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永磁同步电机位置传感器控制方法、系统和存储介质

阅读:252发布:2023-03-12

专利汇可以提供永磁同步电机位置传感器控制方法、系统和存储介质专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且本 发明 提供一种永磁同步 电机 无 位置 传感器 控制方法、系统和存储介质,所述方法包括:利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;根据反电势观测器观测得到反电势观测值;采用预设的滤波 算法 对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;基于滤波后的反电势观测值,估测出电机 转子 的转速值;采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。本发明在不增加 硬件 成本的 基础 上,通过引入滤波算法,对反电势观测值及估测转速值进行滤波,提高了反电势观测值的 信噪比 ,从而使系统的低速运行性能得到提高。,下面是永磁同步电机位置传感器控制方法、系统和存储介质专利的具体信息内容。

1.一种永磁同步电机位置传感器控制方法,其特征在于,所述方法包括:
利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述方法还包括:
通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子位置和电机转速;
利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电流给定i*q;
设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述永磁同步电机为表装式永磁同步电机,电磁转矩方程为: 其中,Pn为电机极对数,Ψf为永磁体磁链,iq为交轴电流;电机运动方程为: 其中,
J为转动惯量,Te为电磁转矩,TL为负载转矩,B为粘滞摩擦系数,ωr为机械角速度
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且05.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述反电势观测器为滑模观测器。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述电机转子的位置为电机转子的转角。
7.一种永磁同步电机无位置传感器控制系统,其特征在于,所述永磁同步电机无位置传感器控制系统包括:存储器及处理器,所述存储器中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:
利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制系统,其特征在于,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被所述处理器执行时还实现如下步骤:
通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子角位置和电机转速;
利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电流给定i*q;
设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号
9.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制系统,其特征在于,所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且010.一种计算机可读存储介质,其特征在于,所述计算机可读存储介质中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被处理器执行时,实现如权利要求1至6中任一项所述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的步骤。

说明书全文

永磁同步电机位置传感器控制方法、系统和存储介质

技术领域

[0001] 本发明涉及电机控制技术领域,尤其涉及一种永磁同步电机无位置传感器控制方法、系统和存储介质。

背景技术

[0002] 由于永磁同步电机结构简单、体积小、功率密度高、效率高、运行性能优良等优点,近年来获得了广泛的应用。例如:交通领域、家电领域、车船的驱动领域,以及类、压缩机、机床、高精度伺服系统等方面的转动机构。
[0003] 目前永磁同步电机驱动一般采用空间矢量脉宽调制技术,在该技术中需要随时获得转子的转速和位置信息,由于滚动转子压缩机内部的结构特点内部充满高温,高压且强腐蚀的制冷剂,内部无法安装位置传感器,目前一般采用无位置传感器控制方式。出于成本以及实际情况考虑在很多应用领域采用无位置传感器方式驱动。例如:在空调箱等压缩机内部无法安装位置传感器,在这些应用领域一般采用无位置传感器的矢量控制方案。
[0004] 无位置传感器的矢量控制方案主要是通过反电势观测器对永磁同步电机的反电势进行观测,以此来估算电机转子的转速及转位置。由于采集的电流电压信号存在大量的干扰信号,使得观测器无法得到准确的反电势值,也就无法得到精确的转子位置和转速信息。如果永磁同步电机在中高速运行状态时,这时反电势信号量值较大,与干扰信号相比,信噪比较大,能够观测到较为准确的反电势值,这样估计的转子位置及转速相对比较准确,控制性能相对比较理想;然而当永磁同步电机处于低速运转的工况时,由于转速过低,反电势信号也很低,与干扰信号比较,观测到的反电势值由于存在相对比较强的干扰,难以得到准确的反电势值,这样永磁同步电机的低速性能较差甚至无法可靠运行。

