CN111953257A - 一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，包括：使永磁同步电机工作在开环同步运行模式，在期望坐标系下估算电机转子位置角，并计算电机转子位置角与开环同步运行模式下主动旋转磁场位置角的误差；在开环运行给定的时间之后，在每个周期计算波动幅值；在线调整转子位置角补偿系数，并分析负载转矩变化规律，在负载转矩的波谷切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式运行，在估算位置闭环模式下，实现永磁同步电机的调速运行。本发明根据位置角误差的波动特征，在线调整转子位置角补偿系数减小误差波动的幅值，同时从波动的特征找出负载转矩的波谷，在负载转矩波谷切入估算位置闭环模式，从而提高系统的起动性能。

Description

一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种提高负载转矩周期波动情况下永磁同步电机无位置传感器控制起动能力的方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高、调速范围宽等优点，目前已被广泛应用于工业控制、家电等领域。永磁同步电机无位置传感器控制技术可降低硬件成本、提高系统可靠性，近年来已经成为电机控制领域一个非常重要的研究方向，例如在变频空调压缩机内，永磁同步电机处于高温、高压、密闭的环境，无法安装转子位置传感器，就非常适合采用无位置传感器控制方案。由于永磁同步电机静止或低速时电机的转子位置角很难准确估算，转子位置估算误差对永磁同步电机的起动能力有很大的影响，因此提高起动能力的研究在永磁同步电机无位置传感器控制方案中非常关键。单转子压缩机由于成本最低、效率高目前被广泛采用于家用变频空调中，然而单转子压缩机中永磁电机通过偏心曲轴带动滚子压缩冷媒，压缩机负载转矩具有周期波动的特点。为了解决静止时电机的转子位置角的估算问题，贾洪平等人在《中国电机工程学报》(VOL.27,NO.15)上提出了一种基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测方法，高频注入法可以准确检测静止情况下的转子位置角，从而提高电机的起动能力，但这种方法存在的算法执行时间长、实施过程复杂等缺点。

现有变频空调压缩机广泛采用的永磁同步电机无位置传感器控制技术，很多采用先开环自同步运行然后切换到转子位置闭环的起动模式，这种起动方案算法执行时间短、容易工程化实施，但起动能力不如高频注入法，尤其是当负载较重且周期波动的情况下容易出现起动失败。

发明内容

本发明的目的是提供一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，用以解决现有技术在永磁同步电机起动时存在的问题。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，包括以下步骤：

在永磁同步电机绕组中产生三相正弦波电流，使永磁同步电机工作在开环同步运行模式；在期望坐标系下估算电机转子位置角，并计算电机转子位置角与开环同步运行模式下主动旋转磁场位置角的误差；

在开环运行给定的时间之后，在转子运行的每一个机械周期求取位置角误差的最小值和最大值，并计算波动幅值；根据所述位置角误差的波动特征，在线调整转子位置角补偿系数，并分析负载转矩变化规律，在负载转矩的波谷切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式运行，在估算位置闭环模式下，实现永磁同步电机的调速运行。

进一步地，根据所述位置角误差的波动特征，在线调整转子位置角补偿系数，其中位置角补偿系数K_θ＝K_{θ_new}，K_{θ_new}计算公式为：

上式中，θ_err为所述的位置角的误差，θ_{err_min}为一个机械周期内位置角的误差的最小值，θ_{err_Amp}为波动幅值，K_θ0为电机带与转矩波动负载平均值相等的恒转矩负载时所取的转子位置角补偿系数，若电机在dq坐标系下的d轴电感值为L_d，主动旋转磁场转速ω₀对应的电机反电势为e，采样的时间间隔为T，则K_θ0的取值满足条件

而K_{θ_new}的取值范围为K_θ0≤K_{θ_new}≤2K_θ0。

进一步地，所述在负载转矩的波谷切入位置闭环运行，具体为：

在θ_err＝θ_{err_max}时切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式，电机位置角θ＝θ_M-θ_err，θ_M为估算的转子位置角，θ_{err_max}为一个机械周期内位置角的误差的最大值。

