本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，尤其是涉及一种永磁同步电机启动控制过程的基于假定旋转坐标法的速度、电流双闭环控制方法。
背景技术
永磁同步电机具有体积小、功率密度大、效率高、结构简单、噪音低以及动态响应快等优点，已经在电动汽车、空调压缩机、电梯、抽油机等领域获得了广泛的应用。通常情况下，永磁电机通过编码器反馈获得速度信号后进行闭环控制。然而在很多应用场合下，如风机、水泵、空调压缩机等，编码器不仅增加了安装、维护成本，也使驱动系统易受外界环境干扰，降低了系统的可靠性。为了提高运行效率，降低运营成本，增强在特殊工况下的可靠性，采用无位置传感器开环矢量控制方式的驱动系统是永磁电机控制技术发展的主流趋势。
目前，基于永磁同步电机的无速度控制算法研究主要集中在三大类：(1)基于电机本体特性的方法，如凸极效应；(2)基于电机反电动势的估算方法；(3)基于状态观测器、滑模观测器、卡尔曼滤波器的估算方法。利用反电动势的估算方法实现较为简单，有直接计算法和假定旋转坐标法等；由假定旋转坐标法进行转速估算的永磁同步电机矢量控制框图如图1所示，图1中转速估算部分是无传感器矢量控制系统的核心，它由两部分组成，第一部分是由电机反电动势计算而来，第二部分由自适应pi控制器输出，两部分相加获得电机同步转速的估计值，整个控制系统采用速度、电流双闭环的工作模式，其中速度环输出作为转矩电流的给定值，励磁电流给定值为零，两个电流环输出即为电压矢量值，经空间矢量发生器后获得三相全桥的驱动信号用于控制功率器件；这类方法在电动机高速运行时非常有效，而当电机低速或零速启动时由于反电动势太小会造成很大的误差，严重时无法正常旋转。而利用电机凸极效应估算转子位置的方法，如高频注入法，一般用于低速或零速启动，高速时由于注入的高频信号较高，很难用数字控制器来实现；另外这种算法原理上是利用电机交直轴电感的不对称来获得位置信号，因此依赖电机结构参数，不具备普适性。基于各种观测器的估测算法具有较好的鲁棒性，同时适用于高低速，但实时计算量大，对微处理器性能的依赖程度高，动态响应速度要差于前两者。
综上所述，虽然众多专家学者提出了大量的无传感器控制算法，但每种算法都存在一定的局限性。要在全速度范围内实现开环矢量控制需要结合两种或以上的控制策略，由此带来的问题是如何在算法之间实现平稳的切换。实际产品应用中，通常的做法是通过开环控制将电机拖动到一定速度后，再采用反电动势估计的方法获得速度和位置信号。但需要考虑的是在这两种控制方式切换时，如何实现平稳的转矩过渡，速度控制不能出现突变。本发明专利在全速范围内采用假定旋转坐标法，对其启动过程和低速区域内运行采用特殊化处理，省去了两种控制算法的切换问题，使得电机平滑启动，全程采用速度、电流双闭环的控制策略。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是提供一种无需控制算法的切换过程就可实现电机的平滑启动的基于假定旋转坐标法的永磁同步电机启动控制方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种基于假定旋转坐标法的永磁同步电机启动控制方法，具体包括以下步骤：
s1、参数初始化，设置控制参数初档切换速度ω0、一档切换速度ω1、二档切换速度ω2、三档切换速度ω3、启动速度ωs0s*、停机速度ωs0e*、自适应误差pi环输出限幅值a0和预设励磁电流量isd0*及其与额定电流的比值k；
s2、收到启动命令后，给定速度ωs*设定为启动速度ωs0s*，
s3、根据给定速度ωs*，后续按永磁同步电机速度曲线执行加速过程；
s4、根据给定速度ωs*，设置励磁电流isd*；
s5、根据速度反馈值和电流反馈值进行速度、电流双闭环运算，获得dq轴输出电压矢量usd、usq；
