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，具体地涉及一种永磁同步电机控制方法及系统。

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、尤其是当电机带载启动或存在较大或变化的负载时，由开环启动回路向闭环工作回路直接切换的时候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，本发明实施例提供一种永磁同步电机的控制方法，其中该永磁同步电机基于单电流环输入来启动，其特征在于，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所述假定旋转坐标系的假定角度，其中在所述启动阶段保持所述单电流环输入所对应的电压矢量幅值相对于所述转子的转速的比值恒定；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，判断第一角度差值符合预设的角度差阈值范围的第一持续时间是否大于预设的第一时间阈值；如果所述第一持续时间大于所述第一时间阈值，则将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。

可选的，所述将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态包括：取消所述假定旋转坐标系对所述永磁同步电机的作用并获取所述转子的转速；基于所获取的所述转速来设置所述永磁同步电机的参考交轴输入，以将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。

可选的，所述将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态包括：将所述假定角度的直轴分量设置为所述永磁同步电机的参考直轴输入，并随后执行以下中的至少一者：利用mtpa控制器来控制调整所述参考直轴输入、将所述参考直轴输入逐渐降低为0。

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/或判断所述第二角度差值在所述角度差阈值范围内的第二持续时间是否大于所述时间阈值时；如果所述第二角度差值仍不在所述角度差阈值范围内、和/或所述第二持续时间不大于所述时间阈值，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，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来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以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，所述调整所述单电流环输入包括：通过控制电流矢量分配角在所述假定旋转坐标系的假定直轴和假定交轴上的投射来增大所述假定直轴电流分量和/或降低所述假定交轴电流分量。

可选的，所述获取所述转子的关于实际旋转坐标系的实际角度包括：通过位置估计器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。

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，其中该永磁同步电机基于单电流环输入来启动，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所述假定旋转坐标系的假定角度，其中在所述启动阶段保持所述单电流环输入所对应的电压矢量幅值相对于所述转子的转速的比值恒定；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；时间判断单元，用于当所述第一角度差值在所述角度差阈值范围内时，判断第一角度差值符合预设的角度差阈值范围的第一持续时间是否大于预设的第一时间阈值；闭环切入单元，用于如果所述第一持续时间大于所述第一时间阈值，则将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。

可选的，所述闭环切入单元包括：假定取消模块，用于取消所述假定旋转坐标系对所述永磁同步电机的作用；转速获取模块，用于获取所述转子的转速；闭环设置模块，用于基于所获取的所述转速来设置所述永磁同步电机的参考交轴输入，以将所述永磁同步电机切换至闭环控制状态。

可选的，所述闭环切入单元用于将所述假定角度的直轴分量设置为所述永磁同步电机的参考直轴输入，并随后执行以下中的至少一者：利用mtpa控制器来控制调整所述参考直轴输入、将所述参考直轴输入逐渐降低为0。

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，则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/或判断所述第二角度差值在所述角度差阈值范围内的第二持续时间是否大于所述时间阈值时；统计模块，用于如果所述第二角度差值仍不在所述角度差阈值范围内、和/或所述第二持续时间不大于所述时间阈值，则迭代统计所述闭环切入判定步骤的执行次数；故障分析模块，用于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，所述系统还包括：角度差调整单元，用于如果所述第一角度差值不在所述角度差阈值范围内，通过调整所述单电流环输入来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，所述角度差调整单元用于通过控制电流矢量分配角在所述假定旋转坐标系的假定直轴和假定交轴上的投射来调整所述单电流环输入。

可选的，所述实际角度获取单元包括位置估计器。

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，按照单电流环输入所对应的电压矢量幅值相对于转子的转速的比值恒定的方式启动永磁同步电机，能把转子平滑过渡到目标切换速度，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，如果在第一时间的第一角度差在角度阈值范围内时，继续判断第一角度差值符合预设的角度差阈值范围的第一持续时间是否大于预设的第一时间阈值，并仅在第一持续时间大于第一时间阈值的情况下，才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闭环切入时刻所估算的转子位置的稳定性，能解决因启动阶段的电机负载过大或变化而导致所估算的转子位置的波动和不稳定的问题，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是电机控制系统在实施本发明实施例的永磁同步电机的控制方法时的原理架构示意图；

图4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。

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时间判断单元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：基于单电流环输入来启动转子，其中在启动阶段保持单电流环输入所对应的电压矢量幅值相对于转子的转速的比值恒定；

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。

进一步地，在步骤101实施的过程中，可以是在启动的过程中，保持电压矢量幅值vs和转速给定f^*的比值恒定并限制电压适量幅值的最小值为vsmin。如图3所示，在步骤101的实施阶段，逻辑开关处于101-106处，此时常规矢量控制的d^*轴电流环和速度环pi控制器开路，仅保留q^*轴电流pi控制器，其给定为根据工况设置的一常数，其输出为q^*轴电压给定vq^*。d^*轴电压给定保证合成电压矢量的幅值为vs，且正比于频率给定。需说明的是，此时闭环位置估计器并行工作，但其输出的估计位置和转速不参与闭环。

