CN109379007A - 一种永磁同步电机无位置传感器控制带速重投方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机(Permanent magnetic synchronous machine，PMSM)无位置传感器控制带速重投方法，属于PMSM控制的技术领域。所述的PMSM无位置传感器控制带速重投方法，可在电机具有正、反转初速度的情况下，平滑切入系统，切入过程无转速、电流波动。所述方法包括以下步骤；1)端电压检测；2)相电压重构；3)初速度方向判断；4)转子位置及速度估计；5)重投策略选择。本发明提供了一种可实现在电机转子具有正反转初速度的情况下带速重投的PMSM全程无位置传感器控制方法。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器控制带速重投方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机(PMSM)控制的技术领域，涉及一种PMSM无位置传感器控制带速重投方法。

背景技术

PMSM采用永磁体代替励磁绕组，其功率密度高、转矩惯量比大、效率高等优点，因此在伺服系统、家用电器、电动汽车等多个领域内得到广泛应用。PMSM矢量控制需要转子位置信息进行坐标变换，传统方法采用机械式位置传感器来获取转子位置，导致电机成本增加、体积重量增大等问题。因此，研究全转速范围的PMSM无位置传感器控制具有重要应用价值。目前，考虑电机通配性，全速范围无位置传感器控制往往采用恒电流变频(I/F)方式启动，再切换至无位置传感器闭环控制。但是，这些无位置传感器控制方案并未考虑电机有初始速度情况下的启动问题，以下简称带速重投。

在电机有初速度情况下，如果不对位置和速度进行估计直接启动，势必造成很大的电流冲击，易导致启动失败。目前已有文献中，大都采用逆变器下桥臂三管同时导通，检测电流并采用位置估计算法对电机位置、速度进行估计，然后再进入带速重投模式。但是这类方法中，下三管同时导通过程可能导致较大的相电流冲击，并考虑到观测器收敛时间，该过程可能需要持续较长时间，在有些场合并不适用。因此，在实际应用中，研究PMSM无位置传感器控制中简单可靠的带速重投方法，对完善无位置传感器控制系统的功能和提高系统可靠性，具有重要的意义。

发明内容

为了克服已有永磁同步电机无位置传感器控制方法的无法适用于带速重投、系统可靠性较差的不足,本发明提供了一种可实现在电机转子具有正反转初速度的情况下带速重投的PMSM全程无位置传感器控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机无位置传感器控制带速重投方法，包括以下步骤：

1).首先判断永磁同步电机PMSM的初始状态，采集电机三相端电压u_aN、u_bN、u_cN，若电机初始状态为静止或转速低于某一速度，则电机的端电压几乎为零；否则，电机将具有一定的端电压幅值，由此幅值来估计电机的速度和位置信息，PMSM可等效为三相对称负载，s为电机中性点

2).由PMSM的三相反电动势对称性知：

u_as+u_bs+u_cs＝0 (2)

整理式(1)和式(2)得PMSM的三相反电动势为：

参考坐标系，对式(3)进行Clarke坐标变换重构出两相静止坐标系下的反电动势：

式中，e_αs、e_βs分别为两相静止坐标系α、β轴上的反电动势；

3).通过重构出的α、β轴反电动势可判断电机速度方向，若电机正转，则e_αs超前e_{β s}90度；反之，e_αs落后e_βs90度；所述方法在e_αs小于零阶段判断e_βs过零方向，即e_βs过零后为负，表明电机处于正转；当e_βs过零后为正，表明电机处于反转；

对式(4)再进行Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的直轴(direct-axis，d轴)和交轴(quardrature-axis，q轴)上的反电动势：

