CN117856688A - 一种无感控制方法、存储介质和变频控制器 - Google Patents

一种无感控制方法、存储介质和变频控制器 Download PDF

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Abstract

本申请实施例提供一种无感控制方法、存储介质和变频控制器，涉及电机控制技术领域。本无感控制方法依据γ轴反电动势成分估算和δ轴反电动势成分估算，得到总反电动势；再依据反电动势常数，得到估算位置；依据估算位置在时间的微分，得到估算速度。本无感控制方法使用总反电动势计算位置，而不使用d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分的tan‑1函数，避免了低频驱动范围由于d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分较小而产生的较大误差，因此能够在低频驱动范围实现高精度的控制。

Description

一种无感控制方法、存储介质和变频控制器
技术领域
本申请涉及电机控制技术领域，尤其涉及无感控制方法、计算机可读存储介质和变频控制器。
背景技术
电机的无感控制指的是不使用分解器、编码器、霍尔效应传感器等位置检测传感器时驱动电机的技术。
近年来，热泵系统应用于空调机市场，压缩机根据其用途和结构分为许多种类，从成本和容量的角度来考虑，家用空调机中常常使用转子压缩机。驱动压缩机时，压缩机内部难以安装位置传感器，因此使用无感控制。
这种无感控制在近些年经常通过数学上构成算式模型的扩展反电动势和外部干扰观测器来进行位置估算，通过tan-1函数导出轴误差Δθ，使用锁相环(Phase LockedLoop，PLL)控制使控制器的γ轴和实际电机的d轴一致，之后进行速度估算。
然而，使用上述方法时，根据tan-1函数虽然可以简单估算出轴误差Δθ，但低频驱动范围内d轴的反电动势成分ed和q轴的反电动势成分eq较小，容易受到当电机中的电阻R和q轴电感Lq等电机的参数误差、电流检测时由A/D变换所引起的量子化误差影响。另外，在如转子压缩机之类的全频率范围内经常发生速度变动的机器中，容易产生难以精确计算的轴误差Δθ。
在无感控制中，如何不使用反电动势成分ed、eq和tan-1函数进行转子的位置估算和速度估算，是本申请要解决的技术问题。
发明内容
本申请的目的在于提供一种无感控制方法、存储介质和变频控制器，以不使用反电动势成分ed、eq和tan-1函数进行转子的位置估算和速度估算。
为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。
第一方面，本申请实施例提供一种无感控制方法，包括：
依据当前周期的γ轴反电动势成分估算和当前周期的δ轴反电动势成分估算，得到当前周期的总反电动势；
依据反电动势常数，周期时长，位置估算增益，上一周期的估算速度的正负，当前周期的总反电动势，当前周期的γ轴的电流误差，以及上一周期的估算位置，得到当前周期的估算位置；
依据所述当前周期的估算位置和另一个周期的估算位置，以及当前周期所述另一个周期的时间间隔，得到当前周期的估算速度。
可选地，所述当前周期的估算位置满足以下公式：
其中，为所述当前周期的估算位置，/>为所述上一周期的估算位置，Ve为所述当前周期的总反电动势，KE为所述反电动势常数，Ts为所述周期时长，/>为所述上一周期的估算速度/>的符号函数，Kθ为所述位置估算增益，Δiγ为所述当前周期的γ轴的电流误差。
可选地，所述反电动势常数满足以下公式：
V＝KEω
其中，V和ω均为未通电的状态下旋转电机而测得，V为电机线间电压有效值，ω为角速度，KE为所述反电动势常数。
可选地，所述位置估算增益小于0.5且大于0。
可选地，所述总反电动势满足以下公式：
其中，Ve为所述总反电动势，为所述γ轴反电动势成分估算，/>为所述δ轴反电动势成分估算。
可选地，在依据当前周期的γ轴反电动势成分估算和当前周期的δ轴反电动势成分估算，得到当前周期的总反电动势的步骤之前，所述无感控制方法还包括：
依据d轴电感，q轴电感，上一周期的估算速度，上一周期的γ轴估算电流，上一周期的δ轴估算电流，以及同一次元的外部干扰观测器得到的参数，确定所述γ轴反电动势成分估算和所述δ轴反电动势成分估算。
可选地，所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数满足以下公式：
其中，和/>为所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数，G’为设定的增益矩阵，/>为γ轴的实际电流和估算电流之差、/>为δ轴的实际电流和估算电流之差。
可选地，所述γ轴反电动势成分估算和所述δ轴反电动势成分估算满足以下公式：
其中，为所述γ轴反电动势成分估算，/>为所述δ轴反电动势成分估算，/>为所述上一周期的估算速度，Ld为所述d轴电感，Lq为所述q轴电感，/>为所述上一周期的γ轴估算电流，/>为所述上一周期的δ轴估算电流，/>和/>为所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数。
