基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法

摘要

本发明涉及电气传动领域，旨在提供一种基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法。该方法包括：设定旋转电流矢量的幅值；设定旋转电流矢量的角频率；设定永磁同步电机转子的位置角；对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；虚拟d-q坐标系的PI运算；坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；永磁同步电机的功角观测；永磁同步电机经过上述七个步骤后完成起动。本发明利用永磁同步电机在不失步的情况下，转子转速能够同步跟踪定子旋转磁场的给定频率这一固有特性。通过负载转矩角观测永磁同步电机的运行状态并对其进行控制，保证了系统稳定性。本发明成本低、控制算法简单，能完美实现永磁同步电机无位置传感器的全速段运行。

主权项

基于旋转电流矢量的永磁同步电机无位置传感器控制方法，其特征在于，通过以下步骤实现永磁同步电机的起动：(1)设定旋转电流矢量的幅值；设定i_{q_ref}＝1.2×I_N；i_{d_ref}＝0；式中各符号：i_{q_ref}为q轴电流给定值，I_N为额定电流值，i_{d_ref}为d轴电流给定值，单位均为安培；(2)按下述任意一种方式设定旋转电流矢量的角频率ω_e，阶跃方式：ω_e＝常数；该常数的取值范围是0≤ω_e≤ω_N；ω_N为电机的额定频率；斜坡方式：ω_e＝k₁×t；k₁的的取值范围是k₁>0；加速度方式：ω_e＝k₂×t²；k₂的的取值范围是k₂>0；上述各式中t为旋转电流矢量角频率的加速运行时间，单位为秒；(3)设定永磁同步电机转子的位置角θ_e，θ_e＝∫ω_edt；(4)对三相永磁同步电机的定子输出电流进行坐标变换；将采样得到的三相永磁同步电机的定子电流进行CLARK变换，得到两相α‑β静止坐标系下的电流值i_α、i_β；然后进行PARK变换，其中用来定相的角度采用步骤(3)中所得到的位置角θ_e；建立虚拟d‑q坐标系，最终得到步骤(3)位置角θ_e在虚拟坐标系上定相的值i_d、i_q；(5)虚拟d‑q坐标系的PI运算；将在虚拟d‑q坐标系下的电流给定值与实际反馈值进行比较，并进行PI运算；输出在虚拟d‑q坐标系下的电压给定值U_d、U_q；(6)坐标反变换，并经逆变器实现整个驱动；将在虚拟d‑q坐标系下的电压给定值U_d、U_q进行park反变换，得到在两相α‑β静止坐标系下的电压给定值u_α、u_β，并经SVPWM调制得到驱动器的六个驱动信号，实现电压调制；(7)永磁同步电机的功角观测；在两相α‑β静止坐标系中对永磁同步电机的功角进行观测，对步骤(4)、(6)中所得到的i_α、i_β、u_α、u_β进行计算，得到在两相α‑β静止坐标下的旋转磁链ψ_α、ψ_β的值；再采用下式求解得到功角θ_T：${\theta }_T=arctan\left(\frac{{\psi }_{\alpha }{i}_{\beta }-{\psi }_{\beta }{i}_{\alpha }}{{\psi }_{\alpha }{i}_{\alpha }+{\psi }_{\beta }{i}_{\beta }-L_s(i_{\alpha }^2+i_{\beta }^2)}\right)$该式中，L_s为永磁同步电机的自感，单位为H；永磁同步电机经过上述七个步骤后完成起动；在永磁同步电机完成起动并进入稳态运行后，对永磁同步电机功角的进行控制；(A)设定永磁同步电机稳态运行时的功角值θ_{T_ref}；对于表贴式永磁同步电机，最佳效率点在θ_{T_max}＝90；对于内埋式的永磁同步电机，最佳效率点在${\theta }_{T\_max}=arccos\left\{\frac{X-\sqrt{X^2+8}}{4}\right\}$其中该角度值在90‑120度之间；式中，ψ_f为永磁体磁链，单位为Wb；L_q为q轴电感，单位为H；L_d为d轴电感，单位为H；i_s为旋转电流矢量幅值，单位为安培；(B)稳态运行时切入永磁同步电机功角的调节；切换到功角的动态PI调节状态；将步骤(7)中计算得到的功角值θ_T作为反馈量，与稳态运行时永磁同步电机的功角设定值θ_{T_ref}进行比较，经PI运算后作为q轴电流初始设定值i_{q_ref}的补偿值i_{q_com}；经过动态调节后，系统将稳定运行在设定功角上；(C)稳态运行时切出永磁同步电机功角的调节系统稳定运行于设定的功角上之后，以功角的变动范围作为判断依据设置环宽h；当功角脉动绝对值在环宽以内时，则认为系统稳定；PI控制器输出一个稳定的q轴电流补偿值i_{q_com}，将其补偿值与初始设定值相加作为q轴电流新的给定值；即i_{q_ref_new}＝i_{q_ref}+i_{q_com}切换到功角动态PI调节状态，永磁同步电机控制系统运行于频率它控的方式；(D)负载转矩突变时的动态调节过程当永磁同步电机在频率它控运行中负载发生波动时，功角调节能使系统重新稳定；但是当永磁同步电机发生负载转矩较大突变以至于功角的调节值超出步骤(C)设置的环宽时，为了保证永磁同步电机运行的稳定性和可靠性，系统将切换回到功角的动态PI调节过程，重复步骤(B)和(C)；所述永磁同步电机的稳态运行是指功角的变动范围小于设定的环宽。