专利名称：基于无传感器的电机启动方法
技术领域：
本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，涉及一种基于无传感器的电机启动 方法。
背景技术：
永磁电机在运行时需要检测转子的实际速度、位置来实现绕组的换向，因此需要 具备转子速度、位置检测装置，而通常是采用传感器来对转子速度、位置进行检测。这样增 加了系统的成本，在空调、洗衣机、电冰箱等电器产品中，由于空间和实际工况的限制，传感 器安装不便，有些场合甚至不允许安装传感器，同时，由于传感器故障率较高，系统的可靠 性会降低。因此，永磁电机的控制中采用无传感器的控制方法已经成为主流的研究方向，无 传感器控制的原理是检测电机的反电动势或其谐波来估计转子的速度、位置，这样，永磁电 机在零速度或低速时，由于反电势较小，难以进行检测，永磁电机启动时需要采用特殊的方 法进行启动。常规的启动方法分为以下几个过程
1、转子初始定位向电机绕组通一直流电，使得转子定位在某个角度；
2、速度开环(电流闭环)控制一边使用预定幅值的电流按照预定相序依次导通电子绕 组，一边逐步提高换流频率，使电机加速到设定的转速(又称之为同步运转模式)；
3、速度开闭环切换到速度闭环(电流闭环)当换流频率大于预定值，即有足够大的反 电动势时，切换到速度闭环控制(又称为无传感器运转模式)，完成永磁电机的启动。速度开环控制中通过给定转子位置和速度，永磁电机先按设定的速度运行，由于 是速度开环控制，那么转子位置估计值(转子的实际位置)与位置给定值(控制的位置)会有 一定的偏差，偏差大小不定，视控制方式和工况决定。速度开环控制直接向速度闭环控制进行切换时，由于转子位置估计值与切换前一 时刻速度开环参与控制的转子位置给定值有一定的角度偏差，直接采用转子位置估计值进 行速度闭环控制，将引起控制量出现跳变而不连续平滑变化(误差)，最终导致控制效果突 变、电流强烈振荡、电机强烈抖动等现象，严重时甚至会出现电机跑飞不转，最终使得控制 失败。为了解决上述问题，现有技术提出在速度开环中，在进行转子位置估计的同时，调 节电流参考量Id、Iq使转子位置估计值接近速度开环控制的位置给定值，当位置估计值与 速度开环控制的位置给定值误差在某个小范围内后再切至速度闭环控制。这样，又产生了 新的问题，调节电流参考量Id、Iq，当负载过大时，可能会造成电机无法运行，直接造成启动 失败。此方法需根据机型在启动时的负载特性反复进行调整，通用性很差。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中基于无传感器的控制永磁电机进行启动的 不足，提供一种通用性强、适应范围广，即可实现平滑地从速度开环控制切换到速度闭环控 制，又不受负载特性影响的基于无传感器的电机启动方法。本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现
一种基于无传感器的电机启动方法，电机启动过程采用速度开环控制，当电机加速到 设定的转速时，切换到速度闭环控制，其特征在于计算速度开环控制向速度闭环控制切换 时刻速度开环控制转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，并以所述角度差与切换时 刻转子位置估计值之和作为速度闭环控制开始时刻转子位置给定值，速度闭环控制中，逐 步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，直到转子位置给定值与转子位置估计 值相等，采用转子位置估计值作为转子位置给定值对电机进行速度闭环控制，完成电机启 动。本发明中，通过电机负载折算速度开环控制过程中等效的负载电流IL，再根据速 度开环控制中给定的电机三相电流幅值Is，计算速度开环控制向速度闭环控制切换时刻转 子位置给定值与转子位置估计值的角度差，该角度差为arccosdL/Is)。本发明中，速度闭环控制中，逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度 差，直到转子位置给定值与转子位置估计值相等的切换过渡过程中，采用多个相等的角度 步长逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，角度步长的施加频率与电机控 制算法频率相同，转子位置给定值与转子位置估计的角度差为所述角度步长的整数倍。