第二方面，本申请实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算机执行时，实现第一方面的无感控制方法。
第三方面，本申请实施例提供一种变频控制器，所述变频控制器包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器电连接，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现第一方面的无感控制方法。
相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：
本申请实施例提供的无感控制方法，使用总反电动势计算位置，而不使用d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分的tan-1函数，避免了低频驱动范围由于d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分较小而产生的较大误差，能够在低频驱动范围实现高精度的控制。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。
图1为现有的一种电机无感控制框图；
图2为本申请实施例提供的一种γ轴和δ轴定义示意图；
图3为本申请实施例提供的一种控制系统(i)的流程图；
图4为本申请实施例提供的一种控制系统(h)的流程图；
图5为本申请实施例提供的一种同一次元的外部干扰观测器示意图；
图6为本申请实施例提供的一种电机无感控制框图。
具体实施方式
为使本申请的实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请的实施例中的附图，对本申请的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本申请中的电机为矢量控制的电机，可以是表面磁铁型(Surface PermanentMagnet Motor,SPM)或嵌入磁铁型(Interior Permanent Magnet Motor,IPM)。本申请对PWM调制的方式没有限制，可以是空间矢量调制(Space Vector Modulation,SVM)、2相调制或3倍谐波调制等。本申请对电流检测的方式没有限制，可以是1-Shunt电流检测、2-Shunt电流检测或3-Shunt电流检测，shunt指采样电阻，1-Shunt电流检测指用1个放置在母线上电阻来分时检测三相电流，2-Shunt电流检测指用2个电阻分别检测两相电流，3-Shunt电流检测指用3个电阻分别检测三相电流。
电机可以用于空调系统中的压缩机、室外机风扇，也可以是其他设备中的永磁同步电机，同步运行启动的系统均可。对于旋转电机，速度即角速度，本实施例的“角速度”指电角度角速度，电角度角速度可以根据电机的极数与机械角速度进行换算，本实施例的“位置”指电角度位置。公式和代数中，“^”表示估算。
图1是现有的一种电机的无感控制框图，无感控制也可称为矢量控制。如图1，速度指令ωref和反馈的估算速度相减运算之后，经过自动速度控制(Auto speedregulation，ASR)模块101得到q轴电流指令iqref。q轴电流指令iqref与反馈q轴电流iqref_FB运算后，传输至自动电流控制(Auto current regulation，ACR)模块102中；d轴电流指令idref与反馈d轴电流idref_FB运算后，也传输至自动电流控制模块102中。自动电流控制模块102生成q轴电压指令vqref和d轴电压指令vdref，q轴电压指令vqref和d轴电压指令vdref进入Clarke逆变换模块103，Clarke逆变换模块103用于做d、q轴转换为u、v、w三相的运算，然后输出u相电压指令vuref、v相电压指令vvref、w相电压指令vwref到PWM调制模块104，PWM调制模块104输出的三相电流控制电机M运行。电流采样模块105采集流经电机的电流，采集的电流传输至Clarke变换模块106，Clarke变换模块106生成上述的反馈d轴电流idref_FB和反馈q轴电流iqref_FB。位置估算模块107计算生成上述估算速度/>估算速度/>经过积分得到估算位置/>估算位置/>传输至到Clarke变换模块106和Clarke逆变换模块103。
图1展示的无感控制方式，是先计算出估算速度，再把估算速度积分得到估算位置。本申请提出一种无感控制方法，先计算出估算位置，再讲估算位置微分得到估算速度。电机的γ轴和δ轴的定义可以参考图2，电机转子的实际位置为θ，估算位置为实际位置对应的直轴和交轴理想位置为图2中的d轴、q轴，基于估算位置的直轴和交轴是γ轴和δ轴；Δθ为轴误差，即d轴与γ轴之间的差，也是q轴与δ轴之间的差；本无感控制方法包括：
步骤1：依据当前周期的γ轴反电动势成分估算和当前周期的δ轴反电动势成分估算，得到当前周期的总反电动势；
步骤2：依据反电动势常数，周期时长，位置估算增益，上一周期的估算速度的正负，当前周期的总反电动势，当前周期的γ轴的电流误差，以及上一周期的估算位置，得到当前周期的估算位置；
