CN109995293B - 永磁同步电机无速度传感器控制下i/f启动与闭环控制的切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法，其优点在于在进入永磁同步电机的无速度传感器控制算法中断主循环后，系统采用给定励磁电流i_sd ^*＝0的单电流闭环控制，然后在条件和要求的设定下，通过电压矢量角度的调整后，找到合适的切换点，保证u_sq值接近真实的反电动势e，即完成对电压矢量和电流矢量双旋转角度控制，以保证在I/F启动切换到闭环控制的过程中电流波动最小，动态响应最快，永磁同步电机运行平稳，转速没有异常波动。

Description

永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切 换方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机无速度传感器控制技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法。

背景技术

永磁同步电机不仅广泛应用于工业控制领域，也越来越多的在空气能热泵、家用电器、风机水泵等民用行业领域受到关注。由于受应用工况以及机械结构的制约，这些应用领域无法安装用于速度反馈的编码器。

但在永磁同步电机的矢量控制中不仅需要获知电机转速，而且需要精确的转子位置。而无速度反馈控制的核心在于通过算法来获得电机运行速度，以此取代机械型编码器。因此基于无速度估算的矢量控制技术成为了目前的主流趋势。现主要有以下几类控制策略：(1)基于电机反电动势的观测方法，通过采样或计算的方式来获取电机运行时的输入端电压，以此推算出电机的反电动势值，进而获得电机转速。现主要有直接计算法和假定旋转坐标法(hypothetical reference frame，HRF)等。图1是假定旋转坐标法控制框图，其速度估计由两部分组成，即根据电压方程计算获得的电机速度以及根据自适应PI控制获得的速度增量，将两部分相加获得最终的电机速度。(2)根据电机本体结构上的电磁特性，如内嵌式永磁同步电机存在明显的电磁凸极。通过注入电流来检测电机电感量的大小获得电机位置信号，如高频注入法等。(3)采用状态观测器等估算方法，主要有卡尔曼滤波器、滑模观测器等。

通常在整个速度范围内需要结合两种或以上的控制策略来解决启动和高低速的控制问题。从而需要采用合适的切换方法来实现电机速度的平稳过渡。因此，常规做法是通过速度开环启动，如传统的I/F流频法，I/F的控制框图如图2所示，等永磁同步电机的转速达到一定程度后再切入假定旋转坐标法的速度电流双闭环控制，这种控制涉及到两种控制方法的切换问题，需要单独考虑切换过程，设置切换程序等，如果切换不好还会发生永磁同步电机转速异常波动的情况，严重者会造成永磁同步电机飞车，启动失败的情况。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法，通过找到合适的切换点，以保证从I/F启动切换到闭环控制时电流波动最小，动态响应最快，保持永磁同步电机运行平稳。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法，具体包含如下步骤：

步骤1)进入永磁同步电机的无速度传感器控制算法中断主循环，先判断flagC是否为1，如果是则进入步骤2)，否则进入步骤9)；其中，flagC是指I/F的控制标志位C；

步骤2)永磁同步电机的无速度传感器控制系统采用给定i_sq ^*＝i_sq1、i_sd ^*＝0的单电流闭环控制，假定旋转坐标法(hypothetical reference frame，HRF)的速度估算环不运行；其中，i_sq1为力矩电流；

步骤3)比较给定速度ω_s ^*和启动频率ω_b的大小；当满足条件ω_s ^*≥ω_b且flagA＝0时，设置给定速度ω_s ^*＝ω_b，并且计算两项误差值Δe1和Δe2，Δe1＝E_b-ke(u_sq-i_sq×R)，Δe2＝i_sq×L_q×ω_s ^*-u_sd+i_sd×R；如条件不满足则跳到步骤7)；其中，flagA表示启动标志位A，E_b表示启动频率ω_b对应的反电动势值，ke是电机反电动势常数，u_sd、u_sq分别是dq轴的电压矢量，i_sd、i_sq分别是dq轴的电流矢量，L_q表示电机q轴电感量，R表示电机相电阻；

