CN109495030A - 永磁同步电机转速跟踪方法、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供了一种永磁同步电机转速跟踪方法、设备及计算机可读存储介质，所述永磁同步电机转速跟踪方法包括：向逆变器单元发出驱动脉冲，使所述逆变器单元中任一个可控半导体开关管按预设方式导通和关断，并使其余可控半导体开关管保持关断；采样所述逆变器单元输出的三相电流，并根据所述三相电流的采样值获得永磁同步电机转速、转向及转子位置；根据所述永磁同步电机转速、转向及转子位置，控制所述永磁同步电机飞车启动。本发明实施例通过采集三相电流的方式，不增加硬件电路及不依赖电机参数，获得永磁同步电机转速、转向及转子位置，能有效防止飞车启动过流，保证电机平稳启动，通用性大大提高。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电机技术领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机转速跟踪方法、设备及计算机可读存储介质。
背景技术
在永磁同歩电机惯性自由停车过程中，转子永磁磁链会在定子绕组中感应出幅值同电机转子速度成正比的反电动势。在这种情况下，如果不知道此时电机的转子位置和转速，盲目将电机投入控制系统，由于逆变器所加电压矢量和反电动势的叠加方式未知，很容易出现过流、过压、失步等现象，造成启动失败。此外在某些领域，例如风机、水泵行业等，电机在启动前会被外力拖动，启动电机也会有以上风险。因此，要直接启动惯性自由停车或被外力拖动的永磁同步电机，准确检测电机转子位置和转速是迫切需要解决的问题。
目前，国内外在永磁同步电机转速跟踪启动方案主要有短路电流法和反电势采样法。
其中，短路电流法将电机三相绕组多次短路，采集三相电流，计算电机的转子位置及转速。短路电流法在计算转子位置时需要使用电机d、q轴电感参数，对电机参数敏感，若电感参数不准确，转子位置估算会出现较大误差，增大启动冲击。
反电势采样法则通过外加采样电路检测电机三相反电势，通过反电势信号计算得到电机的转子位置和转速。反电势采样法需要额外增加硬件电压采样电路，增加了系统成本，同时增加故障点，降低了系统可靠性。
由此可见，现有的永磁同步电机转速跟踪启动方案存在对电机参数敏感，若电感参数不准确，转子位置估算会出现较大误差，增大启动冲击；或者，需要额外增加硬件电压采样电路，增加了成本，同时增加故障点，降低了系统可靠性的问题。
发明内容
本发明实施例提供一种永磁同步电机转速跟踪方法、设备及计算机可读存储介质，旨在解决上述现有的永磁同步电机转速跟踪启动方案存在对电机参数敏感，若电感参数不准确，转子位置估算会出现较大误差，增大启动冲击；或者，需要额外增加硬件电压采样电路，增加了系统成本，同时增加故障点，降低了系统可靠性的问题。
本发明实施例解决上述技术问题的技术方案是，提供一种永磁同步电机转速跟踪方法，包括：
向逆变器单元发出驱动脉冲，使所述逆变器单元中任一个可控半导体开关管按预设方式导通和关断，并使其余可控半导体开关管保持关断；
采样所述逆变器单元输出的三相电流，并根据所述三相电流的采样值获得永磁同步电机转速、转向及转子位置；
根据所述永磁同步电机转速、转向及转子位置，控制所述永磁同步电机飞车启动。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，按预设方式导通和关断的所述可控半导体开关管位于所述逆变器单元的预设相桥臂，所述预设相为U相、V相或W相；
所述根据所述三相电流的采样值获得永磁同步电机转速，包括：
获取所述预设相的相电流；
记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔；
根据所述时间间隔获得电机转速。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，所述记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔，包括：
在所述预设相的相电流由小于所述电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，确认所述预设相的相电流第一次达到电流预设值；
在所述预设相的相电流再一次由小于所述电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，确认所述预设相的相电流第二次达到电流预设值。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，所述记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔，包括：
在所述预设相的相电流第一次达到电流预设值时，启动计数器；
在所述预设相的相电流第二次达到电流预设值时，读取所述计数器的计数值并将所述计数值作为所述时间间隔。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，按预设方式导通和关断的所述可控半导体开关管为第一相桥臂的上桥或下桥开关管，且在所述第一相为U相时，第二相为V相、第三相为W相；在所述第一相为V相时，所述第二相为W相、第三相为U相；在所述第一相为W相时，所述第二相为U相、第三相为V相；
所述根据所述三相电流获得永磁同步电机转向，包括：
在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值时，若所述第三相的相电流与所述第一相的相电流相等，且第二相的相电流为零，则确认所述永磁同步电机反转；若所述第二相的相电流和所述第一相的相电流相等，且所述第三相的相电流为零，则确认所述永磁同步电机正转。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，所述根据所述三相电流获得永磁同步电机转子位置，包括：
在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值且确认所述永磁同步电机反转时，获得所述永磁同步电机的位置角度：
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为210度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为330度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为90度；
