永磁同步电机的控制方法及系统与流程
本发明涉及永磁同步电机控制领域，具体地涉及永磁同步电机的控制方法及系统。
背景技术：
随着电机技术的飞速发展，有的空调散热风机和压缩机的电机为无位置传感器的永磁同步电机，无位置传感器永磁同步电机在启动前，由于转子位置是未知的，需要根据其绕组参数对转子位置进行估算，并在估算到转子位置之后再启动电机。
在相关技术中，常见的是采用反电势的模型来驱动空调或者冰箱的压缩机并以此来估计转子的位置角和速度，此实现方式由于操作简单得到了较大的推广，更具体的关于单电流启动的方式：以速度开环方式将压缩机频率拉升至一定频率之后就直接切换至闭环。
本申请发明人在实现本发明的过程中发现：在电机启动时、尤其是当带载启动或当存在较大或变化的负载时，实际的电机转动频率相对于所期望的一定频率仍有较大的波动，使得由开环启动回路向闭环工作回路直接切换的时候中会产生着较大的切换电流，严重时甚至还会导致电机的启动失败。
技术实现要素：
本发明实施例的目的是提供一种永磁同步电机的控制方法及系统，用以解决现有技术中的永磁同步电机由开环启动回路向闭环工作回路直接切换时所导致的较大的切换电流以及电机启动失败的技术问题。
为了实现上述目的，本发明实施例一方面提供一种永磁同步电机的控制方法，其中所述该永磁同步电机的转子基于单电流环输入而朝着目标频率启动，所述方法包括：确定所述永磁同步电机的转子在启动阶段的第一时间的关于假定旋转坐标系的假定角度；获取在所述第一时间下所述转子的关于实际旋转坐标系的实际角度；计算所述假定角度和所述实际角度的第一角度差值，并判断所述第一角度差值是否在角度差阈值范围内；以及当所述第一角度差值在所述角度差阈值范围内时，则判断所述第一时间所处的第一控制周期是否与所述目标频率相对应；如果所述第一控制周期与所述目标频率相对应，则确定在所述第一时间将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。
可选的，如果所述第一角度差值不在所述角度差阈值范围内，该方法还包括：执行以下闭环切入判定步骤：判断所述启动阶段下的第二时间所对应的第二角度差值是否在所述角度差阈值范围内，和/或判断所述永磁同步电机与在角度差值处于所述角度差阈值范围内的某一时间相关的第二控制周期是否与所述目标频率相对应；如果所述第二角度差值仍不在所述角度差阈值范围内、和/或所述第二控制周期与所述目标频率仍不对应，则迭代统计所述闭环切入判定步骤的执行次数；以及当所统计的所述执行次数超过次数阈值时，确定存在电机控制故障。
可选的，所述判断所述第一时间所处的第一控制周期是否与所述目标频率相对应包括：确定所述转子在所述启动阶段下的多个控制周期的平均转速；获取所述转子分别在相邻的所述第一控制周期和第二控制周期下的第一转速和第二转速；当所述第一转速和第二转速分别相对于所述平均转速向上波动和向下波动，或者当所述第一转速和第二转速分别相对于所述平均转速向下波动和向上波动时，利用所述目标频率来置位所述第一控制周期为置位状态；通过识别所述控制周期是否为置位状态来判断所述第一控制周期是否与所述目标频率相对应。
可选的，如果所述第一角度差值不在所述角度差阈值范围内，该方法还包括：通过调整所述单电流环输入以增大与所述假定角度相关的假定直轴电流分量和/或降低与所述假定角度相关的假定交轴电流分量来将所述第一角度差值调整至所述角度差阈值范围内。
本发明实施例另一方面提供一种永磁同步电机的控制系统，其中所述该永磁同步电机的转子基于单电流环输入而朝着目标频率启动，所述系统包括：假定角度确定单元，用于确定所述永磁同步电机的转子在启动阶段的第一时间的关于假定旋转坐标系的假定角度；实际角度获取单元，用于获取在所述第一时间下所述转子的关于实际旋转坐标系的实际角度；角度差计算单元，用于计算所述假定角度和所述实际角度的第一角度差值；角度判断单元，用于判断所述第一角度差值是否在角度差阈值范围内；转频判断单元，用于当所述第一角度差值在所述角度差阈值范围内时，判断所述第一时间所处的第一控制周期是否与所述目标频率相对应；闭环切入单元，用于如果所述第一控制周期与所述目标频率相对应，则确定在所述第一时间将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。
