基于位置校正的永磁同步电机控制方法、系统及存储介质

1.本发明涉及电机控制技术领域，更具体的说是涉及一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法、系统及存储介质。


背景技术：

2.电机在生产生活中有着大量的应用，永磁同步电机更是电机驱动中非常常用的一种电机类型，在大型工业设备、家用电器、装备制造等领域都有广泛应用。
3.永磁同步电机常见的一种控制方法是磁场矢量控制，其中可分为基于霍尔传感器的有感控制和基于扩展卡尔曼滤波算法的无传感器控制，有感和无感控制的本质都是获取电机的速度和位置并进行反馈控制，如果有感和无感控制方式无法正确进行位置反馈，将影响电机的正常工作及转速控制精度。因此，如何对电机控制中的位置信息进行误差分析、及时进行校正以及进行必要的校正算法优化显得尤为重要。
4.中国专利申请号201710600189.1公开了一种电机控制模式故障检测方法及装置，该发明针对电机在有感和无感运行两种状态，根据速度这一变量进行两种状态下的误差分析，且在相对误差超过阈值时，即判断电机故障并切换控制模式。这种设计的误差判断是基于速度，但有感和无感两种控制方案的速度都是经过中间量计算或估算得到的，精度低于位置信息，且该发明没有指明电机类型和控制方案的背景，实际参考的针对性有待增强。
5.因此，在永磁同步电机工作下以选择更为准确的判断值来确保控制方案的精度，保证电机运行的可靠性，是亟待解决的一个问题。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提供了基于位置校正的永磁同步电机控制方法、系统及存储介质，以解决背景技术中的问题。
7.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法，具体步骤包括如下：
8.s1、在电机有感控制下第一次位置增量为0时，获取有感控制下的位置，设为第一位置θ1，以及此时无感控制下的位置，设为第二位置θ2；
9.s2、计算所述第一位置θ1与所述第二位置θ2之间的相对误差θ1；
10.s3、设定阈值范围为5％；
11.s4、判断所述相对误差θ1是否超过阈值范围；
12.s5、若所述相对误差θ1超过所述阈值范围，则对所述第二位置θ2进行位置补偿；若未超过所述阈值范围，则无需补偿。
13.可选的，对所述第二位置θ2进行位置补偿的具体方式为：
14.获取所述第一位置θ1与所述第二位置θ2之间的差值δθ；
15.根据δθ修改无感控制的位置预测算法，对θ2进行位置校正；
16.可选的，所述相对误差θ1的计算公式为：
17.可选的，在后续位置增量为0时重复s1-s4进行位置校正。
18.可选的，还包括对相对误差趋势进行在线分析，若所述相对误差变化趋势收敛，判定位置补偿能有效校正电机的位置信息；若所述相对误差变化趋势发散，认为位置补偿不当，调整补偿算法。
19.可选的，还包括对有感控制的位置进行校正，当有感控制中霍尔信号出现缺相时，有感控制下霍尔传感器无法正常输出6组不同的电信号，但仍能保证至少有一组信号与缺相前一致，此时，以正常信号所确定的位置信息为基准，当磁场旋转到达未受缺相影响的位置时，通过该处的准确位置信息对电机进行位置校正，使电机仍保证较高的位置精度。
20.另一方面，提供一种基于位置校正的永磁同步电机控制系统，包括位置获取模块、误差计算模块、判断模块、补偿模块；其中，
21.所述位置获取模块，用于在电机有感控制下第一次位置增量为0时，获取有感控制下的位置，设为第一位置θ1，以及此时无感控制下的位置，设为第二位置θ2；
22.所述误差计算模块，用于计算所述第一位置θ1与所述第二位置θ2之间的相对误差θ1；
23.所述判断模块，用于判断所述相对误差θ1是否超过预设阈值；
24.所述补偿模块，用于所述相对误差θ1超过所述预设阈值，对所述第二位置θ2进行位置补偿；若未超过所述预设阈值，则无需补偿。
25.还提供一种计算机存储介质，所述计算机存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法的步骤。
26.经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法、系统及存储介质，具有以下有益的技术效果：
27.(1)基于有感控制下获取的准确位置信息，在电机控制过程中对无感控制和有感控制均可进行位置信息的误差判断和校正，不断提高电机的位置信息的精度，以有感控制每60
°
的位置信息作为判断基准进行误差分析和校正，这一位置信息是基于电机物理装置的，比算法得到的位置信息更加准确，使用这一准确值对无感和有感位置进行校正，可以提高电机运行性能的精度；
28.(2)使用有感无感两种方法同步计算，校正环节多次实时进行，并非单一数据判断，不会出现一种控制模式出现故障即影响电机运行的情况，能够提高可靠性。
附图说明
29.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
30.图1为本发明实施例中的永磁同步电机基于霍尔传感器的foc有感控制方法框图；
31.图2为本发明实施例中的永磁同步电机基于扩展卡尔曼滤波算法的foc无感控制方法框图；
32.图3为本发明的无感位置校正两次校正过程的流程示意图；
33.图4为本发明的基于霍尔传感器的有感控制方案中的霍尔传感器与电机的安装位置关系图；
34.图5为本发明的霍尔传感器安装下的脉冲信号关系图；
35.图6为本发明的有感控制霍尔信号b相缺相的情况下的脉冲信号关系图。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，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做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。