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为30度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为150度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为270度。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值且确认所述永磁同步电机正转时，获得所述永磁同步电机的位置角度：
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为150度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为270度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为30度；
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为330度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为90度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为210度。
在本发明实施例所述的永磁同步电机转速跟踪方法中，在判断所述预设相的相电流由小于电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，包括：
通过三相电流采样单元将所述预设相的相电流转化为可被数字控制器单元内部采样的电压信号；
所述数字控制器单元采集所述三相电流采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与预设电压值比较，并在所述电压信号由小于所述预设电压值变为大于或等于所述预设电压值时，确认所述预设相的相电流由小于所述预设值变为大于或等于所述预设值。
本发明实施例还提供一种永磁同步电机转速跟踪设备，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。
本发明实施例的永磁同步电机转速跟踪方法、设备及计算机可读存储介质，通过采集三相电流的方式，不增加硬件电路及不依赖电机参数，获得永磁同步电机转速、转向及转子位置，能有效防止飞车启动过流，保证电机平稳启动，通用性大大提高。
附图说明
图1是本发明实施例提供的永磁同步电机控制设备的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的永磁同步电机正转时三相反电动势示意图；
图3是本发明实施例提供的永磁同步电机反转时三相反电动势示意图；
图4是本发明实施例提供的永磁同步电机转速跟踪方法的流程示意图；
图5是本发明实施例提供的永磁同步电机转速跟踪方法中给U相下管Q2注入脉冲驱动信号的简化原理示意图；
图6是本发明实施例提供的永磁同步电机转速跟踪方法中获得永磁同步电机转速的流程示意图；
图7是本发明实施例提供的永磁同步电机转速跟踪设备的示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例永磁同步电机转速跟踪方法可应用于永磁同步电机，并可在永磁同步电机飞车启动之前准确获得电机转速、转向及转子位置。永磁同步电机控制设备的结构如图1所示，该永磁同步电机控制设备包括电源单元1、逆变器单元2、三相电流采样单元3、数字控制器单元4、永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)5，其中：
电源单元1用于供电，具体可为直流电源直接用于供电，也可为交流电经整流后由母线电容上的直流电供电；逆变器单元2用于将电源单元1提供的直流电逆变成三相交流电，并控制永磁同步电机5运行；三相电流采样单元3用于采样逆变器单元2输出的三相电流信号，并将三相电流信号转化为可被数字控制器4内部模数(Analog-to-Digital，AD)采样的电压信号；数字控制器单元4用于执行本发明实施例的永磁同步电机转速跟踪方法，其可根据三相电流采样单元3采样的三相电流信号，获得永磁同步电机5的转速、转向及转子位置；进而根据永磁同步电机5的转速、转向及转子位置，并通过SVPWM(Space Vector PulseWidth Modulation，空间矢量脉宽调制)调制算法计算得到驱动逆变器单元2的六路驱动脉冲信号，控制飞车启动永磁同步电机5。
本发明实施例的一种永磁同步电机转速跟踪方法可以准确检测惯性自由停车及被外力拖动的永磁同步电机转速、转向及转子位置，实现永磁同步电机的转速跟踪再启动。
在永磁同歩电机5自由停车过程中，由于其转子磁链恒定，因此在定子绕组中会感应出幅值同电机转子速度成正比的反电动势。如图2、3所示，为在电机自由停车时，正转与反转时三相反电动势情况，正反转反电动势的区别在于相序，转速检测原理相同。
如图4所示，是本发明实施例永磁同步电机转速跟踪方法的流程示意图，该转速跟踪方法具体包括以下步骤：
步骤S1：向逆变器单元2发出驱动脉冲，使逆变器单元2中Q1～Q6任一个可控半导体开关管按预设方式导通和关断，并使其余可控半导体开关管保持关断。
其中按预设方式导通和关断的可控半导体开关管位于逆变器单元2的预设相桥臂，该预设相可为U相、V相或W相。
步骤S2：采样逆变器单元2输出的三相电流，并根据三相电流的采样值获得永磁同步电机转速、转向及转子位置。
为了方便分析，以下以向逆变器单元2中U相下管Q2(即预设相位U相)注入脉冲形式(占空比可调)驱动信号，其余五个开关管截止为例说明本实施例的方法。图5为简化原理图，结合图2三相反电动势的大小情况，以流入电机电流方向为正，三相电流有如下三种情形：
(1)30度～150度之间，U相的反电动势最小，此时在Q2导通阶段，E点电位约等于A点电位，B点和C点电位大于A点电位即大于E点电位，则续流二极管D4与D6反向截止不导通，没有三相电流。
(2)150度～210度与330～30度之间，U相的反电动势为中间值，此时在Q2导通阶段，倘若V相反电动势最大，W相反电动势最小，B点大于A点电位，C点电位小于A点电位，即B点大于E点电位，C点电位小于E点电位，则D4反向截止不导通，D6导通，有相电流iu、iw，且有iu＝iw；倘若W相反电动势最大，V相反电动势最小，B点小于A点电位，C点电位大于A点电位，即B点小于E点电位，C点电位大于E点电位，则D6反向截止不导通，D4导通，有相电流iu、iv，且有iu＝iv。
