CN116743017A - 一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，属于永磁同步电机的控制领域。根据电机的总转矩需求，动态地调整输入参考频率的高效启动；为了确定电机的总转矩需求，采用基于电压电流模型的磁链观测器，针对计算磁链过程中存在的积分误差和电流采样误差，提出一种非线性磁链观测器，对误差进行校正，从而精确估计总转矩需求；将总转矩需求与额定电流下最大安全转矩对比，通过单向比例控制器动态调整输入参考频率，将转子限制在安全区内，直至将转子拖动至目标转速；为了实现从位置开环到闭环的平滑切换，采用基于虚拟坐标系角度误差补偿的切换方案。基于本系统，无位置传感器控制的永磁同步电机在带大惯量负载时也能实现快速、可靠地启动。

Description

一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统

技术领域

本发明属于永磁同步电机的控制领域，具体涉及到一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，用于解决永磁同步电机在无位置传感器控制下驱动大转动惯量负载时，存在的惯性力矩大、动态性能差、启动易失败等问题。

背景技术

永磁同步电机因其具有结构紧凑、能量密度高、运行效率高、可靠性高等优点而逐渐成为交流调速和伺服系统的主流驱动单元，广泛应用于分子泵、离心压缩机、电动汽车驱动系统、航空航天以及家电等领域。在永磁同步电机自身性能不断得到突破的趋势下，电机相关控制算法的研究也逐渐成为一个焦点问题。当前，矢量控制和直接转矩控制已经发展成为国内主流的电机驱动方法。

传统永磁电机的控制需要利用高精度位置传感器获得转子位置，但是该类位置传感器往往会有如下缺点：增加电机的体积、成本和安装难度；传感器信号线易受干扰影响，不利于整体的稳定性；位置传感器的引线过多，导致系统可靠性降低。在一些低速电机中该类位置传感器应用较多，但对于高速电机而言，其转速在数万至数十万转/分钟并且具有很高的能量密度，对电机本体的体积和重量要求更严格，所以该类位置传感器的缺点就尤为突出，不适合应用于高速电机。而无位置传感器控制具有可靠性高、抗干扰能力强等优点，而且采用电信号估算转子位置，克服了机械位置传感器的缺点，并逐渐在一些工业领域得到越来越广泛的应用。但当前主流的无位置传感器控制中，转子在低速下的估算角度与实际真实角度之间存在较大偏差，若直接用估算角度启动，会极大地影响电机的稳定性，甚至导致电机失步，而传统的三段式拖动启动方法又存在着启动缓慢、启动参数需要根据工程经验调试的缺点。因此，需要研究相关启动算法提高带大惯量负载电机启动时的快速性与可靠性。

目前常见的无位置传感器控制的启动方法主要分为高频注入法和开环启动法两大类。高频注入法简单灵活而且对电机参数不敏感，动态响应快等优点，而广泛受到关注和应用。但表贴式PMSM为隐极结构，在高频信号注入时饱和凸极效应并不是很明显，因此高频信号注入在表贴式PMSM中实现起来比较困难。开环控制以压频比(V/F)控制和流频比(I/F)两种控制方式为主。I/F控制是在V/F控制的基础上的一定改进，实现了对电机工作电流的闭环控制，有效避免了V/F控制中可能存在的过流问题。一般而言，PMSM的I/F启动过程分为预定位、I/F加速启动、状态切换3个阶段。在I/F加速启动过程中，给系统施加的参考频率斜率的选取对PMSM的I/F和V/F控制的稳定性都起着至关重要的作用。传统的I/F控制使用线性变化的参考频率曲线，若参考频率斜率选取过小，则电机启动缓慢；若斜率选取过大，则可能会引起电机失步，导致启动失败。所以，应当根据转子的转动惯量和负载合理地选择参考频率曲线。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其根据总转矩需求动态改变输入参考频率，利用I/F电流闭环、速度开环控制实现快速稳定的频率上升，能够实现带大转动惯量负载的无位置传感器永磁同步电机的可靠启动。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，包括：硬件部分和软件部分；

所述硬件部分包括直流母线、IGBT逆变电路以及永磁电机；所述软件部分包括FOC控制模块、PI控制器模块、总转矩需求估算模块、单向比例控制器模块以及角度控制器模块；