步骤4)判断Δe1、Δe2是否满足范围；当满足要求0<Δe1<k₁且Δe2>k₂或flagB＝1时，进入步骤5)；不满足要求则进入步骤6)；其中，k₁取值为0.03ω_b对应的反电动势电压值，k₂取值为0.02e_r，e_r表示额定反电动势值，flagB表示角度标志位B；

步骤5)进入I/F的参数与HRF的内容参数的切换：将给定i_sq ^*赋给HRF系统的速度环积分累计值，将给定速度ω_s ^*值赋给HRF系统的速度估计值，并设置flagA＝1，跳到步骤8)；

步骤6)Δθv＝Δθv+Δθadd，如果Δθv≥Δθmax时，设置Δθv＝Δθmax，并且flagB＝1；跳到步骤8)；其中，Δθv为假定旋转坐标的电压矢量角度增量，Δθadd为电压矢量角增加步进量，Δθadd＝C₂，C₂取值为0.0045°，Δθmax为最大电压矢量角增量，Δθmax＝C₄，C₄取值为60°；

步骤7)判断flagA是否为1；flagA为0跳到步骤8)，flagA为1则Δθv＝Δθv-Δθsub，如果Δθv<0，设置Δθv＝0，flagC＝0，跳到步骤9)；Δθsub为电压矢量角减少步进量，Δθsub＝C₃，C₃取值为0.004°；

步骤8)θv＝θi+Δθv，并查表获得θv对应的正余弦量用于电压反Park变换中，跳到步骤10)；其中，θv是电压反Park变换中使用的电角度值，θi是电流Park变换中使用的电角度值；

步骤9)θv＝θi，电压反Park变换和电流Park变换采用统一电角度值；

步骤10)执行假定旋转坐标法速度估算程序，速度电流双闭环控制程序。

作为优选，ω_b的取值为0.15ω_r，ω_r表示电机额定频率；E_b的取值为0.15e_r。

与现有技术相比，本发明的优点在于在步骤3)的条件和步骤4)的要求的设定下，通过步骤5)、6)、7)的调整后，找到合适的切换点，保证u_sq值接近真实的反电动势e，即完成对电压矢量和电流矢量双旋转角度控制，以保证在I/F启动切换到闭环控制的过程中电流波动最小，动态响应最快，永磁同步电机运行平稳，转速没有异常波动。

作为优选，步骤2)所述i_sq1在系统d轴与真实转子轴的角度差Δθ控制在20°～35°的情况下获得。由于电感量L_q对角度差Δθ的影响，有可能导致Δθ小于0，即系统d轴超前于转子真实轴，需要保证在I/F启动切换到闭环控制时Δθ要大于20°，以避免后续步骤切换时存在问题。

作为优选，i_sq1的获得步骤如下：

S1在I/F启动下，待速度达到启动频率ω_b时，保持该频率稳定运行，同时计算出系统d轴与真实转子轴的角度差Δθ，

其中，L_d表示电机d轴电感量；

S2根据步骤S1的角度差Δθ，计算出i_sq1，

根据永磁同步电机的转矩-功角自平衡原理，调节i_sq1大小获得使角度差Δθ在20°～35°的i_sq1；其中，i_sq0为设定的电机q轴初始电流，Δθ₀由i_sq＝i_sq0代入式

中计算获得。

附图说明

图1为基于假定旋转坐标法的永磁同步电机矢量控制框图。

图2为I/F流频法的控制框图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本优选实施例为一种永磁同步电机无速度传感器控制方法，其具体步骤如下：

在永磁同步电机启动前，对永磁同步电机无速度传感器控制系统相关控制参数进行初始化：设置启动频率ω_b，启动频率ω_b对应的反电动势电压值E_b，启动标志位A：flagA＝0，角度标志位B：flagB＝0，I/F开环控制标志位C：flagC＝1，假定旋转坐标的电压矢量角度增量Δθv＝0，电压矢量角增加步进量Δθadd＝C₂，电压矢量角减少步进量Δθsub＝C₃，最大电压矢量角增量Δθmax＝C₄，设定误差系数k₁、k₂。其中，E_b的取值为0.15e_r，e_r表示额定反电动势值，C₂取值为0.0045°，C₃取值为0.004°，C₄取值为60°，k₁取值为0.03ω_b对应的反电动势电压值，k₂取值为0.02e_r，ω_b的取值为0.15ω_r，ω_r表示电机额定频率；flagA＝0表示切换动作未完成，flagA＝1表示切换动作完成，flagB＝0表示切换时电压矢量角未达到限幅值，flagB＝1表示切换时电压矢量角达到限幅值，flagC＝0表示不需要切换，flagC＝1表示需要切换。

