本發(fā)明涉及永磁同步電機(jī)，尤其涉及永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著高能效變頻調(diào)速電機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用普及，永磁同步電機(jī)(下文簡(jiǎn)稱pmsm電機(jī))應(yīng)用越來(lái)越廣泛，其中又以無(wú)傳感器的磁場(chǎng)定向控制(foc，field-orientedcontrol，，簡(jiǎn)稱矢量控制)方案更為普遍。而在pmsm電機(jī)中，又以表貼式電機(jī)應(yīng)用廣泛。但表貼式電機(jī)由于其直軸電感近似等于交軸電感，凸極率近似為1，傳統(tǒng)的基于六向脈沖注入的電流定位法效果不佳，定位準(zhǔn)確度低，易造成啟動(dòng)失敗。為此可采用強(qiáng)制預(yù)定位法啟動(dòng)，但強(qiáng)制預(yù)定位所需時(shí)間較長(zhǎng)，且有明顯的左右擺動(dòng)，所適用的場(chǎng)合受限。另一種方法是直接啟動(dòng)法，即不做靜止定位，直接任意角度啟動(dòng)，這是永磁同步電機(jī)啟動(dòng)研究的新趨勢(shì)，只要能解決直接啟動(dòng)過(guò)程中的反拉、過(guò)驅(qū)動(dòng)/欠驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致的失步問(wèn)題，就能獲得良好的啟動(dòng)效果，但直接啟動(dòng)法技術(shù)難度較高，理論尚在發(fā)展，并且也無(wú)法適應(yīng)各種場(chǎng)景和電機(jī)，因此，基于無(wú)傳感器foc控制的無(wú)(弱)凸極效應(yīng)的pmsm電機(jī)的啟動(dòng)問(wèn)題仍然是業(yè)界的一個(gè)難點(diǎn)。。

啟動(dòng)成功以后，電機(jī)進(jìn)入低速運(yùn)行。這是無(wú)傳感器foc控制另一個(gè)難點(diǎn)。pmsm電機(jī)常用的轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器算法中，諸如滑膜觀測(cè)器、擴(kuò)展卡爾曼濾波、模型參考自適應(yīng)、磁鏈觀測(cè)器等多種觀測(cè)器方法，在中高速階段都能取得較好的效果，但在零速啟動(dòng)與低速運(yùn)行時(shí)有時(shí)效果不佳，主要是算法未收斂，觀測(cè)誤差大。這從觀測(cè)器算法的源頭是比較容易理解的，這些觀測(cè)器算法大都直接或間接用到了磁場(chǎng)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)，依賴于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)的強(qiáng)弱，而在零速和低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)不穩(wěn)定，幅度很小，且有失真，據(jù)此得到的觀測(cè)器誤差較大，無(wú)法提供轉(zhuǎn)子位置和速度的準(zhǔn)確信息，導(dǎo)致在這一階段電機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，容易發(fā)生失步，導(dǎo)致啟動(dòng)失敗。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述永磁同步電機(jī)直接啟動(dòng)及低速運(yùn)行面臨的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法。所述方法包括：

獲取電機(jī)電壓矢量us以及電機(jī)電流矢量is；

計(jì)算所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差從而獲得功率因數(shù)角，其中，所述功率因數(shù)角與反映定轉(zhuǎn)子同步狀況的軸間角度相關(guān)聯(lián)；

根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)；

根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正；

重復(fù)前述步驟，以完成整個(gè)開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段(即觀測(cè)器驅(qū)動(dòng)階段)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述軸間角度為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系之間的角度差δθ。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差為所述功率因數(shù)角，在直軸電流為零的控制策略下，所述功率因數(shù)角等于所述定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下電壓矢量與坐標(biāo)交軸(q軸)的夾角。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取電機(jī)電流矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電流采樣得到ia,ib,ic，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到電機(jī)電流矢量is在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電流和beta軸電流，即iα,iβ。其中，iα,iβ可直接構(gòu)成電流矢量is。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取電機(jī)電壓矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電壓采樣得到ua,ub,uc，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到電機(jī)電壓矢量us在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓，即uα,uβ。其中，uα,uβ可直接構(gòu)成電壓矢量us。

