一种凸极式同步电机无位置传感器启动及速度控制方法技术

本发明专利技术提供一种凸极式同步电机无位置传感器启动及速度控制方法，其特征在于，整个系统主要由静止状态转子位置推定，速度旋转矢量控制及模式切换时序与初始化信号生成等功能部分组成，并且速度旋转矢量控制部分又由速度开环和速度闭环旋转矢量控制两个阶段组成，从而保证电机在启动过程中一定不会伴随有一时地反转及转子速度从零开始平滑加速到指定的运动状态。该发明专利技术尤其适用于那些电机启动时对转向及速度变化有严格要求的应用场景，如电机驱动大负载到非常高转速的应用时要求电机转向始终按照规定的方向旋转，并且要求速度从零开始连续平稳地增加到指定转速的应用场景。

A Sensorless Starting and Speed Control Method for Salient Pole Synchronous Motor

The invention provides a sensorless starting and speed control method for salient pole synchronous motor, which is characterized by that the whole system is mainly composed of functions of rotor position estimation in static state, speed rotation vector control, mode switching timing and initialization signal generation, and the speed rotation vector control part is composed of speed open-loop control and speed closed-loop rotation vector control. Stage composition ensures that the motor will not be accompanied by a temporary reversal in the starting process and the rotor speed will be smoothly accelerated from zero to the specified motion state. The invention is especially applicable to those application scenarios where the steering and speed changes are strictly required when the motor is started, such as the application where the motor drives heavy loads to very high speeds, requiring the motor to rotate in the specified direction all the time, and requiring the speed to increase continuously and steadily from zero to the specified speeds.