完成初始化后，进入控制的第一部分，即I/F速度开环启动。

S1:进行I/F启动，待速度达到启动频率ω_b时，保持该频率稳定运行，同时计算出系统d轴与真实转子轴的角度差Δθ。

其步骤如下：

根据假定旋转坐标法计算公式：

两式中u_sd、u_sq分别是dq轴的电压矢量，i_sd、i_sq分别是dq轴的电流矢量，L_d、L_q分别表示电机dq轴的电感量，t表示时间，ω_s ^*为电机给定频率，R表示电机相电阻，ψ_r表示永磁体磁链；

将式(1)、(2)变形后获得角度差Δθ的计算公式如下：

当控制系统启动时采用i_sd ^*＝0、i_sq ^*＝C₁(C₁为常数)的控制策略时，如图2所示，可以通过电流环输出获得u_sd、u_sq值，另外电机给定频率ω_s ^*和电机q轴电感L_q已知，则可以知道在I/F控制下给定坐标轴与真实转子轴的角度差Δθ。通常在启动时采用给定大电流的控制策略，而且当负载为恒转矩或类似于风机、水泵、压缩机等转矩与转速成正比的负载时，其转速恒定时负载力矩恒定。

S2:将该角度差Δθ控制在30°左右。

根据永磁同步电机的转矩-功角自平衡原理，在I/F控制下减少给定电流I_q值将会使角度差Δθ减少，也即给定坐标向真实转子轴靠近。考虑到实际系统中存在死区效应、电机参数等非线性因素，缩小给定电流i_sq使Δθ接近于30°。因为在开环控制，当Δθ接近于零时会造成电机的失步等异常情况，故选择控制在30°左右。

设定电机q轴初始电流为i_sq0，将i_sq＝i_sq0代入式(3)计算出的角度为Δθ₀，为了将Δθ控制在接近30°的区间内，考虑恒转矩负载，此时需要给出的力矩电流i_sq1如下式：

这里在减少i_sq1电流，使Δθ在30°左右时，由于受L_q参数的影响，当计算用L_q值偏大时，Δθ₀将比实际要偏小，从而式(4)中获得的i_sq1大于实际需要的，故最终Δθ要大于30°；当计算时L_q值偏小时，Δθ₀将比实际要偏大，从而式(4)中获得的i_sq1小于实际需要的，故最终Δθ要小于30°。其中，从i_sq1减少到0的时间t＝0.2秒。

考虑到电感L_q对上步骤误差角定位的影响，可能造成的后果是Δθ小于零，即系统d轴超前于转子真实轴，这会造成后续步骤切换时存在问题，因此这里需要对本第二阶段输出电流后的Δθ进行重新核算，保证在I/F切换到HRF时Δθ要大于20°。

这里完成式(4)的第二阶段电流输出后，等待电流稳定后，重新计算式(3)，保证计算出的Δθ应大于20°；如Δθ小于20°，则重新增加i_sq1值，直到调整至电流稳定后Δθ在20°～35°的区间内。

经过第一部分I/F启动的步骤S1和步骤S2的控制，已经实现了系统d轴与真实转子轴在30°的误差区间内，但要保证I/F法到闭环切换时，还是会经过动态调节以及电角度突变，在HRF估算电机转速时，反电动势主要由u_sq计算决定，由于存在系统控制和参数误差，S1和S2的控制依然无法保证u_sq值接近真实的反电动势e。因此控制第二部分的目的是找到合适的切换点，完成永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换，在此切换点保证u_sq、u_sd从I/F切换到HRF时电流波动最小，动态响应最快。

