是一种开环计算法，容易受采样误差等影响，估算精度较差。针对上述的方法的缺点，故本发明提出采用一种闭环速度、角度估算方法。

由公式(8)，根据三角函数公式，可推算得到：

其中为估算的转子位置角，为估算的转子旋转角度；

当与θ角度较小时，近似有：

根据锁相环原理，转子旋转角度可由估算角度与实际角度之间的偏差，经一个PI调节器得到，估算角度可由估算角速度积分获得，即：

速度调节单元，用以根据估算角速度和给定角速度，经过调节得到转矩电流给定值。在速度调节单元中可采用传统的矢量控制方法，在本实施例中采用调节器d轴电流给定值为0，即：

其中ω^*为角速度给定值。

电流调节单元，用以根据同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值和第二坐标变换单元得到的反馈值计算得到d、q轴电压给定值。在该电流调节单元中，电流调节器可采用多种形式，如PI调节器、电流预测控制、无差拍控制等，但不仅限于这几种形式。q轴电流给定值由速度调节单元给出，本实施例中采用PI调节器得到：

第三坐标变换单元，用以根据d、q轴电压给定值，计算得到两相静止坐标α、β轴系下电压给定值。该电压给定值为：

其中为d、q轴电压给定值，为逆PARK变换矩阵。

SVPWM单元，用以根据静止两相坐标α、β轴系下电压值，采用空间矢量算法，计算得到a、b、c相PWM脉冲持续时间。

一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

系统初始化，将定子磁链积分初始值设为0，定子电压给定初始值赋为0，估算角速度初始值设为0，估算转子位置角初始值设为0，转子角度初始值设为0；给定角度估算PI系数值、角速度调节PI系数值，d轴电流调节PI系数值、q轴电流调节PI系数值；角速度给定值根据设定得到；

采样电机定子三相电流[i_a,i_b,i_c]^T送入第一坐标变换单元，根据公式(1)计算得到α、β轴的电流[i_α,i_β]^T；

根据公式(2)，由α、β轴系下的电压给定值和电流[i_α,i_β]^T，计算磁链值[ψ_α,ψ_β]^T；

经过用于估算永磁同步电动机转速的速度估算单元，计算转子位置角正、余弦值，计算转子角速度及角度；在本实施例中根据公式(8)计算转子角度正余弦值[sinθ,cosθ]^T；根据公式(9)计算并得到转子旋转速度和位置角初始值，并将其作为转子估算角度和估算角速度积分的初始值；根据公式(13)，由[i_α,i_β]^T、[ψ_α,ψ_β]^T，[sinθ,cosθ]^T，以及角速度估算PI调节器系数k_p1、k_i1，计算并估算角度与估算转子位置角

根据公式(5)，由α、β轴的电流值[i_α,i_β]^T，计算并得到d、q轴下定子电流值[i_d,i_q]^T。

根据公式(14)，利用给定角速度ω^*和估算角速度以及角速度环PI系数k_p2、k_i2，计算并得到q轴电流给定值d轴电流给定值取0；

根据公式(15)，利用d、q轴下定子电流实际值[i_d,i_q]^T和给定值以及d、q轴电流PI调节器系数k_p3、k_i3、k_p4、k_i4，计算d、q轴下定子电压给定值

根据公式(16)，由d、q定子电压给定值计算并得到α、β轴下定子电压给定值

根据按照SVPWM算法产生a、b、c相PWM(Pulse Width Modulation)，完成第一个周期的控制；

重复上述过程，进行下一周期的控制。

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，其零、部件的形状、所取名称等可以不同。凡依本发明专利构思所述的构造、特征及原理所做的等效或简单变化，均包括于本发明专利的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、系统初始化，将所有变量初始值设置为0，给定角度估算PI系数值、速度调节PI系数值，d轴电流调节PI系数值、q轴电流调节PI系数值；

S2、经过用于将电机定子三相电流转化为两相静止坐标系α、β轴系下电流的第一坐标变换单元，计算得到α、β轴的电流；

S3、经过用于根据两相静止坐标系轴α、β轴系下的电机电压和电流计算磁链的磁链计算单元，计算α、β轴的磁链；

S4、经过用于估算永磁同步电动机转速的速度估算单元，计算转子位置角正、余弦值，计算转子角速度及角度；

S5、经过用于将两相静止坐标α、β轴系下的电流变换为同步旋转坐标d、q轴系下电流的第二坐标变换单元，计算得到d、q轴的电流；

S6、经过用于根据估算角速度和给定角速度、经过调节器调节得到转矩电流给定值的速度调节单元，产生d、q轴的电流给定值；

S7、经过用于根据同步旋转坐标系下d、q轴电流给定值和反馈值计算得到d、q轴电压给定值的电流调节单元，产生d、q轴的电压给定值；

S8、经过用于根据d、q轴的电压给定值，计算得到两相静止坐标α、β轴系下电压给定值的第三坐标变换单元，产生α、β轴的电压给定值；

S9、经过用于计算三相PWM脉冲持续时间的SVPWM单元，产生PWM，完成第一个周期的控制；

S10、重复所述步骤S5-S8，进行下一周期的控制。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，所述速度估算单元包括用于计算转子位置角正余弦值的正余弦计算单元；还包括用于计算转子估算角度和实际角度之间偏差的角度偏差计算单元；还包括PI调节器，根据转子估算角度和实际角度之间偏差，经过所述PI调节器调节得到角速度；还包括角度积分单元，根据所述角度积分单元的角度积分得到估算的转子位置角。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S2中，三相电流与两相静止坐标系α、β轴的电流关系为：

其中，为α、β轴系下定子电流，为三相abc坐标系下定子电流，为CLARK变换矩阵。

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S3中，两相静止坐标系轴α、β轴系下的电机定子磁链为：

其中，为α、β轴系下的电机电压给定值，等于α、β轴系下电压给定值，为为α、β轴系下的电机定子磁链。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S5中，两相静止坐标α、β轴系下的定子电流和同步旋转坐标d、q轴系下的电流关系为：

其中，为同步旋转坐标d、q轴系下的定子电流，为PARK变换矩阵。

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S4中，转子位置角正、余弦值为：

转子角速度及角度为：

其中，θ为转子与a相绕组轴线实时角度，θ₀为0时刻转子与a相绕组间夹角，ω为转子旋转角速度，为转子位置角，为估算的转子旋转角度。

7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S6中，转矩电流给定值为：

其中ω^*为角速度给定值。

8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S7中，同步旋转坐标d、q轴电压给定值为：

。

9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电动机无位置传感器控制方法，其特征在于，步骤S8中，两相静止坐标系α、β轴系下电压给定值为：

其中为d、q轴电压给定值，为逆park变换矩阵。