(3)210度～330度之间，U相的反电动势最大，此时在Q2导通阶段，B点和C点电位小于A点电位即小于E点电位，续流二极管D4与D6都导通，有三相电流iu、iv、iw，且有iu为负，绝对值为最大。
在上述步骤中，如图6所示，根据三相电流获得永磁同步电机转速具体包括以下步骤：
步骤S21：通过三相电流采样单元3获取预设相的相电流，如获取U相的相电流。
步骤S22：记录预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔。
在该步骤中，电流预设值由电流检测精度决定，具体可通过以下方式实现：
在预设相的相电流由小于电流预设值变为大于或等于电流预设值时，确认预设相的相电流第一次达到电流预设值，且在预设相的相电流第一次达到电流预设值时，启动计数器。具体地，可通过三相电流采样单元3采样逆变器单元2输出的预设相电流信号，并将预设相电流信号转化为可被数字控制器单元4内部采样的电压信号；数字控制器单元4采集三相电流采样单元3输出的电压信号，将电压信号与预设电压值比较，并在电压信号由小于预设电压值变为大于或等于预设电压值时，确认预设相的相电流由小于预设值变为大于或等于预设值。
在预设相的相电流再一次由小于电流预设值变为大于或等于电流预设值时，确认预设相的相电流第二次达到电流预设值。并在预设相的相电流第二次达到电流预设值时，读取计数器的计数值并将计数值作为时间间隔。
步骤S23：根据时间间隔获得电机转速。上述时间间隔为永磁同步电机旋转360度电角度的时间，通过简单换算即可以得到电机转速。
永磁同步电机的转向具体可通过以下方式获得(假设按预设方式导通和关断的可控半导体开关管可为逆变器模块中第一相桥臂的上桥或下桥开关管，在第一相为U相时，第二相为V相、第三相为W相；在第一相为V相时，第二相为W相、第三相为U相；在第一相为W相时，第二相为U相、第三相为V相)：在上述第一相的相电流连续两次达到电流预设值时，结合上述三相电流的三种情形，若第三相的相电流与第一相的相电流相等，且第二相的相电流为零，则确认永磁同步电机5反转；在上述第一相的相电流连续两次达到电流预设值时，结合上述三相电流的三种情形，若第二相的相电流和第一相的相电流相等，且第三相的相电流为零，则确认永磁同步电机5正转。
在确定了永磁同步电机的转向的基础上具体可通过以下方式获得永磁同步电机转子位置：
在确认永磁同步电机反转时：
在第一相为U相且导通和关断U相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为210度；在第一相为V相且导通和关断V相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为330度；在第一相为W相且导通和关断W相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为90度；在第一相为U相且导通和关断U相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为30度；在第一相为V相且导通和关断V相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为150度；在第一相为W相且导通和关断W相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为270度。
在确认永磁同步电机正转时：
在第一相为U相且导通和关断U相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为150度；在第一相为V相且导通和关断V相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为270度；在第一相为W相且导通和关断W相桥臂的下桥时，永磁同步电机的位置角度为30度；在第一相为U相且导通和关断U相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为330度；在第一相为V相且导通和关断V相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为90度；在第一相为W相且导通和关断W相桥臂的上桥时，永磁同步电机的位置角度为210度。
例如当向逆变器单元2中U相下管Q2注入脉冲形式(占空比可调)驱动信号，其余五个开关管截止，若在上述第一相即U相的相电流连续两次达到电流预设值时，有iu＝iw、iv＝0，则确认永磁同步电机反转，并可确定此时永磁同步电机5的位置角度为210度。因为在150度～210度之间，U相的反电动势为中间值，此时在Q2导通阶段，V相反电动势最大，W相反电动势最小，则D4反向截止不导通，D6导通，有相电流iu、iw，且有iu＝iw、iv＝0。若在上述第一相即U相的相电流连续两次达到电流预设值时，有iu＝iv、iw＝0，则确认永磁同步电机正转，并可确定此时永磁同步电机5的位置角度为150度。因为在150度～210度之间，U相的反电动势为中间值，此时在Q2导通阶段，V相反电动势最小，W相反电动势最大，则D6反向截止不导通，D4导通，有相电流iu、iv，且有iu＝iv、iw＝0。
步骤S3：根据永磁同步电机转速、转向及转子位置，控制永磁同步电机飞车启动。
本发明实施例的永磁同步电机转速跟踪方法通过采集三相电流的方式，不增加硬件电路及不依赖电机参数，获得永磁同步电机转速、转向及转子位置，能有效防止飞车启动过流，保证电机平稳启动，通用性大大提高。
如图7所示，本发明实施例还提供一种永磁同步电机转速跟踪设备，该设备可应用于永磁同步电机控制器，且该设备包括存储器61和处理器62，并且存储器61中存储有可在处理器62上运行的计算机程序，处理器62执行计算机程序时实现如上所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。本实施例中的永磁同步电机转速跟踪设备与上述图4对应实施例中的永磁同步电机转速跟踪方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。本实施例中的计算机可读存储介质与上述图4对应实施例中的永磁同步电机转速跟踪方法属于同一构思，其具体实现过程详细见对应的方法实施例，且方法实施例中的技术特征在本设备实施例中均对应适用，这里不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明实施例揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，包括：