进一步地，所述给定的时间t₀为系统进入开环稳定运行所需的时间，t₀取值范围为3～5秒。

进一步地，所述在期望坐标系下估算电机转子位置角，包括：

首先建立dq坐标系下的定子电压方程，然后建立γδ期望坐标系下的定子电压方程，其中γδ期望坐标系与dq坐标系存在Δθ的夹角；在γδ期望坐标系下，计算采样点n+1处γ轴、δ轴的实际电流i_γ(n+1)、i_δ(n+1)，以及估算电流i_Mγ(n+1)、i_Mδ(n+1)，由此得到采样点n+1处γ轴、δ轴的估算电流误差Δi_γ(n+1)、Δi_δ(n+1)，根据该估算电流误差，估算采样点n+1、采样点n处的电机反电动势e_M(n+1)、e_M(n)，进而估算出采样点n+1、采样点n处的电机转子位置角θ_M(n+1)、θ_M(n)。

与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：

转子位置角补偿系数K_θ通常取一个常数，本发明根据开环运行模式下估算转子位置角与主动旋转磁场的位置角差值波动的规律，在线调整转子位置角补偿系数K_θ，这样可以减小θ_err波动的幅值，同时找出负载转矩处于波谷的时刻切入估算位置闭环模式，从而提高系统的起动性能。

附图说明

图1永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统框图；

图2γδ期望坐标系和dq坐标系；

图3的(a)、(b)、(c)分别为负载转矩曲线、采用传统方法θ_err波形、采用本发明方法θ_err波形；

图4采用传统方法负载转矩波动起动失败的实验波形；

图5采用本发明方法负载转矩波动起动成功的实验波形。

具体实施方式

本发明提供了一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，该方法根据开环运行模式下主动旋转磁场的位置角与估算转子位置角差值波动的规律，在线调整转子位置角补偿系数K_θ，并找出负载转矩的波谷切入估算位置闭环模式，包括如下步骤：

步骤1，在永磁同步电机绕组中产生三相正弦波电流：

其中I_U,I_V,I_W分别为电机绕组三相电流，I_p0为设定的电机绕组相电流峰值，f₀为开环运行频率，t为时间参数，三相正弦波电流形成主动旋转磁场，主动旋转磁场转速ω₀＝2πf₀p_n，p_n为电机的极对数，这时永磁同步电机工作在开环同步运行模式。

步骤2，在期望坐标系下估算电机转子位置角θ_M，估算公式为：

其中，θ_M(n+1)、θ_M(n)分别为采样点n+1、采样点n处的电机转子位置角，Δi_γ(n+1)为采样点n+1处的γ轴电流误差，T为采样的时间间隔，K_E为电机反电势系数，K_θ为转子位置角补偿系数。

该步骤的具体过程为：

首先建立dq坐标系下的定子电压方程，然后建立γδ期望坐标系下的定子电压方程，其中γδ期望坐标系与dq坐标系存在Δθ的夹角；在γδ期望坐标系下，计算采样点n+1处γ轴、δ轴的实际电流i_γ(n+1)、i_δ(n+1)，以及估算电流i_Mγ(n+1)、i_Mδ(n+1)，由此得到采样点n+1处γ轴、δ轴的估算电流误差Δi_γ(n+1)、Δi_δ(n+1)，根据该估算电流误差，估算采样点n+1、采样点n处的电机反电动势e_M(n+1)、e_M(n)，进而估算出采样点n+1、采样点n处的电机转子位置角θ_M(n+1)、θ_M(n)。

步骤3，计算转子位置角θ_M与电机开环同步运行模型下主动旋转磁场位置角θ₀的误差θ_err＝θ_M-θ₀。

步骤4，在开环运行给定的时间t₀后，在转子运行的每一个机械周期求取位置角误差θ_err的最小值θ_{err_min}和最大值θ_{err_max}，并计算波动幅值：

