本发明涉及永磁电机控制技术领域，具体而言，涉及一种永磁同步电机无位置传感器的控制方法及装置。
背景技术：
目前，变频空调压缩机广泛采用永磁同步电机无位置传感器的控制方式，永磁同步电机无传感器在低速时采用开环方式计算反电动势，通过求取d轴与q轴反电动势的反正切得出位置信号的增量Δθ；在达到一定转速时采用观测器方式计算反电动势，通过求取d轴与q轴反电动势的反正切得出假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过PI(比例积分调节)构造出转速，进而由转速生成位置信号。
采用上述方法在永磁电机启动过程中由于电机反电动势低，开环方式估算误差大，在定位或开环运行(如图1a中第一阶段)结束切换至图1a中第二阶段时启动力矩小，负荷重时容易反转，不能很好地适应负荷的变化，对控制参数以及PCB(印制电路板)依赖较大(相同的控制参数与同型号的电机，用不同的PCB存在启动失败的可能)，而且不能很好的适应电源电压的变化，估算位置为0，出现方波定位电流。
采用上述方法，在估算方法切换至运行时(如图1a中第三阶段)，由于使用同一组PI构造转速与同一个Lq参数(Ld、Lq为电机定子绕组的d、q轴电感)，存在重负荷下切换不成功，存在切换时电流尖峰与高频运行矛盾的问题，为了使切换尖峰小，则会导致高频运行振荡。其中，在图1中，图1a三角波为位置估算信号，下方为压缩机电流波形；图1b为图1a中局部放大波形。
针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效地解决方案。
技术实现要素：
本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器的控制方法及装置，以至少解决现有技术中永磁同步电机无位置控制方式可能发生反转等情况，导致电机启动可靠性差的问题。
为解决上述技术问题，根据本公开实施例的一个方面，本发明提供了一种永磁同步电机无位置传感器的控制方法，该方法包括：电机在第一速度范围运行时，采用开环计算方式计算d轴与q轴的反电动势，并根据该d轴与q轴的反电动势的反正切，确定第一位置信号的增量Δθ1；将第一位置信号的增量Δθ1与第一预设增量Δθmin进行比较，其中，第一预设增量Δθmin大于0；若Δθ1小于Δθmin，将第一预设增量Δθmin的值赋予第一位置信号的增量Δθ1后，继续控制电机的运行。
进一步地，电机运行至第二速度范围时，从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算d轴与q轴反电动势，根据d轴与q轴反电势的反正切确定假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过控制器构造出转速，根据构造的转速确定第二位置信号的增量Δθ2；将第二位置信号的增量Δθ2与第二预设增量Δθmin1进行比较，其中，第二预设增量Δθmin1大于第一预设增量Δθmin；若Δθ2小于Δθmin1，控制第二位置信号的增量Δθ2大于或等于第二预设增量Δθmin1。
进一步地，在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，使用第一q轴电感Lq1计算q轴反电动势；在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，使用第二q轴电感Lq2计算q轴反电动势；其中，第二q轴电感Lq2小于第一q轴电感Lq1。
进一步地，在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制器参数带宽为第一带宽w1。
进一步地，该方法还包括：在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，根据电机运行频率控制控制器参数带宽。
进一步地，根据电机运行频率控制控制器参数带宽，包括：在运行频率小于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第二带宽w2；在运行频率大于或等于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第三带宽w3，其中，第三带宽w3大于第二带宽w2，第二带宽w2大于第一带宽w1。
