CN112039385A - 一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法 - Google Patents

一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法。所述新型永磁同步电机无位置传感器起动方法包括以下步骤：S1：搭建永磁同步电机数学模型；S2：在理想条件下，通过PMSM两相绕组在旋转坐标系下的定子电压矢量方程得到PMSM在dq轴投影的定子电压方程：
Figure DDA0002619500880000011
S3：结合S1所述的永磁同步电机数学模型中δ轴与q轴的夹角
Figure DDA0002619500880000012
得到γ‑δ坐标系下的电压方程：
Figure DDA0002619500880000013
本发明提供的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法具有可以电机零速和低速时引入I/F控制以克服滑模观测器在零速低速观测精确度低的状况，并在电机具有一定初速度时优化算法稳定切换到滑模控制的优点。

Description

一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法
技术领域
本发明涉及新能源电动汽车技术领域，尤其涉及一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法。
背景技术
随着新能源汽车技术的成熟，电动汽车的销量在近年取得了爆炸式的增长。空调作为电动汽车系统的主要耗能模块，如何使其进行低成本的高效节能工作成为了近几年的研究热点。其中永磁同步电机具有体积小、功率密度大、转矩惯量比高、动态响应快、转矩输出平稳、维护成本低等特点，因而被广泛应用于新能源汽车的各个领域。对于永磁同步电机调速系统必须的转子位置检测方法来说，目前常用光电编码器、霍尔传感器、旋转变压器等模块。但此类位置传感器都会增加系统体积，降低系统的可靠性和适应极端工况的能力。
因此，有必要提供一种新的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法解决上述技术问题。
发明内容
本发明解决的技术问题是提供一种可以电机零速和低速时引入I/F控制以克服滑模观测器在零速低速观测精确度低的状况，并在电机具有一定初速度时优化算法稳定切换到滑模控制的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法包括以下步骤：
S1：搭建永磁同步电机数学模型；
S2：在理想条件下，通过PMSM两相绕组在旋转坐标系下的定子电压矢量方程得到PMSM在dq轴投影的定子电压方程：
Figure BDA0002619500860000021
S3：结合S1所述的永磁同步电机数学模型中δ轴与q轴的夹角
Figure BDA0002619500860000022
得到γ-δ坐标系下的电压方程：
Figure BDA0002619500860000023
S4：在I/F算法中，γ-δ坐标系是根据电流矢量定向，故iγ＝0，则γ-δ坐标系下的电压方程
Figure BDA0002619500860000024
简化为
Figure BDA0002619500860000025
并由此得出永磁同步电机的电磁转矩公式：
Figure BDA0002619500860000026
S5：通过滑模观测器在电流传感器采集到的电流信号的基础上计算出转子的位置信息，将真实值和估算值的差值不断减小；
S6：通过滑模观测器的数学原理结合永磁同步电机模型得到系统的误差方程为：
Figure BDA0002619500860000027
S7：系统进入滑动模态时，系统的误差逐渐收敛到0，S6所述的误差方程变为：
Figure BDA0002619500860000028
S8：通过S7所述的方程算出PMSM的反电势：
Figure BDA0002619500860000029
S9：系统稳定后，滑模观测器计算出相对正确的反电势，电机的相位角利用eα和eβ求出，求出公式为：
Figure BDA00026195008600000210
优选的，所述S1中，永磁同步电机数学模型的搭建，在I/F起动模型中，利用一个电流矢量定向且电流矢量I与q轴的夹角为
Figure BDA00026195008600000211
电压矢量U与电流矢量I的夹角为θ的γ-δ坐标系，模拟电机的d-q轴旋转坐标系。
优选的，所述S2中，理想条件为电机的参数为线性变化并且不会随着外部各种条件的变化，且转子没有阻尼绕组。
优选的，所述S5中，通过开关函数的切换控制，对自身结构进行随时调整，真实值和估算值的差值不断减小。
与相关技术相比较，本发明提供的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法具有如下有益效果：
1)在缩小I/F给定角度和滑模观测器观测角度差的同时在启动阶段就对滑模观测器的观测角度进行补偿，用以克服其低通滤波带来的相位误差，用以提高切换过程的平滑性，抑制系统抖动；
2)在电机转速提高的同时补偿滑模观测器的角度，使观测角度接近真实角度、两种算法切换时稳定性更高、抗干扰能力更强。
附图说明
图1为本发明中PMSM调速系统模型图；
图2为本发明中γ-δ与d-q坐标系示意图；
图3为本发明中滑模观测器结构图。
具体实施方式
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。
第一实施例
一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法包括以下步骤：
S1：搭建永磁同步电机数学模型；
S2：在理想条件下，通过PMSM两相绕组在旋转坐标系下的定子电压矢量方程得到PMSM在dq轴投影的定子电压方程：
Figure BDA0002619500860000031
S3：结合S1所述的永磁同步电机数学模型中δ轴与q轴的夹角
Figure BDA0002619500860000032
得到γ-δ坐标系下的电压方程：
Figure BDA0002619500860000033
S4：在I/F算法中，γ-δ坐标系是根据电流矢量定向，故iγ＝0，则γ-δ坐标系下的电压方程
Figure BDA0002619500860000041
简化为
Figure BDA0002619500860000042
并由此得出永磁同步电机的电磁转矩公式：
Figure BDA0002619500860000043
S5：通过滑模观测器在电流传感器采集到的电流信号的基础上计算出转子的位置信息，将真实值和估算值的差值不断减小；
S6：通过滑模观测器的数学原理结合永磁同步电机模型得到系统的误差方程为：
Figure BDA0002619500860000044
