CN114977904A - 基于负载估计和动态调速的pmsm无传感启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，属于永磁同步电机技术领域，该方法首先通过检测转矩临界点的q轴电流值i_q0估计出负载转矩T_l0，然后根据目标转速计算加速度和q轴电流的设定值，最后根据系统的输入信号和运行情况调整q轴电流，实现高性能动态调速功能。本发明通过在运行前对负载进行估计以及运行中对q轴电流幅值的控制，使得加速度和转速可以在开环运行中进行动态调节，且有效提高了开环启动的稳定性，实现了在无位置传感器情况下的PMSM开环启动控制。

Description

基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机无位置传感器控制技术领域，尤其涉及基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法。

背景技术

永磁同步电机具有体积小、功率密度高、效率高、结构简单、噪音低及动态响应快等优点，因而被广泛应用于各类工业领域。在实际应用中，矢量控制策略是永磁同步电机驱动系统采用最广泛的控制策略，但为了实时获得准确的位置信息，一般需要在电机中安装霍尔位置传感器或光电编码器等位置检测装置。这无疑增加了系统的成本和复杂程度，降低了系统的抗干扰性能力以及整体可靠性。因此，低成本、高精度、高可靠性的永磁同步电机无位置传感器控制技术成为了国内外研究的热点。

无传感控制算法通常将电机的转速区间划分为零低速和中高速阶段分别进行研究，其中I/F开环启动控制与高频注入法是电机零低速运行时最常用的两种方法。

I/F开环启动是在启动过程中设置d轴和q轴的给定电流i_d ^*＝0，i_q ^*＝i_N，以及期望加速度a，在电机中形成一个逐渐加速的旋转磁场，进而带动转子跟着旋转。其中，参数i_q ^*的设置是最重要的一步，它决定了电机可承担的最大负载。若i_q ^*较小，则带载能力较弱，电机无法正常启动。若i_q ^*较大，电机能在重载情况下运行，但是当负载降低时，电机的功耗会大大增加。另外，在开环运行的过程中，电机只能按照设定的期望加速度运行，转速稳定后也无法进行调速。因此，在开环运行之前必须根据电机的运行环境和预期转速设置相关参数，其适用性，可移植性，稳定性较差。

发明内容

为了克服开环启动适用性差，参数难设置，启动阶段和转速稳定阶段均无法调速等问题，本发明提供了基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，包括下列步骤：

(1)设置角度：根据永磁同步电机转子的初始位置θ₀，将q^*轴的角度设置为与实际q轴角度相同。

(2)负载估计阶段：令给定电流i_d ^*＝0，i_q ^*＝0，然后将i_q ^*逐渐增大，同时检测静止两相α-β坐标系的电流i_α和i_β，并将其与计算出的α-β轴理论电流值比较，当二者之差较大时，说明转子将要开始转动，此时是电磁转矩与负载转矩相等的临界点，记q轴临界电流为i_q0，估计的负载转矩为T_l0。

(3)进入启动阶段：按照启动阶段给定的加速度a_ref旋转q^*轴，并计算i_q ^*的参考值i_qref，在i_q ^*＝i_q0的基础上继续增大i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref。若期间给定加速度a_ref变动，则更新i_qref的值，增大或减小i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref。

(4)调速阶段：当加速到目标转速ω_ref后，进入稳定阶段，此时a_ref＝0，电机转速保持恒定。若此时目标转速ω_ref变动，即需要调速，则重新计算给定加速度a_ref和i_qref，并据此调整i_q ^*。

进一步，所述步骤(2)中，α-β轴理论电流值i_α ^*、i_β ^*以及估计负载转矩T_l0的计算方法为：

其中，θ₀为转子的初始位置，p为极对数，

为永磁体磁链，i_q0为q轴临界电流。

进一步，转子进入临界点的条件为：

进一步，所述步骤(3)中，加速度a作为开环启动的参数，可以根据当前转速与目标转速的大小关系进行设定：

式中，a_ref为加速度设定值，a_max为加速度上限,ω_ref为目标转速，ω^*为开环给定转速。

进一步，所述步骤(3)中，依据下式计算q轴电流参考值i_qref：

其中，B为粘滞系数，J为转动惯量，T_ε为转矩裕量。

进一步，i_q ^*变化(增大或减小)到i_qref的方法为：

式中，2_i表示每个时间间隔Δt中i_q ^*的变化量，

表示当前时刻的值，

表示下个时刻的值。

进一步，所述步骤(4)中，目标转速的设定可以由系统的输入给定。

有益效果：

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、区别于传统开环启动方法中加速度、目标转速和电流幅值三个重要参数只能设置为定值的情况，本发明可以实现加速度与转速的动态调节，并自动设置电流幅值。解除了开环启动参数无法在电机运行中更改的限制，降低了参数设置的难度；