进一步地，控制器为PI控制器或准PR(比例谐振)控制器。
根据本公开实施例的另一方面，提供了一种永磁同步电机无位置传感器的控制装置，该装置包括：第一确定单元，用于电机在第一速度范围运行时，采用开环计算方式计算d轴与q轴的反电动势，并根据该d轴与q轴的反电动势的反正切，确定第一位置信号的增量Δθ1；比较单元，用于将第一位置信号的增量Δθ1与第一预设增量Δθmin进行比较，其中，第一预设增量Δθmin大于0；第一控制单元，用于在Δθ1小于Δθmin时，将第一预设增量Δθmin的值赋予第一位置信号的增量Δθ1后，继续控制电机的运行。
进一步地，该装置还包括：第二确定单元，用于电机运行至第二速度范围时，从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算d轴与q轴反电动势，根据d轴与q轴反电势的反正切确定假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过控制器构造出转速，根据构造的转速确定第二位置信号的增量Δθ2；第二控制单元，用于将第二位置信号的增量Δθ2与第二预设增量Δθmin1进行比较，其中，第二预设增量Δθmin1大于第一预设增量Δθmin；若Δθ2小于Δθmin1，控制第二位置信号的增量Δθ2大于或等于第二预设增量Δθmin1。
进一步地，还包括：第三控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制使用第一q轴电感Lq1计算q轴反电动势；第四控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，控制使用第二q轴电感Lq2计算q轴反电动势；其中，第二q轴电感Lq2小于第一q轴电感Lq1。
进一步地，还包括：第五控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制控制器参数带宽为第一带宽w1；第六控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，根据电机运行频率控制控制器参数带宽，其中，在运行频率小于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第二带宽w2；在运行频率大于或等于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第三带宽w3，其中，第三带宽w3大于第二带宽w2，第二带宽w2大于第一带宽w1。
在本发明中，在电机启动过程中定位或开环结束后，位置信号增量由d轴与q轴反电动势的反正切得出，此时增加比较步骤，使位置信号的增量大于第一预设增量Δθmin，并且将第一预设增量Δθmin设置为大于零的增量，实现位置信号的增量大于零，从而可避免由于启动负荷大，参数不准确或电源电压变化导致Δθ≤0的情况，进而出现反转或出现定位力矩，而非驱动力矩的状况。这种控制方式可有效地解决现有技术中永磁同步电机无位置控制方式可能发生反转等情况，导致电机启动可靠性差的问题，提高电机启动可靠性。
附图说明
图1a是现有技术中永磁同步电机无位置传感器的控制波形示意图；
图1b是图1a的局部放大波形图；
图2是根据本发明实施例的永磁同步电机无位置传感器的控制方法的一种可选的流程示意图；
图3是出现位置信号增量小于或等于零时的一种波形示意图；
图4是根据本发明的方法示出的一种对比波形图；
图5是根据本发明的方法示出的另一种对比波形图；
图6是根据本发明的方法示出的一种可选的流程图；
图7是根据本发明的方法示出的又一种对比波形图；
图8是根据本发明的方法示出的一种幅频特性示意图；
图9是根据本发明的方法示出的一种控制框图；以及
图10是根据本发明实施例的永磁同步电机无位置传感器的控制装置的一种可选的结构框图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
实施例1
下面结合附图对本发明提供的永磁同步电机无位置传感器的控制方法进行说明。
图2示出本永磁同步电机无位置传感器的控制方法的一种可选的流程图，如图2所示，该方法包括：
S102，电机在第一速度范围运行时，采用开环计算方式计算反电动势，并根据该反电动势计算电机d轴与q轴反电动势的反正切，确定第一位置信号的增量Δθ1；优选地，该第一速度范围运行对应的运行过程为电机启动过程中在定位或开环运行结束后，也就是说，电机处于低速运行。