s6、按转速估计修正量限幅值调整方法计算出限幅值a；
s7、根据步骤s6获得的限幅值a，按假定旋转坐标法计算出速度估计量ωs；
s8、根据步骤s7的速度估计量ωs，判断是否还处于加速过程中，如果是，则给定速度ωs*设定为速度估计量ωs，跳到步骤s3继续循环；如果不是，则结束整个启动过程，进入运算控制过程。
作为优选，步骤s6的转速估计修正量限幅值调整方法具体为在每个控制算法的执行周期ts中下列步骤执行一次循环：
a1、判断是否处于启动加速过程中，如是则进入步骤a2，如不是则跳到步骤a7；
a2、计算获得由电压矢量幅值估计的电机转速ωe'，
a3、根据设定的二档切换速度ω2和三档切换速度ω3，当给定速度ωs*小于ω2时，执行步骤a4；当给定速度ωs*大于等于ω2且小于等于ω3时，执行步骤a5；当给定速度ωs*大于ω3时，执行步骤a6；
a4、将给定转速ωs*和步骤a2计算出的估计转速ωe'进行pi调节器获得误差限幅值a，a＝kep·(ωs*-ωe')+kei·∫(ωs*-ωe')dt；其中kep、kei分别是pi调节器的比例系数和积分系数，将计算结果更新到限幅器，然后跳到步骤a7；
a5、根据a＝kep·(ωs*-ωe')+kei·∫(ωs*-ωe')dt最后一次计算获得的ae值，通过a＝ae+(a0-ae)×(ωs*-ω2)/(ω3-ω2)获得实际的限幅值a，并将计算结果更新到限幅器，然后跳到步骤a7；
a6、将a＝a0，限幅器不再进行幅值调节，然后跳到步骤a7；
a7、结束转速估计修正量调节。
作为优选，执行周期ts＝166us。
作为优选，步骤s4中，励磁电流的设置具体为：
作为优选，启动速度ωs0s*＝0.05ωrate，停机速度ωs0e*＝0.4ωrate，初档切换速度ω0＝0.1ωrate，一档切换速度ω1＝0.2ωrate，二档切换速度ω2＝0.25ωrate，三档切换速度ω3＝0.3ωrate，ωrate为额定速度，k＝0.1，自适应误差pi环输出限幅值a0为30％～50％额定速度。
与现有技术相比，本发明的优点在于考虑到电机刚启动，内部温度还没有变化，此时电机反电动势常数仍为设计值，在空载启动时电压矢量的幅值与电机的转速几乎成正比，利用这点来对假定旋转坐标法中的转速估计修正量限幅值进行调整，从而无需两种控制算法的切换过程就可在采用速度、电流双闭环的算法控制中实现永磁同步电机的无速度平滑启动；另外在启动过程中通过对励磁电流的控制，可以提高速度控制精度，改善系统性能，进而确保永磁同步电机在启动过程中相电流、转子位置无任何突变，使得转速无任何抖动。
附图说明
图1为现有技术由假定旋转坐标法进行转速估算的永磁同步电机矢量控制框图。
图2为本发明基于假定旋转坐标法进行转速估算的永磁同步电机矢量控制框图。
图3为本发明永磁同步电机速度曲线图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
本优选实施例为一种基于假定旋转坐标法的永磁同步电机启动控制方法，具体包括以下步骤：
s1、参数初始化，设置控制参数初档切换速度ω0、一档切换速度ω1、二档切换速度ω2、三档切换速度ω3、启动速度ωs0s*、停机速度ωs0e*、自适应误差pi环输出限幅值a0和预设励磁电流量isd0*及其与额定电流的比值k；
s2、收到启动命令后，给定速度ωs*设定为启动速度ωs0s*，
s3、根据给定速度ωs*，后续按图(3)所示永磁同步电机速度曲线执行加速过程；
s4、根据给定速度ωs*，设置励磁电流isd*；
s5、根据速度反馈值和电流反馈值进行速度、电流双闭环运算，获得dq轴输出电压矢量usd、usq；
s6、按转速估计修正量限幅值调整方法计算出限幅值a；
s7、根据步骤s6获得的限幅值a，按假定旋转坐标法计算出速度估计量ωs；
