用于PMSM无传感运行的角度切换及转把控制方法

用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法
技术领域
1.本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其是用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法。


背景技术：

2.永磁同步电机具有体积小、功率密度高、效率高、结构简单、噪音低及动态响应快等优点，因而被广泛应用于各类工业领域。在实际应用中，矢量控制策略是永磁同步电机驱动系统采用最广泛的控制策略，但为了实时获得准确的位置信息，一般需要在电机中安装霍尔位置传感器或光电编码器等位置检测装置。这无疑增加了系统的成本和复杂程度，降低了系统的抗干扰性能力以及整体可靠性。因此，低成本、高精度、高可靠性的永磁同步电机无位置传感器控制技术成为了国内外研究的热点。
3.无传感控制算法通常将电机的转速区间划分为零低速和中高速阶段分别进行研究。常用的全速域运行方案是零低速时使用i/f开环启动控制，中高速时使用滑模观测器进行位置估计，而在两种方法之间还需要有过渡过程进行切换。
4.通常使用的过渡方法是将开环角度θ
*
与滑模估计角度进行加权，使角度逐渐从θ
*
过渡到
5.同时，为了保持速度恒定，还要根据转矩方程相应地降低电流。而过渡过程的快慢，需要针对不同的负载工况反复试验调试，通用性较低。另外，当使用单电阻采样时，q
*
轴电流的波动会导致电机在和θ
*
相差不大的情况下脱离自稳定区域，进而导致电机失步。
6.成功切换到滑模阶段后，一般会采用电流闭环或转速闭环的方式控制电机。而对于电动车，如何使用转把对电机进行控制，使其既符合用户的使用习惯，又能满足不同负载下的调速需求。


