基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及電氣傳動(dòng)領(lǐng)域，旨在提供一種基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法。該方法包括：設(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的幅值；設(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的角頻率；設(shè)定永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角；對(duì)三相永磁同步電機(jī)的定子輸出電流進(jìn)行坐標(biāo)變換；虛擬d-q坐標(biāo)系的PI運(yùn)算；坐標(biāo)反變換，并經(jīng)逆變器實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng)；永磁同步電機(jī)的功角觀測(cè)；永磁同步電機(jī)經(jīng)過(guò)上述七個(gè)步驟后完成起動(dòng)。本發(fā)明利用永磁同步電機(jī)在不失步的情況下，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速能夠同步跟蹤定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的給定頻率這一固有特性。通過(guò)負(fù)載轉(zhuǎn)矩角觀測(cè)永磁同步電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)并對(duì)其進(jìn)行控制，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性。本發(fā)明成本低、控制算法簡(jiǎn)單，能完美實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器的全速段運(yùn)行。
【專利說(shuō)明】基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，屬于電氣傳動(dòng)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]與感應(yīng)電機(jī)相比，永磁同步電機(jī)具有高轉(zhuǎn)矩/慣量比、高功率密度、高效率等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體，無(wú)勵(lì)磁電路，轉(zhuǎn)子無(wú)勵(lì)磁損耗和鐵損，簡(jiǎn)化了轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)，減小了電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，電機(jī)的效率和功率因數(shù)較高。隨著稀土永磁材料性能的不斷提高，永磁同步電機(jī)控制技術(shù)的成熟，永磁同步電機(jī)在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電動(dòng)車輛、航空航天等高精度控制領(lǐng)域，以及在風(fēng)機(jī)、泵類、壓縮機(jī)等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。
[0003]永磁同步電機(jī)的控制系統(tǒng)需要光電編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器等位置傳感器來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)信息，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)定向，額外的傳感器和電纜將提高系統(tǒng)的成本并降低了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性；當(dāng)位置傳感器出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)將無(wú)法正常工作。對(duì)于一些對(duì)可靠性有較高要求的場(chǎng)合如航空航天、電動(dòng)車輛、核電工程等領(lǐng)域要考慮無(wú)位置傳感器的容錯(cuò)控制技術(shù)；另外一些環(huán)境比較惡劣的場(chǎng)合如機(jī)械震動(dòng)比較大，工作環(huán)境溫度過(guò)高或者空間位置有限不適宜安裝位置傳感器的場(chǎng)合，以及一些成本比較敏感的應(yīng)用領(lǐng)域無(wú)位置傳感器控制技術(shù)具有更多的優(yōu)勢(shì)。
[0004]基于基波模型的方法:包括直接計(jì)算法，反電動(dòng)勢(shì)法，定子三次諧波電壓法，模型參考自適應(yīng)法。這類方法對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)的參數(shù)變化較為敏感，魯棒性差。另外，當(dāng)永磁電動(dòng)機(jī)靜止或低速運(yùn)行時(shí)，因反電動(dòng)勢(shì)過(guò)小或信號(hào)的信噪比較小，使得有效信號(hào)湮沒(méi)或無(wú)法檢測(cè)而導(dǎo)致檢測(cè)或估算失敗，因此只適用于永磁電動(dòng)機(jī)中速或者高速運(yùn)行時(shí)的速度和位置估算
