一种提高永磁同步电机风机逆风起动能力的方法
阅读说明：本技术 一种提高永磁同步电机风机逆风起动能力的方法 (Method for improving upwind starting capability of permanent magnet synchronous motor fan ) 是由 童怀 于 2021-08-23 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风机逆风起动能力的方法,在风机强逆风起动开环运行阶段转子出现抖动使转子位置角估算值大幅波动,可能导致从位置开环切入位置闭环时转子位置估算的算法不收敛,最终导致起动失败；由于强逆风起动形成开环旋转磁场的三相正弦波电流幅值大、电机磁路进入饱和状态使电感参数减小并导致位置估算的收敛域减小,本发明根据电感参数减小的特点优化强逆风起动时的位置角估算参数,同时通过前馈补偿使转子位置角估算值波动减小,并选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻切入位置闭环,从而避免从位置开环切入位置闭环时转子位置角估算可能不收敛的问题,提高系统的逆风起动能力。(The invention discloses a method for improving the upwind starting capability of a permanent magnet synchronous motor fan, wherein the rotor shakes in the strong upwind starting open-loop operation stage of the fan to enable the estimation value of the position angle of the rotor to fluctuate greatly, which may cause the non-convergence of the algorithm of the estimation of the position of the rotor when the position is switched from open loop to closed loop, and finally cause the starting failure; the invention optimizes the position angle estimation parameters when the strong upwind starts according to the characteristic of reduced inductance parameters, simultaneously reduces the fluctuation of the estimated value of the rotor position angle through feedforward compensation, and selects to cut into the position closed loop when the fluctuation value of the estimated position angle of the rotor is smaller than a preset value, thereby avoiding the problem that the estimation of the rotor position angle is not converged when the position closed loop is cut into the position closed loop from the position open loop, and improving the upwind starting capability of the system.)
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风机无位置传感器控制起动能力的方法。
背景技术
由于永磁同步电机风机结构简单、效率高、调速范围宽，目前已被广泛应用于室内空气净化、矿井隧道通风等领域。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，近年来已经成为风机控制领域一个非常重要的研究方向。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，尤其是永磁同步电机风机系统在逆风情况下起动，起动负载工况复杂多变，转子位置估算的难度进一步加大，提高逆风起动能力的研究在永磁同步电机无位置传感器风机控制方案中是一个热点。
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，并且在起动过程中存在高频电磁噪音，风机用户通常难以接受。
