阅读说明：本技术 一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法 (method for improving sensorless control starting performance of permanent magnet synchronous motor ) 是由 童怀 陈新度 黄运保 李志忠 黄国宏 于 2019-07-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法,该方法根据开环运行模式下主动旋转磁场的位置角与估算转子位置角的差值大小判断开环运行模式绕组相电流峰值的取值是否与负载大小相匹配,在不匹配时通过重新调整电机绕组相电流峰值大小,直至匹配。本发明方法可以避免负载过重时电机绕组相电流峰值取值偏小,开环起动力矩偏小导致的起动失败；也可以避免负载过轻时,相电流峰值取值过大,开环起动力矩偏大、能量过冲,引起位置开环切入位置闭环阶段转子位置估算的算法不收敛,最终导致起动失败的问题。(The invention discloses a method for improving the starting performance of a permanent magnet synchronous motor without a position sensor, which judges whether the value of the phase current peak value of a winding in an open-loop operation mode is matched with the load according to the difference value of the position angle of an active rotating magnetic field and the position angle of an estimated rotor in the open-loop operation mode, and readjusts the phase current peak value of the winding of the motor until the phase current peak value is matched when the phase current peak value of the winding is not matched. The method can avoid the starting failure caused by the small open-loop starting moment due to the small peak value of the phase current of the motor winding when the load is overweight; the problem that the algorithm for estimating the position of the rotor at the position open-loop cut-in position closed-loop stage is not converged and finally the starting failure is caused due to overlarge phase current peak value, large open-loop starting torque and energy overshoot when the load is too light can be solved.)

一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高、调速范围宽等优点，目前已被广泛应用于工业控制、家电等领域。永磁同步电机无位置传感器控制技术可降低硬件成本、提高系统可靠性，近年来已经成为电机控制领域一个非常重要的研究方向，例如在变频空调压缩机内，永磁同步电机处于高温、高压、密闭的环境，无法安装转子位置传感器，就非常适合采用无位置传感器控制方案。由于永磁同步电机静止或低速时电机的转子位置角很难准确估算，转子位置估算误差对永磁同步电机的起动能力有很大的影响，因此提高起动能力的研究在永磁同步电机无位置传感器控制方案中非常关键。为了解决静止时电机的转子位置角的估算问题，贾洪平等人在《中国电机工程学报》(VOL.27,NO.15)上提出了一种基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测方法，高频注入法可以准确检测静止情况下的转子位置角，从而提高电机的起动能力，但这种方法存在的算法执行时间长、实施过程复杂等缺点。

现有变频空调压缩机广泛采用的永磁同步电机无位置传感器控制技术，很多采用先开环自同步运行然后切换到转子位置闭环的起动模式，这种起动方案算法执行时间短、容易工程化实施，但起动能力不如高频注入法，当负载较重时容易出现起动失败。

发明内容

针对现有技术所存在的问题，本发明的目的是提供一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法。

为了实现上述任务，本发明采用以下技术方案：

一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法，包括以下步骤：

设定电机绕组相电流峰值和开环运行频率，在电机绕组中产生三相正弦波电流从而形成主动旋转磁场，使永磁同步电机工作在开环运行模式；建立实际旋转坐标系下的定子电压的方程，以及与实际旋转坐标系存在夹角为时的期望旋转坐标系下定子电压的方程；计算期望旋转坐标系下电流与实际旋转坐标系下的电流差值，根据电流差值，推算出电机反电动势，然后估算电机转子位置角；计算开环运行模式下主动旋转磁场的位置角，从而得到该位置角与估算电机转子位置角的差值；

根据所述差值的大小，判断电机绕组相电流峰值的取值是否与负载大小相匹配，如匹配，则切入位置闭环运行模式；如不匹配，则重新调整电机绕组相电流峰值大小，直至匹配；切入位置闭环运行模式后，进行无位置传感器控制的永磁同步电机的调速运行。

