永磁同步電機的控制方法及系統與流程

本發明涉及永磁同步電機控制領域，具體地涉及一種永磁同步電機控制方法及系統。

背景技術：

隨著電機技術的飛速發展，有的空調散熱風機和壓縮機的電機為無位置傳感器的永磁同步電機，無位置傳感器永磁同步電機在啟動前，由于轉子位置是未知的，需要根據其繞組參數對轉子位置進行估算，并在估算到轉子位置之后再啟動電機。

在相關技術中，常見的是采用反電勢的模型來驅動空調或者冰箱的壓縮機并以此來估計轉子的位置角和速度，此實現方式由于操作簡單得到了較大的推廣，更具體的關于單電流啟動的方式：以速度開環方式將壓縮機頻率拉升至一定頻率之后就直接切換至閉環。

本申請發明人在實現本發明的過程中發現：在電機啟動時、尤其是當電機帶載啟動或存在較大或變化的負載時，由開環啟動回路向閉環工作回路直接切換的時候會產生著較大的切換電流，嚴重時甚至還會導致電機的啟動失敗。

技術實現要素：

本發明實施例的目的是提供一種永磁同步電機的控制方法及系統，用以解決現有技術中的永磁同步電機由開環啟動回路向閉環工作回路直接切換時所導致的較大的切換電流以及電機啟動失敗的技術問題。

為了實現上述目的，本發明實施例一方面提供一種永磁同步電機的控制方法，其中該永磁同步電機基于單電流環輸入來啟動，所述方法包括：確定所述永磁同步電機的轉子在啟動階段的第一時間的關于假定旋轉坐標系的假定角度；獲取在所述第一時間下所述轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度；計算所述假定角度和所述實際角度的第一角度差值，并判斷所述第一角度差值是否在角度差閾值范圍內；以及當所述第一角度差值在所述角度差閾值范圍內時，判斷第一角度差值符合角度差閾值范圍的第一持續時間是否大于時間閾值；如果所述第一持續時間大于所述時間閾值，則將所述永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

可選的，所述將所述永磁同步電機切換至閉環控制狀態包括：取消所述假定旋轉坐標系對所述永磁同步電機的作用并獲取所述轉子的轉速；基于所獲取的所述轉速來設置所述永磁同步電機的參考交軸輸入，以將所述永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

可選的，如果所述第一角度差值不在所述角度差閾值范圍內，該方法還包括：執行以下閉環切入判定步驟：判斷所述啟動階段下的第二時間所對應的第二角度差值是否在所述角度差閾值范圍內，和/或判斷所述第二角度差值在所述角度差閾值范圍的第二持續時間是否大于所述時間閾值時；如果所述第二角度差值仍不在所述角度差閾值范圍內、和/或所述第二持續時間不大于所述時間閾值，則迭代統計所述閉環切入判定步驟的執行次數；以及當所統計的所述執行次數超過次數閾值時，確定存在電機控制故障。

可選的，如果所述第一角度差值不在所述角度差閾值范圍內，該方法還包括：通過調整所述單電流環輸入來增大與所述假定角度相關的假定直軸電流分量和/或降低與所述假定角度相關的假定交軸電流分量來將所述第一角度差值調整至所述角度差閾值范圍內。

可選的，所述調整所述單電流環輸入包括：通過控制電流矢量分配角在所述假定旋轉坐標系的假定直軸和假定交軸上的投射來調整所述單電流環輸入。

可選的，在所述啟動階段保持所述單電流環輸入所對應的電流矢量幅值相對于所述轉子的轉速的比值恒定。

本發明實施例另一方面提供一種永磁同步電機的控制系統，其中該永磁同步電機基于單電流環輸入來啟動，所述系統包括：假定角度確定單元，用于確定所述永磁同步電機的轉子在啟動階段的第一時間的關于假定旋轉坐標系的假定角度；實際角度獲取單元，用于獲取在所述第一時間下所述轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度；角度差計算單元，用于計算所述假定角度和所述實際角度的第一角度差值；角度判斷單元，用于判斷所述第一角度差值是否在角度差閾值范圍內；時間判斷單元，用于當所述第一角度差值在所述角度差閾值范圍內時，判斷第一角度差值在所述角度差閾值范圍內的第一持續時間是否大于時間閾值；閉環切入單元，用于如果所述第一持續時間大于所述時間閾值，則將所述永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