在一個(gè)實(shí)施例中，在無(wú)法進(jìn)行電壓采樣的情況下，所述電機(jī)電壓矢量通過(guò)直接使用所述永磁同步電機(jī)的park反變換模塊的輸出電壓獲得，所述park反變換模塊的輸出電壓視為靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓uα,uβ，其中，所述uα,uβ經(jīng)所述空間矢量脈寬調(diào)制器(svpwm)驅(qū)動(dòng)所述永磁同步電機(jī)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述計(jì)算相位差包括：

確定電壓相角

確定電流相角

得到所述相位差δφ＝φu-φi。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)包括：

構(gòu)造偏差因子其中δφref為基準(zhǔn)相位差，所述基準(zhǔn)相位差對(duì)應(yīng)一條啟動(dòng)正常狀態(tài)下相位差隨驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速變化而變化的基準(zhǔn)曲線，δφreal為實(shí)際計(jì)算得到的相位差，所述δφreal對(duì)應(yīng)一條圍繞所述基準(zhǔn)相位差上下波動(dòng)的曲線；

當(dāng)所述偏差因子超出設(shè)定的門限范圍，則判定轉(zhuǎn)子失步，所述偏差因子的大小表示轉(zhuǎn)子失步程度。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正包括：所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括轉(zhuǎn)矩電流、流頻比系數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度，其中所述啟動(dòng)速度和加速度構(gòu)成開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速，所述轉(zhuǎn)矩電流由所述開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速按照所述流頻比系數(shù)決定，本實(shí)施例中設(shè)定流頻比系數(shù)為一固定值，即所述轉(zhuǎn)矩電流與所述開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速成固定比例關(guān)系，所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正主要針對(duì)所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度，不針對(duì)所述轉(zhuǎn)矩電流調(diào)整，此時(shí)開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)可以簡(jiǎn)稱為開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)；

如果在加速過(guò)程中判定轉(zhuǎn)子失步，則根據(jù)轉(zhuǎn)子失步的不同程度跳轉(zhuǎn)到一對(duì)應(yīng)狀態(tài)，所述對(duì)應(yīng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的加速度為在起始加速度的基礎(chǔ)上按失步嚴(yán)重程度成負(fù)相關(guān)減小，極限減到所述加速度為0；

如果在經(jīng)過(guò)減小加速度后轉(zhuǎn)子失步的程度仍然超過(guò)一堵轉(zhuǎn)門限，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，即轉(zhuǎn)速直接減到所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子重新從初始狀態(tài)開(kāi)始加速。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述軸間角度為：

其中，為定子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速，r為電機(jī)電阻，lq為電機(jī)交軸電感，為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下直軸電壓、為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下交軸電壓,iq*為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下交軸電流給定。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)糾正到使所述軸間角度保持在一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

本發(fā)明提供了一種開(kāi)環(huán)i/f階段的快速失步檢測(cè)方法，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)，在啟動(dòng)成功率、抗負(fù)載擾動(dòng)等指標(biāo)上都取得了較好的效果，尤其是在一些有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且凸極效應(yīng)不明顯的表貼式電機(jī)中，可以解決由于靜止定位不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的啟動(dòng)失敗，啟動(dòng)頓挫等問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的以上發(fā)明內(nèi)容以及下面的具體實(shí)施方式在結(jié)合附圖閱讀時(shí)會(huì)得到更好的理解。需要說(shuō)明的是，附圖僅作為所請(qǐng)求保護(hù)的發(fā)明的示例。在附圖中，相同的附圖標(biāo)記代表相同或類似的元素。

圖1示出定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系和轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系的相互關(guān)系示意圖；

圖2示出在id＝0的控制策略下永磁同步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)矢量圖；

圖3示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的基準(zhǔn)與實(shí)測(cè)曲線示意圖；

圖4示出開(kāi)環(huán)加速曲線；

圖5示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的檢測(cè)-糾正的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖；

圖6示出根據(jù)本發(fā)明方法對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制模塊框圖；

圖7示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的正常開(kāi)環(huán)啟動(dòng)時(shí)電壓電流波形與基準(zhǔn)相位差衡量參數(shù)；

圖8示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的堵轉(zhuǎn)時(shí)電壓電流波形與實(shí)測(cè)相位差衡量參數(shù)；

圖9示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的間隙性堵轉(zhuǎn)時(shí)電壓電流波形與啟動(dòng)效果；

圖10示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的間隙性堵轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)電壓電流波形與啟動(dòng)效果；

圖11示出使用本方法無(wú)定位直接啟動(dòng)成功率測(cè)試；

圖12示出凸極型電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)情況下使用本發(fā)明方法輔助啟動(dòng)效果；