式中，分别为d、q轴上估计的反电动势；为估计的电角度；

4).PMSM的速度和位置估计：

用一个PI控制器将转子d轴的反电动势控制为零，利用此锁相环来估计电机转子的速度再对速度进行积分得到电机的估算位置求得其传递函数为：

其中，k_p和k_i为锁相环转子位置估算比例增益和积分增益，得特征参数：

其中，ω_t为锁相环转子位置估计的频宽，为阻尼系数，由式(6)、式(7)和式(8)得

5).PMSM的带速重投策略选择，过程为：

5.1.当PMSM的初始状态为静止或转速低于某一速度时，直接切入正常启动模式；

5.2.当估计出电机为反转时，切入反转带速重投模式：在驱动器介入工作时刻，将PLL估计的电机转子位置、速度以及电压等赋给龙伯格观测器及系统控制器，并先使电机减速到零，再从零速重新进入正转启动模式；

5.3.当估计出电机为正转时，切入正转带速重投模式：在驱动器介入工作时刻，将PLL估计的电机转子位置、速度以及电压等赋给龙伯格观测器及系统控制器，进入正常基于龙伯格状态观测器的位置估计闭环控制，从而保证PMSM系统平滑切入正常工作模式。这样，系统将会从驱动器介入工作前一刻的状态平稳的运行到驱动器介入工作后的状态，最后达到稳定状态。

本发明的有益效果主要表现在：(1)实现了在PMSM具有正反转初速度的状态下都能平稳的启动，最后达到稳定状态；(2)计算量小，易于实现，很好地体现了新方法的工程化与实用化。

附图说明

图1是本发明所提PMSM无位置传感器控制带速重投方法流程图。

图2是三相电压型逆变器驱动的PMSM系统拓扑及端电压检测原理图。

图3是本发明原理推导过程中所使用的坐标系。

图4是本发明中判断电机初始速度方向的原理示意图，其中，(a)表示电机正转，(b)表示电机反转。

图5是本发明中基于锁相环的位置与转速估计原理框图。

图6是静止状态下采用本发明策略的转速和相电流启动波形图。

图7是初始速度为正转状态下采用本发明策略的转速和相电流启动波形图。

图8是初始速度为正转状态下未采用本发明策略的转速和相电流启动波形图。

图9是初始速度为反转状态下采用本发明策略的转速和相电流启动波形图。

图10是初始速度为反转状态下未采用本发明策略的转速和相电流启动波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图10，一种永磁同步电机无位置传感器控制带速重投方法，PMSM无位置传感器控制方法可实现在电机驱动器无电压输出时具有正反转初速度的情况下带速重投的性能，其方法流程包括：

1)驱动器无电压输出时PMSM端电压采集和相电压(反电动势)计算；

2)两相静止和旋转坐标系下的相电压重构；

3)电机初始状态下的速度方向判断；

4)转子位置及速度估计；

5)PMSM带速重投策略选择。

参照图2，该图为三相电压型逆变器驱动的PMSM系统拓扑及端电压检测原理，通过采集电机三相端电压u_aN、u_bN、u_cN，结合电路知识和坐标变换原理重构出旋转坐标系下的d、q轴反电动势。如图2，PMSM可等效为三相对称负载，s为电机中性点，则由图2可知：

由PMSM的三相反电动势对称性可知：

u_as+u_bs+u_cs＝0 (2)

整理式(1)和式(2)可得PMSM的三相反电动势为：

参考坐标系如图3，对式(3)进行Clarke坐标变换重构出两相静止坐标系下的反电动势：

式中，e_αs、e_βs分别为两相静止坐标系α、β轴上的反电动势。

对式(4)再进行Park坐标变换可得到两相旋转坐标系下的直轴(direct-axis，d轴)和交轴(quardrature-axis，q轴)上的反电动势：

式中，分别为d、q轴上估计的反电动势；为估计的电角度；

参照图3，展示了PMSM中相关变量的空间示意以及三种坐标系的位置关系。

参照图4，通过重构出的α、β轴反电动势可判断电机速度方向，若电机正转，则e_αs超前e_βs90度；反之e_αs落后e_βs90度。所述方法在e_αs小于零阶段判断e_βs过零方向，即e_βs过零后为负，表明电机处于正转；当e_βs过零后为正，表明电机处于反转。

