CN113938077B - 一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，在低速阶段采用恒流频比控制，在高速阶段采用反电势估计法，在低速阶段引入功角自平衡过程，在某一转速下维持频率不变，逐步降低q轴电流幅值，让恒流频比的转子角度逐渐逼近反电势估计的角度，当两者差值小于设定阈值时直接切换到反电势估计的角度。本法发明能够确保估计转子位置不产生突变，且切换是瞬时完成的，不存在过渡过程，两种转子位置估计方法无相互影响，具有鲁棒性强的优势。

Description

一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其涉及一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法。

背景技术

永磁同步电机凭借其体积小、重量轻、效率高和控制性能优越等优点，在电动汽车中得到了广泛应用。

永磁同步电机在控制过程中需要准确获知转子位置信息，常采用旋转变压器这类机械式位置传感器获得，这增加了系统的体积、重量和成本，在剧烈震动和潮湿环境下，这类传感器易失效。并且随着人们对汽车功能安全要求的逐年提高，冗余控制已被广泛应用于新能源汽车行业的电机控制系统中，以提高安全可靠性。转子位置估计技术为永磁同步电机的冗余控制提供了有效途径。它根据电机的基波模型或谐波模型，从电压、电流等电信号中估计出转子位置信息。

基于反电势检测的转子位置估计方法相对成熟，已经在很多产品中得到了应用。然而，当转子处于静止状态或者转速很低时，反电势幅值很小，信噪比低，难以准确检测并解析出位置信息。通常在起动阶段采用高频信号注入的方法来估计转子位置，当转速较高时再切换到反电势检测的方法，即用两种方法的组合来实现永磁同步电机全速度范围的转子位置估计。

文献《李冉.永磁同步电机无位置传感器运行控制技术研究，[博士学位论文].杭州：浙江大学，2012.》将脉振高频电压注入法与滑模观测器相结合，设置一定的切换过渡区，实现了两种方法的平滑切换。但高频电压注入法需向电机绕组中注入高频电压信号，因此电机存在高频噪音且损耗也比较大；另外，在两种方法的过渡过程中，现有文献大都将两者估计位置的加权平均值作为新的估计位置，这虽然保证了切换过程中估计位置不产生突变，但两种方法的估计结果是互相耦合，互相影响的，若其中一种方法检测精度变差，则也会影响另一种方法的控制效果，反而增加了系统在切换过程中失控的风险。

为了实现永磁同步电机在全速度范围的无位置传感器控制，避免注入高频信号带来的噪音和损耗，同时在估计转子位置切换过程不突变的前提下避免两种方法在切换过程中的互相影响，本发明提出一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，在低速阶段采用恒流频比控制，在高速阶段采用反电势估计法，在低速阶段引入功角自平衡过程，让恒流频比的转子角度逐渐逼近反电势估计的角度，当两者差值小于设定阈值时直接切换到反电势估计的角度，从而确保估计转子位置不产生突变，且切换是瞬时完成的，不存在过渡过程，切换前恒流频比控制不受反电势检测的影响，切换后反电势检测不受恒流频比控制的影响，从而实现两种方法的平稳切换。

发明内容

发明目的：针对在估计转子位置切换过程不变的前提下避免两种方法在切换过程中的互相影响的问题，避免注入高频信号带来的噪音和损耗，提出一种无位置传感器的永磁同步电机全速度控制方法。

技术关键：本发明提出一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，在低速阶段采用恒流频比控制，在高速阶段采用反电势估计法，在低速阶段引入功角自平衡过程，让恒流频比的转子角度逐渐逼近反电势估计的角度，当两者差值小于设定阈值时直接切换到反电势估计的角度，从而确保估计转子位置不产生突变，且切换是瞬时完成的，不存在过渡过程，切换前恒流频比控制不受反电势检测的影响，切换后反电势检测不受恒流频比控制的影响，从而实现两种方法的平稳切换。所述功角自平衡及切换过程，具体是：