向逆变器单元发出驱动脉冲，使所述逆变器单元中任一个可控半导体开关管按预设方式导通和关断，并使其余可控半导体开关管保持关断；
采样所述逆变器单元输出的三相电流，并根据所述三相电流的采样值获得永磁同步电机转速、转向及转子位置；
根据所述永磁同步电机转速、转向及转子位置，控制所述永磁同步电机飞车启动。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，按预设方式导通和关断的所述可控半导体开关管位于所述逆变器单元的预设相桥臂，所述预设相为U相、V相或W相；
所述根据所述三相电流的采样值获得永磁同步电机转速，包括：
获取所述预设相的相电流；
记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔；
根据所述时间间隔获得电机转速。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，所述记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔，包括：
在所述预设相的相电流由小于所述电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，确认所述预设相的相电流第一次达到电流预设值；
在所述预设相的相电流再一次由小于所述电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，确认所述预设相的相电流第二次达到电流预设值。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，所述记录所述预设相的相电流连续两次达到电流预设值的时间间隔，包括：
在所述预设相的相电流第一次达到电流预设值时，启动计数器；
在所述预设相的相电流第二次达到电流预设值时，读取所述计数器的计数值并将所述计数值作为所述时间间隔。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，按预设方式导通和关断的所述可控半导体开关管为第一相桥臂的上桥或下桥开关管，且在所述第一相为U相时，第二相为V相、第三相为W相；在所述第一相为V相时，所述第二相为W相、第三相为U相；在所述第一相为W相时，所述第二相为U相、第三相为V相；
所述根据所述三相电流获得永磁同步电机转向，包括：
在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值时，若所述第三相的相电流与所述第一相的相电流相等，且第二相的相电流为零，则确认所述永磁同步电机反转；若所述第二相的相电流和所述第一相的相电流相等，且所述第三相的相电流为零，则确认所述永磁同步电机正转。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，所述根据所述三相电流获得永磁同步电机转子位置，包括：
在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值且确认所述永磁同步电机反转时，获得所述永磁同步电机的位置角度：
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为210度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为330度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为90度；
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为30度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为150度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为270度。
7.根据权利要求5所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，在所述第一相的相电流连续两次达到电流预设值且确认所述永磁同步电机正转时，获得所述永磁同步电机的位置角度：
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为150度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为270度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的下桥时，所述永磁同步电机的位置角度为30度；
在所述第一相为U相且导通和关断所述U相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为330度；
在所述第一相为V相且导通和关断所述V相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为90度；
在所述第一相为W相且导通和关断所述W相桥臂的上桥时，所述永磁同步电机的位置角度为210度。
8.根据权利要求3所述的永磁同步电机转速跟踪方法，其特征在于，在判断所述预设相的相电流由小于电流预设值变为大于或等于所述电流预设值时，包括：
通过三相电流采样单元将所述预设相的相电流转化为可被数字控制器单元内部采样的电压信号；
所述数字控制器单元采集所述三相电流采样单元输出的电压信号，将所述电压信号与预设电压值比较，并在所述电压信号由小于所述预设电压值变为大于或等于所述预设电压值时，确认所述预设相的相电流由小于所述预设值变为大于或等于所述预设值。
9.一种永磁同步电机转速跟踪设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至8中任一项所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至8中任一项所述永磁同步电机转速跟踪方法的步骤。
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