CN112600478A - 一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统及方法，其中系统包括：整流桥，用于将输入交流电变成脉动的直流电；滤波稳压电路，用于对所述直流电进行滤波，以及对所述直流电的母线电压进行稳压；逆变电路，用于将所述直流电转换为交流电；永磁同步电机，所述永磁同步电机的三个负载端分类连接至逆变电路的U端、V端和W端。本发明提供一种新型的电机的位置估算算法，能够将电机从零速或低速启动，该算法简单，硬件上无需滤波器，对处理器的要求不高；另外，该算法不仅适用于永磁同步电机，对感应电机和各种异步电机同样适用，具有通用性强、社会效益广泛和经济利用价值高等优点，可广泛应用于电机技术领域。

Description

一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统及方法

技术领域

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统及方法。

背景技术

现有专利(如专利号为CN202010492234.8或CN202010019708.7等)对无位置永磁同步电机位置估算算法使用了高频注入法，前者提取位置需要使用低通滤波器，这增加了算法延迟，同时延迟导致位置角度需要进行补偿，进一步增加了算法复杂度；而后者位置估算需要使用二状态Markov链算法及自适应迭代算法，算法复杂度及对处理器性能要求较高。

术语解释：

PMSM：永磁同步电机。

发明内容

为至少一定程度上解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于一种算法简单且无需滤波器的高频注入永磁同步电机的驱动控制系统及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，包括以下步骤：

整流桥，用于将输入交流电变成脉动的直流电；

滤波稳压电路，用于对所述直流电进行滤波，以及对所述直流电的母线电压进行稳压；

逆变电路，用于将所述直流电转换为交流电；

永磁同步电机，所述永磁同步电机的三个负载端分类连接至逆变电路的U端、V端和W端。

进一步，还包括采样电路，所述采样电路包括电机U相采样电阻、电机V相采样电阻、电机W相采样电阻和电机母线电流采样电阻。

进一步，所述滤波稳压电路包括第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻；

所述第一电容和所述第二电容串联在所述母线电压两端，所述第一电阻与所述第一电容并联，所述第二电容与所述第二电阻并联。

进一步，所述滤波稳压电路还包括第三电阻和继电器开关；

所述第三电阻与所述继电器开关并联，所述第三电阻为软启动保护电阻，用于在上电时对所述整流桥和所述逆变电路进行保护，所述继电器开关在上电完成后闭合，以使所述第三电阻短路。

本发明所采用的另一技术方案是：

一种高频注入永磁同步电机的驱动控制方法，应用于上所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，所述方法用于控制永磁同步电机从低速或零速下启动至预设速度，包括以下步骤：

设置永磁同步电机的d轴电流I_d为预设电流值，设置永磁同步电机的q轴电流为0，记录磁极位置标记为1；

经过预设时间后，设置永磁同步电机的q轴电流I_q为预设电流值，设置永磁同步电机的d轴电流为0，记录磁极位置标记为2；

对磁极位置1分别接入第一正弦电压信号U_α＝U_msinw_ht，对对磁极位置2分别接入第二正弦电压信号U_β＝-U_msinw_ht；

根据磁极位置1和磁极位置2的电压差U_αU_β获得电流差I_αI_β，在预设时间内获得三个电流差；

根据三个电流差获得两个电流增量ΔI_α、ΔI_β；

根据两个电流增量ΔI_α、ΔI_β计算获得幅值增量ΔU_αβ，根据幅值增量ΔU_αβ更新电流增量ΔI_α、ΔI_β；

对更新后的电流增量ΔI_α、ΔI_β及输入的位置角度误差进行乘积累积求和，获得第一求和量；

对第一求和量进行比例K_p、积分K_i累积周期求和，获得第二求和量，根据第二求和量计算获得角速度ω₁和位置角度θ₁，实现对永磁同步电机的定位。

进一步，将永磁同步电机启动至预设速度后，还包括由无位置矢量状态观测器提供角速度和位置角度的步骤，具体为：

由无位置矢量状态观测器估算位置角速度θ_est和设定角速度ω_ref，将位置角速度θ_est和设定角速度ω_ref输入转速PI调节器，获得q轴的转矩给定电流i_qref和d轴的磁场电流i_dref；