发明内容

[0005] 为了解决上述至少一个技术问题,本发明提出了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法、系统和存储介质。
[0006] 为了实现上述目的,本发明第一方面提出了一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,其特征在于,所述方法包括:
[0007] 利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
[0008] 根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
[0009] 采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
[0010] 基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
[0011] 采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
[0012] 基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
[0013] 本方案中,所述方法还包括:
[0014] 通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
[0015] 利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子角位置和电机转速;
[0016] 利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
[0017] 将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电流给定i*q;
[0018] 设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
[0019] 确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号
[0020] 本方案中,所述永磁同步电机为表装式永磁同步电机,电磁转矩方程为:其中,Pn为电机极对数,Ψf为永磁体磁链,iq为交轴电流;电机运动方程为: 其中,J为转动惯量,Te为电磁转矩,TL为负载转矩,B为粘滞
摩擦系数,ωr为机械角速度
[0021] 本方案中,所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且0<a<1,e0为滤波后的输出,ei为未经滤波处理的反电势观测值或估测出电机转子的转速值。
[0022] 优选的,所述反电势观测器为滑模观测器。
[0023] 进一步的,所述电机转子的位置为电机转子的转角。
[0024] 本发明第二方面还提出一种永磁同步电机无位置传感器控制系统,所述永磁同步电机无位置传感器控制系统包括:存储器及处理器,所述存储器中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被所述处理器执行时实现如下步骤:
[0025] 利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
[0026] 根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
[0027] 采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
[0028] 基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
[0029] 采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
[0030] 基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
[0031] 本方案中,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被所述处理器执行时还实现如下步骤:
[0032] 通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
[0033] 利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子角位置和电机转速;
[0034] 利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
[0035] 将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电*流给定iq;
[0036] 设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
[0037] 确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号。
[0038] 本方案中,所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且0<a<1,e0为滤波后的输出,ei为未经滤波处理的反电势观测值或估测出电机转子的转速值。
[0039] 本发明第三方面还提出一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被处理器执行时,实现如上述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的步骤。
[0040] 本发明在不增加硬件成本的基础上,通过引入滤波算法,对反电势观测值及估测转速值进行滤波,提高了反电势观测值的信噪比,从而使系统的低速运行性能得到较大提高,可以得到比较理想的效果,通过实际检验能够改善无位置传感器驱动系统的低速运转性能。
[0041] 本发明的控制方法实现简单,很容易嵌入到驱动程序中,无需增加系统的硬件成本及更多的计算量,即可以获得比较大的性能提升。经过测试,对反电势观测值及估测转速值经过滤波处理得到的驱动效果较好。
[0042] 本发明采用反电势观测值滤波后,对开环启动的最低转速要求也相应降低,对启动的可靠性提高也有显著的意义。
[0043] 本发明的附加方面和优点将在下面的描述部分中给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本发明的实践了解到。附图说明
[0044] 图1示出了本发明一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的流程图
[0045] 图2示出了本发明一种表装式永磁同步电机的结构图;
[0046] 图3示出了本发明永磁同步电机无位置传感器驱动框图
[0047] 图4示出了本发明一种滤波器的实现框图;
[0048] 图5示出了本发明一种永磁同步电机无位置传感器控制系统的框图。