进一步地，所述的判断电机绕组相电流峰值的取值是否与负载大小相匹配，包括：

记θ_err表示所述的差值，I_p0表示电机绕组相电流峰值，则：

若5°＜|θ_err|＜10°，表明I_p0的取值合理，此时相匹配；若|θ_err|＞10°或|θ_err|＜5°，则表明I_p0的取值合理不合理，此时不匹配。

进一步地，所述的重新调整电机绕组相电流峰值大小，包括：

若|θ_err|＞10°，表明当前起动负载重而I_p0的取值偏小，则将I_p0取值增大1A；若|θ_err|＜5°，表明当前起动负载轻而I_p0的取值偏大，则将I_p0取值减小1A。

本发明具有以下技术特点：

本发明根据开环运行模式下主动旋转磁场的位置角与估算转子位置角的差值大小判断开环运行模式绕组相电流峰值I_p0的取值是否与负载大小相匹配，可以避免负载过重时I_p0取值偏小，开环起动力矩偏小导致的起动失败；也可以避免负载过轻时I_p0取值偏大，开环起动力矩偏大、能量过冲，从位置开环切入位置闭环阶段能量过冲引起转子位置估算的算法不收敛，导致的起动失败；通过I_p0的在线调整可以提高永磁同步电机的起动特性。

附图说明

图1为永磁同步电机无位置传感器矢量控制系统框图；

图2为γδ假定坐标系和dq坐标系；

图3为I_p0的取值合理起动成功的实验波形；

图4为I_p0的取值过大导致起动失败的实验波形。

具体实施方式

如图1至图4所示，本发明公开一种提高永磁同步电机无位置传感器控制起动性能的方法，包括以下步骤：

步骤1，设定电机绕组相电流峰值I_p0和开环运行频率ω₀，在电机绕组中产生三相正弦波电流从而形成主动旋转磁场，此时永磁同步电机工作在开环同步运行模式；

其中，所述的在永磁同步电机绕组中产生三相正弦波电流，表示为：

上式中，I_U,I_V,I_W分别为电机绕组三相正弦波电流，I_p0为设定的电机绕组相电流峰值，f₀为开环运行频率，t为时间参数。

步骤2，建立实际旋转坐标系下的定子电压的方程；

本方案中，在dp坐标系下的定子电压方程，表示为：

上式中，u_d、u_q分别为定子绕组的d、q轴电压；i_d、i_q分别为定子绕组的d、q轴电流；R_s为定子电阻；L_d、L_q分别为d、q轴电感；e为电机反电动势；ω为dq坐标系的旋转角速度；p为微分算子，p＝d/dt；

步骤3，建立与实际旋转坐标系存在夹角为Δθ时的期望旋转坐标系下定子电压的方程；

该步骤中，所述的期望旋转坐标系为γδ估算坐标系，该坐标系下定子的电压方程为：

上式中，u_γ、u_δ分别为γδ估算坐标系中γ、δ轴定子电压分量，i_γ、i_δ分别为γ、δ轴定子电流分量，ω_M为γδ估算坐标系的旋转角速度，p为微分算子；Δθ为γδ估算坐标系与dq坐标系的夹角，即位置角估算误差；

步骤4，计算期望旋转坐标系下电流与实际旋转坐标系下的电流差值；

步骤4.1，计算采样点(n+1)处电机的实际电流i_γ(n+1)、i_δ(n+1)：

上式中，T为离散点的采样时间，i_γ(n)、i_δ(n)为采样点(n)处电机γ、δ轴定子的实际电流，u_γ(n)、u_δ(n)为采样点(n)处电机γ、δ轴定子的实际电压；ω_M(n)为期望旋转坐标系下采样点(n)处的旋转角速度。

步骤4.2，计算采样点(n+1)处的估算电流i_Mγ(n+1)、i_Mδ(n+1)：

上式中，e_M表示电机反电动势；

步骤4.3，计算采样点(n+1)处γ、δ轴估算电流误差Δi_γ(n+1)、Δi_δ(n+1)：

估算电流误差Δi_γ(n+1)、Δi_δ(n+1)即为期望旋转坐标系下电流与实际旋转坐标系下的电流差值。

步骤5，根据所述的电流差值推算出电机反电动势

e_M(n+1)＝e_M(n)-K_δΔi_δ(n+1)

