CN111431454B - 无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于:电机控制器的微处理器收集N个估算转速spd，对N个估算转速spd采用统计学分析处理,实时分析计算估算转速spd的标准差σ，利用标准差σ与设定的限定门槛σt进行比较来判断转速估算是否出现问题,若转速估算属于异常情况，则需要做保护处理。它防止由于反电动势非常小导致估算失真引起的抖动堵转现象发生，进一步下探了最低转速，拓宽了电机转速范围，完善了堵转保护策略。

Description

无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法

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估算转速可靠性判断方法。

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。但引入霍尔传感器会增加电机的体积和成本，而且由于加入霍尔传感器需要增加连线，连线之间容易引起干扰，从而降低了电机的性能。此外，霍尔传感器需精确安装，这样就大大增加电机的生产工艺难度。所以，采用无霍尔传感器控制策略具有很大的实际意义。目前很多厂家都开始逐步推广无霍尔位置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。

基于无位置传感器矢量控制永磁电机的控制，通常是通过侦测BEMF(反电动势)来计算电机转子位置和转速，通过逆变器输出电压、电流推导BEMF，再由电机状态观测器估算位置和转速。当电机在低转速运行时，反电动势也比较低，势必增加了位置和转速估算的难度，这也是无感矢量控制的一个难点之一。

当电机运行转速很低时，或者是接近于状态观测器估算的最低门槛时，其反电动势也非常小，由于估算精度的影响，估算的转速会产生一定偏差和波动。此时虽然控制系统也不断的在调整，但是有可能此时输出力矩不足以继续驱动电机转动，就会出现持续的抖动堵转的现象，而此状况又不会触发传统的堵转保护逻辑，若不对此状态加以判断和识别，就会严重影响用户体验，甚至会导致电机过热而扩大故障。

针对以上状况，现有两种解决方案：

方案一：对电机转速做判断，当电机转速低于设定的最低值时，在未出现故障之前进行停机操作。其缺点：停机转速门槛一定要高于出现异常情况时的转速，这就缩短了电机运行的转速范围，会出现电机本来不是堵转而是低速运行，但由于低于堵转保护逻辑的设定停机转速门槛，就出现停机，影响用户体现。例如：电机驱动小负载时，电机正常启动后的运转的转速一般大于停机转速门槛，但当电机驱动大负载时，电机正常启动后的运转的转速有可能低于停机转速门槛，但这时候是可能输出力矩不足以继续驱动电机转动，就会出现持续的抖动的现象，而此状况又不会属于堵转，传统的处理是要停机处理，因此，缩窄转速的运行范围。

方案二：对电参量进行判断，当输出电流幅值比较高、输出电压幅值比较低而且转速在上下波动时，则认为出现异常。其缺点：这种方法容易出现误判，成功率不高，而且不同的负载情况下，出现故障时的门槛值也不一致；适用范围较窄。

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电机估算转速可靠性判断方法，主要解决现有技术中在电机运行转速很低时，估算转速可靠性判断不准确，导致缩短了电机运行的转速范围，影响用户体验的技术问题。

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电机估算转速可靠性判断方法，当电机运行转速很低时，或者是接近于位置&速度观测器估算的最低门槛时，其反电动势BEMF也非常小，估算转速spd会产生一定偏差和波动，会出现持续的抖动堵转的现象，需要对当前估算转速spd的可靠性作判断来识别是真正的电机堵转还是普通的电机在低转速运行中因估算转速spd产生一定偏差导致抖动，其特征在于：该估算转速可靠性判断方法是利用电机控制器的微处理器收集若干估算转速spd，对若干估算转速spd实时分析处理，计算估算转速spd的标准差σ，利用标准差σ或标准差σ的平方与设定的限定门槛σt进行比较来判断估算转速是否正常,若估算转速属于异常情况，则需要做保护处理。

上述当标准差σ或标准差σ的平方没有超过限定门槛σt时，则判断估算转速符合要求；当标准差σ或标准差σ的平方持续超过限定门槛σt时，则判断转速估算出现问题,属于异常情况，需要做保护处理，所述的对若干估算转速spd实时分析处理，是指对若干估算转速spd采用统计学分析处理，计算估算转速spd的总体平均值μ和标准差σ。