具体实施方式

[0049] 为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0050] 在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是,本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施,因此,本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0051] 图1示出了本发明一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的流程图。
[0052] 如图1所示,本发明第一方面提出一种永磁同步电机无位置传感器控制方法,所述方法包括:
[0053] S102,利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
[0054] S104,根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
[0055] S106,采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
[0056] S108,基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
[0057] S110,采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
[0058] S112,基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
[0059] 优选的,所述反电势观测器可以为滑模观测器,但不限于此。
[0060] 需要说明的是,所述电机转子的位置为电机转子的转角。
[0061] 需要说明的是,无位置传感器一般采用电压,电流,以及永磁电机的模型方程,通过观测器估计出反电势信息,再通过反电势观测值推出转子的位置及转速信息,作为反馈量构成闭环矢量控制系统。通过理论分析及实验检测在低速情况下对反电势观测值,及估测转速值进行滤波处理可以较大的提高系统的驱动性能。
[0062] 需要说明的是,永磁同步电机(PMSM)的定子结构为三相对称绕组结构,为了更好的分析和控制,在此需要建立永磁同步电机数学模型。
[0063] 图2为表装式永磁同步电机的结构图。
[0064] 由图2可知,永磁同步电机的三个电枢绕组空间分布,轴线互差120电角度,以A相绕组轴线作为定子静止参考轴,转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d轴),则沿着旋转方向超前直轴90电角度的位置为交轴(q轴),并且以转子直轴相对于定子A轴绕组轴线作为转子位置角θ。
[0065] 得出PMSM定子电压方程式:
[0066]
[0067] 上式中,[ua ub uc]T为定子相电压向量;[ia ib ic]T为定子相电流向量;[Ψa Ψb Ψc]T为定子相绕组磁链向量;diag[Ra Rb Rc]为定子相绕组电阻对角阵;p=d/dt为微分算子。
[0068] 三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场,因此可以用两相系统来等效,在此引入旋转两相dq坐标,从定子三相到旋转两相的变换矩阵如式(2-2)所示。
[0069]
[0070] 得到永磁同步电机在dq轴系的电压方程:
[0071]
[0072] 上式中,ud、uq分别为直轴电压、交轴电压;R为定子电阻;Ψd、Ψq分别为直轴磁链、交轴磁链;ωe为电角速度。
[0073] 其中定子磁链有:
[0074] 式(2-4)中,Ld、Lq分别为定子直轴电感、定子交轴电感;Ψf为永磁体磁链。
[0075] 将式(2-4)代入式(2-3),得到:
[0076]
[0077] 由于Ψf为恒值,则式(2-5)可以简化为:
[0078]
[0079] PMSM的转矩方程为:
[0080]
[0081] PMSM的运动方程为:
[0082]
[0083] 上式中,J为转动惯量,Te为电磁转矩,TL为负载转矩,B为粘滞摩擦系数,ωr为机械角速度。
[0084] 对于表装式永磁同步电机(SPMSM),其直轴电感和交轴电感相等,即Ld=Lq=Ls,则式(2-7)所述的转矩方程可以进一步简化为: 其中,Pn为电机极对数,Ψf为永磁体磁链,iq为交轴电流。
[0085] 图3示出了本发明永磁同步电机无位置传感器驱动框图。
[0086] 如图3所示,永磁同步电机无位置传感器驱动过程如下步骤。
[0087] 通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
[0088] 利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子角位置和电机转速;
[0089] 利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
[0090] 将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电流给定i*q;
[0091] 设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
[0092] 确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号。
[0093] 需要说明是,电机的转矩大小取决于id和iq的大小,即控制id和iq便可以控制电机的转矩,由于一定的转速和转矩对应一定的i*d和i*q,通过对这两个电流的控制,使实际的id和iq跟踪指令值i*d和i*q,从而便实现了电机转矩和速度的控制。
[0094] 对于三相永磁同步电机,通过检测电枢绕组的三相交流电流ia、ib和ic,然后通过坐标变换得到旋转两相dq坐标下电流id和iq,在此过程中,需要用到电机转子的位置信息,本发明通过检测电机的输入电压和电流,利用观测器估算出反电势,通过计算获得转子位置信息。