霍军亚在《日用电器》(2014,NO.7)上、贺小林等人在《日用电器》(2019,NO.6)上分别研究了永磁同步电机风机无位置传感器控制逆风起动的控制方法，但这两种方法都只研究了逆风状态辨识、逆风转速估算的问题，并没有研究在强逆风起动开环运行阶段，由于形成主动旋转磁场的三相正弦波电流幅值较大、电机开环运行转子可能出现抖动等原因，转子位置角估算值存在大幅波动，这可能导致从位置开环切入位置闭环时转子位置角估算的算法不收敛，最终导致起动失败的问题。
专利(ZL201910660918.1)提出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，但这种方法只是针对无逆风工况提出的，没有考虑逆风工况下转子位置角估算值大幅波动的问题，以及强逆风起动电机磁路饱和的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高永磁同步电机风机逆风起动能力的方法，用以克服现有技术中在风机强逆风起动开环运行阶段转子出现抖动使转子位置角估算值大幅波动，可能导致从位置开环切入位置闭环时转子位置估算的算法不收敛，最终导致起动失败的问题。
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风机逆风起动能力的方法，包括以下步骤：
测量永磁同步电机对应不同绕组相电流峰值的电感参数以确定电机此路饱和对电感参数的影响；在逆风起动前对电机进行刹车控制，根据刹车电流幅值判定逆风强度；根据逆风强度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；
根据开环运行绕组相电流峰值确定电机磁路的饱和程度，计算逆风起动时的电感参数；建立实际旋转坐标系下的定子电压方程，以及与实际旋转坐标系存在夹角时的期望旋转坐标系下定子电压方程，并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；根据所述电流差值，推算出电机反电动势，然后根据推算出的电机反电动势估算电机转子位置角；
根据逆风起动时的电感参数确定反电势估算系数和转子位置角补偿系数的收敛域，并确定所述反电势估算系数和转子位置角补偿系数的值；计算开环运行模式下主动旋转磁场的位置角，并得到电机转子估算位置角与该位置角的估算差值；根据转子位置角估算误差波动的变化规律，通过主动补偿的方法使转子位置角估算误差的波动减小；选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻切入位置闭环运行模式；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。
进一步地，所述根据开环运行绕组相电流峰值确定电机磁路的饱和程度，计算逆风起动时的电感参数，包括：
通过测量永磁同步电机对应不同绕组相电流峰值的电感参数，形成电感参数的数据表格；
利用所述数据表格，先确定电机绕组相电流峰值Ip0位于哪两个电流i1和i2之间，然后用插值的方法计算电感。
进一步地，所述根据逆风起动时的电感参数确定反电势估算系数和转子位置角补偿系数的收敛域，并确定所述反电势估算系数和转子位置角补偿系数的值，包括：
反电势估算系数和转子位置角补偿系数的收敛域的计算公式为：
其中，分别为逆风起动电机d轴、q轴的电感参数，e为电机反电动势，T为离散点的采样时间；
和取值的计算公式为：
其中，系数ζ＝0.3～0.5，其取值与无逆风工况取值相同，而系数ξ＝0.6～0.8。
进一步地，所述根据转子位置角估算误差波动的变化规律，通过主动补偿的方法使转子位置角估算误差的波动减小，包括：
计算估算误差θerr波动的最大值θerr-MAX＝MAX(θerr)、最小值θerr-MIN＝MIN(θerr)和补偿幅值θCOMP＝(θerr-MAX-θerr-MIN)/2；
按如下公式对转子位置估算角波动进行主动补偿：
上式中，为主动补偿后的转子位置估算角，θM为估算电机转子位置角，N为主动补偿的谐波次数，f0为开环运行频率，t为时间参数，θCOMP-SFT为主动补偿的移相角度。
进一步地，所述选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻切入位置闭环运行模式，包括：
计算主动补偿后转子位置角估算差值并对该估算差值进行低通滤波；
按公式判断转子估算位置角波动值是否小于预设值，其中θξ为控制转子估算位置角波动值尽可能小的预设值，θξ取值范围为(1.5°～3.0°)；θerr_LPF表示位置角估算差值的低通滤波值；
选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻从位置开环运行模式切换到位置闭环运行模式。
一种无位置传感器永磁同步电机风机，所述风机的控制器中装载有计算机程序；计算机程序被执行时，实现所述逆风起动能力的方法步骤。
一种计算机可读存储介质，所述可读存储介质中存储有计算机程序，计算机程序被执行时，实现所述逆风起动能力的方法的步骤。
与现有技术相比，本发明具有以下技术特点：