上述所述的对若干估算转速spd实时分析处理，是指对若干估算转速spd采用统计学分析处理，计算估算转速spd的总体平均值μ和标准差σ。

上述所述的若干估算转速spd是指N个，N是大于等于2的整数，则：

总体平均值

标准差

上述的限定门槛σt可以通过如下公式计算：σt＝μ²*Threshold，其中：Threshold为可接受转速波动的调节系数。

上述所述的Threshold的范围在2％-20％。

上述所述的Threshold的最佳范围：6％-8％。

上述所述的微处理器用2个N位的先进先出缓存寄存器计算估算转速的总体平均值μ和标准差σ，每隔一个时间段就进行标准差σ与限定门槛σt的比较，记录标准差σ或标准差σ的平方持续超过设定的限定门槛σt的累计个数CNT，当累计个数CNT大于设定允许值M时，则判断估算转速出现问题,属于异常情况，需要做保护处理。

上述所述的保护处理是指电机控制器的微处理器输出封锁脉冲将逆变器的IGBT关断。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1、对无感矢量控制的估算转速可靠性进行判断，防止由于反电动势非常小导致估算失真引起的抖动堵转现象发生；

2、极大可能的释放观测器估算可靠性极限，进一步下探了最低转速，拓宽了电机转速范围；

3、完善了堵转保护策略；因为传统的电机堵转有多个触发条件，例如电流、电压、转速等，但利用本发明的估算转速可靠性判断方法，电机堵转的转速判断要件可以删除，从而进一步完善了堵转保护策略，实现较好的用户体验。

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是本发明永磁同步电机的立体图；

图3是本发明永磁同步电机的电机控制器的立体图；

图4是本发明永磁同步电机的剖视图；

图5是本发明永磁同步电机的电机控制器的原理方框图；

图6是图5对应的电路图；

图7是永磁同步电机矢量控制的各坐标系关系图；

图8是本发明的永磁同步电机的矢量控制方框图；

图9是为标准正态分布概率密度曲线图；

图10是本发明的软件流程图图。

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2、图3、图4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Uabc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5、图6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Vbus,直流母线电压Vbus与输入交流电压有关，微处理器输入到逆变器的PWM信号，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。

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7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8所示，本发明的无位置传感器矢量控制永磁同步电机，转速估算的流程如下：通过检测电机线圈绕组的相电流Ia、Ib、Ic输入到微处理器，并作坐标变换的数学处理，利用位置&速度观测器来估算电机的转速spd，检测电机线圈绕组的相电流Ia、Ib、Ic相当于侦测反电动势BEMF，当电机运行转速很低时，或者是接近于位置&速度观测器估算的最低门槛时，其反电动势BEMF也非常小，由于估算精度的影响，估算转速spd会产生一定偏差和波动，此时电机输出力矩不足以继续驱动电机转动，就会出现持续的抖动堵转的现象，因此，有必要识别是真正的电机堵转还是普通的电机运行中因估算转速spd产生一定偏差导致抖动。即要对当前的估算转速spd的可靠性作判断。

本发明的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，当电机运行转速很低时，或者是接近于位置&速度观测器估算的最低门槛时，其反电动势BEMF也非常小，估算转速spd会产生一定偏差和波动，会出现持续的抖动堵转的现象，需要对当前估算转速spd的可靠性作判断来识别是真正的电机堵转还是普通的电机在低转速运行中因估算转速spd产生一定偏差导致抖动，其特征在于：该估算转速可靠性判断方法是利用电机控制器的微处理器收集若干估算转速spd，对若干估算转速spd实时分析处理，计算估算转速spd的标准差σ，利用标准差σ或标准差σ的平方与设定的限定门槛σt进行比较来判断估算转速是否正常,若估算转速属于异常情况，则需要做保护处理。

