CN112671287A - 电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置及方法，所述装置包括电流采样模块、磁链观测模块、锁相环模块、SVPWM调制模块、预定位模块、IF速度开环模块、无传感器速度闭环模块，预定位模块经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量，将差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号；IF速度开环模块：电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强；无传感器速度闭环模块：经过坐标变换得到旋转坐标系下电流与电压分量，反正切计算得到转子角度，实时估算电机转速与转子位置。本发明可在无传感器条件下可靠启动电子水泵，低速稳定性与抗干扰能力强，高速动态性能佳，且对电机参数不敏感，提高电机控制鲁棒性。

Description

电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置及方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车技术领域，尤其涉及一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置及方法。

背景技术

现代汽车还存在大部分机械零部件，机械零部件控制精度不高，且能耗较大。随着电控技术的发展，汽车系统智能化、电动化的需求不断增长，汽车的整体性能也越来越完善。目前大部分汽车冷却系统仍然是被动冷却方式，即采用由发动机曲轴带动的机械水泵，存在低温启动困难，调速效果差，效率低等问题，影响冷却系统性能。目前电子水泵电机主要有永磁无刷直流电机(BLDC)和永磁同步电机(PMSM)，由于BLDC噪声大，效率低、转矩脉动大等缺点，而PMSM具有体积小，噪声小，功率密度大等特点使其在电子水泵电机中占比越来越高。电子水泵用PMSM需要适应不同的工作环境，汽车用电子水泵通常需满足-40°--60°的环境温度下保持正常、高效运行。且随着电机不断工作，电机自身温度也在不断变化，电机内部电阻电感参数也在动态变化，从而影响电机控制系统性能。如何补偿电机参数对系统的影响，提高控制系统性能是本领域专家学者急需解决的技术问题之一。

针对上述问题，国内外专家学者提出各种无传感器控制方法，如滑模观测器法以及卡尔曼滤波法。滑模观测器法是一种非线性控制方法，其控制原理是在系统的状态空间内创建以观测电流与实际电流差值为滑模切换面，并构造相应的滑模控制函数。但该滑模控制函数为不连续的高频开关控制，容易引起系统抖振现象且在低速时性能较差。卡尔曼滤波法是一种最优估计方法，基本原理为定子电流、电压、转子磁链为输入状态变量，通过对电机非线性模型线性化，建立转子位置相关电机状态方程，并进行线性卡尔曼滤波器的递推计算，即可得到所需实际转子位置信息的估计值，实现永磁同步电机无传感器控制，但该方法缺点是会涉及大量的矩阵运算，且参数整定困难，低速阶段可靠性较差，很少应用到实际工程中。

发明内容

本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置及方法，以提高电机控制鲁棒性。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置，包括电流采样模块、磁链观测模块、锁相环模块、SVPWM调制模块，还包括预定位模块、IF速度开环模块、无传感器速度闭环模块，

预定位模块：电机启动后，根据电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，进入预定位模式；

IF速度开环模块：在进入预定位模式预定位时间后，进入IF速度开环模式，电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加；

无传感器速度闭环模块：当转速达到1/6额定转速时，通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

相应地，本发明实施例还提供了一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，包括：

预定位步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，预定位时间后，进入IF速度开环步骤；

IF速度开环步骤：电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加，当转速达到1/6额定转速时，进入无传感器速度闭环步骤；

无传感器速度闭环步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

本发明的有益效果为：本发明可在无传感器条件下通过电机转子预定位模式，IF速度开环模式，无传感器速度闭环模式可靠启动电子水泵，低速稳定性与抗干扰能力强，高速动态性能佳，且对电机参数不敏感，提高电机控制鲁棒性。

附图说明

图1是本发明实施例的预定位模式的控制框图。

图2是本发明实施例的IF速度开环模式的控制框图。

图3是本发明实施例的无传感器速度闭环模式的控制框图。

图4是本发明实施例的磁链观测器模块的控制框图。

图5是本发明实施例的锁相环模块的控制框图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

本发明实施例的电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置包括电流采样模块、磁链观测模块、锁相环模块、SVPWM调制模块、预定位模块、IF速度开环模块、无传感器速度闭环模块。