由于强逆风起动形成开环旋转磁场的三相正弦波电流幅值大、电机磁路进入饱和状态使电感参数减小并导致位置估算的收敛域减小，本发明根据电感参数减小的特点优化强逆风起动时的位置角估算参数，同时通过前馈补偿使转子位置角估算值波动减小，并选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻切入位置闭环，从而避免从位置开环切入位置闭环时转子位置角估算可能不收敛的问题，提高系统的逆风起动能力。
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本发明方案采用前转子估算位置角θM波动大；
图4采用本发明方案获得转子估算位置角波动减小；
图5本发明方法强逆风起动成功的实验波形。
具体实施方式
本发明提出在风机强逆风起动开环运行阶段，由于形成主动旋转磁场的三相正弦波电流幅值较大、电机开环运行转子可能出现抖动等原因，转子位置角估算值大幅波动，导致从位置开环切入位置闭环时转子位置估算的算法可能不收敛，最终导致起动失败的问题。如图1至图5，本发明提出的一种提高永磁同步电机风机逆风起动能力的方法，包括以下步骤：
步骤1，测量永磁同步电机对应不同绕组相电流峰值的电感参数Ld(i)、Lq(i)。
该步骤的目的是确定电机磁路饱和对电感参数的影响，电机绕组采用星形接法，绕组中通直流电，其中一相的直流电流大小为i，另外两相的直流电流大小为-0.5i，直流电流i由小逐渐增大，测量电机在不同电流值i下在dq坐标系下的d轴、q轴的电感参数Ld(i)、Lq(i)，形成电感参数的数据表格。
步骤2，在逆风起动前对电机进行刹车控制，根据刹车电流幅值判定逆风强度为强逆风、中逆风或弱逆风。
步骤3，根据逆风强度设定电机绕组相电流峰值Ip0和开环运行频率f0，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，IU,IV,IW分别为电机绕组三相正弦波电流，Ip0为设定的电机绕组相电流峰值，t为时间参数。
步骤4，根据开环运行绕组相电流峰值确定电机磁路的饱和程度，计算逆风起动电感参数
该步骤中，利用前面得到电感参数的数据表格，先确定Ip0介于哪两个电流i1和i2之间，然后用插值的方法计算电感：
步骤5，建立实际旋转坐标系(dq坐标系)下的定子电压方程，本方案中，在dq坐标系下的定子电压方程，表示为：
上式中，ud、uq分别为定子绕组的d、q轴电压；id、iq分别为定子绕组的d、q轴电流；Rs为定子电阻；Ld、Lq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；
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方程,本方案中，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，uγ、uδ分别为γδ估算坐标系中γ、δ轴定子电压分量，iγ、iδ分别为γ、δ轴定子电流分量，ωM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；
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：
上式中，T为离散点的采样时间，iγ(n+1)、iδ(n+1)为采样点(n+1)处电机实际电流，iMγ(n+1)、iMδ(n+1)为采样点(n+1)处估算电流，iγ(n+1)、iδ(n+1)为采样点(n+1)处估算电流误差，eM为期望旋转坐标系下电机反电动势，Δe为期望旋转坐标系反电动势与dq坐标系反电动势之间的误差；
步骤6，根据所述的电流差值推算出电机反电动势
eM(n+1)＝eM(n)-KδΔiδ(n+1) (6)
上式中，eM(n+1)、eM(n)分别为采样点(n+1)、采样点(n)处的电机反电动势，Δiδ(n+1)为采样点(n+1)处的δ轴电流误差，Kδ为反电势估算系数；
根据推算出的电机反电动势估算电机转子位置角θM：
上式中，θM(n+1)、θM(n)分别为采样点(n+1)、采样点(n)处的电机转子位置角，Δiγ(n+1)为采样点(n+1)处的γ轴电流差值，KE为电机反电势系数，Kθ为转子位置角补偿系数；
步骤7，根据电感参数确定反电势估算系数和转子位置角补偿系数的收敛域，并确定和值：
当Δθ≈0时，综合公式(5)(6)(7),可以得到反电势和位置角估算算法的离散方程：
反电势估算算法公式(6)和位置角估算算法公式(7)稳定的条件为和的绝对值小于1，因此反电势估算系数Kδ和转子位置角补偿系数Kθ的收敛域为：
考虑到电机磁路饱和的影响，电感参数用对应的和的收敛域为：
和的取值按采用如下的公式计算：
其中系数ζ＝0.3～0.5，其取值与无逆风工况取值相同，而系数ξ＝0.6～0.8，在的收敛域内尽可能取得较大的补偿系数值，目的是增大位置估算的抗扰动能力；从公式(10)可见，电机磁路进入饱和状态使电感参数减小导致位置估算的收敛域减小。
步骤8，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θM与θ0的差值，即θerr＝θM-θ0。
