CN110518857A - 无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，它包括如下步骤：步骤A：计算电机的输入功率Pin和输出功率Pout；步骤B：计算误差值ERR＝|Pin‑K1×Pout|，K1是系数；步骤C：判断ERR是否大于或者等于某个预设值P0，如果是，则返回步骤A；如果不是，则判断为堵转状态，即处于异常闭环稳态状态，进入步骤D；步骤D：电机微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号。它能准确判断出电机变成堵转状态，避免电机变成堵转状态时仍然进入一个稳态的闭环状态，使电机处于高频小幅震荡状态，完善保护策略，有效保护电机，根本解决这个堵转状态的判断问题，且更换负载后无需也修改产生，给用户带来很大方便。

Description

无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法

技术领域：

本发明涉及无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法。

背景技术：

带霍尔传感器的永磁同步电机，能够时刻通过霍尔传感器感知转子位置和转速信息，所以整个控制稳定可靠，也能够准确的判断电机堵转故障。但霍尔传感器成本较高，装配工艺复杂，而且不能在环境恶劣的条件下长时间使用。目前很多厂家都开始逐步推广无霍尔传感器的永磁同步电机，解决的带霍尔传感器的弊端，大大拓展了永磁同步电机的应用范围。但电机转子位置等信息是通过复杂算法估算获得，对控制算法的可靠性要求很高。

例如美国专利US7525269公开的无位置传感器三相同步电机矢量控制器，公开了电流转矩控制模式，进行恒转矩控制。

中国专利CN103929109(A)也公开，基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机的恒转速控制方法。

在无位置传感器矢量控制永磁同步电机的运行过程中，负载变大，电机不足以拖动其运转会造成电机堵转状态_，一旦出现堵转状态，电机的微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号，关闭逆变器IGBT，避免造成电流过大而烧毁电子元器件。

传统的堵转状态的判断方法主要是判断转速和电流两个参数，基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机的控制，通常是通过侦测BEMF(反电动势)来计算电机转子位置，BEMF的估测都是通过逆变器输出电压、读取电机电流，再由电机的电阻、电感等参数计算而来。逆变器输出电压主要是由PWM的占空比估算，例如100V 50％占空比，理论上等效于输出电压为50V，但由于IGBT等电力电子元器件的固有特性(开通、关断延时、死区时间等)会造成估算误差，电机电感值一般是在零电流下测量，而真实应用由于有电流，电感值会稍微偏低。当电机从运行状态变成堵转状态时，有可能会出现这种情况，控制器读回的电机电流值与逆变器输出电压值进行自我运算后进入一个稳态的闭环状态。而电机实际上并没有运转，逆变器输出电压幅值和读回的电机电流的幅值都很小，也不足以拖动电机运转，控制系统会根据输出电压、返回电机电流等参数误判为电机处于正常运转状态，但此时电机处于高频小幅震荡状态，小功率的电机更容易在堵转时进入此状态，造成判断错误，影响电机的运作，即电机发生堵转时，有可能不进入保护状态的情况，还继续驱动电机运行，容易造成电机损坏。

大部分的闭环控制系统都会遇到情况，输出电压产生电流，电流返回到系统计算推导输出电压，形成一个闭环稳态状态。这种情况属于异常情况，对于电机控制系统来说，电机会持续处于高频小幅振动情况，所以需要有一种方法来辨别判断此异常情况。

传统的判断方法有2种：1)对控制系统的输出进行幅值判断，能够避免部分此异常情况，但由于输出电压的偏差和电机电感的偏差，不能根本性杜绝此异常情况；2)对返回电流的幅值和估算电机转速进行判断，若电流连续低于一定门槛值，转速连续高于一定门槛值，则判断为异常，这种方法容易误判，而且不适合小功率的电机，适用范围广。在之前基于无感矢量控制的永磁同步电机控制系统验证调试时，就发生过异常稳态闭环情况，解决此问题就是不断修正控制参数，传统的通过转速、电流等来判断堵转的策略能分辨出此时的状态，但是只能减少其出现几率，不能根本性解决此类问题。而且更换负载后，又需要不断修正控制参数。

发明内容：

本发明的目的是提供无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，主要解决现有技术中堵转状态判断准确性不高，适用范围较窄，更换负载后无需再修改控制参数，比较麻烦的技术问题。

本发明的目的是通过以下的技术方案予以实现的：

无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：该方法是通过比较输入功率Pin和输出功率Pout来判断堵转状态。