θ_{err_Amp}＝θ_{err_max}-θ_{err_min}

其中，t₀为系统进入开环稳定运行所需的时间，t₀取值范围为3～5秒。

步骤5，根据θ_err波动特征，在线调整转子位置角补偿系数K_θ＝K_{θ_new}，K_{θ_new}计算公式为：

其中，K_θ0为电机带与转矩波动负载平均值相等的恒转矩负载时所取的转子位置角补偿系数，若电机在dq坐标系下的d轴电感值为L_d，主动旋转磁场转速ω₀对应的电机反电势为e，采样的时间间隔为T，则K_θ0的取值满足条件

而K_{θ_new}的取值范围为K_θ0≤K_{θ_new}≤2K_θ0。

所述转子位置角补偿系数K_θ通常取一个常数，而本发明根据θ_err波动特征，在线调整转子位置角补偿系数K_θ，这样可以减小θ_err波动的幅值，从而提高系统的起动能力。

步骤6，根据θ_err波动的特征分析负载转矩变化规律，在θ_err＝θ_{err_max}时切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式，电机位置角θ＝θ_M-θ_err。

该步骤中，基于所述变化规律，当θ_err＝θ_{err_max}时负载转矩开始进入波谷，在负载转矩的波谷切入位置闭环运行，从而提高系统的起动能力。

步骤7，在估算位置闭环模式下，实现永磁同步电机的调速运行。

本发明原理实验验证所采用的压缩机为一台家用变频空调用单转子压缩机，其中永磁同步电机的参数为：永磁电机的参数为：极对数p_n＝3；定子电阻R_s＝1.7Ω；定子直轴电感L_d＝8.9mH；交轴电感L_q＝12.7mH；反电势系数k_e＝46.8V/krpm；转子转动惯量J＝7.6*10^{- 4}kg*m²。

本发明具体实施方案中单转子压缩机永磁同步电机采用无位置传感器矢量控制，如图1为系统控制框图，包括电流采样、转子位置估算、Clarke和PARK变换、最大转矩电流比控制(MTPA)、速度环、dq轴电流环、PARK逆变换、SVPWM计算、三相PWM逆变器等单元。

本发明采用基于期望坐标系的电机转子位置估算方法，在PMSM矢量控制dq同步坐标系中，建立γδ期望坐标系如图2所示，电机反时针方向旋转，三相定子绕组为U、V、W，θ代表转子实际位置角，θ_M代表转子估算位置角，θ为位置角估算误差，Δθ＝θ-θ_M；e为实际反电势，方向与q轴重合；e_M为估算反电势，方向与δ轴重合。

如图3的(a)是本发明采用的单转子压缩机负载转矩波形，在单转子压缩机驱动的变频空调中，永磁电机通过偏心曲轴带动滚子压缩冷媒的旋转过程中会遇到负载转矩的波动，这种负载转矩波动具有以下特点：负载波动呈现周期性波动，对应永磁电机的每一个机械周期负载波动一次，负载转矩的波动随压缩机内部压力增大而增大，如图中所示负载转矩在(0.3～4.2Nm)区间内波动。

如图3的(b)为优化前位置角误差θ_err周期波动的仿真波形，负载转矩的波动导致θ_err也呈周期性波动，转子位置角补偿系数K_θ采用传统的方法，按恒转矩负载计算并且取值为常数，根据实验样机的参数，并考虑到主动旋转磁场转速ω₀＝100rad/s，PWM频率为5KHz，K_θ取值设定为0.3，得到电机开环运行阶段的位置角误差θ_err波形如图3的(b)，图3的(b)中θ_err的最小值θ_{err_min}＝-3.0°，最大值θ_{err_max}＝3.1°，波动幅值θ_{err_Amp}＝θ_{err_max}-θ_{err_min}＝6.1°；同时对比图3的(a)与图3的(b)的时序可见，当θ_err＝θ_{err_max}时负载转矩开始进入波谷。

如图3的(c)为采用本发明方法后位置角误差θ_err周期波动的仿真波形，转子位置角补偿系数K_θ不是取常数而是根据θ_err波动特征在线调整，在线调整的补偿系数K_{θ_new}计算公式为

