CN102638216B - 无位置传感器电机启动方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无位置传感器电机启动方法，它包括给电机施加固定电压矢量，得到I_s，再对I_s进行Clark变换，得到i_α、i_β，通过计算得到转子磁链矢量角θ_r，给定转速ω_r和转矩T_e均为0，对和ω_r进行PI运算得到再对T_e和进行PI运算得到δ，通过公式θ_s＝θ_r+δ，得到θ_s，再给得到U_α、U_β，对U_α、U_β进行逆Clark变换，得到Ua、Ub、Uc，通过电流采集得到I_a、I_b、I_c，对I_a、I_b、I_c进行Clark变换，得到I_α、I_β，通过定子磁链计算得到Ψ_sα、ψ_sβ，通过模角运算得出Ψ_s以及θ_s，通过转矩估算得出T_e，和对θ_s进行离散化得到ω_r，若则电机启动过程结束。这种无位置传感器电机启动方法，具有以下优点：将初始位置检测技术和DTC控制策略相结合的，使整个控制策略达到闭环的稳定控制的无位置传感器电机启动方法。

Description

无位置传感器电机启动方法

技术领域

本发明属于电子工程技术领域，特别是一种利用初始位置检测法结合直接转矩控制策略的不需要位置传感器的先进电机启动方法即无位置传感器电机启动方法。

背景技术

空间矢量脉宽调制Space Vector Pulse Width Modulation缩写：SVPWM

直接转矩控制Direct Torque Control缩写：DTC

磁场定向控制Field Oriented Control缩写：FOC

积分比例运算Proportion Integral缩写：PI

虽然现有的电机磁场定向控制FOC策略无需位置传感器，但是在电机启动时需要拖动电机到某一转速后，才能使得电机转速连续可调，也就是说电机启动过程中采用速度开环控制策略，当电机加速到设定的转速后，切换到速度闭环控制策略，延长了电机的启动时间；为了克服磁场定向控制FOC策略中电机启动需要开环拖动的缺陷，出现了电机直接转矩控制DTC策略，在电机启动时不需要拖动电机到某一转速，却需要与位置传感器或者是速度传感器配合使用，因此在使用过程中会出现如下问题：

1)设计过程中需要增加与传感器配套的硬件电路，造成设计成本的提高；

2)传感器配套硬件电路很容易受到电磁干扰，导致信号传输错误，进而使控制策略失效；

3)受传感器本身的使用寿命的制约，需要定期更换传感器，在更换传感器时需拆卸整个电机封装，更换工作繁琐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种初始位置检测技术和DTC控制策略相结合的，使整个控制策略达到闭环的稳定控制的无位置传感器电机启动方法。

空间矢量脉宽调制SVPWM算法，用于根据电压矢量，采用空间电压矢量脉宽调制算法生成功率器件脉宽信号；

电压源逆变器，用于根据所述功率器件脉宽信号产生三相绕组电流，发送给永磁同步电机；

Clark变换，将静止坐标系上三相绕组电流坐标变换到两相坐标系α、β上。

为解决上述技术问题，本发明提供的无位置传感器电机启动方法，包括以下步骤：

(1)给电机施加固定电压矢量V即对a相通电，b、c相不通电和另一固定电压矢量V′即对a相不通电，b、c相通电，然后通过电压源逆变器分别得到I_s、I′_s，如果I_s-I′_s＞0那么-π/6＜θ_r＜π/6即如果I_s-I′_s＜0，那么5π/6＜θ_r＜7π/6即 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan [\frac{i_{\mathrm{\β}}}{(i_{\mathrm{\α}}-I_s)}+2\mathrm{\π}];$

(2)对I_s进行Clark变换，得到两相坐标系中的电流i_α、i_β，通过计算 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{V_{\mathrm{DC}}}{R}*\left[\begin{array}{c}1-\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})+\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}-e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_s+{\mathrm{\ΔI}}_s\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\ΔI}}_s\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$ 得

到转子磁链矢量角θ_r；

其中：i_α、i_β为已知量；V_DC为直流母线电压；R为电枢绕组电阻；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；Ts为施加电压矢量时间即施加V和V′的时间；e为数学上的常量；ΔI_s为母线电流变化量(即I_s、I′_s差值)。