2、启动阶段中的加速度不是固定值，而是随着实际转速与目标转速进行变化，可以降低开环启动过程的波动，使转速曲线更加平滑；

3、在不增加任何传感器，且保持开环启动方法简洁性的同时，可以在电机启动前预估负载的大小，从而使i_q ^*的设置不至于过大，减小了电机功耗；

4、本发明所公开的开环启动方法，可用于无位置传感器控制算法中的低中速域，且方法计算量小，便于实现与推广应用。也可以灵活搭配不同的中高速域无位置传感器控制算法，并根据其需要的切换转速进行转速调节，实现全速域的无位置传感器控制算法，达到降低控制系统成本和提升系统可靠性与鲁棒性的目的。

附图说明

图1为本发明所提出的一种基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法系统结构框图；

图2为开环启动坐标轴关系示意图；

图3为加速度参考值与目标转速和给定转速的对应曲线；

图4为根据本发明一仿真例的目标转速曲线与实际转速曲线；

图5为根据本发明一仿真例的参考加速度曲线；

图6为根据本发明一仿真例的实际q轴电流曲线与参考q轴电流曲线。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，包括下列步骤：

(1)设置角度：根据永磁同步电机转子的初始位置θ₀，将q^*轴的角度设置为与实际q轴角度相同。

(2)负载估计阶段：令给定电流i_d ^*＝0，i_q ^*＝0，然后将i_q ^*逐渐增大，同时检测静止两相α-β坐标系的电流i_α和i_β，并将其与计算出的α-β轴理论电流值比较，当二者之差较大时，说明转子将要开始转动，此时是电磁转矩与负载转矩相等的临界点，记q轴临界电流为i_q0，估计的负载转矩为T_l0。

(3)进入启动阶段：按照启动阶段给定的加速度a_ref旋转q^*轴，并计算i_q ^*的参考值i_qref，在i_q ^*＝i_q0的基础上继续增大i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref。若期间给定加速度a_ref变动，则更新i_qref的值，增大或减小i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref。

(4)调速阶段：当加速到目标转速ω_ref后，进入稳定阶段，此时a_ref＝0，电机转速保持恒定。若此时目标转速ω_ref变动，即需要调速，则重新计算给定加速度a_ref和i_qref，并据此调整i_q ^*。

步骤(2)中，α-β轴理论电流值i_α ^*、i_β ^*以及估计负载转矩T_l0的计算方法为：

其中，θ₀为转子的初始位置，p为极对数，

为永磁体磁链，i_q0为q轴临界电流。

转子进入临界点的条件为：

步骤(3)中，加速度a作为开环启动的参数，可以根据当前转速与目标转速的大小关系进行设定：

式中，a_ref为加速度设定值，a_max为加速度上限,ω_ref为目标转速，ω^*为开环给定转速。

步骤(3)中，依据下式计算q轴电流参考值i_qref：

其中，B为粘滞系数，J为转动惯量，T_ε为转矩裕量。

i_q ^*变化(增大或减小)到i_qref的方法为：

式中，k_i表示每个时间间隔Δ4中i_q ^*的变化量，

表示当前时刻的值，

表示下个时刻的值。

步骤(4)中，目标转速的设定可以由系统的输入给定，比如数值输入或转把输入。

如图1所示，永磁同步电机开环控制系统由永磁同步电机、驱动电路、电流控制器、SVPWM模块组成。由于是开环控制，所以不需要位置检测装置和转速环，运行时根据输入的目标转速和加速度上限计算出加速度和电流的设定值，并进行电流闭环控制；

然后对参考加速度进行积分，将得到的参考角度用于反Park变换和Clark变换，以实现无位置传感器情况下的控制；

传统I/f开环启动的原理是给定电流矢量i_q ^*的幅值和加速度，使转子跟随着i_q ^*的速度进行旋转，最后达到稳定。

电机旋转d-q坐标系与给定电流矢量的d^*-q^*坐标系关系如图2所示，其中，d^*-q^*轴以给定的加速度转动，且由于i_d ^*的值恒为0，所以实际的电流矢量i一直与q^*轴重合，也就是i_q ^*；

d轴和与转子是重合的，d-q轴的位置取决于转子的位置，两个坐标系之间的夹角θ₁会影响电磁转矩的大小，在启动过程中θ₁往往会由大变小，并渐渐趋近于稳定值；

当电机运行在稳定状态时有T_e＝T_l，即

可以看出，实际电流矢量i_q ^*并未与q轴重合，而由于d轴的电流分量对电磁转矩并没有贡献，导致电机在这种状态下的电流利用率和能量转换效率都较低，并且由于不知道夹角θ₁的大小，无法判断电机运行的稳定区域，也就无法调节电机的转速、负载、电流等运行参数。不然稍有不慎就会导致电机失步急停，对系统的机械结构和电路器件造成冲击和损伤。

