一种无位置传感器的永磁同步电机起动方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种永磁同步电机技术，特别设及一种无位置传感器的永磁同步电机 起动方法。
【背景技术】
[0002] 永磁同步电机具有结构简单、体积小、功率密度大、效率高、转矩脉动小、控制性能 优良等优点。通常，永磁同步电机的运行控制需要借助位置传感器来检测转子的位置和速 度。传统的位置传感器通常采用增量式编码器、旋转变压器、霍尔传感器、光电码盘等机械 式位置传感器，运些传感器存在很多的缺陷，不仅安装调试复杂，而且增加了电机成本和体 积，还有容易引入干扰信号，降低了电机运行的可靠性。
[0003] 为了克服有传感器方法的缺陷，近年来，采用无位置传感器的永磁同步电机控制 技术已经成为电机控制领域的一个研究热点，其原理是通过对电机的磁链、电压、电流等物 理量进行处理间接获得转子位置。目前，应用比较广泛/成熟的无机械位置传感器检测方法 主要有反电势法和滑模观测器法，运两种方法在中高速时具有良好的检测效果，然而在静 止或低速运行时，永磁同步电机的反电势为零或很小，导致其信噪比过低而无法准确地获 得电机转子位置，最终导致电机起动失效，因此需要采用其它的方法来实现电机的起动。
[0004] 目前已公开的方法有:升频升压同步起动法、预定位起动法、=段式起动法、直接 切换法、被动哼= '切换法W及位置开环速度开环电流闭环的I/F强迫起动方法等。运些起 动方法都是采用电压开环方式来实现电机的起动，电机起动力矩受负载影响较大，容易导 致电机失步;且无论在什么应用场合，都是采用运种VF^F的方法，运样，当要面对VF参数要 求比较高的应用场合，会导致电机经常无法切换或切换时冲击比较大；此外，为了满足 =町，^ =G的低中速切换条件，VF参数的选择通常需要经过反复调试才能得到。相应 地，在工业应用中，当调试不同电机或负载变化时，往往需要重新调试VF/IF参数才能够满 足=<，&=咚的切换条件，运样造成现场调试比较复杂，且开发周期长，导致实际应 用范围严重受限。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种无位置传感器的永磁同 步电机起动方法，该方法能使无位置传感器的永磁同步电机能够快速平稳可靠地起动，且 在中低速时能实现较小的冲击切换。该策略能够主动迫使系统产生满足切换的条件，起动 时对VF参数要求较低，在实际应用中面对不同的电机或负载变化时，无需反复(或重新）调 试VF参数就能满足低中速切换条件。运样就方便了研发人员现场调试，缩短了开发周期。
[0006] 本发明的目的可W通过下述技术方案实现:一种无位置传感器的永磁同步电机起 动方法，包括W下步骤：
[0007] 步骤1、采用基于电流闭环的两次电流注入法，W确保永磁同步电机的初始磁极位 置为0°方向；
[000引步骤2、在低速部分采用VF控制，并在低频率处选择一个切换频率，VF控制一直运 行到该频率处，即可开始等待切换，同时，滑模观测器也开始工作，但是不参与闭环控制；
[0009] 步骤3、通过人为设置，采用一种主动平滑切换策略，使得电机在低中速切换处能 够自动进行切换；
[0010] 步骤4、成功切换后，采用无位置传感器方法来闭环控制永磁同步电机的运行。
[0011] 在步骤1中，所述的电流闭环二次预定位的方法为:先给=-90''方向注入幅值大 小为is的电流，再给马=0'方向注入同样大小的电流；
[001 ^ 其中，《为电机解禪角度，is为注入电流的幅值大小；
[0013] 根据所述的电流闭环二次预定位，需要将电流注入到电流环闭环速度环开环的单 闭环控制系统中。
[0014] 在步骤2中，所述的VF控制方法，不需要精屯、选择VF参数，只要能保证电机正常起 动即可，并拟在较低的频率处发生切换。
[0015] 在步骤3中，所述的主动平滑切换策略，具体包括W下几个关键步骤：
[0016] 在低频率处设定一个切换频率fsw，其对于的速度为COsw;
[0017] 设置一个给定速度即在切换之前，双闭环控制系统的一个给定速度；