参照图5，利用此锁相环来估计电机的速度再对速度进行积分得到电机的估算位置由图5可求得其传递函数为：

其中，k_p和k_i为锁相环转子位置估算比例增益和积分增益，可得特征参数：

其中，ω_t为锁相环转子位置估计的带宽，为阻尼系数，由式(6)、式(7)和式(8)易得

参照图6，在PMSM静止初始状态下的转速和相电流启动波形。

参照图7和图8，为驱动器无电压输出时，人为给PMSM一个正转初速度时驱动器介入工作，此时电机转速和相电流的实验波形。从图7中可以看出，在驱动器介入工作时刻，电机的转速和相电流变化平稳，估计转速很快跟踪上给定转速，几乎没有出现电流冲击的现象，表明了电机在具有正转初速度情况下速度重新投入的可靠性。但是若未采用本发明，从图8中可以看，驱动器介入工作后，估计转速并不能跟踪上给定的转速，相电流变大，导致电机失步而启动失败。

参照图9和图10，为驱动器无电压输出时，人为给PMSM一个反转初速度时驱动器介入工作，此时电机转速和相电流的实验波形。从图9中可以发现，整个启动过程中，电机的转速和相电流变化平稳，估计转速也能快速跟踪上给定转速，表明了电机在具有反转初速度情况下速度重新投入的可靠性。图10为未采用本发明时的实验波形，易发现，驱动器介入工作后，估计转速并不能跟踪上给定的转速，相电流在驱动器介入工作后变大，导致电机失步而启动失败。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机无位置传感器控制带速重投方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

1).首先判断永磁同步电机PMSM的初始状态，采集电机三相端电压u_aN、u_bN、u_cN，若电机初始状态为静止或转速低于某一速度，则电机的端电压几乎为零；否则，电机将具有一定的端电压幅值，由此幅值来估计电机的速度和位置信息，PMSM可等效为三相对称负载，s为电机中性点

2).由PMSM的三相反电动势对称性知：

u_as+u_bs+u_cs＝0 (2)

整理式(1)和式(2)得PMSM的三相反电动势为：

参考坐标系，对式(3)进行Clarke坐标变换重构出两相静止坐标系下的反电动势：

式中，e_αs、e_βs分别为两相静止坐标系α、β轴上的反电动势；

3).通过重构出的α、β轴反电动势可判断电机速度方向，若电机正转，则e_αs超前e_βs90度；反之，e_αs落后e_βs90度；所述方法在e_αs小于零阶段判断e_βs过零方向，即e_βs过零后为负，表明电机处于正转；当e_βs过零后为正，表明电机处于反转；

对式(4)再进行Park坐标变换得到两相旋转坐标系下的d轴和q轴上的反电动势：

式中，分别为d、q轴上估计的反电动势；为估计的电角度；

4).PMSM的速度和位置估计：

用一个PI控制器将转子d轴的反电动势控制为零，利用此锁相环来估计电机转子的速度再对速度进行积分得到电机的估算位置求得其传递函数为：

其中，k_p和k_i为锁相环转子位置估算比例增益和积分增益，得特征参数：

其中，ω_t为锁相环转子位置估计的频宽，为阻尼系数，由式(6)、式(7)和式(8)得

5).PMSM的带速重投策略选择，过程为：

5.1.当PMSM的初始状态为静止或转速低于某一速度时，直接切入正常启动模式；

5.2.当估计出电机为反转时，切入反转带速重投模式：在驱动器介入工作时刻，将PLL估计的电机转子位置、速度以及电压等赋给龙伯格观测器及系统控制器，并先使电机减速到零，再从零速重新进入正转启动模式；

5.3.当估计出电机为正转时，切入正转带速重投模式：在驱动器介入工作时刻，将PLL估计的电机转子位置、速度以及电压等赋给龙伯格观测器及系统控制器，进入正常基于龙伯格状态观测器的位置估计闭环控制，从而保证PMSM系统平滑切入正常工作模式；这样，系统将会从驱动器介入工作前一刻的状态平稳的运行到驱动器介入工作后的状态，最后达到稳定状态。