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CN201610674503-低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法-申请公开.pdf

发布时间：2022-05-29 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    (19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201610674503.6(22)申请日 2016.08.16(71)申请人 上海金脉电子科技有限公司地址 201203 上海市浦东新区张衡路1000弄润和国际69号楼(72)发明人 韩伟　邵庞　罗梦　(74)专利代理机构 上海智信专利代理有限公司 31002代理人 王洁(51)Int.Cl.H02P 21/32(2016.01)H02P 21/18(2016.01) (54)发明名称低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法(57)摘要本发明涉及一种低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，包括以下步骤：(1)在初始角度施加电压矢量，产生相应方向的磁场，确定转子的初始位置，并启动电机；(2)对低速时转子的位置进行估计；(3)将转速分为不同区间，根据不同区间对由低速向中高速切换时的转子的位置进行估计；(4)通过观测器和锁相环结构对中高速时转子的位置进行估计。采用该方法，简化了低速估计算法，降低了芯片资源的占用，并小启动时间；采用观测器与锁相环相结合的方法对中高速阶段的转子位置进行估计，消除了偏差；直接由低速估计算法向中高速估计算法切换会导致系统震荡甚至停机，通过融合算法，实现两种算法的平滑过渡，具有广泛的应用范围。权利要求书2页 说明书8页 附图1页CN 106100488 A2016.11.09CN 106100488 A
    1.一种低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：(1)在初始角度施加电压矢量，产生相应方向的磁场，确定转子的初始位置，并启动电机；(2)对低速时转子的位置进行估计；(3)将转速分为不同区间，根据不同区间对由低速向中高速切换时的转子的位置进行估计；(4)通过观测器和锁相环结构对中高速时转子的位置进行估计。2.根据权利要求1所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(1)还包括以下步骤：(1-1)根据实际负载标定定位控制电压；(1-2)在至少两个方向相继施加电压，需按照一定的斜率缓慢增加电压至定位控制电压，将转子强制吸引至初始位置；(1-3)由初始位置启动电机。3.根据权利要求1所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括以下步骤：(2-1)根据永磁同步电机额定电流和永磁铁磁通的大小来计算电动机所能产生的转矩大小：Te＝1.5pnψfiq，其中，Te为电动机所能产生的转矩，pn为电机极对数，ψf为永磁铁磁通，iq为永磁同步电机额定电流；(2-2)由电机机械方程计算出转子的加速度： 其中，α为转子的加速度，J为转动惯量，T0为负载转矩；(2-3)抵消阻尼作用的影响，利用转子的加速度对时间的积分得到转子的角速度：ωm_open＝k∫αdt＝kαt，其中，k(k<1)为修正系数，ωm_open为转子的角速度；(2-4)对转子的角速度进行积分，得到开环运行时所需要的角度： 其中，θm_open为开环运行时所需要的角度。4.根据权利要求1所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(3)包括以下步骤：(3-1)设ωbegin和ωend分别为低速向中高速切换的起始速度和终止速度，确定ωbegin和ωend的大小，将转速分为三个区间，分别为低速估计的转速≤ωbegin的第一区间、ωbegin＜低速估计的转速＜ωend的第二区间和低速估计的转速≥ωend的第三区间；(3-2)判断当前估计转速所在的区间，如果是第一区间，则继续步骤(2)，如果是第二区间，则继续步骤(3-3)，如果是第三区间，则继续步骤(4)；权　利　要　求　书1/2页2CN 106100488 A2