对永磁同步电机的三个负载端进行电流采样并保存为I_a、I_b和I_c，对电流I_a、I_b和I_c进行Clark变换获得电流I_α、I_β，对电流I_α、I_β进行Clark变换获得控制励磁电流I_d和转矩反馈电流I_q；

根据控制励磁电流I_d、转矩反馈电流I_q、磁场电流i_dref和转矩给定电流i_qref进行误差PI调节获得电压差U_dU_q；

将电压差U_dU_q进行Park逆变换获得电压差U_αU_β；

将电压差U_αU_β进行Clark逆变换获得电压U_a、U_b和U_c，根据电压U_a、U_b和U_c求得三个比较值T_a、T_b和T_c；

永磁同步电机的处理器根据三个比较值T_a、T_b和T_c进行反馈控制处理。

本发明的有益效果是：本发明提供一种新型的电机的位置估算算法，能够将电机从零速或低速启动，该算法简单，硬件上无需滤波器，对处理器的要求不高；另外，该算法不仅适用于永磁同步电机，对感应电机和各种异步电机同样适用，具有通用性强、社会效益广泛和经济利用价值高等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本发明实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本发明的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员而言，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。

图1是本发明实施例中一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例中一种新型高频注入PMSM驱动控制算法的结构框图；

图3是本发明实施例中一种新型高频注入PMSM驱动控制算法的结构示意图；

图4是本发明实施例中一种新型高频注入PMSM驱动控制算法的逻辑示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。

在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。

本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本实施例提供一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，包括以下步骤：

整流桥，用于将输入交流电变成脉动的直流电；

滤波稳压电路，用于对所述直流电进行滤波，以及对所述直流电的母线电压进行稳压；

逆变电路，用于将所述直流电转换为交流电；

采样电路，所述采样电路包括电机U相采样电阻RS1、电机V相采样电阻RS2、电机W相采样电阻RS3和电机母线电流采样电阻RS4；

永磁同步电机，所述永磁同步电机的三个负载端分类连接至逆变电路的U端、V端和W端。

参见图1，系统包括整流桥DB1、滤波稳压电路、逆变电路、采样电路和永磁同步电机，其中A、B、C为三相电源的输入，RS4为电机母线电流采样电阻，作为母线电流采样及保护的电阻。

参见图1，进一步作为可选的实施方式，滤波稳压电路包括第一电容C1、第二电容C2、第一电阻R1和第二电阻R2；

第一电容C1和第二电容C2串联在母线电压两端，第一电阻R1与第一电容C1并联，第二电容C2与第二电阻R2并联。

其中，电解电容C1、C2为储能电容，起到把整流后的母线电压稳压的作用，电阻R1、R2为均压电阻，保持母线储能电容C1及C2上电压为母线电压的一半，保持电解电容C1、C2上电压均等，提高电解电容使用寿命。

V_PN为母线P与N之间的电压；

V_PN为母线P与N之间的电压。

参照图1，进一步作为可选的实施方式，滤波稳压电路还包括第三电阻R3和继电器开关；

第三电阻R3与继电器开关并联，第三电阻R3为软启动保护电阻，用于在上电时对整流桥和逆变电路进行保护，继电器开关在上电完成后闭合，以使第三电阻R3短路。

在本实施例中，第三电阻R3为水泥电阻，电阻R3是软启动保护电阻，防止刚上电时对整流桥及后续的IPM模块造成过流击穿导致的损坏，继电器开关是软启动继电器，完成启动后切除启动电阻R3的作用，以减小变频器运行过程中软启动电阻R3造成的损耗，提高变频器使用效率。

基于上述的控制系统，本实施例还提供一种控制算法，目的在于克服现有专利在PMSM位置估算算法中使用滤波器存在的动态延迟、算法复杂度高，通用性不强等缺点，该算法能适用任意PMSM的位置估算，同时对交流感应电机也同样适用，算法简单、通用性强，可靠性高，有很好的经济及社会应用价值。如图2、图3和图4所示，首先在电机负载两端U、V相电阻端采样相电流IU及IV及母线电压Vdc，在到达速度V1之前先使用本实施例使用的新型高频注入算法实现低速或零速下启动，其中，速度V1是转反电动势观测器之前的一个临界速度(比如在零速达到400rpm或600rpm)；即零速或低速下，采用本实施例高频注入算法启动，在转速达到一定速度时切换到反电动势观测器实现顺利切换(反电动势观测器在高频估算效果好，但在低频由于含定子压降等因素估算位置不准，因此采用这种方式能有效启动及运行永磁同步电机)。具体实现算法如下：