可選的，所述閉環切入單元包括：假定消除模塊，用于取消所述假定旋轉坐標系對所述永磁同步電機的作用；轉速獲取模塊，用于獲取所述轉子的轉速；閉環設置模塊，用于基于所獲取的所述轉速來設置所述永磁同步電機的參考交軸輸入，以將所述永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

可選的，所述系統還包括故障分析單元，該故障分析單元包括：判定調用模塊，用于如果所述第一角度差值不在所述角度差閾值范圍內，則執行以下閉環切入判定步驟-判斷所述啟動階段下的第二時間所對應的第二角度差值是否在所述角度差閾值范圍內，和/或判斷所述第二角度差值在所述角度差閾值范圍內的第二持續時間是否大于所述時間閾值時；統計模塊，用于如果所述第二角度差值仍不在所述角度差閾值范圍內、和/或所述第二持續時間不大于所述時間閾值，則迭代統計所述閉環切入判定步驟的執行次數；故障分析模塊，用于當所統計的所述執行次數超過次數閾值時，確定存在電機控制故障。

可選的，所述系統還包括：角度差調整單元，用于如果所述第一角度差值不在所述角度差閾值范圍內，通過調整所述單電流環輸入來增大與所述假定角度相關的假定直軸電流分量和/或降低與所述假定角度相關的假定交軸電流分量來將所述第一角度差值調整至所述角度差閾值范圍內。

可選的，所述角度差調整單元用于通過控制電流矢量分配角在所述假定旋轉坐標系的假定直軸和假定交軸上的投射來調整所述單電流環輸入。

可選的，所述實際角度獲取單元通過與位置估計器的交互來獲取在所述啟動階段下所述轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度。

另一方面，本發明提供一種機器可讀存儲介質，該機器可讀存儲介質上存儲有指令，該指令用于使得機器執行本申請上述永磁同步電機的控制方法。

通過上述技術方案，將電機轉子在假定旋轉坐標系和實際旋轉坐標系下的位置角度差進行判斷，如果在第一時間的第一角度差在角度閾值范圍內時，繼續判斷第一角度差值符合角度差閾值范圍的第一持續時間是否大于時間閾值，并僅在第一持續時間大于時間閾值的情況下，才將永磁同步電機切換至閉環控制狀態；由此，在判斷從開環控制回路切換至閉環控制回路的位置估計滿足的同時還保障了閉環切入時刻所估算的轉子位置的穩定性，能解決因啟動階段的電機負載過大或變化而導致所估算的轉子位置的波動和不穩定的問題，以提高電機閉環切入的穩定性和魯棒性。

本發明實施例的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明實施例的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明實施例，但并不構成對本發明實施例的限制。在附圖中：

圖1是本發明一實施例的永磁同步電機的控制方法的流程示意圖；

圖2是電機轉子在啟動過程中的位置關于實際旋轉坐標系和虛擬旋轉坐標系的示意圖；

圖3是電機控制系統在實施本發明實施例的永磁同步電機的控制方法時的原理架構示意圖；

圖4是本發明另一實施例的永磁同步電機的控制方法的流程示意圖；

圖5是本發明又一實施例的永磁同步電機的控制方法的流程示意圖；

圖6是應用本發明實施例的永磁同步電機控制方法的電機在負載較重的工況下將電機啟動至閉環階段時的電流波形示意圖；

圖7是本發明一實施例的一種永磁同步電機的控制系統的結構示意圖。

附圖標記說明

401假定角度確定單元402實際角度獲取單元

403角度差計算單元404角度判斷單元

405時間判斷單元406閉環切入單元

具體實施方式

以下結合附圖對本發明實施例的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明實施例，并不用于限制本發明實施例。