上述所述的方法包括如下步骤：

步骤A：计算电机的输入功率Pin和输出功率Pout；

步骤B：计算误差值ERR＝|Pin-K1×Pout|，K1是系数；

步骤C：判断ERR是否大于或者等于某个预设值P1，如果是，则返回步骤A；如果不是，则判断为堵转状态，即处于异常闭环稳态状态。

上述在步骤C中当判断为堵转状态，进入步骤D：电机微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号。

上述所述的系数K1的范围是1-2之间。

上述的预设值P1＝K2×Pin,K2是系数，系数K2的范围是1-2.5之间。

上述所述的K1的范围是1.2-1.4之间，K1的范围是1.2-1.4之间。

上述所述的输入功率Pin是这样获得：

Pin＝I×Vin＝iq×Vdc×Duty其中：iq为电流q轴分量，Vdc为母线电压，Duty为逆变器输出占空比。

上述所述的输出功率Pout是这样获得：

Pout＝iq×2π×f×φ＝2π×spd/60×pole/2×φ；其中iq为电流q轴分量，f为电机的极对数，spd为估算转速，pole为电机极数，φ为磁通量。

本发明与现有技术相比具有有益效果是：

1)无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，它包括如下步骤：步骤A：计算电机的输入功率Pin和输出功率Pout；步骤B：计算误差值ERR＝|Pin-K1×Pout|，K1是系数；步骤C：判断ERR是否大于或者等于某个预设值P0，如果是，则返回步骤A；如果不是，则判断为堵转状态，即处于异常闭环稳态状态，进入步骤D；步骤D：电机微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号。它能准确判断出电机变成堵转状态，避免电机变成堵转状态时仍然进入一个稳态的闭环状态，使电机处于高频小幅震荡状态，完善保护策略，有效保护电机，根本解决这个堵转状态的判断问题，且更换负载后无需也修改产生，给用户带来很大方便。

2)本发明的其它优点在实施例部分再展开陈述。

附图说明：

图1是无位置传感器矢量控制永磁同步电机原理示意图。

图2是永磁同步电机矢量控制的各坐标系关系图；

图3是本发明永磁同步电机的立体图；

图4是本发明永磁同步电机的电机控制器的立体图；

图5是本发明永磁同步电机的剖视图；

图6是本发明永磁同步电机的电机控制器的原理方框图；

图7是图6对应的电路图；

图8是本发明的永磁同步电机的矢量控制流程图；

图9是本发明的程序控制流程图。

具体实施方式：

下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。

如图1所示，简述无位置传感器矢量控制永磁同步电机的基本工作原理(教科书有详细的描述)，永磁同步电机看作是定子的旋转磁场与转子旋转磁场相互作用的结果，图中有两个坐标系，一个是转子旋转坐标系dq轴；另一个定子静止坐标系ABC坐标系(可以转换成αβ相互垂直的坐标系)；转子可以看作是励磁电流if的作用以转速wr旋转，定子可以看作是励磁电流is的作用以转速ws旋转,图中定子的合成矢量是S；根据电磁转矩的计算公式：

T_e＝P₀·ψ_f×i_q------(1)

P0是电机的极对数(常数)，Ψf是励磁电流if的作用产生的磁链，由于转子是永磁转子，if＝0,Ψf变成常数，电磁转矩的公式变成：

T_e＝K×i_q------(2)

K是一个常数，永磁同步电机电磁转矩Te只与q轴电流有关。

如图2所示，定子静止坐标系ABC坐标系用αβ相互垂直的坐标系代替。定子静止坐标系是αβ的坐标系，转子旋转坐标系是dq坐标系，αβ的坐标系与dq坐标系的夹角是θ。

如图3、图4、图5所示，举例：假设本发明是一种三相永磁同步电机,由电机控制器2和电机单体1,所述的电机单体1包括定子组件12、转子组件13和机壳组件11，定子组件13安装在机壳组件11上，转子组件13套装在定子组件12的内侧或者外侧组成，电机控制器2包括控制盒22和安装在控制盒22里面的控制线路板21，控制线路板21一般包括电源电路、微处理器、母线电压检测电路、逆变器，电源电路为各部分电路供电，母线电压检测电路将直流母线电压Udc输入到微处理器，微处理器控制逆变器，逆变器控制定子组件12的各相线圈绕组的通断电。