上述当标准差σ或标准差σ的平方没有超过限定门槛σt时，则判断估算转速符合要求；当标准差σ或标准差σ的平方持续超过限定门槛σt时，则判断转速估算出现问题,属于异常情况，需要做保护处理，所述的对若干估算转速spd实时分析处理，是指对若干估算转速spd采用统计学分析处理，计算估算转速spd的总体平均值μ和标准差σ。

上述所述的对若干估算转速spd实时分析处理，是指对若干估算转速spd采用统计学分析处理，计算估算转速spd的总体平均值μ和标准差σ。

上述所述的若干估算转速spd是指N个，N是大于等于2的整数，则：

总体平均值

标准差

上述的限定门槛σt可以通过如下公式计算：σt＝μ²*Threshold，其中：Threshold为可接受转速波动的调节系数。

上述所述的Threshold的范围在2％-20％。

上述所述的Threshold的最佳范围：6％-8％。

上述所述的微处理器用2个N位的先进先出缓存寄存器计算估算转速的总体平均值μ和标准差σ，每隔一个时间段就进行标准差σ与限定门槛σt的比较，记录标准差σ或标准差σ的平方持续超过设定的限定门槛σt的累计个数CNT，当累计个数CNT大于设定允许值M时，则判断估算转速出现问题,属于异常情况，需要做保护处理。

上述所述的保护处理是指电机控制器的微处理器输出封锁脉冲将逆变器的IGBT关断。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：1、对无感矢量控制的估算转速可靠性进行判断，防止由于反电动势非常小导致估算失真引起的抖动堵转现象发生；2、极大可能的释放观测器估算可靠性极限，进一步下探了最低转速，拓宽了电机转速范围；3、完善了堵转保护策略；因为传统的电机堵转有多个触发条件，例如电流、电压、转速等，但利用本发明的估算转速可靠性判断方法，电机堵转的转速判断要件可以删除，从而进一步完善了堵转保护策略，实现较好的用户体验。

本发明的工作原理是：采用统计学原理，实时分析计算估算转速的标准差，当标准差持续超过设定的限定门槛时，则判断估算出现问题，此时控制系统会出现不稳定状态。经长期的分析研究，此方法能够快速准确的辨别出由于低转速的转速波动引起的抖动堵转异常情况，限定门槛就是无感矢量控制的观测器估算的转速正常稳定工作的最低门槛；

标准差在概率统计中最常使用作为统计分布度上的测量，简单来说，标准差是一组数据平均值分散程度的一种度量。在同质资料中，标准差大，说明抽样误差大，用样本均数代表总体均数的可靠性小，而标准差小，则说明抽样误差小，用样本均数代表总体均数的可靠性大。

当N->∞时，每一项估算转速spd与总体平均值μ之差的绝对值的偏离用σ表示。

标准差

式中μ为总体平均值

然后设定限定门槛σt，为简化计算，不做开方处理。

σt＝μ²*Threshold

对分析抽样数据进行整理时，数据成正态分布(高斯G.F.Gauss分布)，具有以下特征：

1、向某中心值集中的趋势，通常用μ表征数据集中的趋势；

2、偏离此中心值的倾向，通常用σ表征数据的离散倾向；

为方便计算某区间的概率，设置横坐标x代表估算转速spd，纵坐标为y轴相当于抽样数据出现的概率密度(或者频率密度),将横坐标进行变量代换。

定义：

以σ为单位来表征随机误差

则：

x＝μ+σu

dx＝σdu

这样的曲线称之为标准正态分布曲线，记做N(0，1),其特征为

1、当x＝μ时，y有极值，当σ＝1时

2、正负误差出现的机会均等；

3、大误差出现的概率小，小误差出现的概率大。

图9为标准正态分布概率密度曲线,y轴相当于抽样数据出现的概率密度(或者频率密度)，μ(x轴0的位置，曲线最高点对应的横坐标值)相当于总体平均值，表征数据的集中趋势。σ为标准差，相当于μ到曲线两拐之一的距离，表征数据的分散程度。曲线中两条虚线则表示设定的门槛值，当σ没有落在两条虚线之间，则表明抽样数据出现的概率偏小，属于异常数据。