[0095] 图4示出了本发明一种滤波器的实现框图。
[0096] 如图4所示,本发明的滤波器可以为低通滤波器,其实现方式是通过对实际的试验并结合相应的滤波算法确定滤波系数的取值。所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且0<a<1,e0为滤波后的输出,ei为未经滤波处理的反电势观测值或估测出电机转子的转速值。
[0097] 需要说明的是,上述滤波算法公式模拟的普通的RC低通滤波器,通过将微分方程化为差分方程得到上述滤波公式。当a趋近于1时,输出与输入趋于相等,此时无滤波效果;当a趋近于0时,滤波效果较明显,经过实际测试,一般滤波系数取的值比较小才会有明显的效果。较优的,在实际测试a<0.05时,将会得到比较好的控制效果。
[0098] 图5示出了本发明一种永磁同步电机无位置传感器控制系统的框图。
[0099] 本发明第二方面还提出一种永磁同步电机无位置传感器控制系统5,所述永磁同步电机无位置传感器控制系统5包括:存储器51及处理器52,所述存储器51中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被所述处理器52执行时实现如下步骤:
[0100] 利用永磁同步电机反电势方程构建反电势观测器;
[0101] 根据反电势观测器观测得到反电势观测值;
[0102] 采用预设的滤波算法对反电势观测值进行滤波处理,以得到滤波后的反电势观测值;
[0103] 基于滤波后的反电势观测值,估测出电机转子的转速值;
[0104] 采用所述滤波算法对估测出的转速值进行滤波处理,得到滤波后的转速值;
[0105] 基于滤波后的转速值,计算得到电机转子的位置。
[0106] 需要说明的是,本发明的系统可以在PC、手机、PAD等终端设备中进行操作。
[0107] 需要说明的是,所述处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit,CPU),还可以是其他通用处理器、数字信号处理(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit,ASIC)、现成可编程阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0108] 需要说明的是,所述系统还可以包括显示器,计算得到电机转子的位置可以通过显示器反馈给用户。所述显示器也可以称为显示屏或显示单元。在一些实施例中显示器可以是LED显示器、液晶显示器、触控式液晶显示器以及有机发光二极管(Organic Light-Emitting Diode,OLED)触摸器等。显示器用于显示在系统中处理的信息以及用于显示可视化的工作界面。
[0109] 优选的,所述反电势观测器可以为滑模观测器,但不限于此。
[0110] 需要说明的是,所述电机转子的位置为电机转子的转角。
[0111] 需要说明的是,无位置传感器一般采用电压,电流,以及永磁电机的模型方程,通过观测器估计出反电势信息,再通过反电势观测值推出转子的位置及转速信息,作为反馈量构成闭环矢量控制系统。通过理论分析及实验检测在低速情况下对反电势观测值,及估测转速值进行滤波处理可以较大的提高系统的驱动性能。
[0112] 需要说明的是,永磁同步电机(PMSM)的定子结构为三相对称绕组结构,为了更好的分析和控制,在此需要建立永磁同步电机数学模型。
[0113] 由图2可知,永磁同步电机的三个电枢绕组空间分布,轴线互差120电角度,以A相绕组轴线作为定子静止参考轴,转子永磁极产生的磁场方向为直轴(d轴),则沿着旋转方向超前直轴90电角度的位置为交轴(q轴),并且以转子直轴相对于定子A轴绕组轴线作为转子位置角θ。
[0114] 得出PMSM定子电压方程式:
[0115]
[0116] 上式中,[ua ub uc]T为定子相电压向量;[ia ib ic]T为定子相电流向量;[Ψa Ψb TΨc]为定子相绕组磁链向量;diag[Ra Rb Rc]为定子相绕组电阻对角阵;p=d/dt为微分算子。
[0117] 三相定子电流主要作用是产生一个旋转的磁场,因此可以用两相系统来等效,在此引入旋转两相dq坐标,从定子三相到旋转两相的变换矩阵如式(2-2)所示。
[0118]
[0119] 得到永磁同步电机在dq轴系的电压方程:
[0120]
[0121] 上式中,ud、uq分别为直轴电压、交轴电压;R为定子电阻;Ψd、Ψq分别为直轴磁链、交轴磁链;ωe为电角速度。
[0122] 其中定子磁链有:
[0123] 式(2-4)中,Ld、Lq分别为定子直轴电感、定子交轴电感;Ψf为永磁体磁链。
[0124] 将式(2-4)代入式(2-3),得到:
[0125]
[0126] 由于Ψf为恒值,则式(2-5)可以简化为:
[0127]
[0128] PMSM的转矩方程为:
[0129]
[0130] PMSM的运动方程为:
[0131]
[0132] 上式中,J为转动惯量,Te为电磁转矩,TL为负载转矩,B为粘滞摩擦系数,ωr为机械角速度。
[0133] 对于表装式永磁同步电机(SPMSM),其直轴电感和交轴电感相等,即Ld=Lq=Ls,则式(2-7)所述的转矩方程可以进一步简化为: 其中,Pn为电机极对数,Ψf为永磁体磁链,iq为交轴电流。
[0134] 根据本发明的实施例,永磁同步电机无位置传感器驱动过程如下步骤:
[0135] 通过霍尔电流传感器测量电机定子两相电流ia和ib,通过Clark变换得到两相静止坐标下的电流iα和iβ;
[0136] 利用iα、iβ和uα和uβ,通过观测器估算得到电机转子角位置和电机转速;
[0137] 利用观测器估算得到电机转子位置角,使得iα和iβ经过Park变换后,得到两相旋转坐标系下的电流id和iq;
[0138] 将电机给定转速ω*与观测器估算转速 相比较,经过速度PI调节器,输出交轴电流给定i*q;