S3:进入I/F启动与闭环控制的切换过程，I/F启动与闭环控制的切换方法具体步骤如下：

步骤1)进入永磁同步电机的无速度传感器控制算法中断主循环，先判断flagC是否为1，如果是则进入步骤2)，否则进入步骤9)；

步骤2)永磁同步电机的无速度传感器控制系统采用给定i_sq ^*＝i_sq1、i_sd ^*＝0的单电流闭环控制，HRF的速度估算环不运行；

步骤3)比较给定速度ω_s ^*和启动频率ω_b的大小；当满足条件ω_s ^*≥ω_b且flagA＝0时，设置给定速度ω_s ^*＝ω_b，并且计算两项误差值Δe1和Δe2，Δe1＝E_b-ke(u_sq-i_sq×R)，Δe2＝i_sq×L_q×ω^*-u_sd+i_sd×R；如条件不满足则跳到步骤7)；其中，ke是电机反电动势常数；

步骤4)判断Δe1、Δe2是否满足范围；当满足要求0<Δe1<k₁且Δe2>k₂或flagB＝1时，进入步骤5)；不满足要求则进入步骤6)；

步骤5)进入I/F的参数与HRF的内容参数的切换：将给定i_sq ^*赋给HRF系统的速度环积分累计值，将给定速度ω_s ^*值赋给HRF系统的速度估计值，并设置flagA＝1，跳到步骤8)；

步骤6)Δθv＝Δθv+Δθadd；如果Δθv≥Δθmax时，设置Δθv＝Δθmax，并且flagB＝1；跳到步骤8)；

步骤7)判断flagA是否是1；flagA为0跳到步骤8)，flagA为1则Δθv＝Δθv-Δθsub，如果Δθv<0，设置Δθv＝0，flagC＝0，跳到步骤9)；

步骤8)θv＝θi+Δθv，并查表获得θv对应的正余弦量用于电压反Park变换中，跳到步骤10)；其中，θv是电压反Park变换中使用的电角度值，θi是电流Park变换中使用的电角度值；

步骤9)θv＝θi，电压反Park变换和电流Park变换采用统一电角度值；

步骤10)执行假定旋转坐标法速度估算程序，速度电流双闭环控制程序。

控制第三部分为进入基于假定旋转坐标法的速度电流双闭环控制，保持永磁同步电机运行平稳。

S4由假定旋转坐标法进行转速估算的永磁同步电机矢量控制框图如图1所示。图中转速估算部分是无传感器矢量控制系统的核心，它由两部分组成，第一部分是由电机反电动势计算而来，第二部分由自适应PI控制器输出，两部分相加获得电机同步转速的估计值。整个控制系统采用速度、电流双闭环的工作模式，其中速度环输出作为转矩电流的给定值，励磁电流给定值为零，两个电流环输出即为电压矢量值，经空间矢量发生器后获得三相全桥的驱动信号用于控制功率器件。

图1采用励磁电流i_sd ^*＝0的控制方法。

下面简要介绍一下控制原理，式(5)是同步旋转坐标下的电机电压方程：

式中ω_s是同步转速，p是微分算子，Δθ_s是同步旋转坐标系与转子轴的夹角(转子轴沿转向超前同步旋转坐标时为正)。理想情况下Δθ_s＝0，此时估算的转子位置和实际转子轴对齐，式(5)可变为式(6)。

由上式获得速度的估计值：

其中ω'_s为速度的估计值，实际运行时Δθ_s并不为零，因此速度估计值存在一定的偏差，需要对其进行修正，该误差表现在d轴电压矢量如下式：

Δu_sd＝ω_s·ψ_r·sin(Δθ_s) (8)

当Δθ_s较小时，sin(Δθ_s)≈Δθ_s，由此可知Δu_sd与Δθ_s成正比，对电压误差Δu_sd进行自适应PI调节即可获得速度估计的修正量如下：

Δω_s＝k_ωp·Δu_sd+k_ωi·∫Δu_sddt (9)

其中k_ωp、k_ωi分别是比例和积分系数，用修正量Δω_s去调整估计转速可以使位置偏差收敛。式(9)中的电压偏差如下式：

Δu_sd＝-ω_s·L_q·i_sq+(R+L_d·p)·i_sd-u_sd* (10)

其中u_sd*是d轴电流环的输出值，最终可获得速度估计值如下。

ω_s＝ω'_s+sign(ω_s)·Δω_s (11)

Claims (2)