电机启动前，因没有了位置传感器，无法确定转子位置，电子水泵工作模式允许低速缓慢转动，请参照图1，电机启动后，预定位模块根据电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d(在本领域中，字母上加*表示给定值，不加表示实际值)等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，进入预定位模式。

IF速度开环模块：在进入预定位模式预定位时间后，进入IF速度开环模式，请参照图2，电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加。当转速达到1/6额定转速时，电机反电动势已建立起来，电机电压、电流大小合适，此时切换到无传感器速度闭环模式。

无传感器速度闭环模块：当转速达到1/6额定转速时，进入无传感器速度闭环模式，请参照图3～图5，通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

为了提高估算转速与转子位置精度，将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定(上位机或汽车控制系统给定)的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值(即i^* _d与i_d的差值，i^* _q与i_q的差值)分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

作为一种实施方式，磁链观测模块中，定子磁链ψ_sα使用低通滤波器代替纯积分环节计算，滤波时间为2Ts，Ts为开关频率倒数，定子磁链ψ_sβ中低通滤波器滤波时间为4Ts；为了降低低通滤波器对系统相位滞后和幅值衰减的影响，当ψ_sα大于

时补偿系数

当ψ_sβ大于ψ_s时补偿系数

补偿后定子磁链表达式为：

式中k为滤波系数，R为定子电阻，ψ_s为定子磁链幅值。

作为一种实施方式，锁相环模块中估算转速

为磁链观测模块转子角度

与前5拍观测到的转子角度

差值，估算的角度

为锁相环模块当前拍估算的转子角度

与前5拍估算的转子角度差值，Kpll为锁相环调节系数，取值100～300。

作为一种实施方式，预定位模块中，预定位电流I₀＝0.25In，In为电机额定电流，预定位电流由PI控制器闭环控制，为参数kp0＝200，ki0＝300；预定位时间T₀＝0.1s，与水泵电机机械时间常有关。

请参照图1～图5，本发明实施例的电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，包括预定位步骤、IF速度开环步骤及无传感器速度闭环步骤。

预定位步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，预定位时间后，进入IF速度开环步骤。

IF速度开环步骤：电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加，当转速达到1/6额定转速时，进入无传感器速度闭环步骤。

无传感器速度闭环步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

作为一种实施方式，无传感器速度闭环步骤中，磁链观测模块中定子磁链ψ_sα使用低通滤波器代替纯积分环节计算，滤波时间为2Ts，Ts为开关频率倒数，定子磁链ψ_sβ中低通滤波器滤波时间为4Ts；当ψ_sα大于

时补偿系数

当ψ_sβ大于ψ_s时补偿系数

补偿后定子磁链表达式为：

式中k为滤波系数，R为定子电阻，ψ_s为定子磁链幅值。

作为一种实施方式，无传感器速度闭环步骤中，锁相环模块估算转速

为磁链观测模块转子角度

与前5拍观测到的转子角度

差值，估算的角度

为锁相环模块当前拍估算的转子角度

与前5拍估算的转子角度差值，Kpll为锁相环调节系数，取值100～300。

作为一种实施方式，预定位步骤中，预定位时间T₀＝0.1s，与电子水泵永磁同步电机机械时间常数有关。预定位电流I₀＝0.25In，In为电机额定电流，预定位电流由PI控制器闭环控制，参数kp0＝200，ki0＝300。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (8)

1.一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置，包括电流采样模块、磁链观测模块、锁相环模块、SVPWM调制模块，其特征在于，还包括预定位模块、IF速度开环模块、无传感器速度闭环模块，

预定位模块：电机启动后，根据电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，进入预定位模式；

IF速度开环模块：在进入预定位模式预定位时间后，进入IF速度开环模式，电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加；