    (3-3)通过以下公式计算β： 其中，β为融合系数，ωr_low为低速估计的转子速度；(3-4)通过以下融合算法得到估计输出：估计输出＝低速估计×(1-β)+中高速估计×β。5.根据权利要求4所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的确定ωbegin和ωend的大小，包括以下步骤：(3-1-1)根据低速估计算法和中高速估计算法估计出的转速偏差来确定ωbegin的大小；(3-1-2)如两种估计出的转速的偏差小于设定的阈值，则进行切换，此时的速度值作为切换起始速度，且终止速度ωend设定为电机所能达到的最大速度的10％；(3-1-3)根据所要求的加速指标对ωbegin和ωend进行调整。6.根据权利要求1所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(4)中包括以下步骤：(4-1)通过观测器计算电动机的反电动势；(4-2)通过锁相环跟踪并锁定反电动势中的相位，通过角度偏差控制调整估计的转速。7.根据权利要求6所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(4-1)中还包括以下步骤：(4-1-1)将估计量代入电机的实际电压方程中的相应变量，得到观测电流；(4-1-2)将观测电流与实际测得的定子电流进行比较，得到误差补偿项；(4-1-3)根据所述的误差补偿项确定反电动势的大小。8.根据权利要求6所述的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，其特征在于，所述的步骤(4-2)中还包括以下步骤：(4-2-1)通过PID控制器将所述的相位转化为转速控制信号；(4-2-2)对所述的转速控制信号进行积分，得到转子的中高速估计角度；(4-2-3)根据当前的速度信息估计出下一个周期的转子位置，然后反馈到输入端。权　利　要　求　书2/2页3CN 106100488 A3
    低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法技术领域[0001]本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及低功率永磁同步电机控制技术领域，具体是指一种低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法。背景技术[0002]在控制永磁同步电机运行过程中，需要通过传感器来检测转子的位置并不断将位置信息发送给控制器，因此需要较高的精度。特别是在电动机运行要求较高的场合，对转子位置的精度要求更高。目前常见的传感器有光电编码器和旋转变压器等，这些传感器虽然能较精确地检测出转子的位置，但是也带来了很多问题：[0003]1)传感器的价格昂贵，极大增加了整套电动机控制系统的成本，在批量生产中每个产品减少一个传感器的使用所带来的效益是十分惊人的；[0004]2)安装传感器会加大电动机制造工艺的难度，造成电动机本身成本和维修难度的增加；[0005]3)传感器的使用对环境有一定的要求，限制了电动机的使用范围。如高温、粉尘、潮湿等环境恶劣的情况下会导致传感器的性能不稳定，对传感器的精度造成很大的影响，同时这些地方传感器的维修难度和成本也会大大提高；[0006]4)安装传感器后会增大整体设备的体积，对于一些空间比较小的地方而言，安装传感器难度会增加，如汽车水泵、油泵等；[0007]5)对电动机整体的稳定性有一些影响，增加传感器后需要在硬件控制板上增加一些器件，同时还要增加4～6根连接线等，增加结构的复杂性，稳定性降低。传感器的安装也会增加电动机本身的转动惯量，而且由于仪器精度和安装误差的影响，传感器的轴心和电动机转子的轴心总会存在一定程度的偏移，这些都会降低电动机运行的稳定性。[0008]基于以上种种原因，研究开发永磁同步电机无位置传感器的控制技术显得十分必要。它主要是基于电动机本身的状态量(如定子相电压、定子电流等)和固有特性对转子的速度和位置进行估计，以实现电动机的高性能控制。目前还没有一种单一的方法能够在全速范围内对电动机进行较精确的转子位置估计，为了解决这个矛盾大部分是采用多种方法相结合的方式进行控制，即低速和中高速各采用一种控制方法。[0009]在低速时所采用方法的原理主要是利用定子铁心的非线性饱和特性，比较常用且有效的方法是高频信号注入法。将旋转高频电压信号或者脉振高频电压信号注入到定子中，从而产生幅值恒定的旋转磁场或者沿某一轴线脉动的交变磁场，凸极转子会对这些感应的磁场进行调制作用，最终含有转子位置信息的高频载波信号就会出现在定子相电流中，将这些载波信号进行解调并进行一定的处理就可以得到转子位置了。可以看出这种方法只与电动机本身的结构相关，与电动机本身参数(如定子电阻、电感等)和转速等都没有关系，鲁棒性强，所以这种方法精度很高。[0010]中高速时转子位置估计算法比较多，比较常用的是观测器，如图1所示。它所需要观测的量为定子电流，而需要预测的量为反电动势，可以通过观测电流与实际电流的偏差说　明　书1/8页4CN 106100488 A4
    来构建误差补偿项，得到反电动势，这样就得到了估计扩展反电动势的闭环系统。输入量为测量的定子电压us和电流is，输出量为估计的反电动势而估计的转速可由进行反正切求出。虽然在观测器中也用到了部分电动机参数，但是参数值的偏差都可以通过PI调节器进行校正，而且观测器也没有对电流进行微分，减小了对噪声的敏感度。正是由于这些特点，使得龙贝格观测器的性能优于其他方法。[0011]然而现有技术在应用中存在诸多不足之处，首先，低速对转子位置进行估计时，从高频注入法的原理中可以看出这种方法的缺陷就是需要电动机本身具有凸极性，而且高频信号的注入同时也会造成转矩脉动，若高频信号的幅值过大，也会带来电磁噪声。该算法的运算量也较大，对芯片本身的要求也较高，这些都是该算法的弊端。[0012]其次，中高速对转子位置进行估计时，当得到扩展反电动势后，通常会直接通过反正切的方法得到转子位置。