參見圖1示出的是本發明一實施例的永磁同步電機的控制方法的流程示意圖，該方法具體包括：

步驟101：基于單電流環輸入來啟動轉子；

步驟102：確定永磁同步電機的轉子在啟動階段的第一時間的關于假定旋轉坐標系的假定角度；

步驟103：獲取在第一時間下轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度；

更具體地，作為示例，可以是借助于位置估計器來實現的，例如通過與位置估計器的交互來獲取該實際角度。

步驟104：計算假定角度和實際角度的第一角度差值；

參照圖2，其示出了關于實際角度、假定角度和第一角度差值的示意，其中實線部分所描繪的是假定旋轉坐標系、虛線部分所描繪的是實際旋轉坐標系，以及假定旋轉坐標系包含假定直軸d*軸和假定交軸q*軸、實際旋轉坐標系具有直軸d軸和交軸q軸，以及在實際旋轉坐標系和假定旋轉坐標系之間所存在的夾角δθ，其中δθ與第一角度差值相關。在本實施例中，在輸入的過程中借助了假定旋轉坐標系來探測實際旋轉坐標系，可以是通過單電流環輸入至d*軸和q*軸的電流或電壓信號來完成該過程，例如：輸入d*軸和q*軸的電流id*和iq*，可以使id*在啟動過程中保持不變而通過設置iq*隨著工作頻率的增加而提高并為其設置限幅值來完成上述過程。

步驟105：判斷第一角度差值是否在角度差閾值范圍內；

通過步驟105的實施，可以檢測是否第一角度差值、例如δθ在一定的閾值范圍內；由此可以確定假定旋轉坐標系是否與實際的坐標系之間的貼合或近似貼合，也就是是否滿足較精確的位置估計的條件。

步驟106：當第一角度差值在角度差閾值范圍內時，判斷第一角度差值在角度差閾值范圍內的第一持續時間是否大于時間閾值；

可以理解的是，該角度差閾值范圍和時間閾值都可以是預設定的，例如經過多次參照實驗所確定的。

作為另一方面的公開和優化，在確定第一角度差值不在角度差閾值范圍內或相差較遠時，可以通過調整單電流環輸入來增大假定直軸電流分量id*、或者降低假定交軸電流分量iq*來將第一角度差值調整至角度差閾值范圍內。

步驟107：如果第一持續時間大于時間閾值，則將永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

需要說明的是，本發申請的發明人在實踐本申請的過程中發現：利用假定坐標系去貼近實際坐標系以估計轉子的實際位置，也就是縮小實際旋轉坐標系和假定旋轉坐標系之間的夾角；可能在某一時間點該夾角較小，例如為0或接近于0，但由于啟動過程中的其他干擾因素，例如由于電機所承受的負載或變化負載而導致所估計的假定旋轉坐標系的角度可能會存在浮動，甚至有可能會存在較大的浮動。在一些情況下，從電機啟動開始轉子的速度開始逐漸上升，導致電機的響應時間較長，而且在達到穩定值附近時的頻率波動也比較大，以及該波動也有可能不只是與負載相關，并還可能是與永磁同步電機的內部結構本身的配置相關。

關于步驟107更具體的執行，可以是取消假定旋轉坐標系對永磁同步電機的作用并獲取轉子的轉速；基于所獲取的轉速來設置永磁同步電機的參考交軸輸入，以將永磁同步電機切換至閉環控制狀態。更具體地，如圖3所示，該閉環切換策略可以觸發開關由開環啟動階段(步驟101-106)向閉環控制階段(步驟107)過渡的時候進行切換。在步驟107所實施的階段，如圖3所示，q軸電流的給定可以改由閉環速度系統的速度調節器來提供，而d軸電流給定可以等于切換瞬間d*軸電流的給定值，并在閉環過渡階段逐漸減小至零并保持，或者改為mtpa控制器提供，由此來完成切換過程。

由此，通過本實施例方法的實施可以提高電機閉環切入的穩定性和魯棒性。

參見圖4示出的是本發明另一實施例的永磁同步電機的控制方法的流程示意圖，該方法具體包括：

步驟201：基于單電流環輸入來啟動轉子；

步驟202：確定永磁同步電機的轉子在啟動階段的第一時間的關于假定旋轉坐標系的假定角度；

步驟203：獲取在第一時間下轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度；

步驟204：計算假定角度和實際角度的第一角度差值；

步驟205：判斷第一角度差值是否在角度差閾值范圍內；

關于步驟201-205的解釋，可以參照上文實施例的說明，相同內容在此不加以贅述。

步驟206：執行以下閉環切入判定步驟：判斷啟動階段下的第二時間所對應的第二角度差值是否在角度差閾值范圍內，和/或判斷第二角度差值在角度差閾值范圍內的第二持續時間是否大于時間閾值；