所述直流母线由直流电源构成，母线电压为逆变电路供电；IGBT逆变电路由集成功率模块构成，其内部包含IGBT开关管，输出控制电流驱动永磁电机；永磁电机由电机本体构成，是被控对象；FOC控制模块用于实现电机的FOC控制，包含了空间矢量脉宽调制模块SVPWM、将电机电流由A-B-C三相坐标系变换至d-q坐标系的Clark变换模块和Park变换模块以及将控制量由d-q坐标系变换至α-β坐标系的Rev-Park变换模块；PI控制器模块用于对q轴和d轴电流进行闭环控制；总转矩需求估算模块采用基于电压电流模型的磁链观测器，根据磁链，实时观测总转矩需求；单向比例控制器模块将总转矩需求与最大安全转矩对比，控制输入参考频率的斜率；角度控制器模块用于实现从虚拟角位置到实际角位置的平滑切换。

无位置传感器控制的大惯量负载电机启动方案的一个阶段是预定位阶段，本阶段采用两步预定位法，通过给电机定子绕组通入静止的电流矢量，产生的电磁转矩会使电机转子旋转到预定的位置，然后从该位置加速启动。

进一步地，为了满足大惯量负载的平滑启动，采用I/F流频比控制方法.I/F启动的基本思想是在电枢绕组中施加一个旋转的电流矢量，通过该电流矢量在力矩轴的投影分量产生电磁转矩拖动电机运行直至电机转子位置与电流矢量之间保持一个相对静止的稳定运行状态。

进一步地，为了确定所施加的旋转的电流矢量，在本发明中，设计了一种转矩控制器，根据总转矩需求动态改变电流矢量参考频率变化的斜率。每当总转矩需求T_d超过升速区间内的最大输出转矩T_max时，就会发生失步现象。使用本发明所提出的转矩控制器，在总转矩需求增加时，可以通过减小参考频率变化斜率的方式来减小惯性力矩分量，以将T_d限制在安全区间内。

进一步地，所述转矩控制器采用积分控制与单向比例控制相结合的方式实现。将估计的总扭矩需求反馈到转矩控制器，以控制它维持在最大扭矩能力以内。为了保证系统在安全区域内运行，设计了单向比例控制器模块。在双向比例控制的作用下，若在反馈的总扭矩需求T_d中存在噪声，则有可能会导致产生超调量，一旦超过T_max，永磁电机仍然会发生失步现象。所以，当估计转矩需求T_d小于安全运行极限k_sT_max时，将比例控制环节失效。而积分控制的缓慢动作可以滤除掉反馈的T_d中高频噪声对参考频率坡度的影响。

进一步地，当永磁电机拖动至一定转速时，随着反电势的升高，滑模观测器等控制算法可以精确地观测转子位置和转速，此时，电机控制方式需要向位置闭环控制模式切换。在本发明中，由角度控制器模块根据当前时刻所给定的虚拟角位置与观测器所得角位置之前的差值，对虚拟角位置进行动态补偿，直至二者相等，完成位置开环到闭环的切换。

本发明与现有技术相比有益效果在于：

(1)本发明在电机开环拖动阶段，系统根据转矩估计器计算得到的总转矩需求，与额定电流下的最大安全转矩对比，动态地调整输入电流矢量的参考频率，可以有效地提高大惯量负载电机启动的动态性和可靠性。

(2)本发明提出的转矩估计器，通过构建非线性磁链观测器，根据误差对计算得到的磁链进行补偿，使磁链接近真实值，对真实电路中存在的积分误差等问题进行了校正。

(3)本发明设计了角度控制器，在电机由位置开环到闭环进行切换时，采用动态补偿的方式，完成平滑的切换，避免了切换时转矩和转速的波动。

基于以上优点，本发明适合应用于无位置传感器控制的大惯量负载永磁电机的可靠启动。

附图说明

图1为本发明的大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统总体结构框图；

图2为转矩随负载角的变化曲线图；

图3为带转矩控制器的I/F控制框图；

图4为位置开环向闭环切换时的角度补偿框图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明。

如图1所示，本发明为一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，包括：硬件部分和软件部分；所述硬件部分包括直流母线、IGBT逆变电路以及永磁电机；所述软件部分包括FOC控制模块、PI控制器模块、角度控制器模块、单向比例控制器模块以及总转矩需求估算模块；所述直流母线由直流电源U_dc构成，母线电压为逆变电路供电；IGBT逆变电路由集成功率模块构成，其内部包含IGBT开关管，输出控制电流驱动永磁电机；永磁电机由电机本体构成，是被控对象；FOC控制模块用于实现电机的FOC控制，其中Clark变换将三相坐标系下的三相电流i_a、i_b、i_c变换为α-β坐标系下的i_α、i_β，Park变换将α-β坐标系下的i_α、i_β变换为d-q坐标系下的i_q、i_d，Rev-Park变换将d-q坐标系下的v_q、v_d变换为α-β坐标系下的v_α、v_β，SVPWM为空间矢量脉宽调制模块，用于生成三相PWM信号控制逆变电路工作；PI控制器模块用于对q轴和d轴电流进行闭环控制，其中i_{d_ref}为给定d轴电流，i_{q_ref}为给定q轴电流；总转矩需求估算模块采用基于电压电流模型的磁链观测器，根据磁链，实时观测总转矩需求；单向比例控制器模块将总转矩需求与最大安全转矩对比，控制输入参考频率的斜率；角度控制器模块用于实现从虚拟角位置θ_i到滑模观测器算法估算角位置θ_r的平滑切换。