S104，将第一位置信号的增量Δθ1与第一预设增量Δθmin进行比较，其中，第一预设增量Δθmin大于0；
S106，若Δθ1小于Δθmin，将第一预设增量Δθmin的值赋予第一位置信号的增量Δθ1后，继续控制电机的运行。
上述实施方式中，在电机启动过程中定位或开环结束后，位置信号增量由d轴与q轴反电动势的反正切得出，此时增加比较步骤，使位置信号的增量大于第一预设增量Δθmin，并且将第一预设增量Δθmin设置为大于零的增量，实现位置信号的增量大于零，从而可避免由于启动负荷大，参数不准确或电源电压变化导致Δθ≤0的情况，进而出现反转或出现定位力矩，而非驱动力矩的状况。这种控制方式可有效地解决现有技术中永磁同步电机无位置控制方式可能发生反转等情况，导致电机启动可靠性差的问题，提高电机启动可靠性。
进一步地，电机运行至第二速度范围时，此时电机处于高速运行，从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算d轴与q轴反电动势，根据d轴与q轴反电势的反正切确定假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过控制器构造出转速，根据构造的转速确定第二位置信号的增量Δθ2，其中，优选地，控制器为PI控制器或准PR(比例谐振)控制器；上述假定坐系为控制器中估算的电机转子dq坐标系；实际坐标系为电机转子实际的dq坐标系，理想情况下，两者完全重合(即估算与实际的一致)，但实际过程中，估算的坐标系与实际的坐标有差，不重合，其误差为文中的Errθ。在低速时，通过求取d轴与q轴反电动势的反正切得出位置信号的增量Δθ，积分形成位置信号。在达到一定转速时采用观测器方式计算反电动势，通过求取d轴与q轴反电动势的反正切得出假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过PI构造出转速，进而由转速积分生成位置信号。
之后，将第二位置信号的增量Δθ2与第二预设增量Δθmin1进行比较，其中，第二预设增量Δθmin1大于第一预设增量Δθmin；若Δθ2小于Δθmin1，控制第二位置信号的增量Δθ2大于或等于第二预设增量Δθmin1。增加上述控制方法，避免假定坐标与实际坐标误差角Errθ会出现振荡，使据此构造的转速也出现振荡，提高稳定性。
在本发明的另一个优选的实施方式中，在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，使用第一q轴电感Lq1计算q轴反电动势；进一步地，在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，使用第二q轴电感Lq2计算q轴反电动势；其中，Lq1及Lq2为闭环观测器所用的参数，第二q轴电感Lq2小于第一q轴电感Lq1。将切换过程和运行过程中使用不同的Lq估算位置，减小振荡，进一步提高稳定性。
此外，在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制器参数带宽为第一带宽w1。在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，根据电机运行频率控制控制器参数带宽，具体地，在运行频率小于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第二带宽w2；在运行频率大于或等于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第三带宽w3，其中，第三带宽w3大于第二带宽w2，第二带宽w2大于第一带宽w1。切换过程中使用带宽小的PI参数构造转速避免引起切换电流尖峰，在频率大于一定值时使用带宽大的PI参数构造转速，可有效解决高频转速振荡。
上述的方法重点包括了以下三部分的改进：
(1)启动过程中在定位或开环运行结束后(图1a中第一阶段切换至第二阶段)，位置信号增量由d轴与q轴反电动势的反正切得出，此时使位置信号的增量Δθ>Δθmin，而Δθmin>0，从而可避免由于启动负荷大，参数不准确或电源电压变化导致Δθ≤0，进而出现反转或出现定位力矩，而非驱动力矩。
