一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪方法与流程

本发明属于永磁同步电机调速技术领域，尤其涉及一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪方法。

背景技术：

在高性能永磁同电机矢量控制系统中，通常采用转速闭环控制。转速一般通过编码器以及根据数学模型估算获得，然而由于编码器在安装、维护、成本等方面影响了永磁同步电机调速系统的简便性以及系统的可靠性，人们提出了开环矢量转速闭环控制方案。其核心问题是对转子转速信息的估算。永磁同步电机转速估算算法有许多，如利用直接计算、观测器、自适应、人工智能等手段，测量电机侧电流电压估算出转子速度信息，从而进行转速闭环控制。

然而，在变频器驱动电机运行之前，电机有可能处于旋转状态，有以下两种典型的场合：1.大型通风设备因残存风量可能造成电机自由旋转；2.转动惯量大的负载遇到突然停电后，电机会自由旋转很长的时间，此时如果启动电机必须先获取电机的转速，否则变频器会因过大的转速差而引起变频器过流或过压。为了防止这一现象，要求调速系统具有转速跟踪再启动功能。

工程上有采用附加硬件转速追踪卡方法获取当前同步电机转速信息：由硬件电路得到同步电机三相电压幅值和频率以及方向，此种方法虽然跟踪速度快，但硬件处理经过较为复杂的处理，还需软件配合，最终才能得到所需的转速信息，不但增加了系统硬件成本，而且降低了系统的可靠性，一般很少采用这种方案。

还有一种方法，通过检测直流母线电压变化趋势或通过检测直流电流，当定子侧电频率与电机转子频率相等时直流母线电流最小。这种思路虽然物理概念清晰明确但实现起来难度较大，其方案存在以下问题：1.一般变频器装置中无直流母线电流检测，而且直流母线电流最小和直流母线电容变化趋势很短一段时间内难以判断；2.若当前搜寻的定子磁场频率与电机实际转速差距大，尤其是定子磁场频率与电机实际转速方向相反时，转速搜寻装置的搜寻时间会比较长。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供了一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪方法，能准确估算出永磁同步电机当前转速大小和方向，从而实现永磁同步电机无电流过冲地平稳再起动，且不增加硬件成本。

本发明的技术方案为：一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)永磁同步电机再起动时，利用混合模型磁链观测器估算当前电机转子磁链角度，对磁链角度进行微分，估算当前电机转速；

(2)对永磁同步电机的定子电流矢量进行坐标变换，分别得到励磁电流电流id、转矩电流iq；

(3)以励磁电流id和零作为输入，经励磁电流调节器运算得到一个励磁电压ud；以转矩电流iq和零作为输入，经转矩电流调节器得到一个转矩电压uq；

(4)对励磁电压ud与转矩电压uq进行矢量合成，进行空间矢量调制波计算，再与三角波比较生成驱动控制信号驱动永磁同步电机；

(5)重复执行步骤(1)～(4)，直到两电流矢量稳定在零附近并维持很短一段时间，则认为此时估算的转速就是当前的电机转速，并将当前的转速作为启动转速，平滑切换为对同步电机速度控制。

优选地，所述步骤(1)中转子混合模型磁链观测器包括转子磁链电压模型和转子磁链电流模型，当高速时采用转子磁链电压模型估算磁链角度，当低速采用转子磁链电流模型估算磁链角度。

优选地，所述转子磁链电压模型如下公式所示：

其中，为两相静止坐标下转子磁链在α轴和β轴方向的分量，usα，usβ，isα，isβ分别为定子电压矢量和定子电流矢量在α轴和β轴方向的分量，R、Lsσ分别为定子电阻和漏感；为所估算出的转子磁链角。

优选地，所述转子磁链电流模型(忽略磁场建立时间影响)如下公式所示：

其中为两相旋转坐标下定子磁链在d-q轴方向的分量，isd，isq，ifd分别为定子电流的旋转坐标系下d-q轴分量及转子永磁体等效励磁电流；经反Park变换可得α-β两相静止坐标系下电流模型观测的定子磁链。

优选地，所述步骤(1)中混合模型磁链观测器输入为三相定子电压、电流、等效励磁电流及转子磁链角，输出为转子磁链。若把电流模型和电压模型的输出单独考虑，可以把混合磁链观测器看成双输入，单输出的系统，则估算磁链角度实现方法如下：