本发明中，速度闭环控制中，逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度 差，直到转子位置给定值与转子位置估计值相等的切换过渡过程中，采取预定的切换过渡 时长，并根据切换过渡时长内电机控制算法的次数计算角度步长，所述切换过渡时长为 0. 1 - 1 秒。本发明中，速度闭环控制中，逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度 差，直到转子位置给定值与转子位置估计值相等的切换过渡过程中，采取预定的角度步长， 所述角度步长为0. 05 — 0.5度。本发明基于无传感器的电机启动方法，使得速度开环控制向速度闭环控制进行切 换过程中，转子位置给定值逐渐逼近转子位置估计值，使得电机启动过程中速度开、闭环控 制切换过程控制平稳，电机的电流不会突变、电机转速稳定、电机振动大大减弱，切换成功 率得到提高，并且切换过程不受电机负载特性的影响，通用性强，适应范围广。
图1为本发明切换过程的流程图。图2为速度开环控制转子位置给定值与转子位置估计的角度差示意图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。本发明的主旨在于解决现有技术中采用无传感器控制永磁电机，永磁电机在启动时，速度开环控制向速度闭环控制切换过程中，由于速度开环控制转子的位置给定值与转 子位置估计值存在角度差，直接采用转子位置估计值进行速度闭环控制时，引起的控制量 出现跳变而不连续平滑变化的问题，提供一种基于无传感器的电机启动方法，以避免电机 控制效果突变、电流强烈振荡、电机强烈抖动等现象，确保电机启动成功，并且该方法不受 电机负载特性的影响。基于无传感器的永磁电机控制方法是一种相对比较成熟的控制方法，通过dq坐 标系对电机进行矢量控制，转子的位置、速度则通过检测电机的反电势或其谐波进行估计。 由于，本领域技术人员对基于无传感器控制永磁电机的的基本方法是熟知的，而且本发明 仅针对与基于无传感器控制永磁电机的启动过程，因此对基于无传感器控制永磁电机的一 般方法将不进行过多的累述。参见图1，在转子完成初始定位后，进入电机启动过程。如背景技术中所述，由于无 传感器控制的原理是必须要检测电机的反电动势或其谐波来估计转子的速度、位置，永磁 电机的启动过程必须先通过速度开环控制，再切换到速度闭环控制。速度开环控制时，给定的电机三相电流幅值Is必须足够大，大于电机等效的负载 电流IL，这样才能克服电机的各种阻力，使得速度开环控制时电机能够正常启动和运行。电 机的等效负载电流IL则由速度开环控制时电机的负载TL获得
IL = TL/Cx (Cx=3*P*Wf/2)
其中，P为电机极对数，Wf为转子磁链，本领域技术人员对速度开环控制时如何计算电 机等效的负载电流IL是熟知的，此处就不再进行累述了。参见图2，电机从静止启动到速度开环控制运行过程中，首先，给定的电机三相电 流幅值Is方向与转子零度垂直，由于给定的电机三相电流幅值Is比等效负载电流IL大的 多，转子处于加速状态，这样给定的电机三相电流幅值Is与转子零度不再垂直，而等效负 载电流IL与转子始终垂直，直至给定的电机三相电流幅值Is在等效负载电流IL方向上的 投影与等效负载电流IL相等，电机达到预定的转速，处于速度开环控制的恒速稳定运行状 态。由于速度开环控制时，转子位置给定值 始终与给定的电机三相电流幅值Is垂直，转子位置估计曰·(转子实际位置)始终与等
效负载电流IL垂直，因此通过计算给定的电机三相电流幅值Is与等效负载电流IL的夹 角，即可获得速度开环控制时，转子位置给定值《^与转子位置估计的角度差(A1将超 前^61)，该角度差Δβ =arccos(IL/Is)。若等效负载电流IL 一定，当给定的电机三相电流幅值Is与等效负载电流IL大 小接近时，转子位置给定值与转子位置估计值将接近，随着给定的电机三相电流幅
值Is的增加，必然会使角度差Atf增大(绝对值)，以达到新的平衡，转子位置给定值A1与