可选的，所述系统还包括故障分析单元，该故障分析单元包括：判定调用模块，用于如果所述第一角度差值不在所述角度差阈值范围内，执行以下闭环切入判定步骤-判断所述启动阶段下的第二时间所对应的第二角度差值是否在所述角度差阈值范围内，和/或判断所述永磁同步电机与在所述角度差值处于所述角度差阈值范围的某一时间相关的第二控制周期是否与所述目标频率相对应；统计模块：如果所述第二角度差值仍不在所述角度差阈值范围内、和/或所述第二控制周期与所述目标频率仍不对应，则迭代统计所述闭环切入判定步骤的执行次数；以及故障分析模块：当所统计的所述执行次数超过次数阈值时，确定存在电机控制故障。
可选的，所述转频判断单元包括：平均转速确定模块，用于确定所述转子在所述启动阶段下的多个控制周期的平均转速；转速获取模块，用于获取所述转子分别在相邻的所述第一控制周期和第二控制周期下的第一转速和第二转速；置位标识模块，用于当所述第一转速和第二转速分别相对于所述平均转速向上波动和向下波动，或者当所述第一转速和第二转速分别相对于所述平均转速向下波动和向上波动时，利用所述目标频率来置位所述第一控制周期为置位状态；识别模块，用于通过识别所述控制周期是否为置位状态来判断所述第一控制周期是否与所述目标频率相对应。
可选的，所述系统还包括：角度差调整单元，用于通过调整所述单电流环输入以增大与所述假定角度相关的假定直轴电流分量和/或降低与所述假定角度相关的假定交轴电流分量来将所述第一角度差值调整至所述角度差阈值范围内。
可选的，所述实际角度获取单元通过与位置估计器的交互来获取在所述启动阶段下所述转子的关于实际旋转坐标系的实际角度。
另一方面，本发明提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述永磁同步电机的控制方法。
通过上述技术方案，将电机转子按照所预期的目标频率进行启动，并将电机转子在假定旋转坐标系和实际旋转坐标系下的位置角度差进行判断，如果在第一时间的该角度差在角度阈值范围内时，继续判断该第一时间所处的第一控制周期是否与目标频率相对应，并仅在第一控制周期与目标频率相对应时，确定在第一时间将永磁同步电机切换至闭环控制状态；由此，在判断从开环控制回路切换至闭环控制回路的位置估计满足的同时还保障了电机在闭环切入时刻的转动频率能够符合期望频率而不会具有较大的波动，以提高电机闭环切入的稳定性和鲁棒性。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明一实施例的永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图2是电机转子在启动过程中的位置关于实际旋转坐标系和虚拟旋转坐标系的示意图；
图3示出的是图1所示的永磁同步电机的控制方法中的步骤106的具体执行流程示意图；
图4示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图5示出的是本发明又一实施例的永磁同步电机的控制方法的流程示意图；
图6示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的控制系统的结构示意图。
附图标记说明
401假定角度确定单元402实际角度获取单元
403角度差计算单元404角度判断单元
405转频判断单元406闭环切入单元
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
参见图1示出的是本发明一实施例的永磁同步电机的控制方法的流程示意图，该方法具体包括：
步骤101：基于单电流环输入将转子朝着目标频率而启动；
可以理解的是，该目标频率可以是将转子由开环切换至闭环的一个较佳的频率，其可以是一预设定的值，以及该值可以是根据永磁同步电机的性能参数的差异而相应设置；需说明的是，步骤101可以理解为仅是朝着目标频率去启动转子，也就是在理想状态下转子的实际转动频率可以是到达该目标频率的，但由于启动过程中的其他干扰因素，例如由于电机所承受的负载或变化负载而导致转子无法达到目标频率，甚至可能是相差很大的。需说明的是，从电机启动开始，转子的速度开始逐渐上升，一般转子达到给定转频需要的时间比较长，换句话说就是电机的响应时间较长，而且在达到稳定值附近时的频率波动也比较大，以及该波动也有可能不只是与负载相关，而还可能是与永磁同步电机的内部结构本身的配置相关。