其中：

其中分别为电流模型和传统电压模型的输出磁链；Gi(s)，Gu(s)分别为闭环传递函数；从中可以看出Gi(s)是一个低通滤波器，Gu(s)为高通滤波器。合理的配置Kp、KI值即可实现2种模型间的平滑过渡；由于反馈通道的引入，不仅解决了传统电压模型中纯积分漂移问题，而且在速度为零时，反电动势为零，也解决了积分初值的问题。设λ1，λ2为Gi(s)，Gu(s)的2个极点，则有λ1+λ2＝Kp，λ1·λ2＝KI。

优选地，所述步骤(2)中定子电流矢量坐标变换公式如下：

其中id、iq分别为反馈的励磁电流和转矩电流，为所估算出的转子磁链角，ia、ib分别为两相定子电流，ic＝-ia-ib。

优选地，所述步骤(3)中励磁电流调节器与转矩电流调节器为电压前馈补偿型电流调节器，实现方法如下：

其中，为励磁电流和转矩电流给定；为励磁电流和转矩电流反馈；Kpd、KId为励磁电流PI调节器比例、积分系数；Kpd、KId为转矩电流PI调节器比例、积分系数；u′d、u′q为电压前馈解耦量，分别与电流环PI调节器输出量组成最终励磁电压和转矩电压，以提高系统的动态响应，实现系统电压的完全解耦，其公式如下：

优选地，所述步骤(4)中空间矢量调制波计算方法为：由励磁电压和转矩电压合成电压矢量幅值，由磁链混合模型估算出的转子磁链角度与旋转坐标系下电压角度得到电压矢量发波角度，经过空间矢量算法得到；所述步骤(4)中三角波由DSP的计数器产生。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.本发明转速估算估算过程中，合理给定电压矢量，对电机基本无冲击，电流响应快，能在很短的时间内同步估算出电机转速大小与方向。

2.本发明采用电流电压混合磁链估算模型对转子速度进行估算，低速用电流模型，高速用电压模型，且两模型能够平稳过渡，估算速度范围宽，实用性强。

3.本发明无需额外增加转速追踪硬件成本，提高了系统的可靠性，使系统在成本和可靠性上具有明显的优势。

附图说明

图1为本发明的转速追踪系统结构图。

图2为本发明的混合模型磁链观测器结构图。

图3为本发明的电机转速追踪再启动时的一相电流波形。

图4为本发明的电机反向转速追踪再启动时的一相电流波形。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步说明。

图1为本发明一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪的一个实施例的结构框图，如图1所示，本发明永磁同步电机开环矢量的转速追踪控制系统包括：定子电流克拉克和帕克坐标变换模块、转矩电流环调节器、励磁电流环调节器，速度环PI调节器、状态转换开关1和2、转速励磁电流关系模块、混合磁链模型观测器，角度微分模块、低通滤波模块、以及空间矢量算法模块。当系统正常运行时，采用速度闭环控制，状态转换模块将2端与转矩电流调节器相连，对电机进行正常的速度闭环控制；当电机处于自由旋转状态，系统需要对电动机的转速进行追踪再启动时，状态转换开关2将1端与端相连，状态转换开关1将1端与端相连，系统处于转矩运行模式，此时对电机进行转速估算。

本发明提供了一种基于永磁同步电机开环矢量的转速追踪方法，包括如下步骤：

(1)永磁同步电机再起动时，利用混合模型磁链观测器估算当前电机转子磁链角度，对磁链角度进行微分，估算当前电机转速；

如图2所示，此步骤中转子混合模型磁链观测器包括转子磁链电压模型和转子磁链电流模型，当高速时采用转子磁链电压模型估算磁链角度，当低速采用转子磁链电流模型估算磁链角度。

其中，转子磁链电压模型如下公式所示：

上式中，为两相静止坐标下转子磁链在α轴和β轴方向的分量，usα，usβ，isα，isβ分别为定子电压矢量和定子电流矢量在α轴和β轴方向的分量，R、Lsσ分别为定子电阻和漏感；为所估算出的转子磁链角。

其中，转子磁链电流模型(忽略磁场建立时间影响)如下公式所示：

上式中，为两相旋转坐标下定子磁链在d-q轴方向的分量，isd，isq，ifd分别为定子电流的旋转坐标系下d-q轴分量及转子永磁体等效励磁电流；经反Park变换可得α-β两相静止坐标系下电流模型观测的定子磁链。