对应于K_θ0的取值0.3，K_{θ_new}的取值在(0.3～0.6)之间变化，如图3的(c)所示，这种在线调整K_θ的方法可以减小θ_err波动的幅值，图3(c)中θ_err的最小值θ_{err_min}＝-1.5°，最大值θ_{err_max}＝1.51°，波动幅值θ_{err_Amp}＝θ_{err_max}-θ_{err_min}＝3.1°，θ_err的波动幅值比优化前大大降低。同时对比图3的(a)与图3的(c)的时序可知，在θ_{err_max}时负载转矩开始进入波谷的规律依然存在。

如图4所示，转子位置角补偿系数K_θ值常数0.3，负载转矩波动导致起动失败的实验波形，具体实验情况为，室外温度为50℃，空调压缩机停机后20秒内重新起动，这时负载转矩峰值大于4Nm，负载转矩波动过大引起开环切入位置闭环阶段转子位置估算不收敛，压缩机永磁同步电机重新起动失败。

如图5所示，采用本发明方法负载转矩波动情况下起动成功的实验波形，与图4的实验条件相同，室外温度为50℃，空调压缩机停机后20秒内重新起动，由于转子位置角补偿系数K_θ根据θ_err波动特征在线调整，并且在负载转矩波谷切入位置闭环模式，空调压缩机永磁同步电机每次都可以顺利起动。

Claims (5)

1.一种提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：

在永磁同步电机绕组中产生三相正弦波电流，使永磁同步电机工作在开环同步运行模式；在期望坐标系下估算电机转子位置角，并计算电机转子位置角与开环同步运行模式下主动旋转磁场位置角的误差；

在开环运行给定的时间之后，在转子运行的每一个机械周期求取位置角误差的最小值和最大值，并计算波动幅值；根据所述位置角误差的波动特征，在线调整转子位置角补偿系数，并分析负载转矩变化规律，在负载转矩的波谷切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式运行，在估算位置闭环模式下，实现永磁同步电机的调速运行。

2.根据权利要求1所述的提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，其特征在于，根据所述位置角误差的波动特征，在线调整转子位置角补偿系数，其中位置角补偿系数K_θ＝K_{θ_new}，K_{θ_new}计算公式为：

上式中，θ_err为所述的位置角的误差，θ_{err_min}为一个机械周期内位置角的误差的最小值，θ_{err_Amp}为波动幅值，K_θ0为电机带与转矩波动负载平均值相等的恒转矩负载时所取的转子位置角补偿系数，若电机在dq坐标系下的d轴电感值为L_d，主动旋转磁场转速ω₀对应的电机反电势为e，采样的时间间隔为T，则K_θ0的取值满足条件

而K_{θ_new}的取值范围为K_θ0≤K_{θ_new}≤2K_θ0。

3.根据权利要求1所述的提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，其特征在于，所述在负载转矩的波谷切入位置闭环运行，具体为：

在θ_err＝θ_{err_max}时切入无位置传感器控制下的估算位置闭环模式，电机位置角θ＝θ_M-θ_err，θ_M为估算的转子位置角，θ_{err_max}为一个机械周期内位置角的误差的最大值。

4.根据权利要求1所述的提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，其特征在于，所述给定的时间t₀为系统进入开环稳定运行所需的时间，t₀取值范围为3～5秒。

5.根据权利要求1所述的提高负载转矩周期波动永磁同步电机起动性能的方法，其特征在于，所述在期望坐标系下估算电机转子位置角，包括：

首先建立dq坐标系下的定子电压方程，然后建立γδ期望坐标系下的定子电压方程，其中γδ期望坐标系与dq坐标系存在Δθ的夹角；在γδ期望坐标系下，计算采样点n+1处γ轴、δ轴的实际电流i_γ(n+1)、i_δ(n+1)，以及估算电流i_Mγ(n+1)、i_Mδ(n+1)，由此得到采样点n+1处γ轴、δ轴的估算电流误差Δi_γ(n+1)、Δi_δ(n+1)，根据该估算电流误差，估算采样点n+1、采样点n处的电机反电动势e_M(n+1)、e_M(n)，进而估算出采样点n+1、采样点n处的电机转子位置角θ_M(n+1)、θ_M(n)。

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