步骤3：依据当前周期的估算位置和另一个周期的估算位置，以及当前周期另一个周期的时间间隔，得到当前周期的估算速度。
本无感控制方法使用总反电动势计算位置，不使用d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分的tan-1函数，避免了低频驱动范围由于d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分较小而产生的较大误差，抑制了参数误差和量子化误差的影响，因此能够在低频驱动范围实现高精度的控制。
对于步骤1，可以根据以下公式计算得到当前周期的总反电动势：
其中，Ve为总反电动势，为γ轴反电动势成分估算，/>为δ轴反电动势成分估算。
要得到γ轴反电动势成分估算和δ轴反电动势成分估算，可以以下面的电压方程式为基础：
其中，vd为d轴电压，vq为q轴电压，id为d轴电流，iq为q轴电流，R为电机电阻，Ld为d轴电感，Lq为q轴电感，KE为反电动势常数，ω为角速度。p为微分算子，p＝d/dt，t为时间。电感参数可以通过预先实验测量得到。
首先，对式(2.1)进行根据式(2.2)进行系数变换，得到γ轴和δ轴的电压方程式(2.3.1)：
表示dq轴到γδ轴的变换系数。Δθ为轴误差。
其中，vγ为γ轴电压，vδ为δ轴电压，iγ为γ轴电流，iδ为δ轴电流。由于无感控制中，无法实际测量转子的位置θ、转子的角速度ω，因此使用估算值，“^”表示估算，下面将式(2.3.1)中的ω替换为得到式(2.3)：
展开式(2.3)得到下式(a)：
定义eγ为vγ的右边第3项eδ为vδ的右边第3项/>
将[eγeδ]T代入式(a)得到式(c)：
式(c)重新整理为下式(d)：
式(d)的vγ的右边第2项定义为Eγ，vδ的右边第2项定义为Eδ，得出式(e)，变形为式(2.4)。
前述式(2.3)的右边第1项中产生的、由磁场的磁通量引起的电压下降都视作外部干扰，移到式(2.3)的右边第2项，根据上述定义的[EγEδ]T，导出式(2.4)的电压方程式：
根据式(e)定义的Eγ、Eδ，Eγ、Eδ代表线圈的电感引起的电压下降和反电动势的和。因此与电流的响应相比，可以假设Eγ、Eδ变化较小，即可假设p[EγEδ]T＝0；展开式(2.4)，piγ、piδ、pEγ、pEδ整合得到式(f)：
将式(f)整合到矩阵的形式，可得式(2.5)的状态方程式：
其中，y定义为输出。
下面可以用同一次元的外部干扰观测器(identity observer or samedimension observer)处理式(2.5)，同一次元的外部干扰观测器是用于估算无法直接观测到的值的估算装置。电机的无感控制中，可以用观测器估算反电动势，再通过估算出的反电动势估算转子位置θ。
接下来示例性地介绍同一次元的外部干扰观测器。假设控制系统为式(i)、图3：
px＝Ax+Bu
y＝Cx
(i)
其中，p为微分算子，p＝d/dt，t为时间，x为系统的状态，u为输入，y为输出；A、B、C为控制系统的状态方程式的矩阵系数。
则同一次元的外部干扰观测器为式(h)、图4：
其中，p为微分算子，p＝d/dt，t为时间，x为系统的状态，u为输入，y为输出；A、B、C为系统的状态方程式的矩阵系数，G为增益，“^”表示估算。
因此，将式(2.5)矩阵式的系数分别设为A、B、C，用于同一次元的外部干扰观测器的公式h中可得出图5和式(2.6)：
其中，为实际电流iγ和估算电流/>的差，/>为实际电流iδ和估算电流的差，实际电流可以根据电流检测得到的三相电流经过Clarke变换、Park变换得到。
此时，式(2.5)矩阵式的系数A、B、C和增益G为：
其中，G中的各项为常数。可以以消除反电动势的估算误差，同时估算输出电流，使实测电流[iγiδ]T和估算电流之间的电流误差Δi收敛为0为目标，来自主设计和控制式(2.6)的增益G，最终得到G的成分为一组常数。
矩阵G只要按照能让|sI-(A-GC)|＝0的解为负值来设定即可，s为拉普拉斯函数，I为4×4的单位矩阵。
根据式(2.6)，可以得出：
其中，G’可以作为设定的增益，取自矩阵G。
根据式(e)可以写出γ轴反电动势成分估算和δ轴反电动势成分估算的计算方法：
此时，轴误差Δθ为：
若借用轴误差Δθ估算位置和角速度，可以通过下面的式(2.11)、式(2.12)：
其中，Kp为PLL控制的比例增益，Ki为PLL控制的积分增益。
通过角速度的积分进行位置估算：
而本实施例可以在根据式(2.8)得到γ轴反电动势成分估算和δ轴反电动势成分估算/>之后，得到当前周期的总反电动势Ve。这样能够避免低频状态下，/>和/>较小，造成Δθ的计算结果误差较大。
得到总反电动势Ve之后，步骤2中，可以根据下式得到当前周期的估算位置：
其中，为当前周期的估算位置，(n)表示当前周期，/>为上一周期的估算位置，KE为反电动势常数，Ts为周期时长，/>为上一周期的估算速度/>的符号函数，Kθ为位置估算增益，Δiγ为γ轴的电流误差。位置估算增益可以设定为小于0.5且大于0的常数。
γ轴的电流误差Δiγ可以是当前周期的γ轴的电流误差，可以根据当前周期之前的实测电流和当前周期之前的估算电流之差得到，例如下式：