(3)给定目标转速对和ω_r进行PI运算得到目标转矩再对T和进行PI运算后得到转矩角δ，此时ω_r＝0，T_e＝0；

其中：PI运算用于对所述差值和ω_r进行比例、积分运算得到目标转矩对所述差值T_e和进行比例、积分运算得到转矩角δ。

(4)通过转子磁链矢量角θ_r和定子磁链矢量角θ_s的转换公式θ_s＝θ_r+δ，得到定子磁链矢量角θ_s；

(5)再给定目标磁链进行电压矢量运算 $\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=i_{\mathrm{\α}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_s+\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\ΔT}}\\ u_{\mathrm{\β}}=i_{\mathrm{\β}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\ΔT}}\end{array}$

得到两相坐标系中的电压U_α、U_β；

其中：i_α、i_β、δ、θ_s为已知；r_s为定子电阻；ΔT为采样时间(与Ts相等)。(6)对U_α、U_β进行逆Clark变换，得到三相坐标系中的电压Ua、Ub、Uc，通过电流采

集得到三相电流I_a、I_b、I_c；

逆Clark变换将两相坐标系α、β上绕组电压变换到三相坐标系a、b、c上绕组电压。

(7)对I_a、I_b、I_c进行Clark变换，得到当前的I_α、I_β，通过定子磁链计算 $\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}{r}_s)\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}{r}_s)\mathrm{dt}\end{array}$ 得到当前的定子磁链的分量Ψ_sα、ψ_sβ；

其中：r_s为定子电阻。

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

(8)通过模角运算θ_s＝arctan(ψ_sβ/Ψ_sα)得出当前定子磁链的模Ψ_s以及当前定子磁链矢量角θ_s；

(9)通过转矩估算得出当前转矩T_e，并且对θ_s进行离散化得到当前转速ω_r；

其中：p为磁极对数。

(10)若则电机启动过程结束；若则重复步骤(3)～步骤(9)，此时步骤(3)中转速ω_r和转矩T_e为步骤(9)中算出的转速ω_r和转矩T_e，直到步骤(9)中算出的转速ω_r与目标转速相等。

进一步的，步骤(6)所述的电流采集是指根据电压矢量采用空间矢量脉宽调制SVPWM算法生成功率器件脉宽信号，再通过电压源逆变器将所述的功率器件脉宽信号产生三相绕组电流，发送给永磁同步电机PMSM。

采用以上结构后，本发明的无位置传感器电机启动方法与现有技术相比，具有以下优点：

1、无需位置传感器，用初始位置检测算法算出转子的初始位置，完全不用考虑信号传输错误而造成的损失，进而避免了控制策略失控造成的损失，提高了稳定性和可靠性；

2、使电机启动和加速过程都处在闭环控制状态下，缩短了电机启动时间，提高了工作效率；

3、大大降低设计成本，降低能源消耗。

附图说明

图1为本发明无位置传感器电机启动方法的框图。

具体实施方式

下面通过实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，首先，利用初始位置检测方法计算出转子的初始位置即θ_r，具体方法为：给定电压矢量V，通过电压源逆变器得到三相总电流I_s，再对I_s进行Clark变换，得到i_α、i_β，

通过公式 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{V_{\mathrm{DC}}}{R}*\left[\begin{array}{c}1-\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})+\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}-e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

整理后得到 $\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_s+{\mathrm{\ΔI}}_s\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\ΔI}}_s\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

算出 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{\left(i_{\mathrm{\α}}{-I}_s\right)}$ 或者 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan [\frac{i_{\mathrm{\β}}}{(i_{\mathrm{\α}}-I_s)}+2\mathrm{\π}],$

再给定一个电压矢量V′，通过电压源逆变器得到I′_s，比较I_s、I′_s的大小，

如果I_s-I′_s＞0，那么-π/6＜θ_r＜π/6即 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{\left(i_{\mathrm{\α}}{-I}_s\right)};$

如果I_s-I′_s＜0，那么5π/6＜θ_r＜7π/6即 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan [\frac{i_{\mathrm{\β}}}{(i_{\mathrm{\α}}-I_s)}+2\mathrm{\π}],$