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

以下在具體實(shí)施方式中詳細(xì)敘述本發(fā)明的詳細(xì)特征以及優(yōu)點(diǎn)，其內(nèi)容足以使任何本領(lǐng)域技術(shù)人員了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，且根據(jù)本說(shuō)明書(shū)所揭露的說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求及附圖，本領(lǐng)域技術(shù)人員可輕易地理解本發(fā)明相關(guān)的目的及優(yōu)點(diǎn)。

為解決上述永磁同步電機(jī)直接啟動(dòng)及低速運(yùn)行面臨的問(wèn)題，在反電動(dòng)勢(shì)尚不穩(wěn)定的情況下，避開(kāi)反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量(如一些bldc電機(jī)使用不通電相檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì))，本發(fā)明從電壓和電流波形入手，提取能夠反映轉(zhuǎn)子運(yùn)行狀態(tài)的關(guān)鍵信息，實(shí)時(shí)反饋到啟動(dòng)過(guò)程，調(diào)整啟動(dòng)參數(shù)，避免失步。對(duì)于無(wú)定位直接啟動(dòng)導(dǎo)致的反拉問(wèn)題，本發(fā)明能實(shí)現(xiàn)反拉角度小，反拉以后能夠快速糾正并切入正向驅(qū)動(dòng)。此外，本發(fā)明在解決啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)載快速擾動(dòng)時(shí)也具有很好的效果，即使有擾動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行不停，而是調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速和加速度，改善啟動(dòng)頓挫直至失步的問(wèn)題。并且本發(fā)明基于無(wú)定位直接啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程沒(méi)有額外的噪音(一般脈沖靜止定位和高頻注入都有一點(diǎn)額外噪音)，在一些有靜音要求的方案中比較有優(yōu)勢(shì)。

本發(fā)明基于開(kāi)環(huán)i/f(流頻比)控制基礎(chǔ)，此階段電流處于閉環(huán)控制狀態(tài)，而位置(角度)處于開(kāi)環(huán)控制狀態(tài)。驅(qū)動(dòng)器按照自己的參數(shù)生成的旋轉(zhuǎn)矢量帶動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)行，如果條件合適，轉(zhuǎn)子可以與驅(qū)動(dòng)矢量保持同步旋轉(zhuǎn)。這一階段速度提升(加速)不是由轉(zhuǎn)矩命令決定的，而是由驅(qū)動(dòng)器自己控制。驅(qū)動(dòng)器按照設(shè)定的開(kāi)環(huán)i/f參數(shù)(即開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù))從啟動(dòng)速度開(kāi)始，按照一定的加速度逐漸加速，在此過(guò)程中必須配合合適的轉(zhuǎn)矩電流，簡(jiǎn)單的開(kāi)環(huán)i/f控制其轉(zhuǎn)矩電流與轉(zhuǎn)速成正比。

由于電機(jī)、負(fù)載、初始位置等各不相同，開(kāi)環(huán)i/f控制要求在驅(qū)動(dòng)過(guò)程中要求能夠檢測(cè)到轉(zhuǎn)子當(dāng)前狀態(tài)(正常、靜止、反向、超前、滯后、振蕩等)，以對(duì)開(kāi)環(huán)i/f參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，否則很可能會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)失敗。業(yè)界對(duì)開(kāi)環(huán)i/f過(guò)程的檢測(cè)涉獵不多，對(duì)開(kāi)環(huán)過(guò)程的補(bǔ)償糾正也少有提及，研究重點(diǎn)集中在對(duì)轉(zhuǎn)子位置觀測(cè)器進(jìn)行低速優(yōu)化等方向，正如后文所說(shuō)，這類觀測(cè)器方法對(duì)風(fēng)機(jī)及泵類產(chǎn)品的啟動(dòng)及低速問(wèn)題并沒(méi)有很好的解決方案。

本發(fā)明在開(kāi)環(huán)i/f驅(qū)動(dòng)過(guò)程中進(jìn)行檢測(cè)-判斷-糾正，相當(dāng)于增加了一個(gè)反饋調(diào)節(jié)過(guò)程，有助于解決由于電機(jī)、負(fù)載、初始位置各不相同導(dǎo)致的開(kāi)環(huán)i/f參數(shù)自動(dòng)匹配問(wèn)題，為解決無(wú)傳感器foc控制中的啟動(dòng)及低速問(wèn)題提供了有益的嘗試及有效的解決方案。