(2)在开环计算反电动势切换至使用观测器闭环计算反电动势过程中(第二阶段切换至第三阶段)，假定坐标与实际坐标误差角Errθ会出现振荡，使据此构造的转速也出现振荡，可能会导致位置信号的增量变0，此时使位置信号的增量Δθ>Δθmin1，而Δθmin1>Δθmin；并且在切换过程使用Lq用于估算位置，而在运行时使用Lq1，Lq1<Lq。
在切换过程中，可以使用带宽小的PI参数构造转速避免引起切换电流尖峰，在频率大于一定值k时使用带宽大的PI参数构造转速，解决高频转速振荡。
(3)使用准PR(比例谐振)控制器替代PI控制器构造转速，由于误差角Errθ信号频率与转速频率相同，使准PR控制器的谐振点跟随转速变化，可使假定坐标系更准确实时跟踪实际坐标系的变化，使Errθ幅值更小，相位滞后更小，同时准PR控制器能抑制谐振频带以外的干扰信号，从而有更好的抗干扰性能。
下面分别对上述三部分方案进行具体说明，以便更好的理解本方案：
对上述(1)：启动过程中在定位或开环运行结束后，位置信号增量由d轴与q轴反电动势的反正切得出，由于转速低时反电势计算误差大，加上负荷、控制参数与PCB的影响，容易使Δθ≤0，此时增加判断：
若：处于启动阶段1或2，位置信号的增量Δθ≤Δθmin，则：Δθ＝Δθmin。其中Δθmin>0，从而可使Δθ≥Δθmin，不会出现Δθ<0，电机反转，或者Δθ＝0，电机被定位。
若估算参数正确，由于负荷过重导致Δθ≤0，此时Δθ＝Δθmin，则此时电机力矩为正向的异步驱动力矩，即工作在异步驱动状态，而不是定位力矩或者反向力矩，导致反转，当异步驱动力矩足以克服负载力矩时，估算得出的Δθ≥Δθmin，则电机可重新工作在同步驱动状态。
若程序中估算参数有偏差，或者电源电压波动，或者硬件参数变化导致计算的Δθ≤0，如图3所示情况，此时控制器无法准确进行磁场定向，即估算的实际坐标与实际坐标偏差较大，若此时使Δθ＝Δθmin，则此时电机的力矩为正向的异步驱动力矩，而不会出现定位力矩或者反向力矩，导致反转，这样，算法中的估算参数(Rs，Invke,Eqeest0)不必反复调整，其中，RS为电机相电阻，Invke为电机反电动势常数的倒数，Eqeest0：q轴反电动势的补偿量。即，加入了对Δθ最小值限制后，对控制参数以及硬件参数，电源电压有更好的容差性，同时也可优化启动波形，图4所示为在重负荷启动下，使用同样的估算参数和硬件，图3中最上方波形为压缩机电流波形，中间波形为位置估算信号，下方波形为转速估算信号，图4上方波形为加入对Δθ限制，而下方波形为没加入对Δθ限制。
对上述(2)：在开环计算反电动势切换至使用观测器闭环计算反电动势过程中(第二阶段切换至第三阶段)，假定坐标与实际坐标误差角Errθ会出现振荡，使据此构造的转速也出现振荡，可能会导致位置信号的增量变0，此时(在切换频率+nHz范围内)使位置信号的增量Δθ>Δθmin1，而Δθmin1>Δθmin；并且在切换过程使用Lq1用于估算位置，而在运行时(大于切换频率+nHz)使用Lq2，其中Lq1及Lq2为闭环观测器所用的参数，Lq2<Lq1。
切换过程中使用带宽小的PI参数构造转速以减少切换电流尖峰，在频率大于一定值时使用带宽大的PI参数构造转速，避免高频转速振荡。
图5中上方电流波形为重负荷下使用上述方法启动阶段2与启动阶段3的切换波形，下方波形为原方法的切换波形，可见，使用本发明的算法过渡阶段波形更连续，切换过程力矩更大，而且不会出现反转。
对上述(1)和(2)的控制流程图如图6所示，运行过程中包括如下步骤：
S601，判断是否为启动阶段1或2？若是，跳转至步骤S602，否则，跳转至步骤S603；
其中，阶段1、阶段2分别对应于图1a中的第一阶段、二阶段，该第一阶段、二阶段为开环方式计算反电动势的阶段，阶段1为控制器给定一个启动频率，为异步运行，而阶段2为根据生成的位置信号同步运行。
S602，控制Δθ≥Δθmin；
S603，确定为阶段3，此处阶段3对应于图1a中的第三阶段，为采用观测器求取反电势的过程。
S604，判断是否为从开环计算切换至闭环计算的切换过程？若是，执行步骤S605，否则，执行步骤S606；
S605，控制Δθ≥Δθmin1，Lq＝Lq1，PI参数带宽为w1；
S606，判断电机运行频率是否小于频率k？若是，执行步骤S607，否则，执行步骤S608；
S607，控制Lq＝Lq2，PI参数带宽为w2；