37.本发明实施例1公开了一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法，如图3所示，具体步骤包括如下：
38.s1、在电机有感控制下第一次位置增量为0时，获取有感控制下的位置，设为第一位置θ1，以及此时无感控制下的位置，设为第二位置θ2；
39.s2、计算第一位置θ1与第二位置θ2之间的相对误差θ1；
40.s3、判断相对误差θ1是否超过预设阈值；
41.s4、若相对误差θ1超过预设阈值，则对第二位置θ2进行位置补偿；若未超过预设阈值，则无需补偿。
42.在本实施例中，预设阈值为5％。
43.如图1所示，为有感的永磁同步电机磁场矢量控制(field oriented control,f0c)方案，可以看到，该方案的控制核心是由传感器检测得到电机的速度信息和角度信息，将这两个量反馈给控制环节，再结合整体控制流程中的pi控制、坐标变换等环节，实现电机的稳定运行。
44.如图4所示，在永磁同步电机有感控制中，采用一对极的永磁同步电机，安装有3个霍尔传感器，摆放位置呈120
°
，因此能准确检测定子三相的换向时刻。每当霍尔传感器经过磁极时，其输出状态便改变一次，由于三个霍尔传感器相位差为120
°
，因此在定子经过的时刻，3个霍尔传感器将依次进行电平变换，3个霍尔传感器的电平变换情况如图5所示。观察图5可以看出，电机磁场每旋转一个电周期，霍尔传感器的三相中每60
°
就会有一相产生电平跳变，因此每60
°
都能实现一次准确的位置获取。
45.如图2所示，在永磁同步电机无感控制中，对位置信息的获取是采用基于扩展卡尔曼滤波算法的状态观测器下的位置估算，该方法是基于永磁同步电机坐标下的电机电压方程中可以求得的角度和速度信息，以状态空间表达的形式，用拓展卡尔曼滤波算法进行矩阵运算，实现对角度和速度信息的估算，因此该方法获得的位置信息是一个基于算法的估算值。
46.对比两种控制方法，无感控制方案的算法虽然已有一定范围的应用，但从理论来说，其中的位置信息是通过算法分析和估算得到的，而有感控制中，每60
°
可以获取准确的位置信息，因此本发明采用有感控制算法中能准确获取的位置信息，来实现对无感控制和有感控制自身的误差分析和位置校正，能够进一步提高电机位置判断的精度；并且将控制
方案结合起来，进行多次实时检测和校正，提高电机控制的可靠性。
47.具体的，通过以上步骤s1至步骤s3，基于有感模式下的位置信息，可以初步对电机运行模式是否存在一定误差进行判断。在实际应用中，有感模式下位置增量为0时，此时有感模式的位置信息由定时器在霍尔信号的跳变沿触发中断，通过软件的输入捕获模式直接获取，无感模式则利用基于扩展卡尔曼滤波算法的状态观测器获取无感模式下的位置信息。
48.更进一步的，得到第一位置θ1与第二位置θ2后，根据公式(1)求得相对误差θ1：
[0049][0050]
在对电机运行情况进行初步误差分析后，需进行必要的误差校正；
[0051]
如果相对误差θ1超过阈值，则获取θ1和θ2的差值为δθ，根据δθ，对θ2进行位置校正；
[0052]
在s4中，进行位置补偿的具体步骤为：
[0053]
s41、无感算法中的位置预测算法，在θ2的基础上根据δθ进行修正，来校正无感控制的位置精度。通过以上步骤s41，本发明实施例对已得到判断的位置误差进行第一次校正。在实际应用中，无感模式的位置信息通过算法估算得到，并将估算值赋给主控制过程中的位置变量，因此在判断误差出现时，按照步骤s4重新校准位置信息，依据为位置信息误差值，根据公式(2)可求得δθ：
[0054]
δθ＝θ1-θ2
ꢀꢀ
(2)。
[0055]
更进一步的，还包括：
[0056]
s5、在下一次位置增量为0时，重新获取有感控制和无感控制下的位置信息，举例此时有感位置为位置三θ3，无感位置为位置四θ4，计算位置三θ3和位置四θ4之间的相对误差θ2；
[0057]
s6、判断相对误差θ2是否超过预设阈值；
[0058]
s7、若相对误差θ2超过预设阈值，则对位置四θ4进行位置补偿；若未超过预设阈值，则无需补偿。
[0059]
为实现控制的高精度和高可靠性，后续位置增量为0时应重复步骤s1-s4进行位置校正。
[0060]
进一步的，还包括在线分析目前计算所得的相对误差变化趋势，以前两次为例，即分析θ1和θ2的变化趋势；若相对误差变化趋势收敛，判定位置补偿能有效校正电机的位置信息，继续使用此种位置校正方法；若相对误差变化趋势发散，说明位置补偿不当，调整补偿算法。
[0061]
在本实施例中，还包括有感控制的位置校正，当有感控制中霍尔信号出现缺相时，如图6所示，有感控制下霍尔传感器无法正常输出6组不同的电信号，但对比图5发现，仍能保证有信号与缺相前一致，在这种情况下，根据正常信号所确定的位置信息对电机进行位置校正，如图6所示的“101”信号所对应的位置信息，作为校正信号，使电机在此种情况下仍能保证较高的位置精度。
[0062]
本发明实施例2提供一种基于位置校正的永磁同步电机控制系统，包括位置获取模块、误差计算模块、判断模块、补偿模块；其中，
[0063]
位置获取模块，用于在电机有感控制下第一次位置增量为0时，获取有感控制下的位置，设为第一位置θ1，以及此时无感控制下的位置，设为第二位置θ2；
[0064]
误差计算模块，用于计算第一位置θ1与第二位置θ2之间的相对误差θ1；
[0065]
判断模块，用于判断相对误差θ1是否超过预设阈值；
[0066]
补偿模块，用于相对误差θ1超过所述预设阈值，对第二位置θ2进行位置补偿；若未超过预设阈值，则无需补偿。
[0067]
此外，还提供一种计算机存储介质，计算机存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现一种基于位置校正的永磁同步电机控制方法的步骤。
[0068]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0069]
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。