CN110943662A - 一种永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法,使永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；通过输出电压和反馈电流计算得到无功功率和反馈电流幅值；通过无功功率、反馈电流幅值和电感计算得到PI控制器输入量；根据中高速切换点速度阈值得到PI控制器调节输出量；根据无功功率与设定阈值比较判断，确定系统运行在速度/电流双闭环控制还是处于速度开环/电流闭环的I/F运行模式。相对于现常用的是加权系数修正转子位置角的过渡方法，本发明所提供的反馈电流幅值在线调节切换方法，可显著降低速度变化率和避免速度振荡问题，提高系统运行的效率和可靠性。

Description

一种永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法

技术领域

本发明属于电气传动技术领域，具体涉及一种永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、功率密度高、效率高、结构简单、噪音低及动态响应快等优点，近年来永磁同步电机驱动系统广泛应用于工业中。永磁同步电机驱动系统在实际应用领域中采用最广泛的是矢量控制策略，但采用带位置传感器的矢量控制系统增加了系统的成本和复杂性，降低了机械强度和对电磁噪声、机械振动以及温度的抗干扰性能力，从而降低了系统的整体可靠性。为了提高运行效率，降低运行成本，增强在特殊工况下的可靠性，采用无位置传感器矢量控制策略的永磁同步电机驱动系统是永磁电机控制技术发展的主流趋势。

无位置传感器矢量控制系统在全速度范围内通常低速启动段采用速度开环/电流闭环的I/F启动方式，在中高速段采用基于反电势积分法的无速度传感器矢量控制策略，这样就涉及在低速启运段和中高速段的过渡过程。现常用的是加权系数修正转子位置角的过渡方法，但是在过渡过程中，电流幅值保持不变，电磁转矩将逐渐增大，这会使电机在这个过程中加速，当切入速度闭环后，仍然会产生速度突变。另外，过渡因子是影响过渡过程的关键因素，它决定了过渡过程所需要的时间，针对不同的负载工况需要进行反复试验调试，这限制了该方案的通用性。本发明所提供的反馈电流幅值在线调节切换方法，保证在I/F运行模式下处于最大转矩/电流比矢量控制模式，其计算的角度与基于反电势积分得到的角度一致，可以实现无缝切换，在切换过程中，采用速度环积分分量实时填充的方式，可显著降低速度变化率和避免速度振荡问题，提高系统运行的效率和可靠性。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对现有永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统低速启动段和中高速切换时产生速度突变和反复调试的缺陷，提供了一种基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节切换方法，能够显著降低速度变化率和避免速度振荡问题，提高系统运行的效率和可靠性。

本发明的技术方案为一种基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；

步骤2，通过输出转矩电压、输出励磁电压、反馈转矩电流、反馈励磁电流分别计算无功功率、反馈电流幅值；

步骤3，通过无功功率、反馈电流幅值、电感、同步速度，计算得到PI控制器输入量；

步骤4，设定中高速切换点速度阈值并给定同步速度，根据给定同步速度以及中高速切换点速度阈值比较，得到输出量；

步骤5，将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制；

作为优选，步骤1中所述控制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式具体为：

设置转矩电流为I_T，励磁电流为I_M＝0，给定同步速度为ω_E，计算得到同步角为

使电流调节器运行工作于闭环模式，得到输出转矩电压为U_T和输出励磁电压为U_M；

速度调节器不调节工作于开环模式，其输出量设置为I_WT＝I_N+I_COMP，从而使永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；

作为优选，步骤2中所述输出转矩电压为U_T，由转矩电流即I_T通过电流调节器得到，所述输出励磁电压为U_M，由励磁电流即I_M通过电流调节器得到，所述反馈转矩电流为I_{T_FED}和所述反馈励磁电流为I_{M_FED}，均通过电流传感器采样永磁同步电机三相电流进行Clarke和Park变换得到；