S608，控制Lq＝Lq2，PI参数带宽为w3。
对上述(3)：使用准PR控制器替代PI控制器构造转速信号，由于误差角Errθ信号频率与转速频率相同，如图7所示，上方波形为误差角Errθ信号波形，下方为电机转速波形。准PR控制器传递函数如式1所示：
上式中，Kp为PR控制器的比例增益系数，KI为PR控制器的积分系数，Wc为可调的带宽系数，使准PR控制器的谐振点跟随转速变化，Kp，KI，Wc为可调参数，而w0随转速频率变化，在频率为w0取得最大增益，其幅频特性如图8所示。准PR控制器可使假定坐标系更准确实时跟踪实际坐标系的变化，使Errθ在动态过程中幅值尽可能小，相位滞后更小，由于准PR控制器为带通滤波器，故能抑制谐振频带以外的信号，从而有更好的抗干扰性能，对估算参数与硬件参数有更好的容差性。其控制框图可参见图9所示。
实施例2
基于上述实施例1中提供的永磁同步电机无位置传感器的控制方法，本发明可选的实施例2还提供了一种永磁同步电机无位置传感器的控制装置，具体来说，图10示出该装置的一种可选的结构框图，如图10所示，该装置包括：第一确定单元10，用于电机在第一速度范围运行时，采用开环计算方式计算d轴与q轴的反电动势，并根据该d轴与q轴的反电动势的反正切，确定第一位置信号的增量Δθ1；比较单元12，用于将第一位置信号的增量Δθ1与第一预设增量Δθmin进行比较，其中，第一预设增量Δθmin大于0；第一控制单元14，用于在Δθ1小于Δθmin时，将第一预设增量Δθmin的值赋予第一位置信号的增量Δθ1后，继续控制电机的运行。
进一步地，该装置还包括：第二确定单元，用于电机运行至第二速度范围时，从采用开环计算方式计算d轴与q轴的反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算d轴与q轴的反电动势，根据d轴与q轴的反电势的反正切确定假定坐标与实际坐标的误差角Errθ，通过控制器构造出转速，根据构造的转速确定第二位置信号的增量Δθ2；第二控制单元，用于将第二位置信号的增量Δθ2与第二预设增量Δθmin1进行比较，其中，第二预设增量Δθmin1大于第一预设增量Δθmin；若Δθ2小于Δθmin1，控制第二位置信号的增量Δθ2大于或等于第二预设增量Δθmin1。
进一步地，还包括：第三控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制使用第一q轴电感Lq1计算q轴反电动势；第四控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，控制使用第二q轴电感Lq2计算q轴反电动势；其中，第二q轴电感Lq2小于第一q轴电感Lq1。
进一步地，还包括：第五控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势的切换过程中，控制控制器参数带宽为第一带宽w1；第六控制单元，用于在从采用开环计算方式计算反电动势切换至采用观测器闭环计算方式计算反电动势之后的运行过程中，根据电机运行频率控制控制器参数带宽，其中，在运行频率小于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第二带宽w2；在运行频率大于或等于预设频率阈值k时，控制器参数带宽为第三带宽w3，其中，第三带宽w3大于第二带宽w2，第二带宽w2大于第一带宽w1。
关于上述实施例中的装置，其中各个单元、模块执行操作的具体方式已经在有关该方法的实施例中进行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。
从以上描述中可以看出，在本发明的上述实施方式中，在电机启动过程中定位或开环结束后，位置信号增量由d轴与q轴反电动势的反正切得出，此时增加比较步骤，使位置信号的增量大于第一预设增量Δθmin，并且将第一预设增量Δθmin设置为大于零的增量，实现位置信号的增量大于零，从而可避免由于启动负荷大，参数不准确或电源电压变化导致Δθ≤0的情况，进而出现反转或出现定位力矩，而非驱动力矩的状况。这种控制方式可有效地解决现有技术中永磁同步电机无位置控制方式可能发生反转等情况，导致电机启动可靠性差的问题，提高电机启动可靠性。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。