(1)AD采样电机的相电流IU及IV，另一相IW＝-(IU+IV)；

(2)电机定位磁极位置，置Id(Id代表电机d轴电流，控制电机磁场)一定值，Iq＝0(Iq代表电机q轴电流，控制转矩的)，磁极位置标记为1；过1s置Iq一定值，Id＝0，磁极位置标记为2；

(3)对磁极位置1、2分别逐次顺序通入幅值为U_m，角频率为w_h的正弦电压信号，U_α＝U_msinw_ht，U_β＝-U_msinw_ht；

(4)由U_αU_β产生I_αI_β，保存当前I_αI_β及上一次

上两次值I_αn-2I_βn-2；

(5)由I_αI_β，

I_αn-2I_βn-2产生ΔI_α、ΔI_β；

(6)由ΔI_α、ΔI_β求出幅值ΔU_αβ，并由ΔI_α、

及ΔU_αβ更新ΔI_α、ΔI_β；更新公式如下：

(7)由ΔI_α、ΔI_β、sin、cos及给定输入

(位置角度误差)进行乘积累积求和；

求和后进行比例K_p、积分K_i累积周期求和并逐次积分求得角速度和位置角度ω₁和θ₁(具体实现如附图4所示)，其中-K_ωsgn(T_em)为与负载相关的符号函数，-K_ω为与负载相关的比例因子，

增加符号函数的原因是对于现实中的电机拖动系统，负载转矩是必须考虑的一个重要变量。当把负载作为反馈量参与变换运算，将会大大提高系统对转矩的动态响应及其抗扰动能力。

(9)完成(1)～(8)后PMSM可以在低速或零速下闭环运行至速度V1。

达到速度V1后切换至无位置矢量状态观测器：

(10)在速度达到V1后切换至无位置矢量状态观测器，切换至运行平稳后位置角度不再由高频注入提供，而由无位置矢量状态观测器估算位置角度θ_est和ω_ref进行。

(11)由无位置矢量状态观测器估算位置角速度θ_est和设定角速度ω_ref进行误差后进入转速PI调节器，其输出为q轴转矩给定电流i_qref

(12)由IU、IV及IW进入AD采样保存成I_a、I_b和I_c，经Clark变换成I_α、I_β，再经Park变换成控制励磁及转矩反馈I_d、I_q电流；

I_a、I_b和I_c的Clark变换(3-2变换)：

(Clark变换3s-2s)

(Park变换2s-2r)

(13)控制励磁及转矩反馈I_d、I_q电流分别与给定输出i_dref、i_qref进行误差PI调节得到U_dU_q；

(14)U_dU_q再经Park逆变换得到U_αU_β；

(Park逆变换2r-2s)

(15)U_αU_β经Clark逆变换得到U_a、U_b和U_c，与Vdc及开关频率fs求得各比较值T_a、T_b和T_c。

(Clark逆变换2s-3s)

(16)T_a、T_b和T_c送至电机的MCU或DSP(数字信号处理器，可以简单理解为高级单片机)进行反馈控制处理。

综上所述，本实施例相对于现有技术，具有如下有益效果：

(1)本实施例提供一种新型高频注入算法，能满足PMSM或感应电机在低速或零速下平稳启动运行。

(2)实施例提供的方法克服现有专利在PMSM位置估算算法中使用滤波器存在的动态延迟、算法复杂度高，通用性不强等缺点，能适用任意IPMSM或SPMSM的位置估算，同时对交流感应电机也同样适用，算法简单、通用性强，可靠性高，有很好的经济及社会应用价值。

在一些可选择的实施例中，在方框图中提到的功能/操作可以不按照操作示图提到的顺序发生。例如，取决于所涉及的功能/操作，连续示出的两个方框实际上可以被大体上同时地执行或所述方框有时能以相反顺序被执行。此外，在本发明的流程图中所呈现和描述的实施例以示例的方式被提供，目的在于提供对技术更全面的理解。所公开的方法不限于本文所呈现的操作和逻辑流程。可选择的实施例是可预期的，其中各种操作的顺序被改变以及其中被描述为较大操作的一部分的子操作被独立地执行。