步骤2中所述无功功率为：

Q＝U_T×I_{M_FED}-U_M×I_{T_FED}

步骤2中所述反馈电流幅值为：

作为优选，步骤3中所述无功功率为Q、所述反馈电流幅值为I_FED、所述电感为L、所述同步速度为ω_E；

步骤3中所述PI控制器输入量为：

作为优选，步骤4中所述中高速切换点速度阈值为ω_N，所述设定同步速度为ω_E；

若ω_E>ω_N时，将步骤3中所述ΔI_IN通过PI控制器调节得到输出量即I_COMP；

若ω_E≤ω_N时，输出量即I_COMP为0；

作为优选，步骤5中所述将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制具体为：

当Q<Q_P时，Q为无功功率，Q_P为设定阈值：

基于反电势积分法得到估算同步速度即ω_FED，将ω_FED作为速度环反馈值，进行速度/电流双闭环运行模式控制，得到转矩环电流给定I_T＝I_WT，I_WT由ω_E通过速度调节器得到，ω_E为给定同步速度；

当Q≥Q_P时：

进行速度开环/电流闭环的I/F运行模式控制，即转矩环电流给定I_T＝I_N+I_COMP，I_N为设定的启动电流幅值，I_COMP为步骤4中所述输出量，即基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节补偿量。

本发明的有益效果为：

针对现有永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统中高速切换方法存在速度突变和反复调试的缺陷，采用本发明方法，可实现位置角的无缝切换；

由速度开环/电流闭环的IF模式切换到速度/电流双闭环时，采用速度环积分分量实时填充的方式，可显著降低速度变化率和避免速度振荡问题；

由于采用PI在线调节使瞬时无功功率接近于0的矢量控制方法，实现了最大转矩/电流比控制方式，可在切换过程中带额定负载或重载，保证了系统运行可靠性。

附图说明

图1：为本发明实施例的系统框图；

图2：为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有永磁同步电机无位置传感器驱动系统启动时，从速度开环/电流闭环的加速运行状态切换到速度/电流双闭环的矢量控制运行状态，需要经历一个过渡过程，本发明所提供的反馈电流幅值在线调节切换过渡方法实现方式如图1所示，基本原理是在矢量控制模式下，无功功率是接近于0的值，所以通过对转矩电流幅值通过PI控制器在线调节，使无功功率接近于0，即实现了I/F运行模式下处于最大转矩/电流比矢量控制模式，其计算的角度与基于反电势积分得到的角度一致，可以实现无缝切换，在切换过程中，采用速度环积分分量实时填充的方式，可显著降低速度变化率和避免速度振荡问题，提高系统运行的效率和可靠性。

图1为本发明实施例的系统框图，图2位本发明的方法流程图，下面结合图1以及图2介绍本发明的具体实施方式为：一种基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；

步骤1中所述制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式具体为：

设置转矩电流为I_T＝I_N+I_COMP，励磁电流为I_M＝0，给定同步速度为ω_E，计算得到同步角为

使电流调节器运行工作于闭环模式，得到输出转矩电压为U_T和输出励磁电压为U_M；

速度调节器不调节工作于开环模式，其输出量设置为I_WT＝I_N+I_COMP，从而使永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；

步骤2，通过输出转矩电压、输出励磁电压、反馈转矩电流、反馈励磁电流分别计算无功功率、反馈电流幅值；

步骤2中所述输出转矩电压为U_T，由转矩电流即I_T通过电流调节器得到，所述输出励磁电压为U_M，由励磁电流即I_M通过电流调节器得到，所述反馈转矩电流为I_{T_FED}和所述反馈励磁电流为I_{M_FED}，均通过电流传感器采样永磁同步电机三相电流进行Clarke和Park变换得到；