表贴式永磁同步电机(PMSM)的最大输出转矩T_max可以表示为：

式中，P是磁极数，φ_f是永磁体磁链，i_q(max)是允许的最大q轴电流。将α-β坐标系下定子磁场的q’轴与永磁体转子实际d轴之间的夹角定义为负载角ρ。那么在最大输出转矩下，永磁同步电机的实际电磁转矩可以表示为：

T_e＝T_maxsinδ (2)电机在旋转过程中，总转矩需求T_d可以表示为：

式中，T_l是负载转矩，B是阻尼摩擦系数，ω_r为转子实际转速，T_f是摩擦转矩，J是转子的转动惯量，为微分算子。假设电机转子转速ω_r等于参考转速ω_i，则PMSM的转子动力学方程可以表示为：

式中，α_i为给定参考速度的斜率，即

如图2所示，为转矩随负载角的变化曲线。在电机旋转过程中，δ从0°到180°不等。当施加突加负载时，电机转子转速ω_r瞬间降低，然后负载角δ增加。在区域1中，随着δ的增大，T_e也增大。因此，电机在负载转矩扰动后达到稳定的平衡。然而，在区域2中，当δ增大时，T_e减小，导致不稳定。通过将电机的拖动过程限制在具有转矩自平衡特性的区域1(负载角在90°以下)，即可实现负载瞬态期间的稳定运行。因此，为了稳定运行，升频期间总转矩需求T_d不应超过最大输出转矩T_max。

如图3所示，是带转矩控制器的I/F控制框图。在本发明中，提出了一种转矩控制器，根据总转矩需求动态改变参考频率的变化斜率。每当总转矩需求T_d超过升速区间内的最大输出转矩T_max时，就会发生失速现象。使用本发明所提出的转矩控制器，在总转矩需求增加时，可以通过减小参考频率变化斜率的方式来减小式(4)的分量，以将T_d限制在图2中的安全区间k_sT_max内，以确保稳定运行。在这里，“k_s”是一个常数，将其定义为安全转矩系数，其取值范围为0<k_s<1。输入参考频率ω_i由转矩控制器输出参考频率变化斜率α_i的积分得到，进一步积分得到所输入的虚拟角位置θ_i。其中PI控制器为单向比例控制，转矩控制器的作用是要控制转子加速，因此在其运行过程中不应造成参考频率下降，即不应该有负的参考频率斜率。因此，其下限保持为零，用来防止在加速期间转子的速度下降。转矩控制器的上限应为运行过程中可能的最大安全频率斜率。当估计总转矩需求T_d小于安全运行极限k_sT_max时，将比例控制环节失效，利用积分控制的缓慢动作将T_d维持在安全区内，每当由于负载扭矩突然增加，跨越k_sT_max时，激活比例控制，利用比例控制的快速作用以快速降低参考频率的斜率，使T_d维持在稳定区域内。

为了使转矩控制器进行工作，需要估算总转矩需求，本发明中采用基于电流电压模型的磁链观测器得出总转矩需求。定子磁链空间矢量可以计算为：

式中是定子电压矢量，/>是定子电流矢量，R_s为定子电阻。转子磁链空间矢量/>可以通过定子磁链空间矢量计算得到：

式中L_s为定子电感。转子磁链在静止坐标系下的投影α分量和β分量/>可以分别计算为：

式中R_s为定子电阻。总转矩需求可以近似计算为：

由于在真实的电路系统中存在着电流和电压的采样误差问题以及积分计算时初始值不确定的问题，需要不断对误差进行校正。本发明设计了一种非线性磁链观测器，根据误差对计算得到的磁链进行补偿，使磁链接近真实值，下面简述观测器的构造过程。