此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本发明，但应当理解的是，除非另有相反说明，所述的功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本发明是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本发明。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，“计算机可读介质”可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。

计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明并不限于上述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (6)

1.一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

整流桥，用于将输入交流电变成脉动的直流电；

滤波稳压电路，用于对所述直流电进行滤波，以及对所述直流电的母线电压进行稳压；

逆变电路，用于将所述直流电转换为交流电；

永磁同步电机，所述永磁同步电机的三个负载端分类连接至逆变电路的U端、V端和w端。

2.根据权利要求1所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于，还包括采样电路，所述采样电路包括电机U相采样电阻、电机V相采样电阻、电机w相采样电阻和电机母线电流采样电阻。

3.根据权利要求1所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于，所述滤波稳压电路包括第一电容、第二电容、第一电阻和第二电阻；

所述第一电容和所述第二电容串联在所述母线电压两端，所述第一电阻与所述第一电容并联，所述第二电容与所述第二电阻并联。

4.根据权利要求3所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于，所述滤波稳压电路还包括第三电阻和继电器开关；

所述第三电阻与所述继电器开关并联，所述第三电阻为软启动保护电阻，用于在上电时对所述整流桥和所述逆变电路进行保护，所述继电器开关在上电完成后闭合，以使所述第三电阻短路。

5.一种高频注入永磁同步电机的驱动控制方法，应用于如权利要求1-4所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制系统，其特征在于，所述方法用于控制永磁同步电机从低速或零速下启动至预设速度，包括以下步骤：

设置永磁同步电机的d轴电流I_d为预设电流值，设置永磁同步电机的q轴电流为0，记录磁极位置标记为1；

经过预设时间后，设置永磁同步电机的q轴电流I_q为预设电流值，设置永磁同步电机的d轴电流为0，记录磁极位置标记为2；

对磁极位置1分别接入第一正弦电压信号U_α＝U_msinw_ht，对对磁极位置2分别接入第二正弦电压信号U_β＝-U_msinw_ht；

根据磁极位置1和磁极位置2的电压差U_αU_β获得电流差I_αI_β，在预设时间内获得三个电流差；

根据三个电流差获得两个电流增量ΔI_α、ΔI_β；

根据两个电流增量ΔI_α、ΔI_β计算获得幅值增量ΔU_αβ，根据幅值增量ΔU_αβ更新电流增量ΔI_α、ΔI_β；

对更新后的电流增量ΔI_α、ΔI_β及输入的位置角度误差进行乘积累积求和，获得第一求和量；对第一求和量进行比例K_p、积分K_i累积周期求和，获得第二求和量，根据第二求和量计算获得角速度ω₁和位置角度θ₁，实现对永磁同步电机的定位。

6.根据权利要求5所述的一种高频注入永磁同步电机的驱动控制方法，其特征在于，将永磁同步电机启动至预设速度后，还包括由无位置矢量状态观测器提供角速度和位置角度的步骤，具体为：

由无位置矢量状态观测器估算位置角速度θ_est和设定角速度ω_ref，将位置角速度θ_est和设定角速度ω_ref输入转速PI调节器，获得q轴的转矩给定电流i_qref和d轴的磁场电流i_dref；对永磁同步电机的三个负载端进行电流采样并保存为I_a、I_b和I_c，对电流I_a、I_b和I_c进行Clark变换获得电流I_α、I_β，对电流I_α、I_β进行Clark变换获得控制励磁电流I_d和转矩反馈电流I_q；

根据控制励磁电流I_d、转矩反馈电流I_q、磁场电流i_dref和转矩给定电流i_qref进行误差PI调节获得电压差U_dU_q；

将电压差U_dU_q进行Park逆变换获得电压差U_αU_β；

将电压差U_αU_β进行Clark逆变换获得电压U_a、U_b和U_c，根据电压U_a、U_b和U_c求得三个比较值T_a、T_b和T_c；

永磁同步电机的处理器根据三个比较值T_a、T_b和T_c进行反馈控制处理。

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