如图6、图7所示，假设3相无刷直流永磁同步电机的相线电流检测电路将各相的电流Ia、Ib、Ic输入到微处理器。交流输入(AC INPUT)经过由二级管D7、D8、D9、D10组成的全波整流电路后，在电容C1的一端输出直流母线电压Vdc,直流母线电压Vdc与输入交流电压有关，微处理器输入一定占空比的PWM信号到逆变器，逆变器由电子开关管q1、q2、q3、q4、q5、q6组成，电子开关管q1、q2、q3、q4、q5、q6的控制端分别由微处理器输出的6路PWM信号(P1、P2、P3、P4、P5、P6)控制。一定占空比的PWM信号是指占空比为Duty的PWM信号。

如图2和图8所示，利用各相的电流Ia、Ib、Ic可以计算出的d轴电流Id和q轴电流Iq，利用位置&速度观测器可以得到αβ的坐标系与dq坐标系的夹角是θ和速度spd，电机微处理器里面设置有磁通观测器，利用d轴电流Id、q轴电流Iq、夹角是θ、电机电阻、电感和速度spd等参数可以计算出磁通φ，这些在教科书都有记载，在此，不再叙述。

本发明的方法是通过比较输入功率Pin和输出功率Pout来判断堵转状态。

如图9所示，本发明的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤A：计算电机的输入功率Pin和输出功率Pout；

步骤B：计算误差值ERR＝|Pin-K1×Pout|，K1是系数；

步骤C：判断误差值ERR是否大于或者等于某个预设值P1，如果是，则返回步骤A；如果不是，则判断为堵转状态，即处于异常闭环稳态状态，进入步骤D；

步骤D：电机微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号。

本发明能准确判断出电机变成堵转状态，避免电机变成堵转状态时仍然进入一个稳态的闭环状态，使电机处于高频小幅震荡状态，完善保护策略，有效保护电机，根本解决这个堵转状态的判断问题，且更换负载后无需也修改产生，给用户带来很大方便。算法简单，控制简便。

上述所述的系数K1的范围是1-2之间。

上述所述的预设值P1＝K2×Pin,K2是系数，系数K2的范围是1-2.5之间。

上述所述的K1的范围是1.2-1.4之间，K1的范围是1.2-1.4之间，参数设置较为合理，更符合电机的实际状况。

上述所述的输入功率Pin是这样获得：

Pin＝I×Vin＝iq×Vdc×Duty其中：iq为电流q轴分量，Vdc为母线电压，Duty为逆变器输出占空比。算法简单，可以减少微处理器的负担。

上述所述的输出功率Pout是这样获得：

Pout＝iq×2π×f×φ＝2π×spd/60×pole/2×φ；其中iq为电流q轴分量，f为电机的极对数，spd为估算转速，pole为电机极数，φ为磁通量。算法简单，可以减少微处理器的负担。

经过分析、推论和试验后，本发明能够准确、快速的分辨出堵转时异常的稳态闭环状态，可彻底解决此类问题，也能适应于不同的功率段和负载类型。

以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：该方法是通过比较输入功率Pin和输出功率Pout来判断堵转状态。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：它包括如下步骤：

步骤A：计算电机的输入功率Pin和输出功率Pout；

步骤B：计算误差值ERR＝|Pin-K1×Pout|，K1是系数；

步骤C：判断ERR是否大于或者等于某个预设值P1，如果是，则返回步骤A；如果不是，则判断为堵转状态，即处于异常闭环稳态状态。

3.根据权利要求2所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：在步骤C中当判断为堵转状态，进入步骤D：电机微处理器封锁输出到逆变器的脉冲信号。

4.根据权利要求2或3所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：系数K1的范围是1-2之间。

5.根据权利要求4所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：预设值P1＝K2×Pin,K2是系数，系数K2的范围是1-2.5之间。

6.根据权利要求5所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：K1的范围是1.2-1.4之间，K1的范围是1.2-1.4之间。

7.根据权利要求2或3所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：输入功率Pin是这样获得：

Pin＝I×Vin＝iq×Vdc×Duty其中：iq为电流q轴分量，Vdc为母线电压，Duty为逆变器输出占空比。

8.根据权利要求7所述的无位置传感器矢量控制永磁同步电机的堵转状态判断方法，其特征在于：输出功率Pout是这样获得：

Pout＝iq×2π×f×φ＝2π×spd/60×pole/2×φ；其中iq为电流q轴分量，f为电机的极对数，spd为估算转速，pole为电机极数，φ为磁通量。