然后，通过直接转矩控制策略得到当前转速ω_r，具体方法如下：

1)当前电机的转速ω_r和转矩T_e均为0，给定目标转速对和ω_r进行PI运算后得到目标转矩再对T_e和进行PI运算后得到转矩角δ；

2)通过转子磁链矢量角θ_r和定子磁链矢量角θ_s的转换公式θ_s＝θ_r+δ，得到定子磁链矢量角θ_s；

3)在给定目标磁链进行电压矢量公式 $\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}=i_{\mathrm{\α}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\cos ({\mathrm{\θ}}_s+\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|\cos {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\ΔT}}\\ u_{\mathrm{\β}}=i_{\mathrm{\β}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\ψ}}_s^{*}\right|\sin ({\mathrm{\θ}}_s+\mathrm{\δ})-\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|\sin {\mathrm{\θ}}_s}{\mathrm{\ΔT}}\end{array}$ 计算出两相坐标系中的电压U_α、U_β；

4)对U_α、U_β进行逆Clark变换，得到三相坐标系中的电压Ua、Ub、Uc，通过SVPWM算法和电压源逆变器得到三相电流I_a、I_b、I_c；

5)对I_a、I_b、I_c进行Clark变换，得到当前的两相坐标系α、β上的I_α、I_β，通过定子磁链公式 $\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}=\∫(u_{\mathrm{\α}}-i_{\mathrm{\α}}{r}_s)\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}=\∫(u_{\mathrm{\β}}-i_{\mathrm{\β}}{r}_s)\mathrm{dt}\end{array}$

计算得到当前的定子磁链的分量Ψ_sα、ψ_sβ；

$\left|{\mathrm{\ψ}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}^2}$

6)通过模角运算公式θ_s＝arctan(ψ_sβ/Ψ_sα)得出当前定子磁链的模Ψ_s以及当前定子磁链矢量角θ_s；

7)再通过转矩估算公式 $T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\α}}{i}_{\mathrm{\β}}-{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{s\β}}{i}_{\mathrm{\α}})$ 得出当前转矩T_e，和对θ_s进行离散化得到当前转速ω_r；

8)若则电机启动过程结束；

若则重复步骤(1)～步骤(7)，此时电机已经工作，因此步骤(1)中转速ω_r和转矩T_e为步骤(7)中算出的转速ω_r和转矩T_e，直到步骤(7)中算出的转速ω_r与目标转速相等。

至此这种无位置传感器电机启动过程结束，使得之后的电机运行达到稳定、快速的闭环控制。

Claims (8)

1.一种无位置传感器电机启动方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）给电机施加固定电压矢量，然后通过电压源逆变器得到三相总电流I_s；

（2）对三相总电流I_s进行Clark变换，得到两相坐标系中的电流i_α、i_β，通过计算得到转子磁链矢量角θ_r，具体公式为：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\frac{V_{\mathrm{DC}}}{R}*\left[\begin{array}{c}1-\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})+\frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}-e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ \frac{1}{2}(e^{-\frac{R}{\mathrm{Lq}}\mathrm{Ts}}+e^{-\frac{R}{\mathrm{Ld}}\mathrm{Ts}})\sin 2{\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{I}_s+{\mathrm{\ΔI}}_s\cos 2{\mathrm{\θ}}_r\\ {\mathrm{\ΔI}}_s\sin {2\mathrm{\θ}}_r\end{array}\right]$

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan \frac{i_{\mathrm{\β}}}{(i_{\mathrm{\α}}-\mathrm{Is})}$ 或者 ${\mathrm{\θ}}_r=\frac{1}{2}\arctan [\frac{i_{\mathrm{\β}}}{(i_{\mathrm{\α}}-I_s)}+2\mathrm{\π}]$

其中：V_DC为直流母线电压；R为电枢绕组电阻；Ld为d轴电感；Lq为q轴电感；Ts为施加电压矢量时间即施加V和V′的时间；e为数学上的常量；△I_s为母线电流变化量即I_s、I'_s差值；

初始位置检测方法：首先通入电压矢量V即对a相通电，b、c相不通电，通过电流采集得到I_s，然后通入另一电压矢量V′即对a相不通电，b、c相通电，得到I'_s，如果Is-I'_s>0那么-π/6<θ_r<π/6即如果I_s-I'_s<0，那么5π/6<θ_r<7π/6即