s8、根据步骤s7的速度估计量ωs，判断是否还处于加速过程中，如果是，则给定速度ωs*设定为速度估计量ωs，跳到步骤s3继续循环；如果不是，则结束整个启动过程，进入运算控制过程。其中，当ωs＜ω3时，在加速过程中。
在这里，启动速度ωs0s*＝0.05ωrate，停机速度ωs0e*＝0.4ωrate，初档切换速度ω0＝0.1ωrate，一档切换速度ω1＝0.2ωrate，二档切换速度ω2＝0.25ωrate，三档切换速度ω3＝0.3ωrate，ωrate为额定速度，k＝0.1，自适应误差pi环输出限幅值a0为30％～50％额定速度；运算控制采用hpf算法。
其中，由假定旋转坐标法进行转速估算的永磁同步电机矢量控制框图如图1所示。图中转速估算部分是无传感器矢量控制系统的核心，它由两部分组成，第一部分是由电机反电动势计算而来，第二部分由自适应pi控制器输出，两部分相加获得电机同步转速的估计值。整个控制系统采用速度、电流双闭环的工作模式，其中速度环输出作为转矩电流的给定值，励磁电流给定值为零，两个电流环输出即为电压矢量值，经空间矢量发生器后获得三相全桥的驱动信号用于控制功率器件。
图1中δusd、δusq分别表示死区补偿电压，采用励磁电流isd*＝0的控制方法。
下面简要介绍一下控制原理，式(1)是同步旋转坐标下的电机电压方程：
式(1)中isd、isq、usd、usq分别是dq轴的电流和电压矢量，r是相电阻，ld、lq分别是dq轴电感，ωs是同步转速，p是微分算子，ψr是永磁体磁链，δθs是同步旋转坐标系与转子轴的夹角(转子轴沿转向超前同步旋转坐标时为正)。理想情况下δθs＝0，此时估算的转子位置和实际转子轴对齐，式(1)可变为式(2)。
由上式获得速度的估计值ω's：
其中，实际运行时δθs并不为零，因此速度估计值存在一定的偏差，需要对其进行修正，该误差表现在d轴电压矢量如下式：
δusd＝ωs·ψr·sin(δθs)(4)
当δθs较小时，sin(δθs)≈δθs，由此可知δusd与δθs成正比，对电压误差δusd进行自适应pi调节即可获得速度估计的修正量如下：
δωs＝kωp·δusd+kωi·∫δusddt(5)
其中，kωp、kωi分别是pi调节器的比例和积分系数，用修正量δωs去调整估计转速可以使位置偏差收敛。式(5)中的电压偏差如下式：
δusd＝eref-efb＝-ωs·lq·isq+(r+ld·p)·isd-usd*(6)
其中，usd*是d轴电流环的输出值，最终可获得速度估计值ωs如下：
ωs＝ω's+sign(ωs)·δωs(7)
由于假定旋转坐标法是基于电机反电势模型建立的，当电机处于启动及低速运行时反电势较小，运算误差较大，会出现电机抖动甚至无法转动的情况。因此常规做法是通过速度开环启动，如i/f流频法等，等电机转速达到一定程度后再切入速度闭环的控制方式，上述方法涉及到两种控制方法的切换问题，需要单独考虑切换过程，设置切换程序等，如果切换不好还会发生电机转速异常波动的情况，严重者会造成电机飞车，启动失败的情况。
对比图2和图1，在图2的下虚线框中增加了对转速估计修正量限幅值的动态调节控制，这也是本发明的主要发明点所在，该转速估计修正量限幅值调整方法用于永磁电机启动加速过程中。
图1限幅值a＝a0，是一个预先设定的常数，一般是30％～50％的额定转速，当电机处于低速运行时，该常数会达到给定速度的几倍甚至更大。在电机启动过程中，由于控制系统内部的电角度和实际的电机电角度相差很大，从而由式(5)计算出来的δωs会变化非常大，进而根据式(7)计算出的速度估计值ωs也会变化很大，可能造成电机飞车或启动失败。由于在整个控制过程中，都采用了速度、电流双闭环的控制方式，控制输出的usd和usq的幅值和真实值相差不多。因此只要控制住δωs的输出量，就能完成永磁电机的平滑启动，在低速闭环控制情况下达到开环i/f法的启动效果，且省去了两种控制策略的切换过程，实现用一种控制算法完成全速范围的电机调速。考虑到电机刚启动，内部温度还没有变化，此时电机反电动势常数仍为设计值，在空载启动时电压矢量的幅值与电机的转速几乎成正比，可以利用这点来对假定旋转坐标法中的转速估计修正量限幅值进行调整，下面介绍该部分具体的转速估计修正量限幅值调整的实施方法：