1)在恒流频比控制下拖动电机到某一转速；

2)维持频率不变，逐步降低q轴电流幅值，此时无功电流分量逐渐降低；

3)实时比较恒流频比控制的转子位置角和反电势估计的转子位置角，随着无功电流分量逐渐降到零，恒流频比控制的转子位置角将和反电势估计的转子位置角趋于一致，当两者差值小于设定阈值时，触发切换条件；

4)系统从恒流频比控制直接切换到反电势估计法。

技术方案：本发明提出一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，在低速阶段采用恒流频比控制，在高速阶段采用反电势估计法，在低速阶段引入功角自平衡过程，让恒流频比的转子角度逐渐逼近反电势估计的角度，当两者差值小于设定阈值时直接切换到反电势估计的角度，从而确保估计转子位置不产生突变，且切换是瞬时完成的，不存在过渡过程，切换前恒流频比控制不受反电势检测的影响，切换后反电势检测不受恒流频比控制的影响，从而实现两种方法的平稳切换。具体的技术方案如下：

S1：设置各控制指令生成逻辑，分别对电机的速度指令，q轴电流，估计转子角度，估计q轴电流设置给定值，在低转速范围采用恒流频比法估计转子位置，并根据转速工况相应设置切换信号，具体步骤如下；

S1.1：利用速度指令生成环节设置速度指令ω_ref，在0～t₁时间内，速度指令从0线性增大到ω₁；在t₁～t₂时间内，速度指令维持ω₁不变；在t₂～t₃时间内，速度指令从ω₁线性增大到ω₂，之后维持ω₂不变；

S1.2：利用q轴电流生成环节设置q轴电流i_q1，在0～t₁时间内，q轴电流i_q1维持额定电流i_qN不变；在t₁～t₂时间内，q轴电流i_q1从i_qN线性减小到0，之后维持0不变；

S1.3：在电机低转速范围运行时，利用角度选择与平滑切换环节设置估计转子角度在0～t₁时间内，始终将速度指令ω_ref积分后的角度，即恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；在t₁～t₂时间内，实时检测恒流频比控制的角度/>和反电势检测的角度/>之间的差值Δθ，若该差值Δθ的绝对值大于设定阈值Δθ_d，则将恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；若该差值Δθ的绝对值小于或等于设定阈值Δθ_d，则将反电势检测的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置1；

S1.4：利用q轴电流选择环节设置估计q轴电流指令若切换信号S为0，则将速度环PI调节器的输出q轴电流i_q2作为q轴电流指令/>若切换信号S为1，则将q轴电流生成环节输出的q轴电流i_q1作为q轴电流指令/>