转子位置估计值代《的角度差将增大，但不会超过90度。通过上述的分析可知，电机速度开
环控制向速度变换控制切换时，速度开环控制的转子位置给定值At与转子位置估计值 是必然存在角度差的，角度差的大小由电机的负载特性决定。
常规的基于无传感器的永磁电机启动方法中，当电机处于速度开环控制的恒速稳 定运行状态后，切换至速度闭环控制时，将直接以进入速度闭环控制后转子位置估计值I
作为转子位置给定值对电机进行控制，由于切换前一时刻转子位置给定值疼i与切换时刻
转子位置估计值I (即速度开环控制向速度闭环控制切换时刻的转子位置估计值巧《)必
然存在偏差，控制量必然会出现不连续的非平滑变化，控制量变化较大时将导致控制效果 突变、电流强烈振荡、电机强烈抖动等现象，严重时甚至会出现电机跑飞不转，最终使得控 制失败。实际上，无论切换前一时刻转子位置给定值与进入速度闭环控制后转子位置
估计值 的偏差大还是小，直接从速度开环控制切换到速度闭环控制，对电机启动的稳定
性都是存在影响的，要避免启动切换失败，进行平滑的切换是最佳的解决方式。本发明的目的即解决上述问题，提供一种平滑切换的方法，而且不受电机负载特 性的影响。本发明中，首先通过前述的方法，计算速度开环控制向速度闭环控制切换时刻，
速度开环控制转子位置给定值与转子位置估计值l^esi的角度差Αβ,切换至速度闭环控 制的开始时刻，以速度闭环控制转子位置估计值^与上述角度差Δβ之和作为速度闭环转 子位置给定值武对电机进行控制。实际上，速度闭环控制的开始时刻，转子位置估计值& 与角度差Α0之和与速度开环控制向速度闭环控制切换时刻，速度开环控制转子位置给定 值是相等的，换句话说，即以速度开环控制向速度闭环控制切换时刻，速度开环控制转
子位置给定值代ι作为速度闭环控制开始时刻转子位置给定值约对电机进行控制。这样，在速度开环控制向速度闭环控制切换时刻由于转子位置给定值没有任何变 化，将不会对电机产生任何冲击。由于此时转子位置给定值巧=G曲+Δ >并不是速度闭环
控制实际需要采用的转子位置估计值化，因此需要对转子位置给定值约进行修正，逐步减
小转子位置给定值烤与转子位置估计值I的角度差，最终使转子位置给定值代等于转子
位置估计值I ,这时以转子位置估计值^6作为转子位置给定值代完成切换到速度闭环 控制。由于速度闭环控制的开始时刻，转子位置给定值巧=^U +Δ0，逐步减小转子位 置给定值代与转子位置估计值的角度差，实际就是逐步减小上述的角度差Afl。为了 达到平划切换的目的，本发明采用多个相等的角度步长A化逐步减小角度差当角度差 ΑΘ < ,并且> — A^tf时可认为转子位置给定值烤已经等于转子位置估计值氏S, 否则重复调整角度差Afl的大小，以改变转子位置给定值代使其最终等于转子位置估计值 角度步长的施加频率较好的是与电机控制算法频率相同，这样无需再重新设定角度步长的施加频率，计算方便，逻辑简单，精度也可以得到保证。同时，角度差最好为角 度步长的整数倍，以避免重复修正角度差。这样，无论电机的负载特性如何，电机的启动过程都可以在比较小的角度步长 的变化下进行平滑的切换，完全避免的控制量突变对电机的冲击，可以百分之百保证
电机成功启动。在上述逐步减小转子位置给定值A与转子位置估计值&的角度差的切换过渡过
程中，可采取两种不同的方式
第一种是采取预定的切换过渡时长，这样可以保证无论任何负载状况下，都可以使得 切换在预定的时间内完成，以准确保证后续控制过程的开展，方便工程应用和人机交流。 此时，需要根据切换过渡时长内电机控制算法的次数计算角度步长，例如电机控制算法频 率Fs=8000HZ，切换过渡时长t=0. 5s,则控制算法周期Ts=l/Fs=l/8000 s,切换过渡时长t
内控制算法次数为n=t/Ts=4000次，则角度步长Aflll细分到每个控制算法周期为Afli =诚
/η=( &Θ /t)*Ts，而较佳切换过渡时长为0. 1 — 1秒。第二种是采取预定的角度步长A&，这样可以准确把握切换过程的平滑性，避免 由于角度步长A仏较大而引起的冲击，此时按照电机控制算法的频率施加角度步长Aflir, 切换过渡时长t的大小，由角度差Δβ决定，例如电机控制算法频率Fs=8000Hz，则控制 算法周期Ts=l/Fs=l/8000 s,每个控制算法周期后，角度差变化，则切换过渡时间为 t=( Αθ )*Ts，较佳的角度步长为0.05 —0.5度。至于采用哪种方式要根据要根据不同的应用场合进行选取，一般来说，第一种方 法较第二种方法好，确定的切换过渡时长，更便于工程应用和人机交流。以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