相較于其他一些開(kāi)環(huán)優(yōu)化算法，本發(fā)明通過(guò)狀態(tài)轉(zhuǎn)移方式對(duì)開(kāi)環(huán)i/f曲線進(jìn)行調(diào)節(jié)。之所以采用這種方式進(jìn)行調(diào)節(jié)，是基于如下判斷：在開(kāi)環(huán)啟動(dòng)及低速運(yùn)行階段，轉(zhuǎn)子位置處于無(wú)反饋狀態(tài)，無(wú)法自動(dòng)調(diào)節(jié)，采樣得到的電壓與電流波形都可能會(huì)存在嚴(yán)重失真，此時(shí)通過(guò)電壓電流等參數(shù)提取轉(zhuǎn)子位置(角度)信息進(jìn)行位置(角度)補(bǔ)償，可能會(huì)由于誤差較大反而加速失步。因此本發(fā)明使用了基于狀態(tài)轉(zhuǎn)移的調(diào)節(jié)方法，即從一種驅(qū)動(dòng)參數(shù)直接切入另一種驅(qū)動(dòng)參數(shù)，直接改變轉(zhuǎn)速、加速度以及轉(zhuǎn)矩電流這三個(gè)開(kāi)環(huán)i/f核心參數(shù)，在保持生成位置(角度)連續(xù)性的基礎(chǔ)上，調(diào)整轉(zhuǎn)速，以便轉(zhuǎn)子能夠跟上驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)矢量，扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子失控趨勢(shì)，實(shí)際測(cè)試表明這種非線性調(diào)節(jié)方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性好，具有較強(qiáng)的魯棒性。

本發(fā)明首先是在解決風(fēng)機(jī)及泵類產(chǎn)品的啟動(dòng)問(wèn)題而提出的，這類產(chǎn)品通常有幾個(gè)顯著特點(diǎn)：

(1)慣性大，都有較大的扇葉(風(fēng)機(jī))或葉輪(泵)，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量大，啟動(dòng)難，停止也難，一旦失步，重啟動(dòng)需要較長(zhǎng)時(shí)間，因此快速異常檢測(cè)就顯得尤為重要；

(2)容易受外力干擾，比如煙機(jī)類產(chǎn)品或排風(fēng)扇產(chǎn)品，啟動(dòng)過(guò)程中可能會(huì)遇到強(qiáng)風(fēng)、逆風(fēng)、進(jìn)風(fēng)口出風(fēng)口堵塞，轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)明顯，很容易引起失步，造成啟動(dòng)失敗，而有些產(chǎn)品如家用吊扇啟動(dòng)過(guò)程中還可能會(huì)有異物阻擋，更易發(fā)生失步；

(3)有些產(chǎn)品如泵類一般不允許有大角度反拉，否則會(huì)造成液體倒灌，即使有小角度反拉也要快速糾正，避免持續(xù)反拉(有些方案一旦啟動(dòng)反拉后會(huì)進(jìn)入持續(xù)反拉，需要后續(xù)的反拉檢測(cè)才能發(fā)現(xiàn)，時(shí)間較長(zhǎng))，同時(shí)這類產(chǎn)品還不允許強(qiáng)制定位，因?yàn)閺?qiáng)制定位會(huì)左右擺動(dòng)轉(zhuǎn)子，有個(gè)擺動(dòng)穩(wěn)定過(guò)程。

以上幾個(gè)特點(diǎn)如果再疊加表貼式電機(jī)的凸極效應(yīng)不明顯特征，無(wú)法用脈沖靜止定位進(jìn)行啟動(dòng)，則方案難度更大，如果單純采用無(wú)定位直接啟動(dòng)則很可能啟動(dòng)失敗，需要配合專門的啟動(dòng)及低速補(bǔ)償策略，為此引入了本發(fā)明方法。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，在多款風(fēng)機(jī)和泵類產(chǎn)品上取得了較好的啟動(dòng)效果，啟動(dòng)成功率、抗轉(zhuǎn)矩?cái)_動(dòng)等方面都達(dá)到了實(shí)用目標(biāo)。

為便于描述本申請(qǐng)的技術(shù)方案，此處定義兩套旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，一個(gè)定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系(坐標(biāo)系，后文簡(jiǎn)稱定子坐標(biāo)系)，一個(gè)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系，后文簡(jiǎn)稱轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系)。