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：当第一角度差值在角度差阈值范围内时，判断第一角度差值在角度差阈值范围内的第一持续时间是否大于时间阈值；

可以理解的是，该角度差阈值范围和时间阈值都可以是预设定的，例如经过多次参照实验所确定的。

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来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：如果第一持续时间大于时间阈值，则将永磁同步电机切换至闭环控制状态。

需要说明的是，本发申请的发明人在实践本申请的过程中发现：利用假定坐标系去贴近实际坐标系以估计转子的实际位置，也就是缩小实际旋转坐标系和假定旋转坐标系之间的夹角；可能在某一时间点该夹角较小，例如为0或接近于0，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所估计的假定旋转坐标系的角度可能会存在浮动，甚至有可能会存在较大的浮动。在一些情况下，从电机启动开始转子的速度开始逐渐上升，导致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，并还可能是与永磁同步电机的内部结构本身的配置相关。

关于步骤107更具体的执行，可以是取消假定旋转坐标系对永磁同步电机的作用并获取转子的转速；基于所获取的转速来设置永磁同步电机的参考交轴输入，以将永磁同步电机切换至闭环控制状态。更具体地，如图3所示，该闭环切换策略可以触发开关由开环启动阶段(步骤101-106)向闭环控制阶段(步骤107)过渡的时候进行切换。在步骤107所实施的阶段，如图3所示，q轴电流的给定可以改由闭环速度系统的速度调节器来提供，而d轴电流给定可以等于切换瞬间d^*轴电流的给定值，并在闭环过渡阶段逐渐减小至零并保持，或者改为mtpa控制器提供，由此来完成切换过程。

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。

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：基于单电流环输入来启动转子，其中在启动阶段保持单电流环输入所对应的电压矢量幅值相对于转子的转速的比值恒定；

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：执行以下闭环切入判定步骤：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/或判断第二角度差值在角度差阈值范围内的第二持续时间是否大于时间阈值；

步骤207：如果第二角度差值仍不在角度差阈值范围内、和/或第二持续时间不大于时间阈值，则迭代统计闭环切入判定步骤的执行次数；

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：vs/f启动，转速给定为斜坡信号，经积分产生假定坐标系dq^*的给定位置角θ^*，在启动过程中保持电压矢量幅值vs和转速给定f^*比恒定并限制其最小值为vsmin。由此，可以保障单电阻采样所需的占空比得到有效保障。

此时，常规矢量控制的d^*轴电流环和速度环pi控制器开路，仅保留q^*轴电流pi控制器，其给定为根据工况设置的一常数，其输出为q^*轴电压给定vq^*。d^*轴电压给定保证合成电压矢量的幅值为vs，且正比于频率给定。需说明的是，此时闭环位置估计器并行工作，但其输出的估计位置和转速不参与闭环。

由此，随着给定转速的升高，驱动电机加速旋转，牵引转子平滑启动至目标切换速度fthr，使得在开环启动瞬间的电流基本无冲击。

步骤302：角度调整，电机加速至预设的频率fthr后，检查dq^*坐标系的角度θ^*与闭环位置估计器输出的dq坐标系θ之间的夹角δθ。

更具体地，如果δθ＞θthr则减小q^*轴电流给定，此时由于vs被限定在与频率对应的一固定值上，d^*轴上的电压、电流将增加。如果δθ＜-θthr则增加q^*轴给定，d^*轴上的电压将减小。改变q^*轴电流给定后破坏了原有的运动方程平衡状态，转矩-功角自动调整到新的平衡状态，使假定坐标系和实际坐标系之间存在的角度差减小到θthr以内。

步骤303：判定阶段，通过对比δθ和θthd，判断闭环切入的条件是否满足以及位置估计器是否能够较为精确地观测转子位置与转速。如果δθ绝对值维持tthd1时间小于θthd，则判定条件满足，否则继续判定。

步骤304：切入闭环，切换瞬间，矢量控制切入基于闭环位置估计器输出角的坐标系，q轴电流的给定由速度调节器提供，d轴电流给定为零或者mtpa控制器的输出值。

步骤305：如果大于tthd2时间未满足条件，则增加vs/f比重新开始启动过程。如果连续三次重启均未能判定条件满足，则显示故障。可以理解的是，该三次仅用作示例，但并不用作对本实施例范围的限定。

通过该实施例方法的实施，可以提供了一种可实现无位置传感器启动及平滑切换的永磁同步电机启动方法，并由此克服相关技术中永磁同步电机在无位置传感器条件下带载启动困难和开闭环切换不平滑的不足，能够有效减小电流在切换闭环时的冲击，增大电机成功启动的几率。

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启动，该系统包括假定角度确定单元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、时间判断单元405和闭环切入单元406，其中假定角度确定单元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；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；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；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；时间判断单元405可以用于当第一角度差值在角度差阈值范围内时，判断第一角度差值符合角度差阈值范围的第一持续时间是否大于时间阈值；闭环切入单元406可以用于如果第一持续时间大于时间阈值，则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。