CN113179067A - 一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，本发明的电机稳态他控运行，输出电压矢量以给定频率旋转，转子同步速运行，转速精度高，设定他控运行区间，检测转矩角，电机动态切换控制。相比传统无传感器运行方法具有以下优点：1)稳态他控运行，充分利用内嵌式永磁同步电机具有的转矩调节能力，输出电压矢量以给定频率旋转，转子同步速运行，转速精度高；2)动态切换控制，当负载突变使转矩超出了他控设定区间，切入自控运行，满足不同负载情况下的运行要求。

Description

一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法
技术领域
本发明涉及一种无传感器内嵌式永磁同步电机运行方法，特别是涉及能够实现无传感器内嵌式永磁同步电机高精度运行的方法，属于交流电机传动技术领域。
背景技术
内嵌式永磁同步电机(interior permanent magnet synchronous motor,IPMSM)的永磁体安装在转子内部受到极靴保护，使得IPMSM转子力学结构更牢固，同时有更高的凸极率和更小的气隙，其转子磁路结构不对称所产生的磁阻转矩有助于提高电机的过载能力和功率密度，相比表贴式PMSM更适合弱磁调速，因而得到日益广泛的研究和应用。
PMSM无传感器技术研究始于20世纪80年代，无传感器技术利用电机绕组的有关电信号，通过适当方法估算出转子转速和位置，即利用电气特性来反映机械运动特性。常用的估算方法大致分为：基于电机基本电磁关系的估算方法；基于各种观测器的估算方法，如状态观测器、滑模变结构观测器、扩展卡尔曼滤波器等；高频信号注入法；模型参考自适应法等。
采用估算方法间接获取转子位置和转速信息，通常是依据电机数学模型，如高频注入法忽略定子电阻采用了PMSM简化等效电路，模型参考自适应法选用PMSM电流模型作为可调模型，估算受模型本身精度的影响；在估算方法实现上存在非线性因素，如高频注入法受空间磁场非线性分布、逆变器死区和滤波效果影响；有些估算方法算法复杂，如高频注入法，基于观测器的方法；估算精度还受电流采样、观测器性能、PI调节器性能等的影响。
从资料看，无传感器估算能达到约5°电角度的转子位置精度，采用无传感器技术的PMSM调速系统高速时能达到约3％的转速精度，而低速时更差，这限制了其在高精度场合的应用。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法。
本发明的思想在于：电机起动时自控运行，转速闭环必需的转速和位置信号通过估算算法得到，当电机进入稳态系统切入他控，他控运行方式是，在切换时刻锁定输出电压矢量的幅值和转子位置角，切入后转子位置角以切换位置角为初值、以给定转速对应的频率递变，输出电压矢量以给定转速旋转，转子同步速转动；他控运行本身无需转子位置和转速信息，不受估算误差干扰而稳态运行，有利于提高估算精度；估算出的转子位置用来判断他控是否运行在一个安全区间，当负载变化使转矩超出了他控区间则快速切出到自控运行，待稳态切回。
一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，本发明电机稳态他控运行，输出电压矢量以给定频率旋转，转子同步速运行，转速精度高，设定他控运行区间，检测转矩角，电机动态切换控制。
包括如下具体步骤：
步骤1：电机起动时，采用id＝0的自控运行方式，采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure BDA0003018613640000022
步骤2：当电机进入稳态，在转矩角β(电流矢量is与电机d轴夹角)＝90°的时刻，由自控运行模式切换到他控运行模式，即将电压矢量Vs的幅值锁定，同时转子位置角度θ′以切换值为初值按照给定频率f*递变。
步骤3：在他控运行模式下，电压矢量以恒定幅值、给定频率旋转，根据如下的电机转矩公式，电机通过转矩角的调整在一定范围内平衡负载的变化。
Te＝1.5P[ψfiq+0.5(Ld-Lq)is 2sin2β]
式中，Te为电磁转矩，P为电机极对数，Ψf为永磁磁链，iq为交轴电流，id为直轴电流，Lq为交轴电感，Ld直轴电感，is为定子电流幅值。
采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure BDA0003018613640000021
根据电机参数和定子电流幅值，设定他控运行的转矩角β运行区间[β-，β+]，由派克变换计算交轴电流iq和直轴电流id，由如下反正切函数计算转矩角β。
β＝actan(iq/id)
步骤4：在控制器每个采样计算周期内，检测转矩角β是否在设定区间[β-，β+]内：若在，则继续他控运行模式；若超出，则切换到id＝0的自控运行模式。
步骤5：在id＝0的自控运行模式下，当电机进入稳态，重新执行步骤2。
本发明提出的一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，相比传统无传感器运行方法具有以下优点：1)稳态他控运行，充分利用内嵌式永磁同步电机具有的转矩调节能力，输出电压矢量以给定频率旋转，转子同步速运行，转速精度高；2)动态切换控制，当负载突变使转矩超出了他控设定区间，切入自控运行，满足不同负载情况下的运行要求。
附图说明
图1是实施本发明的自控模式无传感器内嵌式永磁同步电机矢量控制系统图；
图2是实施本发明的他控模式无传感器内嵌式永磁同步电机矢量控制系统图；
图3是实施本发明的电机转矩随转矩角变化曲线实例图。
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
本发明实施例的自控模式无传感器内嵌式永磁同步电机矢量控制系统如图1所示，包括内嵌式永磁同步电机(IPMSM)，三相电压源型逆变器，空间矢量PWM调制单元，电流检测与变换单元，直轴电流调节器，交轴电流调节器，转速调节器，和无传感器位置和转速估算单元。
本发明实施例的他控模式无传感器内嵌式永磁同步电机矢量控制系统如图2所示，包括内嵌式永磁同步电机(IPMSM)，三相电压源型逆变器，空间矢量PWM调制单元，转子位置自给定单元，无传感器位置估算单元，转矩角计算和监控单元。
以15kW内嵌式永磁同步电机为例，电机参数为：极对数P＝4，直轴电感Ld＝0.17mH，交轴电感Lq＝0.35mH，永磁磁链Ψf＝0.14Wb。
图3所示为电机的电磁转矩图，图中画出两条不同定子电流幅值下电机转矩变化曲线，下曲线为额定电流下转矩随转矩角变化曲线，上曲线为1.1倍额定电流下转矩随转矩角变化曲线。
以电机带额定负载运行，然后突加1.1额定负载为例，对实施方案进行描述：
步骤1：电机起动时，采用id＝0的自控运行方式，采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure BDA0003018613640000031
步骤2：当电机进入稳态，在转矩角β(电流矢量is与电机d轴夹角)＝90°的时刻，由自控运行模式切换到他控运行模式，即将电压矢量Vs的幅值锁定，同时转子位置角度θ′以切换值为初值按照给定频率f*递变。
步骤3：在他控运行模式下，电压矢量以恒定幅值、给定频率旋转，根据电机转矩公式，电机通过转矩角的调节在AB段范围内平衡负载的变化。
根据电机参数和定子电流幅值，设定他控运行的转矩角β运行区间为[75°，105°]，对应的转矩范围为[0.85，1.1]倍额定转矩，对于额定负载±10％范围内的负载波动具有调节能力。
采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure BDA0003018613640000041
由派克变换计算交轴电流iq和直轴电流id，由反正切函数计算转矩角β。
步骤4：在控制器每个采样计算周期内，检测转矩角β是否在设定区间[75°，105°]内：若在，则继续他控运行模式；若超出，例如突加负载到1.1倍额定负载，检测转矩角β>105°，则切换到id＝0的自控运行模式。
步骤5：在id＝0的自控运行模式下，当电机进入稳态，重新执行步骤2。在随后的步骤3，转矩角的调节范围在CD段，达到新的平衡。