根据上述分析，可实时计算估算转速的数据的总体平均值μ和标准差σ，然后设定一个限定门槛σt(即概率门槛值)作为转速可靠性的标准，当前转速spd出现的概率大于σt说明偏差过大，估算出现问题，如果连续N次统计的概率大于σt，则说明系统出现问题，属于异常情况，需要做保护处理。但当前转速spd出现的概率小于σt说明此时估算转速落在正常偏差范围内。

本发明的具体实施过程如下：假设N＝64，设置2个N位的先进先出缓存寄存器FIFOBUFF分别作为存储估算的转速值和计算的转速总体平均值μ、标准差σ，见下表1：程序运行开始时，开头检测的64个估算转速按先进先出的顺序存储在64位的先进先出缓存寄存器FIFO BUFF1里面，从第65个检测的估算转速开始，按先进先出的顺序存储在缓存寄存器FIFO BUFF1里面，即此时第65个检测的估算转速spd65取代spd64的位置，而spd64至spd2往上移动一步仍然储存在缓存寄存器FIFO BUFF1里面，原来的spd1被剔除且其存储位置被spd2取代，此时，可以利用缓存寄存器FIFO BUFF1里面的数据计算：总体平均值和标准差：

总体平均值

标准差的平方：

然后设定限定门槛σt，为简化计算，不做开方处理。

σt＝μ²*Threshold

经多次分析测试，Threshold一般设置为6％到8％之间较为稳妥，如果可接受更大的速度波动，可以适当放大Threshold。

然后将标准差σ存储在缓存寄存器FIFO BUFF2的第64位存储区间，总体平均值μ可以根据FIFO BUFF1获得，且与缓存寄存器FIFO BUFF1的第64位存储区间spd65对应。当检测的第66个估算转速按照以上步骤进行处理，缓存寄存器FIFO BUFF2和缓存寄存器FIFOBUFF1的数据按先进先出的顺序移动储存位置，如此类推。见图10所示，每隔一个时间段就利用先进先出缓存寄存器记录的数据进行标准差σ与限定门槛σt的比较，记录标准差σ大于设定的限定门槛σt的累计个数CNT，当计个数CNT大于设定允许设置值M(例如：程序可以设定M＝10个)时，则判断转速估算出现问题,属于异常情况，需要做保护处理，M是整数。

如图10所示，是我方开发的软件流程图，假设缓存寄存器FIFO BUFF2和缓存寄存器FIFO BUFF1的都是64位，即N＝64，其执行步骤如下：

步骤1、当缓存寄存器FIFO BUFF1存储满64个估算转速spd时，检测是否有新的估算转速spd，当有新的估算转速spd时，按先进先出的顺序存储在缓存寄存器FIFO BUFF1里面，然后利用存储在缓存寄存器FIFO BUFF1的数据计算标准差σ并按先进先出的顺序存储在缓存寄存器FIFO BUFF2里面；

步骤2、当没新的估算转速spd时，判断定时器是否触发，如果没有触发，返回步骤1；如果有触发返回步骤3；

步骤3、在定时器的时序中逐个数据进行比较，比较标准差σ与限定门槛σt，当σ小于σt时，累计数值CNT值清零；当σ大于σt时，累计数值CNT累计1；

步骤4、判断累计数值CNT是否等于设定值M，如果等于设定值M，则触发保护并停机；如果累计数值CNT值没有达到设定值M，返回步骤3继续进行数据比较。

上述的步骤3中调用当前缓存寄存器FIFO BUFF2和缓存寄存器FIFO BUFF1的存储数据，利用缓存寄存器FIFO BUFF1的存储数据可以计算总体平均值

和限定门槛σt＝μ²*Threshold；在定时器的时序中调用当前缓存寄存器FIFO BUFF2逐个数据进行比较，比较标准差σ与限定门槛σt，当σ小于σt时，累计数值CNT值清零；当σ大于σt时，累计数值CNT累计1。当然，在数据比较时，也可以利用标准差σ的平方进行比较，同时限定门槛也做出相应的调整。

