一种永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制方法与流程

本发明涉及永磁同步电机控制领域，尤其是一种永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制方法。

背景技术：

永磁同步电机采用永磁体代替励磁绕组，其功率密度高、转矩惯量比大、效率高等优点，因此在伺服系统、家用电器、电动汽车等多个领域内得到广泛应用。永磁同步电机矢量控制需要转子位置信息进行坐标变换，传统方法采用机械式位置传感器来获取转子位置，导致电机成本增加、体积重量增大等问题。目前，考虑到电机的通配性，全转速范围的永磁同步电机无位置传感器控制方案往往采用恒电流变频(i/f)方式启动，再切换至无位置传感器闭环控制。但是这些方案仅考虑了电机在一个方向上加减速，并未考虑其正反转切换问题。因此，实现永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制在实际中具有一定应用价值。

技术实现要素：

为了克服已有技术无法实现永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制的不足，本发明提供一种可实现正反两个方向旋转的永磁同步电机全程无位置传感器控制方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制方法，所述方法包括以下步骤：

1).i/f启动控制策略，产生一个频率逐渐增大而幅值跟随给定值的旋转电流矢量，分为预定位阶段和加速启动阶段：

1.1).预定位阶段给交轴一个幅值足够大的电流，而直轴电流给定为零，给定位置为270度，将转子北极定位于α轴；

1.2).预定位阶段结束即进入加速启动阶段，将给定q*轴重合于d轴，这样就使得给定的d-q坐标系滞后于实际的d-q坐标系90°电角度，保证启动瞬间电磁转矩为零，然后随着给定d-q坐标系的旋转，电磁转矩逐渐增加，根据“转矩-功角自平衡”特性，功角.会稳定在一个固定值；

2).转子位置估计采用龙伯格状态观测器，在旋转估计d-q轴坐标系上，状态方程表示为：

式中，各变量定义为

龙伯格状态观测器利用反馈使估计的误差逼近到零，观测器具有以下形式

式中，l为反馈增益矩阵，具有如下形式

而误差具体形式如下

其中，矩阵(a-lc)的特征值对应于龙伯格状态观测器的带宽，因此，根据下式进行极点配置对龙伯格状态观测器的带宽进行设置，如下

式中，ωo为观测器带宽，ζ为阻尼系数，s为复变量，若要使系统稳定，所配置的极点均要为负值，即特征方程的根均在复平面的左半部；

l确定为下式：

根据经验公式，ωo设置为锁相环频宽的10倍，锁相环的频宽设为速度环频宽的10倍，阻尼系数

位置估计误差与估计的反电动势存在如下关系

若使则使为零；

3).切换策略包括电流切换和位置切换，过程如下：

3.1).电流切换：当转速被i/f启动拖至一定范围时，龙伯格状态观测器已经能够对转子位置进行较为准确的估算时，将i/f启动方式切换至龙伯格状态观测器估计方式；当根据“转矩-功角自平衡”特性，当q轴给定电流减小时，功角δ变大，估计位置会逐渐逼近实际位置，因此阶段减小q轴给定电流

3.2).位置切换：当减小至位置误差小于指定的阈值θth时，用龙伯格状态观测器估计出来的位置信号代替给定位置并进入闭环控制。

进一步有，所述步骤3.1)中，采用pi调节器减小q轴给定电流，确保电流较大时快速减小保证快速性，电流较小时以较小速率减小保证平滑不抖动；

所述减速控制策略分为闭环减速、减速切换和半闭环减速，其中闭环减速阶段给定转速逐渐减小；半闭环减速过程给定转速为零，进行转速半闭环而电流闭环减速；而对于减速过程中的切换阶段，则是首先将给定位置代替估计位置，为了保证切换的平滑，需要将上一时刻的估计位置赋值给给定位置的初值，给定位置在此基础上开始变化。之后，将q轴给定电流逐渐增大，将给定位置与实际位置之间的功角拉开，逐渐减速至零。

