基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法
2023-05-03 08:59:11 1
基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法
【專利摘要】本發明涉及電氣傳動領域，旨在提供一種基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法。該方法包括：設定旋轉電流矢量的幅值；設定旋轉電流矢量的角頻率；設定永磁同步電機轉子的位置角；對三相永磁同步電機的定子輸出電流進行坐標變換；虛擬d-q坐標系的PI運算；坐標反變換，並經逆變器實現整個驅動；永磁同步電機的功角觀測；永磁同步電機經過上述七個步驟後完成起動。本發明利用永磁同步電機在不失步的情況下，轉子轉速能夠同步跟蹤定子旋轉磁場的給定頻率這一固有特性。通過負載轉矩角觀測永磁同步電機的運行狀態並對其進行控制，保證了系統穩定性。本發明成本低、控制算法簡單，能完美實現永磁同步電機無位置傳感器的全速段運行。
【專利說明】基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種永磁同步電機無位置傳感器控制技術，屬於電氣傳動領域。
【背景技術】
[0002]與感應電機相比，永磁同步電機具有高轉矩/慣量比、高功率密度、高效率等優點。永磁同步電機轉子採用永磁體，無勵磁電路，轉子無勵磁損耗和鐵損，簡化了轉子的結構，減小了電機的轉動慣量，電機的效率和功率因數較高。隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機控制技術的成熟，永磁同步電機在數控工具機、機器人、電動車輛、航空航天等高精度控制領域，以及在風機、泵類、壓縮機等領域都有了廣泛的應用。
[0003]永磁同步電機的控制系統需要光電編碼器或旋轉變壓器等位置傳感器來獲得轉子位置的實時信息，實現磁場定向，額外的傳感器和電纜將提高系統的成本並降低了系統運行的可靠性；當位置傳感器出現故障時，系統將無法正常工作。對於一些對可靠性有較高要求的場合如航空航天、電動車輛、核電工程等領域要考慮無位置傳感器的容錯控制技術；另外一些環境比較惡劣的場合如機械震動比較大，工作環境溫度過高或者空間位置有限不適宜安裝位置傳感器的場合，以及一些成本比較敏感的應用領域無位置傳感器控制技術具有更多的優勢。
[0004]基於基波模型的方法:包括直接計算法，反電動勢法，定子三次諧波電壓法，模型參考自適應法。這類方法對永磁電動機的參數變化較為敏感，魯棒性差。另外，當永磁電動機靜止或低速運行時，因反電動勢過小或信號的信噪比較小，使得有效信號湮沒或無法檢測而導致檢測或估算失敗，因此只適用於永磁電動機中速或者高速運行時的速度和位置估算
[0005]基於觀測器的估算法:觀測器的實質是一種狀態重構，其原理是重新構造一個系統，利用原系統中可直接測量的輸出信號(如定子電流)和輸入信號(驅動信號和直流母線電壓)作為重構系統的輸入信號，並使其估算信號在一定條件下等價於原系統的狀態等價的原則是兩者的誤差在動態變化中能夠漸近穩定地趨近於零。通常，稱估算信號為原系統的狀態的重構狀態或估計狀態，而稱這個用以實現狀態重構的系統為觀測器。目前主要採用的有非線性觀測器、全階狀態觀測器、降階狀態觀測器、擴展卡爾曼濾波器和滑模觀測器。
[0006]高頻信號注入法:這種方法的基本思想是利用逆變器，對永磁電動機施以高頻、低幅值的電壓(電流)激勵，在電動機的出線端獲取電流(電壓)響應信號，對獲取的信號進行處理，可估算出電動機的速度和位置。這種方法的一個基本前提條件是永磁電動機具有空間的凸極(轉子為凸極式)或者是磁路的凸極(Ld# Lq)，因此這種方法也稱為凸極追蹤法。但是隨著轉速的提高，電機的反電動勢也將增大，該部分不能被忽略，導致估算精度隨著轉速的提高而降低，而且該算法只能適用於內埋式永磁同步電機。
[0007]現有的單個無位置傳感器控制算法都具有一定的局限性，要麼適用於永磁同步電機運行的高速段如反電動勢檢測法、模型參考自適應法、滑模觀測器法等；或者適用於低速段如高頻信號注入法等。
[0008]為了解決單個永磁同步電機無位置傳感器控制方法在全速度段中所存在的高速段或者低速段觀測精度較差的問題，現有的主要方法是將適合於低速段和高速段的無位置傳感控制方法進行融合，採用融合無位置控制方法進行解決；現在比較多的方法是在低速段採用高頻信號注入法而在中高速段採用反電動勢法或模型參考自適應法；並且在中低速段實現兩種算法的平滑切換控制。這將大大增加系統的複雜度，並且對於系統的自適應性和運行調試帶來一定的困難，需要相對精確的電機參數，並且高頻信號注入法要求電機具有一定的凸極性，對於隱極永磁同步電機將不在適用。
【發明內容】
[0009]本發明要解決的技術問題是，克服現有技術的缺陷，提供一種基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法。