[0005]基于觀測(cè)器的估算法:觀測(cè)器的實(shí)質(zhì)是一種狀態(tài)重構(gòu)，其原理是重新構(gòu)造一個(gè)系統(tǒng)，利用原系統(tǒng)中可直接測(cè)量的輸出信號(hào)(如定子電流)和輸入信號(hào)(驅(qū)動(dòng)信號(hào)和直流母線電壓)作為重構(gòu)系統(tǒng)的輸入信號(hào)，并使其估算信號(hào)在一定條件下等價(jià)于原系統(tǒng)的狀態(tài)等價(jià)的原則是兩者的誤差在動(dòng)態(tài)變化中能夠漸近穩(wěn)定地趨近于零。通常，稱估算信號(hào)為原系統(tǒng)的狀態(tài)的重構(gòu)狀態(tài)或估計(jì)狀態(tài)，而稱這個(gè)用以實(shí)現(xiàn)狀態(tài)重構(gòu)的系統(tǒng)為觀測(cè)器。目前主要采用的有非線性觀測(cè)器、全階狀態(tài)觀測(cè)器、降階狀態(tài)觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波器和滑模觀測(cè)器。
[0006]高頻信號(hào)注入法:這種方法的基本思想是利用逆變器，對(duì)永磁電動(dòng)機(jī)施以高頻、低幅值的電壓(電流)激勵(lì)，在電動(dòng)機(jī)的出線端獲取電流(電壓)響應(yīng)信號(hào)，對(duì)獲取的信號(hào)進(jìn)行處理，可估算出電動(dòng)機(jī)的速度和位置。這種方法的一個(gè)基本前提條件是永磁電動(dòng)機(jī)具有空間的凸極(轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速的提高，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)也將增大，該部分不能被忽略，導(dǎo)致估算精度隨著轉(zhuǎn)速的提高而降低，而且該算法只能適用于內(nèi)埋式永磁同步電機(jī)。
[0007]現(xiàn)有的單個(gè)無(wú)位置傳感器控制算法都具有一定的局限性，要么適用于永磁同步電機(jī)運(yùn)行的高速段如反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、模型參考自適應(yīng)法、滑模觀測(cè)器法等；或者適用于低速段如高頻信號(hào)注入法等。
[0008]為了解決單個(gè)永磁同步電機(jī)無(wú)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(cè)精度較差的問(wèn)題，現(xiàn)有的主要方法是將適合于低速段和高速段的無(wú)位置傳感控制方法進(jìn)行融合，采用融合無(wú)位置控制方法進(jìn)行解決；現(xiàn)在比較多的方法是在低速段采用高頻信號(hào)注入法而在中高速段采用反電動(dòng)勢(shì)法或模型參考自適應(yīng)法；并且在中低速段實(shí)現(xiàn)兩種算法的平滑切換控制。這將大大增加系統(tǒng)的復(fù)雜度，并且對(duì)于系統(tǒng)的自適應(yīng)性和運(yùn)行調(diào)試帶來(lái)一定的困難，需要相對(duì)精確的電機(jī)參數(shù)，并且高頻信號(hào)注入法要求電機(jī)具有一定的凸極性，對(duì)于隱極永磁同步電機(jī)將不在適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法。
[0010]為解決技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
[0011]提供一種基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的起動(dòng):
[0012](I)設(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的幅值；
[0013]設(shè)定iq_ref1.2 X IN； Idref=O ；
[0014]式中各符號(hào)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(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的角頻率ωε，
[0016]階躍方式:ωε=常數(shù)；該常數(shù)的取值范圍是O≤ωε ≤ ωΝ ; ωΝ為電機(jī)的額定頻率
[0017]斜坡方式WeZk1Xt丸的的取值范圍是Ii1X)；
[0018]加速度方式:coe=k2Xt2 ；k2的的取值范圍是k2>0 ；
[0019]上述各式中t為旋轉(zhuǎn)電流矢量角頻率的加速運(yùn)行時(shí)間，單位為秒；
[0020](3)設(shè)定永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角θε，Θ e= / Qedt ；
[0021](4)對(duì)三相永磁同步電機(jī)的定子輸出電流進(jìn)行坐標(biāo)變換；
[0022]將采樣得到的三相永磁同步電機(jī)的定子電流進(jìn)行CLARK變換，得到兩相α-β靜止坐標(biāo)系下的電流值ia、ie ;然后進(jìn)行PARK變換，其中用來(lái)定相的角度采用步驟(3)中所得到的位置角θε;建立虛擬d-q坐標(biāo)系，最終得到步驟(3)位置角在虛擬坐標(biāo)系上定相的值id、iq;
[0023]( 5)虛擬d_q坐標(biāo)系的PI運(yùn)算；
[0024]將在虛擬d-q坐標(biāo)系下的電流給定值與實(shí)際反饋值進(jìn)行比較，并進(jìn)行PI運(yùn)算；輸出在虛擬d-q坐標(biāo)系下的電壓給定值Ud、Uq ；