为保证获取的估算转速的刷新速度，需要把标准差σ和总体平均值μ设置为高频任务，测试发现在转速环时序中即可保证数据刷新速度，又不会影响MCU执行效率；在数据比较环节(σ与σt比较)可以作为中频任务处理，放在1ms定时器可满足要求。

以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，就发生过在低转速重载运行情况下和重载启动时出现抖动堵转现象，而且此时都没有满足失步、堵转等系列保护的触发条件，若不加以处理，在特定情况下此故障现象会一直持续，极大的影响性能。经过分析、推论和试验后，本发明的控制策略能够准确、快速的分辨出估算转速的波动引起此故障，也提高的转速估算的信息可靠性，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；目前，此控制策略已应用到项目中，并且已通过用户测试。

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电机估算转速可靠性判断方法，当电机运行转速很低时，或者是接近于位置&速度观测器估算的最低门槛时，其反电动势BEMF也非常小，估算转速spd会产生一定偏差和波动，会出现持续的抖动堵转的现象，需要对当前估算转速spd的可靠性作判断来识别是真正的电机堵转还是普通的电机在低转速运行中因估算转速spd产生一定偏差导致抖动，其特征在于：该估算转速可靠性判断方法是利用电机控制器的微处理器收集若干估算转速spd，对若干估算转速spd实时分析处理，计算估算转速spd的标准差σ，利用标准差σ或标准差σ的平方与设定的限定门槛σt进行比较来判断估算转速是否正常,若估算转速属于异常情况，则需要做保护处理。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：当标准差σ或标准差σ的平方没有超过限定门槛σt时，则判断估算转速符合要求；当标准差σ或标准差σ的平方持续超过限定门槛σt时，则判断转速估算出现问题,属于异常情况，需要做保护处理，所述的对若干估算转速spd实时分析处理，是指对若干估算转速spd采用统计学分析处理，计算估算转速spd的总体平均值μ和标准差σ。

3.根据权利要求2所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：所述的若干估算转速spd是指N个，N是大于等于2的整数，则：

总体平均值

标准差

限定门槛σt可以通过如下公式计算：σt＝μ²*Threshold，其中：Threshold为可接受转速波动的调节系数。

4.根据权利要求3所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：Threshold的范围在2％-20％。

5.根据权利要求4所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：Threshold的最佳范围：6％-8％。

6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：微处理器用2个N位的先进先出缓存寄存器计算估算转速的总体平均值μ和标准差σ，每隔一个时间段就进行标准差σ与限定门槛σt的比较，记录标准差σ或标准差σ的平方持续超过设定的限定门槛σt的累计个数CNT，当累计个数CNT大于设定允许值M时，则判断估算转速出现问题,属于异常情况，需要做保护处理。

7.根据权利要求1或2或3或4或5所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：该方法的具体步骤如下：

步骤1、微处理器用2个N位的先进先出缓存寄存器计算估算转速的总体平均值μ和标准差σ，当缓存寄存器FIFO BUFF1存储满N个估算转速spd时，检测是否有新的估算转速spd，当有新的估算转速spd时，按先进先出的顺序存储在缓存寄存器FIFO BUFF1里面，然后利用存储在缓存寄存器FIFO BUFF1的数据计算标准差σ并按先进先出的顺序存储在缓存寄存器FIFO BUFF2里面，其中N是整数；

步骤2、当没新的估算转速spd时，判断定时器是否触发，如果没有触发，返回步骤1；如果有触发返回步骤3；

步骤3、在定时器的时序中逐个数据进行比较，比较标准差σ与限定门槛σt，当σ大于σt时，累计数值CNT累计1；当σ小于σt时，累计数值CNT值清零；

步骤4、判断累计数值CNT是否等于设定值M，如果等于设定值M，则触发保护并停机；如果累计数值CNT值没有达到设定值M，返回步骤3继续进行数据比较。

8.根据权利要求7所述的无位置传感器矢量控制永磁电机估算转速可靠性判断方法，其特征在于：步骤4所述的触发保护并停机是指电机控制器的微处理器输出封锁脉冲将逆变器的IGBT关断。

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