CN114629395B - 一种无电流传感器的电机驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种无电流传感器的电机驱动策略，其对电机数学模型进行分析，通过采集到的信息以及当前电机的目标信息，输出电压控制电机驱动，控制思路简单。在控制过程中，其没有使用电流传感器采集电机电流，有效避免工程应用中电流传感器采样误差对电机运行造成的影响，还同时节约了控制器成本。在工程应用中，通过电机相应工况的电压标定，该控制策略能够快速准确地控制电机达到目标要求，可适用的电机类型广泛，保证了控制可靠性与运行稳定性。

Description

一种无电流传感器的电机驱动方法

技术领域

本发明属于电机精确控制技术领域，尤其涉及一种无电流传感器的电机驱动方法。

背景技术

目前，电机控制技术仍属于一个较为复杂的问题，现有技术中所采用的控制策略主要有比例积分(Proportional Integral，PI)控制方式和模型预测控制。对于PI控制来说，由于其控制过程不涉及电机参数，能解决电机内部参数鲁棒性的问题，但在参数整定中对于工程经验具有较强的依赖性，并且同一PI参数很难保证电机在不同工况下都有较好的运行效果。模型预测控制方式通过融入电机模型，来对电机电流或者扭矩的预测、电压计算或者直接选择控制矢量进行电机控制，能够有效实现电机的动态和稳态响应，但是电机的模型参数在电机运行中会发生变化，从而导致所建立的电机模型与实际电机存在差异，影响电机的运行。虽然存在一些研究方案能够解决电机模型参数鲁棒性的问题，如ZhangXiaoguang等人在《Deadbeat Predictive Current Control of Permanent-MagnetSynchronous Motors with Stator Current and Disturbance Observer》一文中通过构建合适的滑模状态观测器实现了对电机参数变化导致的扰动的有效估计，从而使电机参数的鲁棒性有效提高，但是模型预测控制存在着对芯片的计算能力有着较高的要求等问题，工业应用中仍然不适合大规模使用。再者，无论是PI控制或者模型预测控制，都对电机的电流采集精度有着绝对的依赖，当电机的电流传感器发生故障或者电磁干扰下电流采集存在偏差时，都会导致电机运行状况难以预测。因此，本领域急需一种控制稳定且能够克服过分依赖电流采集结果和计算压力较大等问题的电机控制策略。

发明内容

有鉴于此，针对上述本领域中存在的技术问题，本发明提供了一种无电流传感器的电机驱动方法，具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集永磁同步电机运行过程中的转速、转子位置角数据；

步骤二、建立永磁同步电机电气数学模型，并对模型中电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离，针对电机工作在稳态时的工况对所述电气数学模型进行简化；

步骤三、利用步骤一中采集的数据以及步骤二中得到的简化后的电气数学模型，基于最大转矩电流比的控制原则计算当前时刻工况下的电机所需电压；

步骤四、基于计算的所述电机电压结果进行SVPWM调制，驱动电机运行。

进一步地，步骤二中具体在转子坐标系下建立所述永磁同步电机电气数学模型，具体形式如下：

式中，U_d、U_q分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴电压；i_d、i_q分别为直轴、交轴电流；R_s为定子电阻；Ψ_f为电机转子永磁体磁链；L_d、L_q分别为d轴、q轴电感；ω_r为转子的电气角速度，t为时间；

基于以下原则将电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离：

U_d稳＝R_si_d-ω_rL_qi_q

U_q稳＝R_si_q+ω_rL_di_d+ω_rψ_f

当电机工作在稳态时，以上瞬态项的数值近似为0，则所述电气数学模型进行简化得到：

进一步地，所述步骤三具体包括以下步骤：

建立以下永磁同步电机机械模型：

T_e＝1.5p*(ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q)

式中，T_e为电机输出扭矩，p为电机极对数；

基于最大转矩电流比的控制原则计算得到电机所需的d轴、q轴电流分别为：

针对表贴式永磁同步电机对电机机械模型进行简化得到：

T_e＝1.5p*ψ_fi_q

则所需的d轴、q轴电流分别为：

将计算得到的上述d轴、q轴电流代入所述简化后的电气数学模型，即得到用于SVPWM调制的d轴、q轴电压。

上述本发明所提供的无电流传感器的电机驱动方法，至少能够实现以下有益效果：

1.上述控制策略通过对电机数学模型进行分析，通过采集到的信息以及当前电机的目标信息，输出电压控制电机驱动，控制思路简单。

2.上述控制策略在控制过程中，没有使用电流传感器采集电机电流，有效避免工程应用中电流传感器采样误差对电机运行造成的影响，还同时节约了控制器成本。

3.在工程应用中，通过电机相应工况的电压标定，该控制策略能够快速准确地控制电机达到目标要求，可适用的电机类型广泛，保证了控制可靠性与运行稳定性。

附图说明

图1为本发明所提供控制方法的流程图；

图2基于本发明所提供控制方法的系统框架原理图；

图3为基于本发明的实例中的电机控制效果图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在现有的使用传统PI控制或者模型预测控制等电机控制方法中，当前时刻的电流都是一个必须要测量的物理量。只有获得了当前的电流信息，才能实现电机下一时刻的控制过程。然而，在工程应用中，电机的电流时通过电流传感器来采集的。当系统的电压较高或者转速较高时，电磁干扰较大，很容易造成电流传感器出现误差或者波动，从而导致电机达不到需要的转速转矩或者运行平稳性变差。本发明方法，从电机的数学模型出发，结合电机标定过程中的最大转矩电流比原则，根据工况直接输出合理的电机电压，从本质上解决了电流传感器精度问题，提高电机运行稳定可靠的同时，降低了控制器成本。