上式中，e_M(n+1)、e_M(n)分别为采样点(n+1)、采样点(n)处的电机反电动势，Δi_δ(n+1)为采样点(n+1)处的δ轴电流误差，K_δ为反电势估算系数；

步骤6，根据推算出的电机反电动势估算电机转子位置角θ_M

上式中，θ_M(n+1)、θ_M(n)分别为采样点(n+1)、采样点(n)处的电机转子位置角，Δi_γ(n+1)为采样点(n+1)处的γ轴电流差值，T为采样的时间间隔，K_E为电机反电势系数，K_θ为转子位置角补偿系数；

步骤7，计算开环同步运行模式下主动旋转磁场的位置角θ₀，并计算θ₀与估算电机转子位置角θ_M的差值，即θ_err＝θ₀-θ_M；

步骤8，根据所述差值θ_err的大小，判断电机绕组相电流峰值I_p0的取值是否与负载大小相匹配；若θ_err的大小在合理区间内，表明I_p0的取值合理，则执行步骤9切入位置闭环运行模式；若θ_err的大小不在合理区间内，表明I_p0的取值偏大或偏小，则返回步骤1修改I_p0的取值；

其中，根据所述差值θ_err的大小，判断电机绕组相电流峰值I_p0的取值是否与负载大小相匹配，包括：

(1)若5°＜|θ_err|＜10°，表明I_p0的取值合理，执行步骤9切入位置闭环运行模式；

(2)若|θ_err|＞10°，表明当前起动负载重而I_p0的取值偏小，则返回步骤1将I_p0取值增大1A，然后重新执行步骤1至8；

(3)若|θ_err|＜5°，表明当前起动负载轻而I_p0的取值偏大，则返回步骤1将I_p0取值减小1A，然后重新执行步骤1至8；

步骤9，进入位置闭环运行模式，无位置传感器控制下电机位置角θ＝θ_M+θ_err；

步骤10，在位置闭环运行模式下，进行无位置传感器控制的永磁同步电机的调速运行。

本发明原理实验验证所采用的压缩机为新能源汽车空调用涡旋式压缩机，其中永磁同步电机的参数为：极对数p_n＝3；定子电阻R_s＝1.62Ω；定子直轴电感L_d＝3.5mH；交轴电感L_q＝4.5mH；反电势系数k_e＝30.8V/krpm。

本发明具体实施方案中涡旋式压缩机永磁同步电机采用无位置传感器矢量控制，如图1为系统控制框图，包括电流采样、转子位置估算、Clarke和PARK变换、最大转矩电流比控制(MTPA)、速度环、dq轴电流环、PARK逆变换、SVPWM计算、三相PWM逆变器等单元。

本发明采用基于假定坐标系的电机转子位置估算方法，在PMSM矢量控制dq同步坐标系中，建立γδ假定坐标系如图2所示，电机反时针方向旋转，三相定子绕组为U、V、W，θ代表转子实际位置角，θ_M代表转子估算位置角，θ为位置角估算误差,Δθ＝θ-θ_M；e为实际反电势，方向与q轴重合；e_M为估算反电势，方向与δ轴重合。

如图3为电机起动成功的U相电流波形，图中相电流峰值I_p0＝6A，开环运行频率f₀＝8Hz，起动负载转矩T_L＝1.5Nm，开环运行模式下主动旋转磁场位置角θ₀与估算转子位置角θ_M差值的实验测试结果为θ_err＝8.3°，I_p0取值6A与负载大小相匹配，开环运行3.5秒后切入位置闭环运行模式，如图3所示因为I_p0取值合理可以顺利切入位置闭环运行模式，起动成功。

图4为电机起动不成功的U相电流波形，保持开环运行模式绕组相电流峰值和开环运行频率不变即I_p0＝6A，f₀＝8Hz，但是起动负载转矩减小为T_L＝0.5Nm，这时开环运行模式下主动旋转磁场位置角θ₀与估算转子位置角θ_M差值的实验测试结果增大为θ_err＝12.7°，开环运行3.5秒后切入位置闭环运行模式，如图4所示，因为I_p0取值偏大，开环起动力矩偏大、能量过冲，引起开环切入位置闭环阶段转子位置估算的算法不收敛，最终导致的起动失败。