步驟207：如果第二角度差值仍不在角度差閾值范圍內、和/或第二持續時間不大于時間閾值，則迭代統計閉環切入判定步驟的執行次數；

步驟208：當所統計的執行次數超過次數閾值時，確定存在電機控制故障。

由此，可以在電機啟動無法切入閉環工作回路時，及時報警以警示用戶及時采取相應的維護措施。

作為進一步的公開和優化，在步驟206和步驟207之間添加調制單電流環輸入的操作，由此可以實現自動化的調整以增大符合閉環切入的條件的概率，以增大電機成功啟動運行的機會；關于調制單電流環輸入的操作，可以參照上文實施例的描述，相同內容在此不加以贅述。

為了使得本申請的技術方案更易于被公眾所理解，以下將繼續結合圖5來對本發明一具體實施例的永磁同步電機的控制方法進行說明。更具體地，該方法包括：

步驟301：is/f單電流環啟動，采用電流內環驅動電機加速旋轉。

在該步驟301的實施過程中，轉速給定為斜坡信號，經過積分產生假定旋轉坐標系dq*的給定位置角。保持電流矢量幅值is和轉速給定f*比值恒定，經過系統運算實時更新電壓矢量，從而驅動電機加速旋轉，牽引轉子平滑啟動。d*軸和q*軸的電流給定值分別為iscos(γ)和issin(γ)，γ為電流矢量分配角，在步驟301的實施過程中，γ可以保持為90度或者其他固定值。作為步驟301進一步的公開和優化，電流矢量幅值is和轉速給定f*比值恒定，f*給定由零逐漸增加，使得is也是逐漸增加，故在開環啟動瞬間電流基本無沖擊。

并且還需要說明的是，在步驟301中，根據永磁同步電機的轉矩表達式，可得在假定坐標系中轉矩為：

采用is/f控制并且電流矢量完全落在q*軸時，γ＝90度。根據力平衡原理，角度δθ隨著負載的變化而不斷地變化，并達到平衡，在假定坐標系和實際坐標系之間存在一個角度差，純空載時轉子會被定位在超前假定坐標系90°的位置。由此使得該控制具有轉矩-功角自平衡的特性，并能較強地抗負載擾動。

步驟302：姿態調整，電機加速至預設的頻率fthd后，檢查dq*坐標系的角度θ*與閉環估計器輸出的dq坐標系θ之間的角度差δθ(δθ＝θ*-θ)。如果δθ＞θthd則減小γ，如果δθ＜-θthd則增加γ，調整is在dq*坐標系兩個軸上的電流分配，迫使假定坐標系向實際坐標系靠近，使得dq*坐標系和dq坐標系之間的差角在θthd以內。

在步驟302中，is/f啟動達到頻率fthd后，給定坐標系dq*和實際坐標系dq之間還存在著一個角度差δθ，根據轉矩表達式和轉矩平衡方程，且該角度受到負載大小的影響。需要將δθ消除后才能平順可靠地切換，dq*和dq之間角度差值的調整方法可以是改變γ，即改變電流給定矢量在d*軸和q*軸的分配。根據電機轉矩-功角平衡原理可知，如果增加d*軸電流或者減小q*軸電流，則角度差值減小，反之則增加，據此減小假定坐標系和實際坐標系之間的角度差值。

作為步驟302的進一步的公開和優化，該角度差的調節可以是結合pi環來完成的，更具體地，可以是將角度差值δθ設置為pi環的輸入，并將-γ作為pi環的輸出。

作為步驟302的進一步的公開和優化，可以在調整γ角的同時逐步減小電流矢量給定，根據上述永磁同步電機功角平衡的原理，此時角度差值也會減小，并且還能夠有效減小電流在切換閉環時的沖擊。

步驟303，通過對比δθ和θthd，判斷閉環切入的條件是否滿足以及位置估計器是否能夠較為精確地觀測轉子位置與轉速。如果δθ絕對值維持tthd1時間小于θthd，則判定條件滿足，否則繼續判定。