步骤102：确定永磁同步电机的转子在启动阶段的第一时间的关于假定旋转坐标系的假定角度；
步骤103：获取在第一时间下转子的关于实际旋转坐标系的实际角度；
更具体地，作为示例，可以是借助于位置估计器来实现的，例如通过与位置估计器的交互来获取该实际角度。
步骤104：计算假定角度和实际角度的第一角度差值；
参照图2，其示出了关于实际角度、假定角度和第一角度差值的示意，其中实线部分所描绘的是假定旋转坐标系、虚线部分所描绘的是实际旋转坐标系，以及假定旋转坐标系包含假定直轴d*轴和假定交轴q*轴、实际旋转坐标系具有直轴d轴和交轴q轴，以及在实际旋转坐标系和假定旋转坐标系之间所存在的夹角δθ，其中δθ与第一角度差值相关。在本实施例中，在输入的过程中借助了假定旋转坐标系来探测实际旋转坐标系，可以是通过单电流环输入至d*轴和q*轴的电流或电压信号来完成该过程，例如：输入d*轴和q*轴的电流id*和iq*，可以使id*在启动过程中保持不变而通过设置iq*随着工作频率的增加而提高并为其设置限幅值来完成上述过程。
步骤105：判断第一角度差值是否在角度差阈值范围内；
通过步骤105的实施，可以检测是否第一角度差值、例如δθ在一定的阈值范围内；由此可以确定假定旋转坐标系是否与实际的坐标系之间的贴合或近似贴合，也就是是否满足较精确的位置估计的条件。
步骤106：当所述第一角度差值在所述角度差阈值范围内时，判断第一时间所处的第一控制周期是否与目标频率相对应；
可以理解的是，第一控制周期与目标频率相对应可以是指代第一控制周期所对应的频率与目标频率相等、也可以是第一控制周期所对应的频率与目标频率相近似，且都是本发明实施例的保护范围。通过步骤106的实施，在符合较精确的位置估计的条件的前提下，继续检测在该估计的时间所对应的控制周期是否相对于目标频率有很大的偏差，因在切换点与目标频率存在较大偏差时若强行进行闭环切换极有可能导致闭环切换不成功和电机启动失败。
作为另一方面的公开和优化，在确定第一角度差值不在角度差阈值范围内或相差较远时，可以通过调整单电流环输入以增大假定直轴电流分量id*、或者降低假定交轴电流分量iq*来将第一角度差值调整至角度差阈值范围内。
步骤107：如果第一控制周期与目标频率相对应，则确定在第一时间将永磁同步电机切换至闭环控制状态。
由此，通过本实施例方法的实施可以提高电机闭环切入的稳定性和鲁棒性。
作为图1所示实施例的进一步的公开和优化，主要是对步骤106的进一步的细化执行方案的公开，如图3所示，其包括：
步骤1061：确定转子在启动阶段下的多个控制周期的平均转速；
步骤1062：获取转子分别在相邻的第一控制周期和第二控制周期下的第一转速和第二转速；
步骤1063：当第一转速和第二转速分别相对于平均转速向上波动和向下波动，或者当第一转速和第二转速分别相对于平均转速向下波动和向上波动时，利用目标频率来置位第一控制周期为置位状态；
步骤1064：通过识别控制周期是否为置位状态来判断第一控制周期是否与目标频率相对应。
由此，可以通过置位和识别置位状态来判断待闭环切入的时间是否存在较大的周期波动，并由此判断是否符合较佳的切入时机。
参见图4示出的是本发明另一实施例的永磁同步电机的控制方法的流程示意图，该方法具体包括：
步骤201：基于单电流环输入将转子朝着目标频率启动；
步骤202：确定永磁同步电机的转子在启动阶段的第一时间的关于假定旋转坐标系的假定角度；
步骤203：获取在第一时间下转子的关于实际旋转坐标系的实际角度；
步骤204：计算假定角度和实际角度的第一角度差值；
步骤205：判断第一角度差值是否在角度差阈值范围内；
关于步骤201-205的解释，可以参照上文实施例的说明，相同内容在此不加以赘述。
步骤206：如果第一角度差值不在角度差阈值范围内，执行以下闭环切入判定子步骤：判断启动阶段下的第二时间所对应的第二角度差值是否在角度差阈值范围内，和/或判断永磁同步电机与在角度差值处于角度差阈值范围的某一时间相关的第二控制周期是否与目标频率相对应；
步骤207：如果第二角度差值仍不在角度差阈值范围内、和/或第二控制周期与目标频率仍不对应，则迭代统计闭环切入判定子步骤的执行次数；
步骤208：当所统计的执行次数超过次数阈值时，确定存在电机控制故障。
由此，可以在电机启动无法切入闭环工作回路时，及时报警以警示用户及时采取相应的维护措施。