再进一步，所述方法还包括以下步骤：

4).反转控制策略与正转基本对称，也分为启动、切换以及加速过程；当满足减速条件时，进行减速，减速过程分为闭环减速以及半闭环减速；当减速至某个转速时，从闭环减速切换至半闭环减速，减速至零时进入过零速切换阶段；所述过零速切换将给定转速取负值，q轴给定电流取反，对电流环积分项清零，并将给定位置前移180°，采用位置信息并进行1ms的延迟，以保证切换过程完全完成。

本发明的技术构思为：低速阶段采用i/f半闭环启动，中高速阶段采用龙伯格状态观测器闭环控制，龙伯格状态观测器是基于估计的旋转坐标系建立的，既可以应用于表贴式永磁同步电机也可以应用于内嵌式永磁同步电机。i/f启动和无位置传感器闭环控制之间加入平滑切换策略，保证切换过程快速且无抖动。当电机运行在无位置传感器闭环控制的状态下时，若满足减速条件(减速键被按下)，则进入减速阶段。减速过程分为闭环和半闭环减速两个阶段，同样地，在闭环和半闭环之间设计切换过程。减速至零后进行转速过零过渡过程，保证顺利进入反转阶段，反转阶段和正转基本对称。将给定转速取负值，q轴给定电流取反，对电流环积分项清零，并将给定位置前移180°，采用位置信息并进行1ms的延迟，以保证切换过程完全完成。

对永磁同步电机进行全程无位置传感器控制，要解决的技术问题是：i/f启动阶段切换至龙伯格状态观测器过程中pi调节器的加入，设置合理的参数，保证快速而平滑地进行切换。龙伯格状态观测器基于估计的旋转坐标系建立的，估计的转速进行滤波达到较好的估计效果。缩短过零速调节时间，使得电机能较快进入反转阶段。

本发明的有益效果主要表现在：

(1)龙伯格状态观测器建立在估计的旋转参考坐标系，可以适合内嵌式永磁同步电机；

(2)实现了正反两个方向运行以及正反转之间的快速切换；

(3)计算量小，易于实现，很好地体现了新理论的工程化与实用化。

附图说明

图1是永磁同步电机全程无位置传感器控制结构框图。

图2是切换策略中q轴给定电流控制示意图。

图3是实际d-q轴和估计d-q轴示意图。

图4是本发明的锁相环转子转速与位置估算方框图。

图5是空载情况下永磁同步电机实际位置、估计位置以及相电流波形。

图6是额定负载情况下永磁同步电机实际位置、估计位置以及相电流波形。

图7是永磁同步电机加速和突加突减负载的动态性能波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1～图7，一种永磁同步电机可正反转调速的无位置传感器控制方法，包括以下步骤：

1).i/f启动控制策略，其核心是产生一个频率逐渐增大而幅值跟随给定值的旋转电流矢量，分为预定位阶段和加速启动阶段：

1.1).预定位阶段给交轴(quardrature-axis，q-axis)一个幅值足够大的电流，而直轴(direct-axis，d-axis)电流给定为零，给定位置为270度(全文都为电气角度)。这样，可以将转子北极(northpole)定位于α轴。需要注意的是，定位需要持续一段时间，以保证定位成功。由于采用电流闭环预定位，可以提高系统定位阶段系统可靠性。

1.2).预定位阶段结束即进入加速启动阶段，将给定q*轴重合于d轴，这样就使得给定的d-q坐标系滞后于实际的d-q坐标系90°电角度，保证启动瞬间电磁转矩为零，然后随着给定d-q坐标系的旋转，电磁转矩逐渐增加。根据“转矩-功角自平衡”特性，功角.会稳定在一个固定值。

2).转子位置估计采用龙伯格状态观测器，在旋转估计d-q轴坐标系上，状态方程可表示为

式中，各变量定义为

龙伯格状态观测器利用反馈使估计的误差逼近到零，观测器具有以下形式

式中，l为反馈增益矩阵，具有如下形式

而误差具体形式如下

其中，矩阵(a-lc)的特征值对应于龙伯格状态观测器的带宽，因此，可以根据下式进行极点配置对龙伯格状态观测器的带宽进行设置，如下

式中，ωo为观测器带宽，ζ为阻尼系数，s为复变量。这里，若要使系统稳定，所配置的极点均要为负值，即特征方程的根均在复平面的左半部。

d-q轴可以进行动态解耦，因此，说明估计的反电动势也可以解耦，即仅依赖于相应地，仅依赖于另外，需要考虑电气时间常数的影响，在l中配置好相应的系数，将这些影响抵消。因此，l可以确定为下式