（3）给定目标转速此时电机未启动，转速ω_r和转矩T_e均为0，对和ω_r进行积分比例运算后得到目标转矩再对T_e和进行积分比例运算后得到转矩角δ；所述的积分比例运算用于对差值和ω_r进行比例、积分运算得到目标转矩对差值T_e和进行比例、积分运算得到转矩角δ；

（4）通过转子磁链矢量角θ_r和定子磁链矢量角θ_s的转换公式θ_s=θ_r+δ，得到定子磁链矢量角θ_s；

（5）再给定目标磁链通过步骤（1）～（4）算出的i_α、i_β、δ、θ_s进行电压矢量运算得到两相坐标系中的电压U_α、U_β；

（6）对两相坐标系中的电压U_α、U_β进行逆Clark变换，得到三相坐标系中的电压Ua、Ub、Uc，通过电流采集得到三相电流I_a、I_b、I_c；

（7）对I_a、I_b、I_c进行Clark变换，得到当前的两相坐标系中的电流I_α、I_β，通过定子磁链计算得到当前的定子磁链的分量ψ_sα、ψ_sβ；

（8）通过模角运算得出当前定子磁链的模ψ_s以及当前定子磁链矢量角θ_s；

（9）通过转矩估算得出当前转矩T_e，和对θ_s进行离散化得到当前转速ω_r；

（10）若则电机启动过程结束；若则重复步骤（3）～步骤（9），此时步骤（3）中转速ω_r和转矩T_e为步骤（9）中算出的转速ω_r和转矩T_e，直到步骤（9）中算出的转速ω_r与目标转速相等。

2.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（2）和步骤（7）所述的Clark变换，将静止坐标系上三相绕组电流坐标变换到两相坐标系α、β上；步骤（6）所述的逆Clark变换将两相坐标系α、β上绕组电压变换到三相坐标系a、b、c上绕组电压。

3.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（6）所述的电流采集是指根据电压矢量采用空间矢量脉宽调制SVPWM算法生成功率器件脉宽信号，再通过电压源逆变器将所述的功率器件脉宽信号产生三相绕组电流，发送给永磁同步电机PMSM。

4.根据权利要求3所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，所述的空间矢量脉宽调制SVPWM算法，用于根据电压矢量，采用空间电压矢量脉宽调制算法生成功率器件脉宽信号；电压源逆变器，用于根据所述功率器件脉宽信号产生三相绕组电流，发送给永磁同步电机。

5.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（5）所述电压矢量运算公式为 $\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}=i_{\mathrm{\&alpha;}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\&psi;}}_s^{*}\right|\cos ({\mathrm{\&theta;}}_s+\mathrm{\&delta;})-\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|\cos {\mathrm{\&theta;}}_s}{\mathrm{\&Delta;T}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}=i_{\mathrm{\&beta;}}{r}_s+\frac{\left|{\mathrm{\&psi;}}_s^{*}\right|\sin ({\mathrm{\&theta;}}_s+\mathrm{\&delta;})-\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|\sin {\mathrm{\&theta;}}_s}{\mathrm{\&Delta;T}}\end{array},$

其中：r_s为定子电阻；△T为采样时间与Ts相等。

6.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（7）所述的定子磁链计算公式为 $\begin{array}{c}{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&alpha;}}=\&Integral;(u_{\mathrm{\&alpha;}}-i_{\mathrm{\&alpha;}}{r}_s)\mathrm{dt}\\ {\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&beta;}}=\&Integral;(u_{\mathrm{\&beta;}}-i_{\mathrm{\&beta;}}{r}_s)\mathrm{dt}\end{array},$

其中：r_s为定子电阻。

7.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（8）所述的模角运算公式为 $\begin{array}{c}\left|{\mathrm{\&psi;}}_s\right|=\sqrt{{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&alpha;}}^2+{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&beta;}}^2}\\ {\mathrm{\&theta;}}_s=\arctan ({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&beta;}}/{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&alpha;}})\end{array}.$

8.根据权利要求1所述的无位置传感器电机启动方法，其特征在于，步骤（9）所述的转矩估算公式为 $T_e=\frac{3}{2}p({\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&alpha;}}{i}_{\mathrm{\&beta;}}-{\mathrm{\&psi;}}_{\mathrm{s\&beta;}}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}),$

其中：p为磁极对数。