Claims (3)

1.一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，其特征在于：包括如下具体步骤：
步骤1：电机起动时，采用id＝0的自控运行方式，采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure FDA0003018613630000011
步骤2：当电机进入稳态，在转矩角β＝90°的时刻，由自控运行模式切换到他控运行模式，即将电压矢量Vs的幅值锁定，同时转子位置角度θ′以切换值为初值按照给定频率f*递变；
步骤3：在他控运行模式下，电压矢量以恒定幅值、给定频率旋转，根据如下的电机转矩公式，电机通过转矩角的调整在一定范围内平衡负载的变化；
Te＝1.5P[ψfiq+0.5(Ld-Lq)is 2sin2β]
式中，Te为电磁转矩，P为电机极对数，Ψf为永磁磁链，iq为交轴电流，id为直轴电流，Lq为交轴电感，Ld直轴电感，is为定子电流幅值；
采用扩展反电势法估算转子位置角度
Figure FDA0003018613630000012
根据电机参数和定子电流幅值，设定他控运行的转矩角β运行区间[β-，β+]，由派克变换计算交轴电流iq和直轴电流id，由如下反正切函数计算转矩角β；
β＝actan(iq/id)
步骤4：在控制器每个采样计算周期内，检测转矩角β是否在设定区间[β-，β+]内：若在，则继续他控运行模式；若超出，则切换到id＝0的自控运行模式；
步骤5：在id＝0的自控运行模式下，当电机进入稳态，重新执行步骤2。
2.根据权利要求1所述的一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，其特征在于：所述交轴电流iq和直轴电流id由派克变换计算。
3.根据权利要求1所述的一种无传感器内嵌式永磁同步电机的高精度运行方法，其特征在于：所述的转矩角β由如下反正切函数计算；
β＝actan(iq/id)。
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