1.一种永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法，其特征在于，具体包含如下步骤：

步骤1)进入永磁同步电机的无速度传感器控制算法中断主循环，先判断flagC是否为1，如果是则进入步骤2)，否则进入步骤9)；其中，flagC是指I/F的控制标志位C，flagC初始值为1，flagC＝0表示不需要切换，flagC＝1表示需要切换；

步骤2)永磁同步电机的无速度传感器控制系统采用给定i_sq ^*＝i_sq1、i_sd ^*＝0的单电流闭环控制，假定旋转坐标法的速度估算环不运行；其中，i_sq1为力矩电流，i_sq1的获得步骤如下：S1在I/F启动下，待速度达到启动频率ω_b时，保持该频率稳定运行，同时计算出系统d轴与真实转子轴的角度差Δθ，

其中，L_d表示电机d轴电感量；S2由i_sq＝i_sq0代入式

中计算获得Δθ₀，计算出i_sq1，

i_sq0为设定的电机q轴初始电流；根据永磁同步电机的转矩-功角自平衡原理，调节i_sq1大小获得使角度差Δθ在20°～35°的i_sq1；

步骤3)比较给定速度ω_s ^*和启动频率ω_b的大小；当满足条件ω_s ^*≥ω_b且flagA＝0时，设置给定速度ω_s ^*＝ω_b，并且计算两项误差值Δe1和Δe2，Δe1＝E_b-ke(u_sq-i_sq×R)，Δe2＝i_sq×L_q×ω_s ^*-u_sd+i_sd×R；如条件不满足则跳到步骤7)；

其中，flagA表示启动标志位A，flagA初始值为0，flagA＝0表示切换动作未完成，flagA＝1表示切换动作完成，E_b表示启动频率ω_b对应的反电动势值，ke是电机反电动势常数，u_sd、u_sq分别是dq轴的电压矢量，i_sd、i_sq分别是dq轴的电流矢量，L_q表示电机q轴电感量，R表示电机相电阻；

步骤4)判断Δe1、Δe2是否满足范围；当满足要求0<Δe1<k₁且Δe2>k₂时，或满足要求flagB＝1时，进入步骤5)；不满足要求则进入步骤6)；其中，k₁取值为0.03ω_b对应的反电动势电压值，k₂取值为0.02e_r，e_r表示额定反电动势值，flagB表示角度标志位B，flagB初始值为0，flagB＝0表示切换时电压矢量角未达到限幅值，flagB＝1表示切换时电压矢量角达到限幅值；

步骤5)进入I/F的参数与假定旋转坐标法的内容参数的切换：将给定i_sq ^*赋给假定旋转坐标法系统的速度环积分累计值，将给定速度ω_s ^*值赋给假定旋转坐标法系统的速度估计值，并设置flagA＝1，跳到步骤8)；

步骤6)Δθv＝Δθv+Δθadd；如果Δθv≥Δθmax时，设置Δθv＝Δθmax，并且flagB＝1；跳到步骤8)；其中，Δθv为假定旋转坐标的电压矢量角度增量，Δθv初始值为0，Δθadd为电压矢量角增加步进量，Δθadd＝C₂，C₂取值为0.0045°，Δθmax为最大电压矢量角增量，Δθmax＝C₄，C₄取值为60°；

步骤7)判断flagA是否为1；flagA为0跳到步骤8)；flagA为1则Δθv＝Δθv-Δθsub，如果Δθv<0则Δθv＝0，flagC＝0，跳到步骤9)；Δθsub为电压矢量角减少步进量，Δθsub＝C₃，C₃取值为0.004°；

步骤8)θv＝θi+Δθv，并查表获得θv对应的正余弦量用于电压反Park变换中，跳到步骤10)；其中，θv是电压反Park变换中使用的电角度值，θi是电流Park变换中使用的电角度值；

步骤9)θv＝θi，电压反Park变换和电流Park变换采用统一电角度值；

步骤10)执行假定旋转坐标法速度估算程序，速度电流双闭环控制程序。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无速度传感器控制下I/F启动与闭环控制的切换方法，其特征在于：ω_b的取值为0.15ω_r，ω_r表示电机额定频率；E_b的取值为0.15e_r。

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