S2：电机高转速范围采用扩展反电势法参与系统控制，检测估计的转子位置，具体步骤如下：

S2.1：根据α、β轴电压、α、β轴电流以及电机参数计算α、β轴扩展反电势e_α和e_β；

S2.2：将α、β轴扩展反电势e_α和e_β构成复数e_α+je_β，并求解该复数的相角，得到反电势估计的转子位置

S3：采用转速、电流双闭环矢量控制技术，对永磁同步电机进行控制，具体步骤如下；

S3.1：将速度指令生成环节输出的速度指令ω_ref与估计角速度作差输入到速度环比例积分(PI)调节器，输出为q轴电流i_q2；

S3.2：q轴电流选择环节根据切换信号S，q轴电流生成环节输出的i_q1和速度环PI调节器输出的i_q2，生成估计q轴电流指令并将估计d轴电流指令/>设为0：

S3.3：分别将估计d、q轴电流指令与估计d、q轴反馈电流/>作差输入到比例积分调节器，输出分别为估计d、q轴电压/>

S3.4：根据角度选择与平滑切换模块输出的估计位置对估计d、q轴电压/>进行PARK逆变换，得到α、β轴电压u_α、u_β；

S3.5：采用空间矢量脉宽调制技术，根据α、β轴电压u_α、u_β对电机进行控制；

S3.6：采集电机的任意两相电流，对其进行CLARKE变换，得到α、β轴电流i_α、i_β；

S3.7：对α、β轴电流i_α、i_β进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流

S3.8：对估计转子角度进行微分，得到估计角速度/>

有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：

本发明提出的一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，在低速阶段采用恒流频比控制，在高速阶段采用反电势估计法，在低速阶段引入功角自平衡过程，让恒流频比的转子角度逐渐逼近反电势估计的角度，当两者差值小于设定阈值时直接切换到反电势估计的角度，从而确保估计转子位置不产生突变，且切换是瞬时完成的，不存在过渡过程，切换前恒流频比控制不受反电势检测的影响，切换后反电势检测不受恒流频比控制的影响，从而实现两种方法的平稳切换。

附图说明

图1是本发明的无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法的原理框图；

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。其中，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。

实施例1

参考图1，本实施例提供了一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，具体包括如下步骤：

步骤S1：参考图1，设置各控制指令生成逻辑，分别对电机的速度指令，q轴电流，估计转子角度，估计q轴电流设置给定值，在低转速范围采用恒流频比法估计转子位置，并根据转速工况相应设置切换信号。具体步骤如下：

步骤S1.1：利用速度指令生成环节设置速度指令ω_ref，在0～t₁时间内，速度指令从0线性增大到ω₁；在t₁～t₂时间内，速度指令维持ω₁不变；在t₂～t₃时间内，速度指令从ω₁线性增大到ω₂，之后维持ω₂不变。

步骤S1.2：利用q轴电流生成环节设置q轴电流i_q1，在0～t₁时间内，q轴电流i_q1维持额定电流i_qN不变；在t₁～t₂时间内，q轴电流i_q1从i_qN线性减小到0，之后维持0不变。

步骤S1.3：低转速工况下，利用角度选择与平滑切换环节设置估计转子角度在0～t₁时间内，始终将速度指令ω_ref积分后的角度，即恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；在t₁～t₂时间内，实时检测恒流频比控制的角度/>和反电势检测的角度/>之间的差值Δθ，若该差值Δθ的绝对值大于设定阈值Δθ_d，则将恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；若该差值Δθ的绝对值小于或等于设定阈值Δθ_d，则将反电势检测的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置1。

步骤S1.4：利用q轴电流选择环节设置估计q轴电流指令若切换信号S为0，则将速度环PI调节器的输出q轴电流i_q2作为q轴电流指令/>若切换信号S为1，则将q轴电流生成环节输出的q轴电流i_q1作为q轴电流指令/>

步骤S2：电机高转速范围采用扩展反电势估计法，检测估计的转子位置，具体步骤如下：

步骤S2.1：根据α、β轴电压、α、β轴电流以及电机参数计算α、β轴扩展反电势e_α和e_β。

步骤S2.2：将α、β轴扩展反电势e_α和e_β构成复数e_α+je_β，并求解该复数的相角，得到反电势估计的转子位置

步骤S3：采用转速、电流双闭环矢量控制技术，对永磁同步电机进行控制，具体步骤如下：

步骤S3.1：将速度指令生成环节输出的速度指令ω_ref与估计角速度作差输入到速度环比例积分调节器，输出为q轴电流i_q2。

步骤S3.2：q轴电流选择环节根据切换信号S，q轴电流生成环节输出的i_q1和速度环PI调节器输出的i_q2，生成估计q轴电流指令并将估计d轴电流指令/>设为0。

步骤S3.3：分别将估计d、q轴电流指令与估计d、q轴反馈电流/>作差输入到比例积分调节器，输出分别为估计d、q轴电压/>

步骤S3.4：根据角度选择与平滑切换模块输出的估计位置对估计d、q轴电压/> 进行PARK逆变换，得到α、β轴电压u_α、u_β。

步骤S3.5：采用空间矢量脉宽调制技术，根据α、β轴电压u_α、u_β对电机进行控制。

步骤S3.6：采集电机的任意两相电流，对其进行CLARKE变换，得到α、β轴电流i_α、i_β。

步骤S3.7：对α、β轴电流i_α、i_β进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流

步骤S3.8：对估计转子角度进行微分，得到估计角速度/>

由上述步骤可见，采用恒流频比结合反电势检测的复合控制方式，同时结合功角自平衡过程，两种方法的切换可以瞬时完成，不仅保证了切换前后估计位置不产生突变，同时避免了切换过程两种方法的互相影响。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构和方法并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：