步骤2中所述无功功率为：

Q＝U_T×I_{M_FED}-U_M×I_{T_FED}

步骤2中所述反馈电流幅值为：

步骤3，通过无功功率、反馈电流幅值、电感、同步速度，计算得到PI控制器输入量；

步骤3中所述无功功率为Q、所述反馈电流幅值为I_FED、所述电感为L、所述同步速度为ω_E；

步骤3中所述PI控制器输入量为：

步骤4，步骤4，设定中高速切换点速度阈值并给定同步速度，根据给定同步速度以及中高速切换点速度阈值比较，得到输出量；

步骤4中所述中高速切换点速度阈值为ω_N，所述给定同步速度为ω_E；

若ω_E>ω_N时，将步骤3中所述ΔI_IN通过PI控制器调节得到输出量即I_COMP；

若ω_E≤ω_N时，输出量即I_COMP为0；

步骤5，将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制；

步骤5中所述将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制具体为：

当Q<Q_P时，Q为无功功率，Q_P为设定阈值：

基于反电势积分法得到估算同步速度即ω_FED，将ω_FED作为速度环反馈值，进行速度/电流双闭环运行模式控制，得到转矩环电流给定I_T＝I_WT，I_WT由ω_E通过速度调节器得到，ω_E为给定同步速度；

当Q≥Q_P时：

进行速度开环/电流闭环的I/F运行模式控制，即转矩环电流给定I_T＝I_N+I_COMP，I_N为设定的启动电流幅值，I_COMP为步骤4中所述输出量，即基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节补偿量。

本发明提供了一种基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节切换方法，保证在I/F运行模式下处于最大转矩/电流比矢量控制模式，其计算的角度与基于反电势积分得到的角度一致，可以实现无缝切换，在切换过程中，采用速度环积分分量实时填充的方式，可显著降低速度变化率和避免速度振荡问题，提高系统运行的效率和可靠性。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，控制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式；

步骤2，通过输出转矩电压、输出励磁电压、反馈转矩电流、反馈励磁电流分别计算无功功率、反馈电流幅值；

步骤3，通过无功功率、反馈电流幅值、电感、同步速度，计算得到PI控制器输入量；

步骤4，设定中高速切换点速度阈值并给定同步速度，根据给定同步速度以及中高速切换点速度阈值比较，得到输出量；

步骤5，将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于:

步骤1中所述控制永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式具体为：

设置转矩电流为I_T，励磁电流为I_M＝0，给定同步速度为ω_E，计算得到同步角为

使电流调节器运行工作于闭环模式，得到输出转矩电压为U_T和输出励磁电压为U_M；

速度调节器不调节工作于开环模式，其输出量设置为I_WT＝I_N+I_COMP，从而使永磁同步电机驱动系统运行于速度开环/电流闭环的I/F运行模式。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于:

步骤2中所述输出转矩电压为U_T，由转矩电流即I_T通过电流调节器得到，所述输出励磁电压为U_M，由励磁电流即I_M通过电流调节器得到，所述反馈转矩电流为I_{T_FED}和所述反馈励磁电流为I_{M_FED}，均通过电流传感器采样永磁同步电机三相电流进行Clarke和Park变换得到；

步骤2中所述无功功率为：

Q＝U_T×I_{M_FED}-U_M×I_{T_FED}

步骤2中所述反馈电流幅值为：

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于:

步骤3中所述无功功率为Q、所述反馈电流幅值为I_FED、所述电感为L、所述同步速度为ω_E；

步骤3中所述PI控制器输入量为：

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于:

步骤4中所述中高速切换点速度阈值为ω_N，所述设定同步速度为ω_E；

若ω_E>ω_N时，将步骤3中所述ΔI_IN通过PI控制器调节得到输出量即I_COMP；

若ω_E≤ω_N时，输出量即I_COMP为0。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机无位置传感器矢量控制中高速切换方法，其特征在于:

步骤5中所述将无功功率与设定阈值比较，进行电机运行模式控制具体为：

当Q<Q_P时，Q为无功功率，Q_P为设定阈值：

基于反电势积分法得到估算同步速度即ω_FED，将ω_FED作为速度环反馈值，进行速度/电流双闭环运行模式控制，得到转矩环电流给定I_T＝I_WT，I_WT由ω_E通过速度调节器得到，ω_E为给定同步速度；

当Q≥Q_P时：

进行速度开环/电流闭环的I/F运行模式控制，即转矩环电流给定I_T＝I_N+I_COMP，I_N为设定的启动电流幅值，I_COMP为步骤4中所述输出量，即基于瞬时无功功率反馈的电流幅值在线调节补偿量。

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