【技术实现步骤摘要】
一种凸极式同步电机无位置传感器启动及速度控制方法
本专利技术涉及凸极式同步电机的无位置传感器启动及速度控制方法,特别涉及不伴随有反转的启动控制及连续速度矢量控制方法。
技术介绍
与诱导电机，直流DC电机相比，永磁同步电机具有效率高、快速的动态特性等优点，所以永磁同步电机已经被使用在电动汽车，有轨电车，电梯，空调，泵等工业及生活机电设备中。这些应用中采用的同步电机的控制技术，根据控制性能及成本的要求,目前主要有两种控制技术被经常采用：(1)对于一些简单应用场景，如风扇，泵和压缩机应用中，由于传统的V/F控制方法硬件搭建简单，成本低而且在很多时候可以获得满足应用需要的调速性能，所以经常被采用；(2)对于有特殊要求控制的场景如无传感器控制中，要求高速、高启动力矩，及力矩控制的场合，旋转矢量控制方法被经常采用。旋转矢量控制技术的基本思想是分解定子电流为励磁电流和力矩电流并通过独立控制这两个电流成分来达到精确控制输出力矩的目的。在此电流转换过程中,转子的绝对位置(也即磁场的方向角)必须被精确的获得。同时，二维旋转坐标系变换到三相静止坐标系内时也需要转子的位置信息。为了确定转子位置，在有位置传感器的同步电机控制中，一般使用编码器，霍尔器件等传感器来完成此任务，但造成的问题在于增加系统的成本，布线繁杂，体积增加并降低系统可靠性。目前，随着装置小型化并高速应用场景的增加，没有机械制约的无位置传感器的控制技术逐渐被采用。这样造成的一个问题就是，转子的位置信息不能直接从传感器处获得。如今常用的解决方法是通过可以检测得到的一些其它信号来推测得到转子位置信息，如通过诱导电动势信息来实时推测转子角度方法和通过注入高频电信号后的响应信号来推测转子实时角度方法被采用。但是，考虑到处理器的处理速度及处理数据量，一般情况下都通过诱导电动势的方法来推测转子角度后被用于旋转矢量控制系统中。在采用诱导电动势推测转子角度的方法中，由于在电机静止状态时不存在由于诱导电动势产生的可检测电流信号，所以也就不能获得静止状态下转子的绝对位置信息。所以，目前提出的很多无位置传感器电机的启动方法一般是短暂施加一个同步信号进行校准然后加速，再采用诱导电动势方法来完成转子位置推定后被用于反馈控制中。采用此种方法的一个问题就是，在转子初始位置不明确的情况下施加同步信号，启动时的转动方向不确定。这个问题对于有严格启动方向要求的应用来说是不被允许的。如电机输出轴固联了非常大负载的情况下，一般要求转子速度从静止状态单方向连续加速(短暂逆转时产生能量的损耗或者造成系统的损坏等)。所以，本专利技术提出一种无位置传感器单方向启动及连续速度控制的方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：凸极式永磁同步电机在无位置传感器启动及速度控制时,确保电机始终能够按照预先指定的方向从静止开始进行连续速度控制，排除现有启动方法启动中可能存在与规定旋转方向产生一时逆转的可能。本专利技术解决所述技术问题，采用的技术方案是一种主要由5部分组成的凸极式永磁同步电机无位置传感器旋转矢量控制方法。这5个功能部分分别是，驱动器与被动对象，静止状态转子位置推定部分，速度开环矢量控制部分，速度闭环矢量控制部分，和运动模式切换时序与初始化信号生成部分。(1)驱动器与被控对象所述三相凸极永磁同步电机为本专利技术的被控对象。本专利技术采用三相交流正弦信号来驱动电机，好处是可以方便通过电流向量的幅值及相位的调节来对电机执行不同的控制策略。如图1所示，被控电机100与作为驱动器的三相逆变桥电路102相连接。所述三相逆变桥电路为包含反向并联二极管的开关元件的三相桥接的电路。单元102可通过控制端104，106，108，110，112，114得通断来调节施加到电机端口的电压。在速度开环和速度闭环控制中，单元102主要是将与其连接的直流电压通过控制器进行的脉宽调制PWM来生成交流电压信号提供给被控电机。为了后面方便说明，此处结合图1中单元100介绍一下此处涉及的几个坐标系。首先uvw坐标系116为原始三相交流信号表示的静止坐标系；αβ坐标系118为二维表示的静止坐标系，在其中表示的物理量是交流信号；dq坐标系122为在αβ坐标系的基础上随转子同步旋转的坐标系，在其中表示的物理量为直流分量，旋转矢量控制一般在此坐标系内进行；在无位置传感器同步电机中，因为转子角度值不能被直接获得，所以引入δγ坐标系120作为表示推测得到的转子位置上固联的坐标系。(2)静止状态转子位置推定部分为了保证电机在启动及加速过程中不产生负向的力矩，首先需要推定出在电机静止时的转子位置信息。本专利技术采用直接通过控制单元102开关为电机提供高频电压脉冲信号，然后通过电流响应值及凸极式电机的物理特性来进行转子位置推定。为了保证在电机初始位置推定阶段电机转子始终保持静止状态，此处采用较小电压的电源模块用于初始转子位置推定，而当进入工作运行阶段时，再切换到正常工作电源模块来供电。在电机静止状态推定转子的位置θr,有下式成立如前所述，此专利技术采用注入高频电压脉冲信号后测得的αβ坐标系内电流分量isα,isβ来推定转子初始位置。将方程式1代入凸极式永磁同步电机在αβ坐标系内表示的回路数学模型可以得出输入电压向量与输出响应电流向量的状态方程式，如下式其中,方程式2中的系数矩阵A′，B′如下式其中，方程式3,4中的A，B为其中，Ld，Lq为dq坐标系内表示的卷线电感值。所以，根据方程式2,3,4,5可以知道，当给定一定输入电压信号后，在电机初始电流为零的情况下，电流响应随着转子电转角2倍即2θr的正余弦函数变化。根据此响应电流中包含的角度信息及电机的磁饱和物理特性即可推定电机转子位置。(3)速度开环矢量控制部分当电机低速运动时，根据反电动势推测的转子角度误差较大，所以本专利技术从静止开始通过速度开环矢量方法驱动并使电机加速。当加速到一定的转速后，切换到速度闭环矢量控制，以提高转速对来自外界干扰的影响。为了保证在启动阶段不发生转子逆转，本专利技术设计了速度开环控制器来生成启动及初期加速驱动电流此电流能保证从转子初始角位置α0开始向指定方向生成驱动力矩。为了应对外部负荷的变化，此处结合实时测得的三相电流在dq坐标系内的分量，进行电流闭环旋转矢量控制。此处速度开环控制器的实现由两个主要部分组成。第一部分是在低速时初步估算推测轴坐标系δγ与表示转轴实际位置的dq坐标系之间的偏差Δθc。第二部分是生成驱动电流使此偏差趋近于0。因为当推测轴和实际轴存在相角偏差时,从速度开环模式切换到闭环时,会出现电流和速度的震荡，所以为了减小由于存在的转角差引起的信号不稳定，在开环控制阶段尽可能地使推测轴与实际轴之间的相位角趋向于0。此处转轴误差Δθc采用下面方程式6计算其中,Rs为永磁同步电机的定子绕组；为电流控制器输出的dq坐标系内表示的电压指令值(非干涉控制后)；Ld,Lq为定子线圈在dq坐标系内的电感值；ωe为电机转子当前电角速度,在此处因为不能测得转子实际转速，所以采用输入转速指令来推测转轴误差；isd,isq为实时测得的电流在dq坐标系内表示的分量。通过转轴误差Δθ同给定的0值比较，然后通过积分控制器输出的驱动电流来驱动电机运行使Δθ在进入速度闭环控制阶段之前逐渐趋近于0。速度开环控制器的输出电流指本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种凸极式同步电机的无位置传感器控制及驱动技术，其特征在于，该技术主要由静止状态转子位置推定，速度旋转矢量控制及模式切换时序与初始化信号生成等功能部分组成。

【技术特征摘要】
1.一种凸极式同步电机的无位置传感器控制及驱动技术，其特征在于，该技术主要由静止状态转子位置推定，速度旋转矢量控制及模式切换时序与初始化信号生成等功能部分组成。2.根据权利要求1所述的无位置传感器同步电机的控制及驱动装置，其特征在于，在启动过程中不伴随有电机反转的可能性。3.根据权利要求1所述的无位置传感器同步电机的控制及驱动装置，其特征在于，速度控制由速度开环和闭环旋转矢量组成，并且速度开环控制生成使电机从静止开始产生正向力矩的电流指令。4.根据权利要求1所述的无传感器同步电机的控制及驱动装置，其特征在于，在速度开环控制阶段存在电流控制闭环，从而可以适...

【专利技术属性】
技术研发人员：石磊，石鑫，吴丽君，
申请(专利权)人：石磊，
类型：发明
国别省市：山西,14