S1：设置各控制指令生成逻辑，分别对电机的速度指令ω_ref，q轴电流，估计转子角度，估计q轴电流设置给定值，在低转速范围采用恒流频比法估计转子位置，并根据转速工况相应设置切换信号；

S2：电机高转速范围采用扩展反电势法参与系统控制；

S3：采用转速、电流双闭环矢量控制技术，对永磁同步电机进行控制；

其中，所述步骤S1，在低速范围采用恒流频比法估计转子位置，具体如下：

S1.1：利用速度指令生成环节设置速度指令ω_ref，在0～t₁时间内，速度指令从0线性增大到ω₁；在t₁～t₂时间内，速度指令维持ω₁不变；在t₂～t₃时间内，速度指令从ω₁线性增大到ω₂，之后维持ω₂不变；

S1.2：利用q轴电流生成环节设置q轴电流i_q1，在0～t₁时间内，q轴电流i_q1维持额定电流i_qN不变；在t₁～t₂时间内，q轴电流i_q1从i_qN线性减小到0，之后维持0不变；

S1.3：利用角度选择与平滑切换环节设置估计转子角度在0～t₁时间内，始终将速度指令ω_ref积分后的角度，即恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；在t₁～t₂时间内，实时检测恒流频比控制的角度/>和反电势检测的角度/>之间的差值Δθ，若该差值Δθ的绝对值大于设定阈值Δθ_d，则将恒流频比控制的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置0；若该差值Δθ的绝对值小于或等于设定阈值Δθ_d，则将反电势检测的角度/>作为估计转子角度/>输出，并且将切换信号S置1；

S1.4：利用q轴电流选择环节设置估计q轴电流指令若切换信号S为0，则将速度环PI调节器的输出q轴电流i_q2作为q轴电流指令/>若切换信号S为1，则将q轴电流生成环节输出的q轴电流i_q1作为q轴电流指令/>

2.根据权利要求1所述的一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，其特征在于，所述步骤S2采用反电势估计法检测估计的转子位置，具体如下：

S2.1：根据α、β轴电压、α、β轴电流以及电机参数计算α、β轴扩展反电势e_α和e_β；

S2.2：将α、β轴扩展反电势e_α和e_β构成复数e_α+je_β，并求解该复数的相角，得到反电势估计的转子位置

3.根据权利要求1所述的一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法，其特征在于，所述步骤S3采用转速、电流双闭环矢量控制技术，对永磁同步电机进行控制，具体如下：

S3.1：将速度指令生成环节输出的速度指令ω_ref与估计角速度作差输入到速度环比例积分调节器，输出为q轴电流i_q2；

S3.2：q轴电流选择环节根据切换信号S，q轴电流生成环节输出的i_q1和速度环PI调节器输出的i_q2，生成估计q轴电流指令并将估计d轴电流指令/>设为0；

S3.3：分别将估计d、q轴电流指令与估计d、q轴反馈电流/>作差输入到比例积分调节器，输出分别为估计d、q轴电压/>

S3.4：根据角度选择与平滑切换模块输出的估计位置对估计d、q轴电压/>进行PARK逆变换，得到α、β轴电压u_α、u_β；

S3.5：采用空间矢量脉宽调制技术，根据α、β轴电压u_α、u_β对电机进行控制；

S3.6：采集电机的任意两相电流，对其进行CLARKE变换，得到α、β轴电流i_α、i_β；

S3.7：对α、β轴电流i_α、i_β进行PARK变换，得到估计d、q轴反馈电流

S3.8：对估计转子角度进行微分，得到估计角速度/>