技术实现要素：

7.为了解决上述现有技术的不足，本发明提供了用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法，克服单电阻采样下，过渡过程中转速波动大和易失步等问题，并根据电动车的应用场景设计合适的转把控制方法。
8.为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
9.用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法，包括下列步骤：
10.a)开环启动阶段：设置d
*-q
*
轴给定电流幅值为其中为i
q0
轴电流幅值初始值，然后正常开环启动至提前设定的切换转速；
11.b)过渡过程：逐渐降低使开环给定角度θ
*
慢慢靠近真实角度同时对比θ
*
与滑模观测器估计角度的大小；
12.c)降低过程：逐渐降低至
13.d)滑模观测阶段：按照下列公式来设置uq：
14.uq＝u
qmin
+(k-0.1)(u
qmax-u
qmin
)。
15.进一步，所述步骤a)中的设定不为0。
16.进一步，所述步骤b)和c)中为了使过渡过程尽可能短，采用先降低再降低的方式，以减小dq轴耦合带来的电流波动。
17.进一步，所述步骤d)中k取值为[0,1]，u
qmax
为q轴电压最大值，当转把转动时，uq随之改变，进而实现动态调速。
[0018]
进一步，所述步骤d)中进入滑模观测阶段后，关闭了q轴的电流环，直接采用uq控制。
[0019]
进一步，选取转把开度的前10％作为死区，当k＝0.1时对应电机的切换转速，当k＝1时对应电机在当前负载下的最大转速。
[0020]
进一步，所述步骤b)中若则认为满足可切换条件，记此时的uq为u
qmin
，令即完成过渡角度切换。
[0021]
与现有技术相比，本发明的优点：
[0022]
1、使用基于电流幅值变化的过渡过程方案，根据“转矩-功角自平衡原理”实现角度的过渡，能够响应各种负载状况，且转速不会产生波动，提高了电动车的舒适性；
[0023]
2、令开环启动中的设定值不为0，增大了电机处于自稳定区域时定子电流矢量is的角度范围，避免了单电阻采样情况下，采样电流波动造成的失步现象；
[0024]
3、在滑模观测阶段，使转把的开度对应uq来控制电机，更符合电动车的使用场景和用户习惯；
[0025]
4、根据本发明所公开的过渡过程方法和转把控制方法，可实现pmsm全速域运行的无位置传感器控制方案，达到降低控制系统成本和提升系统可靠性与鲁棒性的目的，且方法计算量小，便于实现与推广应用。
附图说明
[0026]
图1为本发明所提出的用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法系统结构框图；
[0027]
图2为理想情况下表贴式pmsm过渡过程的示意图；
[0028]
图3为理想情况下内嵌式pmsm过渡过程的示意图；
[0029]
图4为单电阻采样情况下表贴式pmsm过渡过程的示意图；
[0030]
图5为本发明所述的过渡过程方法示意图；
[0031]
图6为本发明所述的转把开度与uq的对应曲线。
具体实施方式
[0032]
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描
述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0033]
实施例1：
[0034]
用于pmsm无传感运行的角度切换及转把控制方法，包括下列步骤：
[0035]
a)开环启动阶段：设置d
*-q
*
轴给定电流幅值为其中为i
q0
轴电流幅值初始值，然后正常开环启动至提前设定的切换转速，其中的设定不为0；
[0036]
b)过渡过程：逐渐降低使开环给定角度θ
*
慢慢靠近真实角度同时对比θ
*
与滑模观测器估计角度的大小，其中若则认为满足可切换条件，记此时的uq为u
qmin
，令即完成过渡角度切换；
[0037]
c)降低过程：逐渐降低至
[0038]
d)滑模观测阶段：按照下列公式来设置uq：
[0039]
uq＝u
qmin
+(k-0.1)(u
qmax-u
qmin
)；
[0040]
为了使过渡过程尽可能短，采用先降低再降低的方式，以减小dq轴耦合带来的电流波动，其中k取值为[0,1]，u
qmax
为q轴电压最大值，当转把转动时，uq随之改变，进而实现动态调速，且进入滑模观测阶段后，关闭了q轴的电流环，直接采用uq控制，选取转把开度的前10％作为死区，当k＝0.1时对应电机的切换转速，当k＝1时对应电机在当前负载下的最大转速。
[0041]
如图1所示，永磁同步电机开环控制系统由永磁同步电机、驱动电路、电流控制器、svpwm模块组成。由于是无传感控制，所以没有位置和速度检测装置。运行时首先由电流幅值给定模块设置和当开环给定转速ω
*
达到切换转速时，开始执行过渡过程，最终实现角度和的切换。
[0042]
如图2所示，理想情况下表贴式永磁同步电机的过渡过程，因为所以定子电流矢量在下降的过程中，由于“转矩-功角自平衡原理”，θ1会逐渐减小，is逐渐向q轴接近，表贴式电机的转矩方程为：
[0043][0044]
其中，p为极对数，为磁链，由上式可知，为了保证过渡过程中转矩和转速稳定，iscosθ1恒定，即图2中te＝tn的虚线，定子电流矢量is沿虚线逐渐过渡到与q轴重合停止，此时转矩电流比达到最大，因此只有当is处于第一象限内时，电机才处于自稳定区域。
[0045]
对于内嵌式永磁同步电机的分析则有所不同，由于l
d-lq，其转矩方程为：
[0046][0047]
其中，ld为轴电感，lq为q轴电感，如图3所示，由于磁阻转矩的存在，te＝tn的虚线
变成了曲线。转矩电流比最大时，is的位置不在q轴上，而是在te＝tn虚线与电流圆的切点上。因此，只要is处于切点右侧或第一象限内，电机就会处于自稳定区域。
[0048]
由于单电阻采样精度较差，将三相电流经过重构后得到的is幅值和角度都有波动，因此实际的is不是一个确定的矢量而是一个扇形，如图4所示，在过渡过程中q
*
轴向q轴靠近时，一旦is所在的扇形区域超过了第一象限，就会导致电机脱离自稳定区域，进而造成失步，切换失败。
[0049]
为了解决单电阻采样产生的问题，将开环阶段的设置为的0.3倍，使得q
*
轴与q轴接近重合时，is所在的扇形区域仍处于第一象限，如图5所示，由于的加入，此时定子电流矢量is不再与q
*
轴重合，而是位于q
*
轴与d
*
轴之间。这就使得当q
*
轴与q轴重合，即时，电机仍处于自稳定区域不会失步。过渡过程顺利完成，电机随之进入滑模观测阶段。
[0050]
图6表示进入滑模观测阶段后转把开度与uq的对应关系。可以看出，当转把开度小于10％时为死区，uq＝0。当转把开度为10％-100％时，uq从对应的u
qmin
线性上升到u
qmax
，需要注意的是，t
l
越大，电机运行在切换转速时的uq越大，其对应的u
qmin
也就越大。
[0051]
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。