反正切在90°左右时计算得到的转子位置会产生偏差，同时反正切对噪声比较敏感，而在实际中噪声不可避免的存在，这样在求解的角度结果中会出现很多毛刺。[0013]最后，低速估计算法向中高速估计算法进行切换时，通常是直接切换或者二者偏差在一定范围内时进行切换，这种做法可能会导致转速的剧烈抖动，导致系统震荡，严重时甚至会造成电动机失步至停转。发明内容[0014]本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种能够实现的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法。[0015]为了实现上述目的，本发明的具有如下构成：[0016]该低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，包括以下步骤：[0017](1)在初始角度施加电压矢量，产生相应方向的磁场，确定转子的初始位置，并启动电机；[0018](2)对低速时转子的位置进行估计；[0019](3)将转速分为不同区间，根据不同区间对由低速向中高速切换时的转子的位置进行估计；[0020](4)通过观测器和锁相环结构对中高速时转子的位置进行估计。[0021]较佳地，所述的步骤(1)还包括以下步骤：[0022](1-1)根据实际负载标定定位控制电压；[0023](1-2)在至少两个方向相继施加电压，需按照一定的斜率缓慢增加电压至定位控制电压，将转子强制吸引至初始位置；[0024](1-3)由初始位置启动电机。[0025]较佳地，所述的步骤(2)包括以下步骤：[0026](2-1)根据永磁同步电机额定电流和永磁铁磁通的大小来计算电动机所能产生的转矩大小：[0027]Te＝1.5pnψfiq，[0028]其中Te为电动机所能产生的转矩，pn为电机极对数，ψf为永磁铁磁通，iq为永磁同步电机额定电流；说　明　书2/8页5CN 106100488 A5
    [0029](2-2)由电机机械方程计算出转子的加速度：[0030][0031]其中，α为转子的加速度，J为转动惯量，T0为负载转矩；[0032](2-3)抵消阻尼作用的影响，利用转子的加速度对时间的积分得到转子的角速度：[0033]ωm_open＝k∫αdt＝kαt，[0034]其中，k(k<1)为修正系数，ωm_open为转子的角速度；[0035](2-4)对转子的角速度进行积分，得到开环运行时所需要的角度：[0036][0037]其中，θm_open为开环运行时所需要的角度。[0038]较佳地，所述的步骤(3)包括以下步骤：[0039](3-1)设ωbegin和ωend分别为低速向中高速切换的起始速度和终止速度，确定ωbegin和ωend的大小，将转速分为三个区间，分别为低速估计的转速≤ωbegin的第一区间、ωbegin＜低速估计的转速＜ωend的第二区间和低速估计的转速≥ωend的第三区间；[0040](3-2)判断当前估计转速所在的区间，如果是第一区间，则继续步骤(2)，如果是第二区间，则继续步骤(3-3)，如果是第三区间，则继续步骤(4)；[0041](3-3通过以下公式计算β：[0042][0043]其中，β为融合系数，ωr_low为低速估计的转子速度；[0044](3-4)通过以下融合算法得到估计输出：[0045]估计输出＝低速估计×(1-β)+中高速估计×β。[0046]更佳地，所述的确定ωbegin和ωend的大小，包括以下步骤：[0047](3-1-1)根据低速估计算法和中高速估计算法估计出的转速偏差来确定ωbegin的大小；[0048](3-1-2)如两种估计出的转速的偏差小于设定的阈值，则进行切换，此时的速度值作为切换起始速度，且终止速度ωend设定为电机所能达到的最大速度的10％；[0049](3-1-3)根据所要求的加速指标对ωbegin和ωend进行调整。[0050]较佳地，所述的步骤(4)中包括以下步骤：[0051](4-1)通过观测器计算电动机的反电动势；[0052](4-2)通过锁相环跟踪并锁定反电动势中的相位，通过角度偏差控制调整估计的转速。[0053]更佳地，所述的步骤(4-1)中还包括以下步骤：[0054](4-1-1)将估计量代入电机的实际电压方程中的相应变量，得到观测电流；[0055](4-1-2)将观测电流与实际测得的定子电流进行比较，得到误差补偿项；[0056](4-1-3)根据所述的误差补偿项确定反电动势的大小。[0057]更佳地，所述的步骤(4-2)中还包括以下步骤：[0058](4-2-1)通过PID控制器将所述的相位转化为转速控制信号；说　明　书3/8页6CN 106100488 A6