根据经验公式，ωo即可设置为锁相环频宽的10倍，锁相环的频宽设为速度环频宽的10倍，阻尼系数

位置估计误差与估计的反电动势存在如下关系

若使则可以使为零。

3).切换策略主要包括电流切换和位置切换：

3.1).电流切换：当转速被i/f启动拖至一定范围时，龙伯格状态观测器已经可以对转子位置进行较为准确的估算时，将i/f启动方式切换至龙伯格状态观测器估计方式。当根据“转矩-功角自平衡”特性，当q轴给定电流减小时，功角δ变大，估计位置会逐渐逼近实际位置，因此阶段减小q轴给定电流

3.2)位置切换：当减小至位置误差小于指定的阈值θth时，用龙伯格状态观测器估计出来的位置信号代替给定位置并进入闭环控制。

本发明采用pi调节器减小q轴给定电流，确保电流较大时快速减小保证快速性，电流较小时以较小速率减小保证平滑不抖动。

所述减速控制策略分为闭环减速、减速切换和半闭环减速。其中闭环减速阶段给定转速逐渐减小；半闭环减速过程给定转速为零，进行转速半闭环而电流闭环减速。而对于减速过程中的切换阶段，则是首先将给定位置代替估计位置，在此值得注意的是，为了保证切换的平滑，需要将上一时刻的估计位置赋值给给定位置的初值，给定位置在此基础上开始变化。之后，将q轴给定电流逐渐增大，将给定位置与实际位置之间的功角拉开，逐渐减速至零。

4).该控制方法中的反转控制策略与正转基本对称，也分为启动、切换以及加速等过程。当满足减速条件时(减速按键被按下时)，进行减速，减速过程分为闭环减速以及半闭环减速。与加速阶段对称，即当减速至某个转速时，从闭环减速切换至半闭环减速。减速至零时进入过零速切换阶段。所述过零速切换将给定转速取负值，q轴给定电流取反，对电流环积分项清零，并将给定位置前移180°，采用位置信息并进行1ms的延迟，以保证切换过程完全完成。

参照图1，本发明所设计的永磁同步电机全程无位置传感器控制系统包括i/f启动控制模块、龙伯格状态观测器速度与位置估计模块以及切换模块组成。所述i/f启动模块将电机拖至一定转速切换至无位置传感器闭环控制。

参照图3，pi调节器给定为0，反馈为位置误差，用q轴电流给定初值减去此pi调节器的输出，保证在开始阶段电流快速减小，而结束阶段电流减小速度变慢以确保平滑切换。

参照图3实际和估计旋转坐标系的几何关系，估计的反电动势为

当位置误差为0的时候，d轴上的反电动势为0，q轴上的反电动势为ωeψf。记估计的角度为可得坐标系下的电压方程为

式中ex为扩展反电动势幅值，公式(8)整理可得

既不是状态变量，也不是系统的输入，因此无法构建状态空间模型。然而，因为实际的控制器开关周期远远小于机械周期，即采样周期远远小于机械时间常数，因此可以假设每个开关周期中电机的速度和位置保持基本不变，即

因此可以将作为状态变量方便地构建出新的状态空间模型如公式(1)，设计出的龙伯格状态观测器可以估计出锁相环根据可以得到比较准确的估计的位置。

参考图4，用一个pi控制器将转子d轴的反电动势控制为零，利用此锁相环来估计电机转子的速度，再对速度进行积分得到电机的估算位置。由图4可求得其传递函数为：

其中，kp和ki为锁相环转子位置估算比例增益和积分增益，可得特征参数：

其中，ωt为锁相环转子位置估计的频宽，由式(11)和(12)易得