在每个控制算法执行周期中下面步骤执行一次循环，这里执行周期定义为ts，例如ts＝166us。
a1、判断是否处于启动加速过程中，如是则进入步骤a2，如不是则跳到步骤a7；
a2、根据式(9)获得由电压矢量幅值估计的电机转速；
a3、根据设定的切换速度ω2和切换速度ω3，当给定速度ωs*小于ω2时，执行步骤a4；当给定速度ωs*大于等于ω2且小于等于ω3时，执行步骤a5；当给定速度ωs*大于ω3时，执行步骤a6；
a4、将给定转速ωs*和步骤a2计算出的估计转速ωe'进行pi调节器获得图2中的误差限幅值a：
a＝kep·(ωs*-ωe')+kei·∫(ωs*-ωe')dt(10)
其中，kep、kei分别是pi调节器的比例和积分系数，将计算结果更新图2中的限幅器，然后跳到步骤a7；
a5、根据最后一次式(10)计算获得的ae值，通过式(11)来获得实际的限幅值a，并将计算结果更新图2中的限幅器，然后跳到步骤a7；
a＝ae+(a0-ae)×(ωs*-ω2)/(ω3-ω2)(11)
a6、将a＝a0，限幅器不再进行幅值调节，然后跳到步骤a7；
a7、结束转速估计修正量调节。其中，当ωs*＜ω3时，在启动加速过程中。
经过上述步骤对限幅值调节后，即使在启动过程中出现控制电角度和实际电角度相差很大的情况时，也能对式(5)计算出来的δωs进行有效的限幅，防止出现速度估计值偏离实际值而造成的启动失败及飞车故障等。该启动方法与采用i/f流频法相比，具有较小的启动电流且没有两种算法的切换问题，系统本质上仍然是速度、电流双闭环的控制模式。
对比图2和图1，在图2的上虚线框中增加了对励磁电流isd*的控制。
与采用i/f流频法开环控制电机的方法相比，本专利提出的双闭环假定旋转坐标法启动电流接近于实际工况，对于风机水泵等负载特性，当电机工作在低速状态下时其电流很小，接近于零，这就给死区补偿带来了很大的难度，甚至会出现误补偿的效果。而当电机工作在低速区域时，由死区效应带来的误差电压将占据输出电压的很大一部分，对于假定旋转坐标法中通过给定输出电压量来进行电机速度的估算，因此低速区域的死区效应对速度估计误差不能忽视。这里在启动过程中设置励磁电流分量isd*来增加电机的输出电流量，进而根据三相电流过零点来进行死区补偿。具体操作如下：当给定速度ωs*小于ω0时，预设励磁电流量为k倍的额定电流，记作isd0*；当给定速度ωs*大于ω0且小于ω1时，实际的励磁电流根据下式进行调整。
isd*＝isd0*-isd0*(ωs*-ω0)/(ω1-ω0)(12)
当给定速度ωs*大于ω1时，实际的励磁电流为零。
综合上述内容，可以用式(13)来表示励磁电流控制。
由于假定旋转坐标法本质上是基于反电动势的控制方法，因此在零速或低速场合下，通过算法获得速度估计量是不准确的，虽然通过对励磁电流isd*的控制可以提高算法在低速的控制性能，但对于零速或低速区可以通过设置启动速度的方法，图3是永磁同步电机速度曲线图。
在本实施例中，电机额定转速3600rpm，额定电流20a，额定电压157v，额定频率180hz，电机调速范围1800～5400rpm。
本发明的有益效果是：在无速度永磁同步电机的启动过程中，采用速度、电流双闭环控制，没有两种控制算法的切换过程，只需对速度估计修正量的输出限幅值进行调整即可实现电机的平滑启动。另外在启动过程中通过对励磁电流的控制，可以提高速度控制精度，改善系统性能，进而确保永磁同步电机在启动过程中相电流、转子位置无任何突变，使得转速无任何抖动。