[0018] 设置等待切换时间调整系数K;
[0019] 设置低中速切换条件；
[0020] 根据所述的切换速度和给定速度，应该满足W下的关系：
[0021 ] O *= O SW+ A O , A CO >0,
[0022] 其中，A O是一个很小的正值；
[0023] 所述的等待切换时间调整系数K，是为了减小速度切换时引起的超调，使得真实的 电流环给定夹速超过反馈电流iq，从而让可的切换条件尽快达到，从而控制系统切 换的快慢。该调整系数是一个大于1的值，根据经验，其取值一般在3-8;
[0024] 所述的切换条件=巧*，指的是基于滑模观测器的内同步闭环控制系统输出的电 压值Vq与VF开环控制时输出的电压值吟相等。
[0025] 在步骤4中，根据所述的基于滑模观测器的永磁同步电机控制系统，主要包括W下 步骤：
[0026] 基于滑模观测器的估算模块；
[0027] 滑模观测器的优化；
[0028] 根据所述的基于滑模观测器的估算模块，其输入是两个输入电压和两个输入电 流，其输出是速度和解禪角度；
[0029] 其中，输入电压可通过直流母线电压和实时的逆变器开关状态进行电压重构获 得；
[0030] 输入电流可通过霍尔传感器测量并经Clarke变换得到。
[0031] 所述的滑模观测器的优化，主要包括两级滤波和变截止频率调节两个环节。所述 的两级滤波指的是对开关信号采用两级低通滤波，并将一级滤波得到的估算反电势参与电 流估算，而将二级滤波得到的估算反电势送入锁相环参与速度/角度估算。所述的变截止频 率调节，用于补偿两级低通滤波器引起的相位滞后，是一种系统相位补偿方法。
[0032] 本发明的目的也可W通过W下技术方案实现:一种无位置传感器的永磁同步电机 起动方法，包括W下步骤：
[0033] 采用优化的的段式"启动法来实现转子由静止到正常运动。即电流闭环二次预 定位、VF控制、双闭环内同步运行S个步骤，并且，在低中速切换时采用主动平滑切换策略。
[0034] 传统"二次预定位"法定子电流大小不可控，可能会导致转子振荡等问题。采用基 于电流闭环的两步电流注入法，不仅电流大小可控，还可减小转子振荡，同时可避免在180 度时拉动不了转子的情况发生。
[0035] 所述的电流闭环二次预定位的步骤为:首先给*9. =-9()方向注入幅值大小为is的 电流，将转子拉倒-90°方向；待转子稳定后，再给:g. = (r方向注入同样大小的电流，将转子 拉到0°方向。两步注入法的目的是保证实际转子在180°时依然能够将转子拉到0°方向。
[0036] 所述的VF的步骤为:选择一条合适的VF曲线来启动电机，并且让电流环与速度环 保持开环状态。电机q轴电压方程为：
[003引式中，所述的Uq，iq，的，如，《分别为电机q轴电压，电流，磁链，d轴磁链，转子转速。
[0039] 所述的q轴电压方程也可表述为Uq = f( CO)，当转速为0,反电势为0,给定电压为UO =f( ?〇)，又由于《 =化f，因此最终的VF方程为u = kf+u〇。
[0040] 其中，U为定子电压，f为电机的运行频率，UO为转速为0时的给定电压，k为频率与 电压之间的压频比系数。
[0041] 所述的双闭环内同步运行的步骤为:首先搭建好永磁同步电机无传感器双闭环内 同步的系统框图，通过滑模观测器来估算系统运行的速度与角度，并通过两级低通滤波和 变截止频率调节对SMO进行优化;其中，SMO模块的输入是电压Usa，Use，电流isa，ise。然后，通 过判断SMO模块估计的Vd, Vq是否达到VF控制输出的电压来确定系统何时由外同步VF 运行切换到双闭环内同步运行;最后，通过一种主动平滑切换策略，可实现低中速时的无冲 击切换。
[0042] 所述的两级低通滤波指的是对开关函数进行两次低通滤波，从而有效提取出反电 势。将第一次滤波得到的估算反电势参与电流估算，而将第二次滤波得到的估算反电势送 入锁相环参与速度/角度估算。
[0043] 通常，将第一级滤波器的截止频率设置为系统频率的几倍，将第二级滤波器的截 止频率选择的尽量小些，运样就可W避免整个电机系统过大的相位延