为了解决这些问题，本发明在开环启动前先根据转矩平衡的临界点对负载转矩T_l进行估计，然后依据电机的目标转速计算a_ref和i_qref对电流环进行控制，当电机的目标转速变化，需要改变运行状态时，a_ref和i_qref也会动态变化，进而实现动态调速。

如图3所示，加速度a_ref是根据目标转速ω_ref，给定转速ω^*和加速度上限a_max共同决定的，当给定转速较小时，按照最大加速度a_max进行加速，当给定转速接近目标转速时，加速度逐渐下降；

其中，a_max的值可由实际运行环境的限制决定，也可由系统输入设置给定，例如对于电动车，油门踏板的行程对应着不同的加速度上限。踏板被踩下的越深，对应的a_max越大；踏板被踩下的越浅，对应的a_max越小，因此，司机可以加大或减小油门来调整车辆启动时的加速度；

步骤(3)中使用了电机的机械方程来计算i_qref

其中极对数p、磁链

惯量J为电机自身参数，T_l0、a_ref、ω^*为已知量，为了使电机在一定负载扰动下仍能稳定运行，设置了转矩裕量T_ε，粘滞摩擦Bω^*随着转速的增大而增大，因此在转速变化时，iq_ref也在实时调整。

下面依据图4、5、6对本发明的一个仿真例进行说明，此例在0.5s时进行加速度调节，在2s时进行转速调速；

由图4的转速曲线可以看出，本发明所使用的方法可以使转速快速达到目标值且没有超调，初始启动时，电机的加速度较大，当转速接近目标值时，加速度逐渐下降，使转速更加平稳；

由图5的参考加速度曲线可以看出，当电机进行加速度调节和转速调速时，加速度曲线会随之进行动态响应，进而改变电机的运行状态；

图6中q轴电流的参考值i_qref与实际值i_q大小基本一致，这说明d-q与d^*-q^*坐标系的夹角θ₁较小，电机的电流利用率和能量转换效率较高。

对于本领域技术人员而言，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。因此，从任意一处来说，都应将实施例看作是指导性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所有的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)设置角度：根据永磁同步电机转子的初始位置θ₀，将q^*轴的角度设置为与实际q轴角度相同；

(2)负载估计阶段：令给定电流

i_q ^*＝0，然后将i_q ^*逐渐增大，同时检测静止两相α-β坐标系的电流i_α和i_β，并将其与计算出的α-β轴理论电流值比较，当二者之差较大时，说明转子将要开始转动，此时是电磁转矩与负载转矩相等的临界点，记q轴临界电流为i_q0，估计的负载转矩为T_l0；

(3)进入启动阶段：按照启动阶段给定的加速度a_ref旋转q^*轴，并计算i_q ^*的参考值i_qref，在i_q ^*＝i_q0的基础上继续增大i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref。若期间给定加速度a_ref变动，则更新i_qref的值，增大或减小i_q ^*，使i_q ^*＝i_qref；

(4)调速阶段：当加速到目标转速ω_ref后，进入稳定阶段，此时a_ref＝0，电机转速保持恒定。若此时目标转速ω_ref变动，即需要调速，则重新计算给定加速度a_ref和i_qref，并据此调整i_q ^*。

2.根据权利要求1所述的基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，所述步骤(2)中，α-β轴理论电流值i_α ^*、i_β ^*以及估计负载转矩T_l0的计算方法为：

其中，θ₀为转子的初始位置，p为极对数，

为永磁体磁链，i_q0为q轴临界电流。

3.根据权利要求2所述的基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，转子进入临界点的条件为：

4.根据权利要求1所述的一种基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，所述步骤(3)中，加速度a作为开环启动的参数，可以根据当前转速与目标转速的大小关系进行设定：

式中，a_ref为加速度设定值，a_max为加速度上限,ω_ref为目标转速，ω^*为开环给定转速。

5.根据权利要求1所述的基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，所述步骤(3)中，依据下式计算q轴电流参考值i_qref：

其中，B为粘滞系数，J为转动惯量，T_ε为转矩裕量。

6.根据权利要求5所述的基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，i_q ^*变化(增大或减小)到i_qref的方法为：

式中，k_i表示每个时间间隔Δt中i_q ^*的变化量，

表示当前时刻的值，

表示下个时刻的值。

7.根据权利要求1所述的基于负载估计和动态调速的PMSM无传感启动方法，其特征在于，所述步骤(4)中，目标转速的设定可以由系统的输入给定。

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