步驟304，閉環過渡階段，如果步驟303中的判定滿足閉環切入條件，則由dq*坐標系切入dq坐標系，即矢量控制所需角度值改由閉環位置估計器提供，由此將電機切入閉環控制。

步驟305：故障判定階段，如果大于tthd2時間未滿足條件，則增加is/f比重新開始電機啟動過程；以及如果連續三次重啟均未能判定條件滿足，則顯示電機故障。可以理解的是，實施例中的次數閾值為三次僅僅用作示例，而不用作對實施例范圍的限制。

通過該實施例方法的實施，可以提供了一種可實現無位置傳感器啟動及平滑切換的永磁同步電機啟動方法，并由此克服相關技術中永磁同步電機在無位置傳感器條件下帶載啟動困難和開閉環切換不平滑的不足，能夠有效減小電流在切換閉環時的沖擊，增大電機成功啟動的幾率。

參見圖6所示的實施例方法在實際應用時所獲得的驗證結果，如圖6所示，其顯示的是負載較重的工況下將電機啟動至閉環階段時的電流波形。其中，電流給定的峰值為30a。通過該實驗結果表明：采用本實施例的整個過渡過程比較平滑，表明了本實施例方案在負載較重的條件下依然可以實現對電機的平緩啟動，其驗證了本發明實施例方案的有效性和可行性。

關于上文方法實施例的實施，可以是借助電控軟件的形式來完成的。有鑒于此，本發明實施例還提供一種機器可讀存儲介質，該機器可讀存儲介質上存儲有指令，該指令用于使得機器執行本申請上述永磁同步電機的控制方法；以及該機器可以是單片機、微型處理器等。

本領域技術人員可以理解實現上述實施例方法中的全部或部分步驟是可以通過程序來指令相關的硬件來完成，該程序存儲在一個存儲介質中，包括若干指令用以使得一個(可以是單片機，芯片等)或處理器(processor)執行本申請各個實施例所述方法的全部或部分步驟。而前述的存儲介質包括：u盤、移動硬盤、只讀存儲器(rom，read-onlymemory)、隨機存取存儲器(ram，randomaccessmemory)、磁碟或者光盤等各種可以存儲程序代碼的介質。

參見圖7示出的是本發明一實施例的一種永磁同步電機的控制系統的結構示意圖，該永磁同步電機基于單電流環輸入來啟動，該系統包括假定角度確定單元401、實際角度獲取單元402、角度差計算單元403、角度判斷單元404、時間判斷單元405和閉環切入單元406，其中假定角度確定單元401可以用于確定永磁同步電機的轉子在啟動階段的第一時間的關于假定旋轉坐標系的假定角度；實際角度獲取單元402可以用于獲取在第一時間下轉子的關于實際旋轉坐標系的實際角度；角度差計算單元403可以用于計算假定角度和實際角度的第一角度差值；角度判斷單元404可以用于判斷第一角度差值是否在角度差閾值范圍內；時間判斷單元405可以用于當第一角度差值在角度差閾值范圍內時，判斷第一角度差值符合角度差閾值范圍的第一持續時間是否大于時間閾值；閉環切入單元406可以用于如果第一持續時間大于時間閾值，則將永磁同步電機切換至閉環控制狀態。

上述系統實施例可以是作為永磁同步電機的輔助啟動系統而設置的，關于本發明實施例系統的更多技術細節和技術效果可以參照上文針對方法實施例的描述，其方法步驟可以由系統相應的單元或模塊來執行，處于篇幅考慮在此不加以贅述。

本發明實施例還一方面提供一種壓縮機(未示出)，該壓縮機中設置有上述的永磁同步電機的控制系統，由此使得應用有該電機的壓縮機也能具有上文實施例所闡述的技術方案和技術效果。

本發明實施例還一方面提供一種家用電器，該家用電器可以是電冰箱、空調等，以及該家用空調可以配置有上述實施例所描述的壓縮機。

以上結合附圖詳細描述了本發明例的可選實施方式，但是，本發明實施例并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明實施例的技術構思范圍內，可以對本發明實施例的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明實施例的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明實施例對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明實施例的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明實施例的思想，其同樣應當視為本發明實施例所公開的內容。