首先，定义新的状态变量为：

式中θ为静止坐标系与同步坐标系之间的夹角，ψ_r为转子磁链幅值。令：

y中包含的变量都是已知或者可测的，可以直接计算得到。易得到状态变量对时间的导数如下式：

式中为i_α的导数，/>为i_β的导数，/>故当前的状态方程简化为最简单的形式/> 为了构造非线性状态观测器，定义一个向量函数η:R²→R²为：

根据式(11)易知：

||η(x)||²＝||ψ_r||²

式中||||²为向量的二范数平方算子。将非线性观测器构造为：

式中为状态变量观测值的导数，r为观测器增益系数，/>为η(x)的观测值， 为观测器误差的平方，根据误差不断对计算的磁链进行补偿，即可得到准确的磁链。进而由式(8)可以近似计算得到总转矩需求。

随着电机转速的上升，反电势将越来越大，可以通过无位置控制算法精确地观测转子位置和转速，此时，电机控制方式需要向转速-电流双闭环矢量控制模式切换。如果在电机转速达到设定转速时完成切换动作，切换瞬间由于给定位置角发生突变，q轴电流随之突变，转速会明显掉落。为了实现平滑切换，降低转速波动，需要在切换时刻，对给定角位置进行补偿。

如图4所示，是位置开环向闭环切换时的角度补偿框图。θ_i为虚拟角位置，θ_r为滑模观测器算法估算角位置，二者之差为角度误差，将切换时刻的角度误差通过一个一阶惯性环节后得到补偿角θ_comp，逐渐补偿到观测器输出角位置，实现两种角度的平滑过渡，最大限度地减小转速的波动，从而实现电机的可靠启动。图中T为一阶惯性环节的时间常数，其决定了过渡时间的长短，s表示该一阶惯性环节的传递函数在连续域的复变量。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.一种大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其特征在于，包括：硬件部分和软件部分；

所述硬件部分包括直流母线、IGBT逆变电路以及永磁电机；所述软件部分包括FOC控制模块、PI控制器模块、总转矩需求估算模块、单向比例控制器模块以及角度控制器模块；

所述直流母线由直流电源构成，母线电压为逆变电路供电；IGBT逆变电路由集成功率模块构成，其内部包含IGBT开关管，输出控制电流驱动永磁电机；永磁电机由电机本体构成，是被控对象；FOC控制模块用于实现永磁电机的FOC控制，包含空间矢量脉宽调制模块SVPWM、将电机电流由A-B-C三相坐标系变换至d-q坐标系的Clark变换模块和Park变换模块以及将控制量由d-q坐标系变换至α-β坐标系的Rev-Park变换模块；PI控制器模块用于对q轴和d轴电流进行闭环控制；总转矩需求估算模块采用基于电压电流模型的磁链观测器，根据磁链，实时观测总转矩需求；单向比例控制器模块将总转矩需求与最大安全转矩对比，控制输入参考频率的斜率；角度控制器模块用于实现从虚拟角位置到实际角位置的平滑切换。

2.根据权利要求1所述的大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其特征在于：通过给电机定子绕组通入静止的电流矢量，产生的电磁转矩使电机转子旋转到预定的位置，然后从该位置加速启动；包括转矩控制器，根据总转矩需求动态地调整输入参考频率；在总转矩需求增加时，减小参考频率变化斜率，减小惯性力矩分量，以将总转矩需求限制在安全区间内；当永磁电机拖动至一定转速时，由角度控制器模块根据当前时刻所给定的虚拟角位置与观测器所得角位置之前的差值，对虚拟角位置进行动态补偿，直至二者相等，完成位置开环到闭环的切换。

3.根据权利要求1所述的大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其特征在于：所述总转矩需求估算模块采用基于电流电压模型的磁链观测器对总转矩需求进行估算；采用非线性磁链观测器根据误差对计算得到的磁链进行补偿，使其不断逼近真实值，从而实现对总转矩需求的准确估算。

4.根据权利要求1所述的大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其特征在于：所述单向比例控制器模块在估计的总转矩需求T_d小于所设安全运行极限时，令比例控制环节失效，并使积分控制缓慢动作从而滤除掉反馈的总转矩需求T_d中高频噪声对参考频率斜率的影响。

5.根据权利要求1所述的大惯量负载永磁电机无位置传感器控制的可靠启动系统，其特征在于：所述角度控制器模块将输入参考频率给定的虚拟角位置与由滑模观测器算法估计的实际角位置二者之差作为角度误差，通过一阶惯性环节后，逐渐补偿到滑模观测器输出角位置，实现两种角度的平滑过渡，最大限度地减小转速的波动，从而实现永磁电机的可靠启动。