基于无传感器的电机启动方法，电机启动过程采用速度开环控制，当电机加速到设定的转速时，切换到速度闭环控制，其特征在于计算速度开环控制向速度闭环控制切换时刻速度开环控制转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，并以所述角度差与切换时刻转子位置估计值之和作为速度闭环控制开始时刻转子位置给定值，速度闭环控制中，逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，直到转子位置给定值与转子位置估计值相等，采用转子位置估计值作为转子位置给定值对电机进行速度闭环控制，完成电机启动。
2.如权利要求1所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于通过电机负载折 算速度开环控制过程中等效的负载电流IL，再根据速度开环控制中给定的电机三相电流幅 值Is，计算速度开环控制向速度闭环控制切换时刻转子位置给定值与转子位置估计值的角 度差。
3.如权利要求2所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于所述角度差为 arccos(IL/Is)0
4.如权利要求1至3任一所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于速度闭 环控制中，逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，直到转子位置给定值与 转子位置估计值相等的切换过渡过程中，采用多个相等的角度步长逐步减小转子位置给定 值与转子位置估计值的角度差，角度步长的施加频率与电机控制算法频率相同。
5.如权利要求4所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于转子位置给定值 与转子位置估计的角度差为所述角度步长的整数倍。
6.如权利要求5所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于速度闭环控制中， 逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，直到转子位置给定值与转子位置估 计值相等的切换过渡过程中，采取预定的切换过渡时长，并根据切换过渡时长内电机控制 算法的次数计算角度步长。
7.如权利要求6所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于所述切换过渡时 长为0. 1 — 1秒。
8.如权利要求5所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于速度闭环控制中， 逐步减小转子位置给定值与转子位置估计值的角度差，直到转子位置给定值与转子位置估 计值相等的切换过渡过程中，采取预定的角度步长。
9.如权利要求8所述的基于无传感器的电机启动方法，其特征在于所述角度步长为 0. 05 - 0. 5 度。
全文摘要
本发明为了解决现有技术中基于无传感器的控制永磁电机进行启动的不足，提供一种通用性强、适应范围广，即可实现平滑地从速度开环控制切换到速度闭环控制，又不受负载特性影响的基于无传感器的电机启动方法。本发明速度开环控制向速度闭环控制进行切换过程中，转子位置给定值逐渐逼近转子位置估计值，使得电机启动过程中速度开、闭环控制切换过程控制平稳，电机的电流不会突变、电机转速稳定、电机振动大大减弱，切换成功率得到提高，并且切换过程不受电机负载特性的影响，通用性强，适应范围广。
文档编号H02P6/18GK101984554SQ20101056811
公开日2011年3月9日 申请日期2010年12月1日 优先权日2010年12月1日
发明者叶林华, 邹积浩 申请人:东元总合科技(杭州)有限公司