[0139] 设直轴电流给定为i*d=0,把交、直轴电流分别与实际检测值相比较,然后分别经过电流PI调节器,输出交、直轴电压值uq和ud,再经过Park反变换,得到两相静止坐标系统下的电压值uα和uβ;
[0140] 确定uα和uβ的合成矢量位于空间电压矢量所围成的六个扇区中的某个扇区,选择适当的零矢量并计算该扇区内两相邻电压矢量以及零矢量各自所占时间,根据计算结果设定相应寄存器值,输出逆变器的驱动控制信号。
[0141] 需要说明是,电机的转矩大小取决于id和iq的大小,即控制id和iq便可以控制电机的转矩,由于一定的转速和转矩对应一定的i*d和i*q,通过对这两个电流的控制,使实际的id和iq跟踪指令值i*d和i*q,从而便实现了电机转矩和速度的控制。
[0142] 对于三相永磁同步电机,通过检测电枢绕组的三相交流电流ia、ib和ic,然后通过坐标变换得到旋转两相dq坐标下电流id和iq,在此过程中,需要用到电机转子的位置信息,本发明通过检测电机的输入电压和电流,利用观测器估算出反电势,通过计算获得转子位置信息。
[0143] 本发明的滤波器可以为低通滤波器,其实现方式是通过对实际的试验并结合相应的滤波算法确定滤波系数的取值。所述滤波算法的公式为:e0(k)=(1-a)×e0(k-1)+a×ei(k),其中,a为滤波系数,且0<a<1,e0为滤波后的输出,ei为未经滤波处理的反电势观测值或估测出电机转子的转速值。
[0144] 需要说明的是,上述滤波算法公式模拟的普通的RC低通滤波器,通过将微分方程化为差分方程得到上述滤波公式。当a趋近于1时,输出与输入趋于相等,此时无滤波效果;当a趋近于0时,滤波效果较明显,经过实际测试,一般滤波系数取的值比较小才会有明显的效果。较优的,在实际测试a<0.05时,将会得到比较好的控制效果。
[0145] 本发明第三方面还提出一种计算机可读存储介质,所述计算机可读存储介质中包括一种永磁同步电机无位置传感器控制方法程序,所述永磁同步电机无位置传感器控制方法程序被处理器执行时,实现如上述的一种永磁同步电机无位置传感器控制方法的步骤。
[0146] 本发明在不增加硬件成本的基础上,通过引入滤波算法,对反电势观测值及估测转速值进行滤波,提高了反电势观测值的信噪比,从而使系统的低速运行性能得到较大提高,可以得到比较理想的效果,通过实际检验能够改善无位置传感器驱动系统的低速运转性能。
[0147] 本发明的控制方法实现简单,很容易嵌入到驱动程序中,无需增加系统的硬件成本及更多的计算量,即可以获得比较大的性能提升。经过测试,对反电势观测值及估测转速值经过滤波处理得到的驱动效果较好。
[0148] 本发明采用反电势观测值滤波后,对开环启动的最低转速要求也相应降低,对启动的可靠性提高也有显著的意义。
[0149] 在本申请所提供的几个实施例中,应该理解到,所揭露的设备和方法,可以通过其它的方式实现。以上所描述的设备实施例仅仅是示意性的,例如,所述单元的划分,仅仅为一种逻辑功能划分,实际实现时可以有另外的划分方式,如:多个单元或组件可以结合,或可以集成到另一个系统,或一些特征可以忽略,或不执行。另外,所显示或讨论的各组成部分相互之间的耦合、或直接耦合、或通信连接可以是通过一些接口,设备或单元的间接耦合或通信连接,可以是电性的、机械的或其它形式的。
[0150] 上述作为分离部件说明的单元可以是、或也可以不是物理上分开的,作为单元显示的部件可以是、或也可以不是物理单元;既可以位于一个地方,也可以分布到多个网络单元上;可以根据实际的需要选择其中的部分或全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0151] 另外,在本发明各实施例中的各功能单元可以全部集成在一个处理单元中,也可以是各单元分别单独作为一个单元,也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中;上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现,也可以采用硬件加软件功能单元的形式实现。
[0152] 本领域普通技术人员可以理解:实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成,前述的程序可以存储于计算机可读取存储介质中,该程序在执行时,执行包括上述方法实施例的步骤;而前述的存储介质包括:移动存储设备、只读存储器(ROM,Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM,Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0153] 或者,本发明上述集成的单元如果以软件功能模的形式实现并作为独立的产品销售或使用时,也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解,本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来,该计算机软件产品存储在一个存储介质中,包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机、服务器、或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分。而前述的存储介质包括:移动存储设备、ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
[0154] 以上所述,仅为本发明的具体实施方式,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揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,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以所述权利要求的保护范围为准。
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