[0025](6)坐標(biāo)反變換，并經(jīng)逆變器實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng)；
[0026]將在虛擬d-q坐標(biāo)系下的電壓給定值UcUUq進(jìn)行park反變換，得到在兩相α - β靜止坐標(biāo)系下的電壓給定值ua、ue，并經(jīng)SVPWM調(diào)制得到驅(qū)動(dòng)器的六個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)制；
[0027]( 7 )永磁同步電機(jī)的功角觀測(cè)；
[0028]在兩相α-β靜止坐標(biāo)系中對(duì)永磁同步電機(jī)的功角進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)步驟(4)、(6)中所得到的1、％、11。、110進(jìn)行計(jì)算，得到在兩相α-β靜止坐標(biāo)下的旋轉(zhuǎn)磁鏈Ψα、Ψ0的值；再采用下式求解得到功角θτ:
[0029]
【權(quán)利要求】
1.基于旋轉(zhuǎn)電流矢量的永磁同步電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方法，其特征在于，通過(guò)以下步驟實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)的起動(dòng): (1)設(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的幅值；
設(shè)定 Vref=1.2 X In ；id ref=0 ; 式中各符號(hào):i<i—為q軸電流給定值，In為額定電流值，Id ref為d軸電流給定值,單位均為安培； (2)按下述任意一種方式設(shè)定旋轉(zhuǎn)電流矢量的角頻率ωε， 階躍方式:ωε=常數(shù)；該常數(shù)的取值范圍是O≤ωe ≤ωΝ ; ωΝ為電機(jī)的額定頻率； 斜坡方式=W^k1Xt A1的的取值范圍是1^>0 ； 加速度方式:《e=k2Xt2 ；k2的的取值范圍是1^2>0 ； 上述各式中t為旋轉(zhuǎn)電流矢量角頻率的加速運(yùn)行時(shí)間，單位為秒； (3)設(shè)定永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角Θe，Θ e= / Qedt ； (4)對(duì)三相永磁同步電機(jī)的定子輸出電流進(jìn)行坐標(biāo)變換； 將采樣得到的三相永磁同步電機(jī)的定子電流進(jìn)行CLARK變換，得到兩相α-β靜止坐標(biāo)系下的電流值ia、i e ;然后進(jìn)行PARK變換，其中用來(lái)定相的角度采用步驟(3)中所得到的位置角θε;建立虛擬d-q坐標(biāo)系，最終得到步驟(3)位置角9^在虛擬坐標(biāo)系上定相的值 id、iq ； (5)虛擬d_q坐標(biāo)系的PI運(yùn)算； 將在虛擬d_q坐標(biāo)系下的電流給定值與實(shí)際反饋值進(jìn)行比較，并進(jìn)行PI運(yùn)算；輸出在虛擬d_q坐標(biāo)系下的電壓給定值Ud、Uq ； (6)坐標(biāo)反變換，并經(jīng)逆變器實(shí)現(xiàn)整個(gè)驅(qū)動(dòng)； 將在虛擬d_q坐標(biāo)系下的電壓給定值Ud、Uq進(jìn)行park反變換，得到在兩相α-β靜止坐標(biāo)系下的電壓給定值ua、ue，并經(jīng)SVPWM調(diào)制得到驅(qū)動(dòng)器的六個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電壓調(diào)制； (7)永磁同步電機(jī)的功角觀測(cè)； 在兩相α-β靜止坐標(biāo)系中對(duì)永磁同步電機(jī)的功角進(jìn)行觀測(cè)，對(duì)步驟(4)、(6)中所得到的1、％、1!。、1!0進(jìn)行計(jì)算，得到在兩相α-β靜止坐標(biāo)下的旋轉(zhuǎn)磁鏈Ψα、Ψ0的值；再采用下式求解得到功角θτ:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括在永磁同步電機(jī)完成起動(dòng)并進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行后，對(duì)永磁同步電機(jī)功角的進(jìn)行控制； (I)設(shè)定永磁同步電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的功角值Θ T_ref ； 對(duì)于表貼式永磁同步電機(jī)，最佳效率點(diǎn)在Θ T—max=90 ； 對(duì)于內(nèi)埋式的永磁同步電機(jī)，最佳效率點(diǎn)在
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，確定功角θτ 的參考值時(shí)，保留5度的穩(wěn)定余里!。
【文檔編號(hào)】H02P27/08GK103607155SQ201310522869
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年10月28日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月28日
【發(fā)明者】王海兵, 湯勝清, 趙榮祥, 楊歡 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)