定子坐標(biāo)系定義為和定子驅(qū)動(dòng)矢量同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，其中，定子驅(qū)動(dòng)矢量一般指旋轉(zhuǎn)電壓矢量，在foc中是以svpwm(空間矢量脈寬調(diào)制器)的方式生成。轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系定義為和轉(zhuǎn)子本身同步旋轉(zhuǎn)的坐標(biāo)系，其角度就是轉(zhuǎn)子實(shí)際角度。一般電機(jī)理論中并不會(huì)嚴(yán)格區(qū)分這兩個(gè)坐標(biāo)系，即認(rèn)為二者是同步的，只需要采用一個(gè)坐標(biāo)系進(jìn)行分析(一般電機(jī)理論中講到d、q坐標(biāo)系都假設(shè)以轉(zhuǎn)子所指角度為基準(zhǔn)角度，即轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系)。只有在分析定轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)不同步情況時(shí)才會(huì)引入兩個(gè)坐標(biāo)系的概念，此時(shí)兩個(gè)坐標(biāo)系可能同速運(yùn)動(dòng)但有超前或滯后、或者時(shí)而超前時(shí)而滯后，也可能兩個(gè)坐標(biāo)系不同速運(yùn)動(dòng)，此時(shí)兩者會(huì)呈現(xiàn)周期性滑動(dòng)現(xiàn)象。無(wú)論哪種情況，都有可能造成電機(jī)失步、堵轉(zhuǎn)，嚴(yán)重時(shí)甚至損壞驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)。定子坐標(biāo)系的引入有助于解耦轉(zhuǎn)子對(duì)定子產(chǎn)生的磁鏈及反電動(dòng)勢(shì)的影響，在分析啟動(dòng)和低速不平穩(wěn)運(yùn)行時(shí)有重要的意義。

圖1示出定子坐標(biāo)系(坐標(biāo)系)和轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)的相互關(guān)系示意圖，其中，兩個(gè)坐標(biāo)系之間具有角度差δθ(后文簡(jiǎn)稱軸間角度)，該角度差δθ反映定轉(zhuǎn)子同步狀況。

本發(fā)明的核心是保持兩個(gè)坐標(biāo)系之間的角度差δθ(即軸間角度)在一個(gè)較小的范圍內(nèi)(一預(yù)設(shè)范圍)波動(dòng)，當(dāng)然，如果能調(diào)節(jié)到相對(duì)靜止則啟動(dòng)會(huì)更加平穩(wěn)。本發(fā)明主要用該角度差去判斷轉(zhuǎn)子是否與定子驅(qū)動(dòng)矢量達(dá)到同步，并不要求兩者完全重合。

根據(jù)圖1，和dq兩個(gè)坐標(biāo)系之間存在坐標(biāo)變換關(guān)系：

或

根據(jù)dq坐標(biāo)系下電壓方程：

通過(guò)坐標(biāo)變換可以直接得到坐標(biāo)系下的電壓方程：

其中，ψf為永磁體磁鏈，p為微分算子，為定子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速(自驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速)，ω為轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速(電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速)，r為電機(jī)電阻，ld為電機(jī)直軸電感，lq為電機(jī)交軸電感，δθ為上文提到的兩個(gè)坐標(biāo)系之間的軸間角度，分別為定子坐標(biāo)系下直軸電壓、交軸電壓、直軸電流、交軸電流。

根據(jù)以上方程，采用id＝0的控制策略，在電流環(huán)調(diào)節(jié)穩(wěn)定以后，有

其中iq*為交軸電流給定。

代入上面的定子電壓方程，得到簡(jiǎn)化公式：

直接可以得到：

或

在開(kāi)環(huán)i/f驅(qū)動(dòng)中，iq*都是給定的，不隨轉(zhuǎn)子狀態(tài)而變化，而lq、r也是不變的電機(jī)參數(shù)，因此軸間角度δθ就只受兩個(gè)電壓分量影響，根據(jù)圖6，這兩個(gè)電壓分量分別是d軸和q軸電流環(huán)pi控制器的輸出，受電流環(huán)pi控制器參數(shù)、電機(jī)電流采樣等因素影響，同時(shí)很多情況下電機(jī)參數(shù)lq、r也是未知的，因此實(shí)際應(yīng)用中很難通過(guò)計(jì)算公式(1)來(lái)獲取軸間角度δθ的解析值，而只能得到δθ和兩個(gè)電壓分量有關(guān)系，在給定的轉(zhuǎn)速和電流iq*下，不變，則軸間角度不變。