为此本发明所提供的一种无电流传感器的电机驱动方法，如图1所示，具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集永磁同步电机运行过程中的转速、转子位置角数据；

步骤二、建立永磁同步电机电气数学模型，并对模型中电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离，针对电机工作在稳态时的工况对所述电气数学模型进行简化；

步骤三、利用步骤一中采集的数据以及步骤二中得到的简化后的电气数学模型，基于最大转矩电流比的控制原则计算当前时刻工况下的电机所需电压；

步骤四、基于计算的所述电机电压结果进行SVPWM调制，驱动电机运行。

基于上述方法的可选系统框架在图2中示出。

在本发明的一个优选实施方式中，步骤二中具体在转子坐标系下建立所述永磁同步电机电气数学模型，具体形式如下：

式中，U_d、U_q分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴电压；i_d、i_q分别为直轴、交轴电流；R_s为定子电阻；Ψ_f为电机转子永磁体磁链；L_d、L_q分别为d轴、q轴电感；ω_r为转子的电气角速度，t为时间；

考虑到电机平稳运行时的可靠性需求，为此基于以下原则将电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离：

U_d稳＝R_si_d-ω_rL_qi_q

U_q稳＝R_si_q+ω_rL_di_d+ω_rψ_f

当电机转速在基速以上，即电机进入弱磁阶段，此工况电机的输出d轴电流为一个负值，U_d、U_q可以不再进行简化；当电机转速在基速以下且足够高时，此时根据最大转矩电流比控制原则，d轴电流应该越接近0越好，所以此时瞬态项的数值近似为0，则所述电气数学模型进行简化得到：

在本发明的一个优选实施方式中，所述步骤三具体包括以下步骤：

建立以下永磁同步电机机械模型：

T_e＝1.5p*(ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q)

式中，T_e为电机输出扭矩，p为电机极对数；

基于最大转矩电流比的控制原则计算得到电机所需的d轴、q轴电流分别为：

针对表贴式永磁同步电机对电机机械模型进行简化得到：

T_e＝1.5p*ψ_fi_q

则所需的d轴、q轴电流分别为：

将计算得到的上述d轴、q轴电流代入所述简化后的电气数学模型，即得到用于SVPWM调制的d轴、q轴电压。

本领域技术人员应当知晓，通过上述计算得到的结果属于理论上的最优值，在实际实施中，由于涡流损耗、磁阻转矩、磁饱和等因素的存在，实际电压可以进行一定的优化，通常可以根据工程需要各个工况进行实际标定记录，从而保证电机在每一工况下输出最合理的d轴与q轴电压。

通过本发明所提供的方法，则能够明显克服传统控制方法中对电流传感器的依赖。比如在本发明的一优选实例中，给出了电机在800r/min,输出扭矩在80N`m-250N`m时的电机电流、扭矩以及转速，如图3所示。可以发现，在不同的工况下，电机基本能稳定运行。这对于提高电机的工作稳定性和降低控制器成本有着重要的意义。

应理解，本发明实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

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物限定。

Claims (1)

1.一种无电流传感器的电机驱动方法，其特征在于：具体包括以下步骤：

步骤一、实时采集永磁同步电机运行过程中的转速、转子位置角数据；

步骤二、建立永磁同步电机电气数学模型，并对模型中电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离，针对电机工作在稳态时的工况对所述电气数学模型进行简化，包括首先在转子坐标系下建立所述永磁同步电机电气数学模型，具体形式如下：

式中，U_d、U_q分别为d-q坐标系下电机直轴、交轴电压；i_d、i_q分别为直轴、交轴电流；R_s为定子电阻；Ψ_f为电机转子永磁体磁链；L_d、L_q分别为d轴、q轴电感；ω_r为转子的电气角速度，t为时间；

基于以下原则将电压与电流的稳态项与瞬态项进行分离：

U_d稳＝R_si_d-ω_rL_qi_q

U_q稳＝R_si_q+ω_rL_di_d+ω_rψ_f

当电机工作在稳态时，以上瞬态项的数值近似为0，则所述电气数学模型进行简化得到：

步骤三、利用步骤一中采集的数据以及步骤二中得到的简化后的电气数学模型，基于最大转矩电流比的控制原则计算当前时刻工况下的电机所需电压，具体包括：

建立以下永磁同步电机机械模型：

T_e＝1.5p*(ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q)

式中，T_e为电机输出扭矩，p为电机极对数；

基于最大转矩电流比的控制原则计算得到电机所需的d轴、q轴电流分别为：

针对表贴式永磁同步电机对电机机械模型进行简化得到：

T_e＝1.5p*ψ_fi_q

则所需的d轴、q轴电流分别为：

将计算得到的上述d轴、q轴电流代入所述简化后的电气数学模型，即得到用于SVPWM调制的d轴、q轴电压；

步骤四、基于计算的电机电压结果进行SVPWM调制，驱动电机运行。