如图2所示，此步骤中转子混合模型磁链观测器输入为三相定子电压、电流、等效励磁电流及转子磁链角，输出为转子磁链；若将电流模型和电压模型的输出单独考虑，可以把混合磁链观测器看成双输入、单输出的系统，则估算磁链角度实现方法如下：

其中：

其中分别为电流模型和传统电压模型的输出磁链；Gi(s)，Gu(s)分别为闭环传递函数；从中可以看出Gi(s)是一个低通滤波器，Gu(s)为高通滤波器。合理的配置Kp、KI值即可实现2种模型间的平滑过渡；由于反馈通道的引入，不仅解决了传统电压模型中纯积分漂移问题，而且在速度为零时，反电动势为零，也解决了积分初值的问题。设λ1，λ2为Gi(s)，Gu(s)的2个极点，则有λ1+λ2＝Kp，λ1·λ2＝KI。

(2)对永磁同步电机的定子电流矢量进行坐标变换，分别得到励磁电流电流id、转矩电流iq；

此步骤中定子电流矢量坐标变换公式如下：

其中id、iq分别为反馈的励磁电流和转矩电流，为所估算出的转子磁链角，ia、ib分别为两相定子电流，ic＝-ia-ib。

(3)以励磁电流id和零作为输入，经励磁电流调节器运算得到一个励磁电压ud；以转矩电流iq和零作为输入，经转矩电流调节器得到一个转矩电压uq；

此步骤中励磁电流调节器与转矩电流调节器为电压前馈补偿型电流调节器，实现方法如下：

其中，为励磁电流和转矩电流给定；为励磁电流和转矩电流反馈；Kpd、KId为励磁电流PI调节器比例、积分系数；Kpd、KId为转矩电流PI调节器比例、积分系数；u′d、u′q为电压前馈解耦量，分别与电流环PI调节器输出量组成最终励磁电压和转矩电压，以提高系统的动态响应，实现系统电压的完全解耦，其公式如下：

(4)对励磁电压ud与转矩电压uq进行矢量合成，进行空间矢量调制波计算，再与三角波比较生成驱动控制信号驱动永磁同步电机；

此步骤中空间矢量调制波计算方法为：由励磁电压和转矩电压合成电压矢量幅值，由磁链混合模型估算出的转子磁链角度与旋转坐标系下电压角度得到电压矢量发波角度，经过空间矢量算法得到；所述步骤(4)中三角波由DSP的计数器产生。

(5)重复执行步骤(1)～(4)，直到两电流矢量稳定在零附近并维持很短一段时间，则认为此时估算的转速就是当前的电机转速并将估算的转速通过低通滤波器，得到更加平稳的转速并将当前的转速作为启动转速，状态转换开关2将2端与转矩电流调节器相连，状态转换开关1将2端与转速励磁电流关系模块相连，平滑切换为对同步电机速度闭环控制。

本发明试验平台有一套对拖机组，由永磁同步电机和异步电机以及两变频器组成，试验样机为永磁同步电机，电机参数如下表：

采用将同步电机拖动到一定转速，然后封锁变频器输出，使电机处于自由旋转状态，这时再启动变频器转速追踪，估算出当前电机的实际转速，再将当前的转速作为启动转速，平滑转换为对同步电机的转速闭环控制。图3给出了高速时，电机转速追踪再启动时的某相电流波形，电机加速时间为1.5s，减速时间为3s，横轴为时间轴(0.2秒/格)，纵轴为电流幅值(5安/格)，最大冲击电流(开启变频器的第一个冲击电流)很小，不到额定电流25％，转速估算时间约0.15s.且转速估算过程中，电机电流控制响应非常快，能快速估算出电机当前转速。

同等条件下，用异步电机将电机拖动到反方向的高速，再让电机自由旋转，电机反向转速追踪再启动，图4为此时的某相电流波形，由图可以看出，电机电流冲击很小，电流响应快，追踪到转速后，电机转速根据减速时间降下来，然后改变方向与变频器设置的旋转方向相同，再按照加速时间加速到设定的转速。由此可以看出，本发明所提方案具有平稳的启动过程和良好的快速性，能快速追踪到电机转速大小和方向，满足相应场合的要求。

上述的实施例仅为本发明的优选实施例，不能以此来限定本发明的权利范围，因此，依本发明申请专利范围所作的修改、等同变化、改进等，仍属本发明所涵盖的范围。