作为进一步的公开和优化，在步骤206和步骤207之间添加调制单电流环输入的操作，由此可以实现自动化的调整以增大符合闭环切入的条件的概率，以增大电机成功启动运行的机会；关于调制单电流环输入的操作，可以参照上文实施例的描述，相同内容在此不加以赘述。
为了使得本申请的技术方案更易于被公众所理解，以下将继续结合图5来对本发明一具体实施例的永磁同步电机的控制方法进行说明。更具体地，该方法包括：
步骤301，利用单电流环输入来启动电机。在该阶段将电机转速给定为斜坡信号，经过积分产生假定旋转坐标系dq*的给定位置角θ*，其中d*轴的电流给为常数，q*轴的电流随着频率增加并设置一限幅值。
更优选地，d*轴和q*轴的电流环经过pi控制器调制来输出参考电流，其可以经过系统运算而实时更新电压矢量，并驱动电机加速旋转和牵引转子平滑启动至目标切换频率fthd。
步骤302，执行角度差值调整。更具体地，检查dq*坐标系中的角度θ*与闭环估计器输出的dq坐标系θ之间的夹角δθ。如果δθ＞θthr则增加d*轴给定减小q*轴给定，如果δθ＜-θthr则增加q*轴给定减小d*轴给定，改变电流矢量分配角γ在dq*坐标系中两个轴上的电流分配，迫使dq*坐标系和dq坐标系之间的差角小于角度差阈值θthr。
步骤303：检测并标识转速波动的控制周期。检查估计转速值
步骤304，闭环切入判定阶段。更具体地，可以是如果连续n个控制周期角度满足δθ＞θthr且此时关于转速波动的控制周期为置位状态则判定条件满足，确定可以切入闭环。
步骤305：如果均满足切闭环条件，则将电机切入闭环阶段。
步骤306：如果超过tthd判定条件仍未满足，则从步骤301重新开始启动过程；并且如果连续重启三次仅未满足切入闭环条件，则判定电机故障。可以理解的是，本实施例中的三次仅仅用作示例而并不是对实施例范围的限定。
为此，通过本发明实施例方法的实施至少可以克服现有技术中压缩机在无位置传感器条件下带载启动困难、开闭环切换易失败的难题。
关于上文方法实施例的实施，可以是借助电控软件的形式来完成的。有鉴于此，本发明实施例还提供一种机器可读存储介质，该机器可读存储介质上存储有指令，该指令用于使得机器执行本申请上述永磁同步电机的控制方法；以及该机器可以是单片机、微型处理器等。
本领域技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器(rom，read-onlymemory)、随机存取存储器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
参见图6示出的是本发明一实施例的一种永磁同步电机的控制系统的结构示意图，该永磁同步电机基于单电流环输入来将转子启动至目标频率，以及系统包括相互关联的假定角度确定单元401、实际角度获取单元402、角度差计算单元403、角度判断单元404、转频判断单元405和闭环切入单元406。更具体地，该假定角度确定单元401可以用于确定永磁同步电机的转子在启动阶段的第一时间的关于假定旋转坐标系的假定角度；该实际角度获取单元402可以用于获取在第一时间下转子的关于实际旋转坐标系的实际角度；该角度差计算单元403可以用于计算假定角度和实际角度的第一角度差值；该角度判断单元404可以用于判断第一角度差值是否在角度差阈值范围内；以及该转频判断单元405可以用于当第一角度差值在角度差阈值范围内时，判断第一时间所处的第一控制周期是否与目标频率相对应；闭环切入单元406可以用于如果第一控制周期与目标频率相对应，则确定在第一时间将永磁同步电机切换至闭环控制状态。
上述系统实施例可以是作为永磁同步电机的辅助启动系统而设置的，关于本发明实施例系统的更多技术细节和技术效果可以参照上文针对方法实施例的描述，其方法步骤可以由系统相应的单元或模块来执行，处于篇幅考虑在此不加以赘述。
本发明实施例还一方面提供一种压缩机(未示出)，该压缩机中设置有上述的永磁同步电机的控制系统，由此使得应用有该电机的压缩机也能具有上文实施例所阐述的技术方案和技术效果。
本发明实施例还一方面提供一种家用电器，该家用电器可以是电冰箱、空调等，以及该家用空调可以配置有上述实施例所描述的压缩机。
以上结合附图详细描述了本发明例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
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