[0010]為解決技術問題，本發明採用的技術方案是:
[0011]提供一種基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法，通過以下步驟實現永磁同步電機的起動:
[0012](I)設定旋轉電流矢量的幅值；
[0013]設定iq_ref1.2 X IN； Idref=O ；
[0014]式中各符號軸電流給定值，單位為安培；IN為額定電流值，單位為安培；id_ref為d軸電流給定值，單位為安培；
[0015](2)按下述任意一種方式設定旋轉電流矢量的角頻率ωε，
[0016]階躍方式:ωε=常數；該常數的取值範圍是O≤ωε ≤ ωΝ ; ωΝ為電機的額定頻率
[0017]斜坡方式WeZk1Xt丸的的取值範圍是Ii1X)；
[0018]加速度方式:coe=k2Xt2 ；k2的的取值範圍是k2>0 ；
[0019]上述各式中t為旋轉電流矢量角頻率的加速運行時間，單位為秒；
[0020](3)設定永磁同步電機轉子的位置角θε，Θ e= / Qedt ；
[0021](4)對三相永磁同步電機的定子輸出電流進行坐標變換；
[0022]將採樣得到的三相永磁同步電機的定子電流進行CLARK變換，得到兩相α-β靜止坐標系下的電流值ia、ie ;然後進行PARK變換，其中用來定相的角度採用步驟(3)中所得到的位置角θε;建立虛擬d-q坐標系，最終得到步驟(3)位置角在虛擬坐標系上定相的值id、iq;
[0023]( 5)虛擬d_q坐標系的PI運算；
[0024]將在虛擬d-q坐標系下的電流給定值與實際反饋值進行比較，並進行PI運算；輸出在虛擬d-q坐標系下的電壓給定值Ud、Uq ；
[0025](6)坐標反變換，並經逆變器實現整個驅動；
[0026]將在虛擬d-q坐標系下的電壓給定值UcUUq進行park反變換，得到在兩相α - β靜止坐標系下的電壓給定值ua、ue，並經SVPWM調製得到驅動器的六個驅動信號，實現電壓調製；
[0027]( 7 )永磁同步電機的功角觀測；
[0028]在兩相α-β靜止坐標系中對永磁同步電機的功角進行觀測，對步驟(4)、(6)中所得到的1、％、11。、110進行計算，得到在兩相α-β靜止坐標下的旋轉磁鏈Ψα、Ψ0的值；再採用下式求解得到功角θτ:
[0029]
【權利要求】
1.基於旋轉電流矢量的永磁同步電機無位置傳感器控制方法，其特徵在於，通過以下步驟實現永磁同步電機的起動: (1)設定旋轉電流矢量的幅值；
設定 Vref=1.2 X In ；id ref=0 ; 式中各符號:i0 ； 加速度方式:《e=k2Xt2 ；k2的的取值範圍是1^2>0 ； 上述各式中t為旋轉電流矢量角頻率的加速運行時間，單位為秒； (3)設定永磁同步電機轉子的位置角Θe，Θ e= / Qedt ； (4)對三相永磁同步電機的定子輸出電流進行坐標變換； 將採樣得到的三相永磁同步電機的定子電流進行CLARK變換，得到兩相α-β靜止坐標系下的電流值ia、i e ;然後進行PARK變換，其中用來定相的角度採用步驟(3)中所得到的位置角θε;建立虛擬d-q坐標系，最終得到步驟(3)位置角9^在虛擬坐標系上定相的值 id、iq ； (5)虛擬d_q坐標系的PI運算； 將在虛擬d_q坐標系下的電流給定值與實際反饋值進行比較，並進行PI運算；輸出在虛擬d_q坐標系下的電壓給定值Ud、Uq ； (6)坐標反變換，並經逆變器實現整個驅動； 將在虛擬d_q坐標系下的電壓給定值Ud、Uq進行park反變換，得到在兩相α-β靜止坐標系下的電壓給定值ua、ue，並經SVPWM調製得到驅動器的六個驅動信號，實現電壓調製； (7)永磁同步電機的功角觀測； 在兩相α-β靜止坐標系中對永磁同步電機的功角進行觀測，對步驟(4)、(6)中所得到的1、％、1!。、1!0進行計算，得到在兩相α-β靜止坐標下的旋轉磁鏈Ψα、Ψ0的值；再採用下式求解得到功角θτ:
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，還包括在永磁同步電機完成起動並進入穩態運行後，對永磁同步電機功角的進行控制； (I)設定永磁同步電機穩態運行時的功角值Θ T_ref ； 對於表貼式永磁同步電機，最佳效率點在Θ T—max=90 ； 對於內埋式的永磁同步電機，最佳效率點在
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵在於，確定功角θτ 的參考值時，保留5度的穩定餘裡!。
【文檔編號】H02P27/08GK103607155SQ201310522869
【公開日】2014年2月26日 申請日期:2013年10月28日 優先權日:2013年10月28日
【發明者】王海兵, 湯勝清, 趙榮祥, 楊歡 申請人:浙江大學