步骤9，根据转子位置角估算误差波动的变化规律，通过主动补偿的方法使转子位置角估算误差θerr的波动减小。
步骤9.1，求θerr波动的最大值θerr-MAX、最小值θerr-MIN和补偿幅值θerr-COMP：
步骤9.2，按如下公式对转子位置估算角波动进行主动补偿
上式中，为主动补偿后的转子位置估算角，N为主动补偿的谐波次数，f0为开环运行频率，t为时间参数，θCOMP-SFT为主动补偿的移相角度。
步骤10，选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻切入位置闭环运行模式。
步骤10.1，按下面的离散计算公式对主动补偿后的转子位置角估算差值
并对进行低通滤波：
上式中，θerr-LPF(n+1)、θerr-LPF(n)分别为位置角估算差值在采样点(n+1)、采样点(n)处的低通滤波值，KθerrLPF为位置角估算差值低通滤波系数，选择主动补偿后的转子位置角估算差值进行低通滤波的目的是可以使KθerrLPF取值比较大，满足系统快速动态响应的要求；
步骤10.2，按下面的公式判断转子估算位置角波动值是否小于预设值
上式中，θξ为控制转子估算位置角波动值尽可能小的预设值，θξ取值范围为(1.5°～3.0°)；
步骤10.3，选择在转子估算位置角波动值小于预设值的时刻，从位置开环运行模式切换到位置闭环运行模式，无位置传感器控制下电机位置角：
步骤11，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。
实施例：
本发明原理实验验证采用永磁同步电机外转子风机，电机及变频器参数为：额定功率200W；极对数pn＝5；定子电阻Rs＝3.45Ω；不考虑磁路饱和时定子直轴电感Ld＝9.0mH；交轴电感Lq＝10.0mH；反电势系数KE＝35.3V/krpm；直流母线电压额定值Vdc＝310V；母线滤波电容200μF。考虑磁路饱和，对应不同绕组相电流峰值i的电感参数如表1所示，绕组电感随磁路的饱和而减小，当电流为5A，电感参数为磁路不饱和时电感的0.89倍。
表1不同相电流峰值对应的电感参数
I(A)
0.3
1
2
3
4
5
6
7
8
L<sub>d</sub>(mH)
9.0
8.9
8.7
8.5
8.2
8.0
7.6
7.0
6.5
L<sub>q</sub>(mH)
10.0
9.8
9.5
9.2
9.0
8.6
8.0
7.5
7.0
如图1为本发明永磁同步电机系统无位置传感器矢量控制框图，包括双电阻采样电路、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、转子位置估算、SVPWM计算以及三相PWM逆变器等单元。
本发明采用基于γδ期望旋转坐标系的电机转子位置估算方法，在永磁同步电机矢量控制d、q坐标系中，建立γδ期望旋转坐标系如图2所示，电机反时针方向旋转，U、V、W代表三相定子绕组，eM为估算反电势，方向与δ轴重合，e为实际反电势，方向与q轴重合，θ代表转子实际位置角，θM代表转子估算位置角，Δθ＝θ-θM代表位置角估算误差。
根据逆风强度选择开环运行的电机绕组相电流峰值Ip0为5A，并设定开环运行频率f0＝3.45Hz，这时的电感参数为为，考虑到电机磁路饱和影响的和的收敛域为：
和的取值为：
其中系数ζ＝0.4，ξ＝0.8。
如图3为本发明方案采用前转子位置角估算差值θM的波形，θM的波动较大，θM波动主要包含了6次谐波，如果在这种情况下从位置开环切入位置闭环，转子位置角估算的算法可能不收敛，导致起动失败。
根据图3计算开环同步运行模式下主动旋转磁场的位置角θ0与估算电机转子位置角θM的差值θerr＝θM-θ0，求出θerr波动的最大值θerr-MAX＝12.3°电角度，最小值θerr-MIN＝2.1°电角度。
如图4为采用本发明方案使转子位置角估算差值θM的波动减小的波形，从图中可见，通过主动补偿的方法使转子位置估算角波动值减小，由θerr-MAX和θerr-MIN可求出补偿幅值θCOMP＝5.1°电角度，主动补偿的谐波次数N＝6，本实例中主动补偿的移相角度θCOMP-SFT取125°电角度。
如图5为采用本发明方法强逆风起动成功的实验波形，根据逆风强度选择开环运行的电机绕组相电流峰值Ip0为5A，开环运行频率f0＝3.45Hz，按本发明的思路，通过主动补偿的方法使转子位置估算角波动值减小之后进入位置闭环，从图5可见，由于是逆风情况下闭环，在开环切入闭环的过渡区域，电机绕组相电流峰值升到6.5A，经历大约300ms之后，系统进入了稳定的位置闭环运行模式。图5中为了研究逆风起动时系统的稳定性，增加了对母线电压波形Vdc的跟踪检测，从图中可见逆风起动时母线电压Vdc在开环切入闭环的过渡区域有跌落但幅值不超过20V，对于额定功率200W的电机，表明逆风起动母线滤波电容取200μF是合理的，从图5可见电机最终在强逆风工况下起动成功。
以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。