其中，Δiγ(n)为当前周期的γ轴的电流误差，iγ(n-1)为上一周期的实测电流，为上一周期的估算电流。
得到估算位置之后，步骤3中，可以通过微分的思路得到估算速度：
例如可以根据上一周期的估算位置得到估算速度：
又例如根据当前周期之前的第二个周期的估算位置得到估算速度：
采用本无感控制方法，电机指令的框图如图6所示，与图1不同的是，位置估算模块107先得到估算位置再经过微分模块得到估算速度/>
基于上述实施例，本实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算机执行时，实现上述的无感控制方法。本申请实施例提供一种变频控制器，所述变频控制器包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器电连接，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现上述的无感控制方法。
总体来说，本申请提出了一种无感控制方法、存储介质和变频控制器，本无感控制方法依据γ轴反电动势成分估算和δ轴反电动势成分估算，得到总反电动势；再依据反电动势常数，得到估算位置；依据估算位置在时间的微分，得到估算速度。本无感控制方法使用总反电动势计算位置，而不使用d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分的tan-1函数，避免了低频驱动范围由于d轴的反电动势成分和q轴的反电动势成分较小而产生的较大误差，因此能够在低频驱动范围实现高精度的控制。
以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种无感控制方法，其特征在于，包括：
依据当前周期的γ轴反电动势成分估算和当前周期的δ轴反电动势成分估算，得到当前周期的总反电动势；
依据反电动势常数，周期时长，位置估算增益，上一周期的估算速度的正负，当前周期的总反电动势，当前周期的γ轴的电流误差，以及上一周期的估算位置，得到当前周期的估算位置；
依据所述当前周期的估算位置和另一个周期的估算位置，以及当前周期所述另一个周期的时间间隔，得到当前周期的估算速度。
2.如权利要求1所述的无感控制方法，其特征在于，所述当前周期的估算位置满足以下公式：
其中，为所述当前周期的估算位置，/>为所述上一周期的估算位置，Ve为所述当前周期的总反电动势，KE为所述反电动势常数，Ts为所述周期时长，/>为所述上一周期的估算速度/>的符号函数，Kθ为所述位置估算增益，Δiγ为所述当前周期的γ轴的电流误差。
3.如权利要求1所述的无感控制方法，其特征在于，所述反电动势常数满足以下公式：
V＝KEω
其中，V和ω均为未通电的状态下旋转电机而测得，V为电机线间电压有效值，ω为角速度，KE为所述反电动势常数。
4.如权利要求1所述的无感控制方法，其特征在于，所述位置估算增益小于0.5且大于0。
5.如权利要求1-4中任一项所述的无感控制方法，其特征在于，所述总反电动势满足以下公式：
其中，Ve为所述总反电动势，为所述γ轴反电动势成分估算，/>为所述δ轴反电动势成分估算。
6.如权利要求5所述的无感控制方法，其特征在于，在依据当前周期的γ轴反电动势成分估算和当前周期的δ轴反电动势成分估算，得到当前周期的总反电动势的步骤之前，所述无感控制方法还包括：
依据d轴电感，q轴电感，上一周期的估算速度，上一周期的γ轴估算电流，上一周期的δ轴估算电流，以及同一次元的外部干扰观测器得到的参数，确定所述γ轴反电动势成分估算和所述δ轴反电动势成分估算。
7.如权利要求6所述的无感控制方法，其特征在于，所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数满足以下公式：
其中，和/>为所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数，G’为设定的增益矩阵，为γ轴的实际电流和估算电流之差、/>为δ轴的实际电流和估算电流之差。
8.如权利要求6所述的无感控制方法，其特征在于，所述γ轴反电动势成分估算和所述δ轴反电动势成分估算满足以下公式：
其中，为所述γ轴反电动势成分估算，/>为所述δ轴反电动势成分估算，/>为所述上一周期的估算速度，Ld为所述d轴电感，Lq为所述q轴电感，/>为所述上一周期的γ轴估算电流，/>为所述上一周期的δ轴估算电流，/>和/>为所述同一次元的外部干扰观测器得到的参数。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质中存储有计算机程序或指令，当所述计算机程序或指令被计算机执行时，实现权利要求1-8中任一项所述的无感控制方法。
10.一种变频控制器，其特征在于，所述变频控制器包括存储器和处理器，所述存储器与所述处理器电连接，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器在执行所述计算机程序时，实现权利要求1-8任一项所述的无感控制方法。
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