无传感器速度闭环模块：当转速达到1/6额定转速时，通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

2.如权利要求1所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置，其特征在于，磁链观测模块中，定子磁链ψ_sα使用低通滤波器代替纯积分环节计算，滤波时间为2Ts，Ts为开关频率倒数，定子磁链ψ_sβ中低通滤波器滤波时间为4Ts；当ψ_sα大于

时补偿系数

当ψ_sβ大于ψ_s时补偿系数

补偿后定子磁链表达式为：

式中k为滤波系数，R为定子电阻，ψ_s为定子磁链幅值。

3.如权利要求1所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置，其特征在于，锁相环模块中估算转速

为磁链观测模块转子角度

与前5拍观测到的转子角度

差值，估算的角度

为锁相环模块当前拍估算的转子角度

与前5拍估算的转子角度差值，Kpll为锁相环调节系数，取值100～300。

4.如权利要求1所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制装置，其特征在于，预定位模块中，预定位电流I₀＝0.25In，In为电机额定电流，预定位电流由PI控制器闭环控制，为参数kp0＝200，ki0＝300；预定位时间T₀＝0.1s。

5.一种电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，包括：

预定位步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机的三相电流i_a、i_b、i_c，设定转子位置角度

将所述三相电流经过电流坐标变换得到同步旋转坐标系下直流的分量i_d与i_q，令给定i^* _d等于预定位电流I₀，i^* _q＝0，将给定电流值与坐标变换后直流分量的差值输入PI控制器调节，得到参考电压信号u_d和u_q，根据u_d和u_q控制电机转子，预定位时间后，进入IF速度开环步骤；

IF速度开环步骤：电流保持预定位电流不变，电流由PI控制器闭环控制，参数增强kp1＝300,ki1＝450；频率以固定加速度1000rpm/s不断增加，当转速达到1/6额定转速时，进入无传感器速度闭环步骤；

无传感器速度闭环步骤：通过电流采样模块实时采样计算电机三相电流i_a、i_b、i_c以及三相电压u_a、u_b、u_c，经过坐标变换得到旋转坐标系下电流的分量i_α、i_β与电压分量u_α、u_β，输入到磁链观测模块得到定子磁链ψ_sα和ψ_sβ，变换得到转子磁链ψ_rα和ψ_rβ，反正切计算得到转子角度

将得到的转子角度

输入到锁相环模块实时估算电机转速speed_pll与转子位置；将给定的转速speed_ref与估算的转速speed_pll差值输入到PI控制器，PI控制器参数kp2＝200,ki2＝150，输出给定转矩电流i^* _q；令磁链电流给定i^* _d＝0，i^* _d、i^* _q与坐标变换后实时检测的电流i_d、i_q差值分别经过对应的PI控制器，参数保持不变，输出u_d、u_q；然后经过SVPWM调制模块产生六路PWM驱动信号，驱动逆变电路实现电机无传感器控制。

6.如权利要求5所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，无传感器速度闭环步骤中，磁链观测模块中定子磁链ψ_sα使用低通滤波器代替纯积分环节计算，滤波时间为2Ts，Ts为开关频率倒数，定子磁链ψ_sβ中低通滤波器滤波时间为4Ts；当ψ_sα大于

时补偿系数

当ψ_sβ大于ψ_s时补偿系数

补偿后定子磁链表达式为：

式中k为滤波系数，R为定子电阻，ψ_s为定子磁链幅值。

7.如权利要求5所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，无传感器速度闭环步骤中，锁相环模块估算转速

为磁链观测模块转子角度

与前5拍观测到的转子角度

差值，估算的角度

为锁相环模块当前拍估算的转子角度

与前5拍估算的转子角度差值，Kpll为锁相环调节系数，取值100～300。

8.如权利要求5所述的电子水泵永磁同步电机无传感器控制方法，其特征在于，预定位步骤中，预定位时间T₀＝0.1s，预定位电流I₀＝0.25In，In为电机额定电流，预定位电流由PI控制器闭环控制，参数kp0＝200，ki0＝300。

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