S7：系统进入滑动模态时，系统的误差逐渐收敛到0，S6所述的误差方程变为：
Figure BDA0002619500860000045
S8：通过S7所述的方程算出PMSM的反电势：
Figure BDA0002619500860000046
S9：系统稳定后，滑模观测器计算出相对正确的反电势，电机的相位角利用eα和eβ求出，求出公式为：
Figure BDA0002619500860000047
所述S1中，永磁同步电机数学模型的搭建，在I/F起动模型中，利用一个电流矢量定向且电流矢量I与q轴的夹角为
Figure BDA0002619500860000048
电压矢量U与电流矢量I的夹角为θ的γ-δ坐标系，模拟电机的d-q轴旋转坐标系。
所述S2中，理想条件为电机的参数为线性变化并且不会随着外部各种条件的变化，且转子没有阻尼绕组。
所述S5中，通过开关函数的切换控制，对自身结构进行随时调整，真实值和估算值的差值不断减小。
参阅说明书附图1，通过两种不同的永磁同步电机无位置传感器调速算法不难看出，需要利用I/F算法使得电机具有一定转速。在获得初速度之后，滑模观测器的观测精度提高，在观测角度的精度与给定角度的误差小于设定值时就可切换到基于滑模观测器的闭环FOC控制。由于I/F控制给定的q轴电流没有变化，所以电机实际位置与给定位置会始终存在偏差，如果此时直接使用滑模观测器的位置信息参与控制，会造成q轴电流给定发生较大的突变，进而影响系统的稳定运行。此时采用缓慢减少q轴电流的方法可以改善切换时的电流波动情况。
本发明提供的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法的工作原理如下：
根据相关的数学模型和实际的算法调试验证利用改进的I/F控制算法和滑模观测器协同使用的全速域永磁同步电机无位置传感器调速的可行性；提高了系统的调速能力和稳定性，提高滑模观测器观测的观测精度。
与相关技术相比较，本发明提供的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法具有如下有益效果：
1)在缩小I/F给定角度和滑模观测器观测角度差的同时在启动阶段就对滑模观测器的观测角度进行补偿，用以克服其低通滤波带来的相位误差，用以提高切换过程的平滑性，抑制系统抖动；
2)在电机转速提高的同时补偿滑模观测器的角度，使观测角度接近真实角度、两种算法切换时稳定性更高、抗干扰能力更强。
第二实施例
通过单片机系统进行控制逻辑综述：
单片机在通过CAN通讯收到起动指令后，电机会工作在角度开环，电流闭环的I/F控制状态；其位置角由模拟的轴系给出，根据电机参数给定一个q轴电流的参考值；由于I/F控制模拟的是电机的加速过程，因此每个控制周期内位置角的给定累加值会缓慢增加以模拟速度增加的过程。与此同时滑模观测器也会采集电流电压信息计算电机的位置信息并与给定的位置角进行比对；如果I/F控制给定的速度已经到达了设定的最大值(即电机已经具有了一定的初速度)，但是角度偏差仍然无法达到切换要求，I/F控制就会根据电机参数逐渐减少q轴电流给定以减少角度偏差，使得电机达到新的平衡状态；当I/F控制的给定位置角和滑模观测器的位置角小于设定值并且在一定的中断程序循环周期内始终小于此值时，就会执行两种算法的切换指令；至此就完成了由零速低速到中高速的切换。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种新型永磁同步电机无位置传感器起动方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：搭建永磁同步电机数学模型；
S2：在理想条件下，通过PMSM两相绕组在旋转坐标系下的定子电压矢量方程得到PMSM在dq轴投影的定子电压方程：
Figure FDA0002619500850000011
S3：结合S1所述的永磁同步电机数学模型中δ轴与q轴的夹角
Figure FDA0002619500850000012
得到γ-δ坐标系下的电压方程：
Figure FDA0002619500850000013
S4：在I/F算法中，γ-δ坐标系是根据电流矢量定向，故iγ＝0，则γ-δ坐标系下的电压方程
Figure FDA0002619500850000014
简化为
Figure FDA0002619500850000015
并由此得出永磁同步电机的电磁转矩公式：
Figure FDA0002619500850000016
S5：通过滑模观测器在电流传感器采集到的电流信号的基础上计算出转子的位置信息，将真实值和估算值的差值不断减小；
S6：通过滑模观测器的数学原理结合永磁同步电机模型得到系统的误差方程为：
Figure FDA0002619500850000017
S7：系统进入滑动模态时，系统的误差逐渐收敛到0，S6所述的误差方程变为：
Figure FDA0002619500850000018
S8：通过S7所述的方程算出PMSM的反电势：
Figure FDA0002619500850000019
S9：系统稳定后，滑模观测器计算出相对正确的反电势，电机的相位角利用eα和eβ求出，求出公式为：
Figure FDA0002619500850000021
2.根据权利要求1所述的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法，其特征在于，所述S1中，永磁同步电机数学模型的搭建，在I/F起动模型中，利用一个电流矢量定向且电流矢量I与q轴的夹角为
Figure FDA0002619500850000022
电压矢量U与电流矢量I的夹角为θ的γ-δ坐标系，模拟电机的d-q轴旋转坐标系。
3.根据权利要求1所述的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法，其特征在于，所述S2中，理想条件为电机的参数为线性变化并且不会随着外部各种条件的变化，且转子没有阻尼绕组。
4.根据权利要求1所述的新型永磁同步电机无位置传感器起动方法，其特征在于，所述S5中，通过开关函数的切换控制，对自身结构进行随时调整，真实值和估算值的差值不断减小。
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CN109981018A (zh) * 2017-12-27 2019-07-05 上海大郡动力控制技术有限公司 无位置传感器永磁同步电机的起动及矢量控制方法

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宋建国等: "改进的车载空调压缩机无位置传感器控制起动方法", 电机与控制应用, pages 40 - 46 *

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