    [0059](4-2-2)对所述的转速控制信号进行积分，得到转子的中高速估计角度；[0060](4-2-3)根据当前的速度信息估计出下一个周期的转子位置，然后反馈到输入端。[0061]采用了该发明中的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，由于电机主要运行在中高速阶段，因此没有必要过多研究低速启动阶段的转子位置估计，本发明极大地简化了低速启动时转子位置估计算法，保证电机能够启动即可，降低了芯片资源的占用，这样就可以采用更低端的芯片，节约成本，同时快速启动方法能够减小启动时间；采用观测器与锁相环相结合的方法对中高速阶段的转子位置进行估计，直接将观测器得到的反电动势进行反正切处理得到转子位置的方法对噪声比较敏感，估计结果会有很多毛刺，而采用锁相环结构进行处理可以估计出无相位延时的位置，同时对传统的锁相环进行补偿改进，消除了其中存在的偏差；低速估计算法向中高速估计算法切换时，直接切换可能会导致系统震荡甚至停机。本发明采用一种融合算法，实现两种算法的平滑过渡。附图说明[0062]图1为现有技术的观测器的结构示意图。[0063]图2为本发明的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法的锁相环结构框图。[0064]图3为本发明的低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法的具体工作原理示意图。具体实施方式[0065]为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。[0066]在一种可行的实施方式中，低功率永磁同步电机无位置传感器矢量控制方法，包括以下步骤：[0067](1)在初始角度施加电压矢量，产生相应方向的磁场，确定转子的初始位置，并启动电机；[0068](2)对低速时转子的位置进行估计；[0069](3)将转速分为不同区间，根据不同区间对由低速向中高速切换时的转子的位置进行估计；[0070](4)通过观测器和锁相环结构对中高速时转子的位置进行估计。[0071]在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(1)还包括以下步骤：[0072](1-1)根据实际负载标定定位控制电压；[0073](1-2)在至少两个方向相继施加电压，需按照一定的斜率缓慢增加电压至定位控制电压，将转子强制吸引至初始位置；[0074](1-3)由初始位置启动电机。[0075]在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(2)包括以下步骤：[0076](2-1)根据永磁同步电机额定电流和永磁铁磁通的大小来计算电动机所能产生的转矩大小：[0077]Te＝1.5pnψfiq，说　明　书4/8页7CN 106100488 A7
    [0078]其中Te为电动机所能产生的转矩，pn为电机极对数，ψf为永磁铁磁通，iq为永磁同步电机额定电流；[0079](2-2)由电机机械方程计算出转子的加速度：[0080][0081]其中，α为转子的加速度，J为转动惯量，T0为负载转矩；[0082](2-3)抵消阻尼作用的影响，利用转子的加速度对时间的积分得到转子的角速度：[0083]ωm_open＝k∫αdt＝kαt，[0084]其中，k(k<1)为修正系数，ωm_open为转子的角速度；[0085](2-4)对转子的角速度进行积分，得到开环运行时所需要的角度：[0086][0087]其中，θm_open为开环运行时所需要的角度。[0088]在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(3)包括以下步骤：[0089](3-1)设ωbegin和ωend分别为低速向中高速切换的起始速度和终止速度，确定ωbegin和ωend的大小，将转速分为三个区间，分别为低速估计的转速≤ωbegin的第一区间、ωbegin＜低速估计的转速＜ωend的第二区间和低速估计的转速≥ωend的第三区间；[0090](3-2)判断当前估计转速所在的区间，如果是第一区间，则继续步骤(2)，如果是第二区间，则继续步骤(3-3)，如果是第三区间，则继续步骤(4)；[0091](3-3)通过以下公式计算β：[0092][0093]其中，β为融合系数，ωr_low为低速估计的转子速度；[0094](3-4)通过以下融合算法得到估计输出：[0095]估计输出＝低速估计×(1-β)+中高速估计×β。[0096]在一种更佳的实施方式中，所述的确定ωbegin和ωend的大小，包括以下步骤：[0097](3-1-1)根据低速估计算法和中高速估计算法估计出的转速偏差来确定ωbegin的大小；[0098](3-1-2)如两种估计出的转速的偏差小于设定的阈值，则进行切换，此时的速度值作为切换起始速度，且终止速度ωend设定为电机所能达到的最大速度的10％；[0099](3-1-3)根据所要求的加速指标对ωbegin和ωend进行调整。[0100]在一种较佳的实施方式中，所述的步骤(4)中包括以下步骤：[0101](4-1)通过观测器计算电动机的反电动势；[0102](4-2)通过锁相环跟踪并锁定反电动势中的相位，通过角度偏差控制调整估计的转速。[0103]在一种更佳的实施方式中，所述的步骤(4-1)中还包括以下步骤：[0104](4-1-1)将估计量代入电机的实际电压方程中的相应变量，得到观测电流；[0105](4-1-2)将观测电流与实际测得的定子电流进行比较，得到误差补偿项；[0106](4-1-3)根据所述的误差补偿项确定反电动势的大小。说　明　书5/8页8CN 106100488 A8
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