圖2示出在id＝0的控制策略下永磁同步電機(jī)標(biāo)準(zhǔn)矢量圖。進(jìn)一步分析，發(fā)現(xiàn)在id＝0控制策略下，對(duì)應(yīng)的角度(和矢量相位角成90度互補(bǔ))實(shí)際上就是電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量之間的夾角，一般電路理論中把這一角度稱為功率因數(shù)角。

由于對(duì)應(yīng)的角度等于電壓矢量與電流矢量之間的功率因數(shù)角。又，公式(1)表明軸間角度δθ只受兩個(gè)變量影響(其他都是給定量和常量)，因此，對(duì)應(yīng)的角度也就是電壓矢量與電流矢量之間的功率因數(shù)角，可以用來(lái)反映軸間角度δθ。和δθ雖然不是直接相等關(guān)系，但兩者具有確定性的關(guān)系，的變化必然引起δθ的變化。

需要注意的是，以上推導(dǎo)中假設(shè)了電流已經(jīng)穩(wěn)定，在開(kāi)環(huán)i/f控制中，電流環(huán)pi調(diào)節(jié)器是一個(gè)快速環(huán)，相對(duì)于啟動(dòng)時(shí)的低速運(yùn)行，可以認(rèn)為在轉(zhuǎn)子控制過(guò)程中，電流是穩(wěn)定的。

之所以引入功率因數(shù)角，因?yàn)楣β室驍?shù)角定義為電機(jī)電壓矢量us與電機(jī)電流矢量is的夾角，而這兩個(gè)矢量都是可以直接通過(guò)測(cè)量得到的，因此功率因數(shù)角很容易通過(guò)測(cè)量us和is后計(jì)算得到。如果兩個(gè)矢量重合，就是純阻性負(fù)載。而實(shí)際電機(jī)是感性負(fù)載，電流會(huì)滯后于電壓。兩者夾角除了受電感影響，還受電機(jī)運(yùn)行時(shí)的反電動(dòng)勢(shì)影響，并且往往后者為主要影響因素。

上面通過(guò)兩個(gè)坐標(biāo)系引入了軸間角度，又進(jìn)一步引入了功率因數(shù)角，給出用功率因數(shù)角來(lái)反映軸間角度δθ的原理介紹。下面再用一個(gè)更加直觀的方式進(jìn)一步證明兩者的關(guān)系。

根據(jù)電機(jī)電壓方程(以矢量形式表示)：

其中，is是電流矢量，us是電壓矢量，pf為極對(duì)數(shù)，ls為電機(jī)電感，rs為電機(jī)電阻，ωreal為轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速，θreal為轉(zhuǎn)子實(shí)際角度，ψf為永磁體磁鏈參數(shù)，假定開(kāi)環(huán)運(yùn)行時(shí)，注入電流矢量其中θopen為定子驅(qū)動(dòng)矢量給定角度，該值是給定的，代入上述公式(2)得到：

其中ωopen為定子驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速。整理得到：

上式中，第一項(xiàng)就是注入電流，不會(huì)引入相位差(相位差指us與is夾角)，即δθ1＝0。第二項(xiàng)為電感的滯后效應(yīng)，引入相位差這是一個(gè)確定值，受電氣時(shí)間常數(shù)和轉(zhuǎn)速影響，大部分情況下電氣時(shí)間常數(shù)很小，且啟動(dòng)時(shí)ωopen也很小，那么這一項(xiàng)引入的相位差可以很小甚至接近0。第三項(xiàng)為電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)效應(yīng)，引入相位差因?yàn)殚_(kāi)環(huán)啟動(dòng)時(shí)θopen與θreal不相等，這一項(xiàng)是不確定值。也就是說(shuō)，除了幾個(gè)確定值，us與is之間的夾角唯一的不確定值是(θreal-θopen)，(θreal-θopen)也就是定子驅(qū)動(dòng)矢量與轉(zhuǎn)子之間的夾角，相當(dāng)于軸間角度δθ，該角度變化反映了轉(zhuǎn)子的非同步狀態(tài)。換言之，us與is之間的夾角可由(θreal-θopen)來(lái)確定，而(θreal-θopen)在物理上的含義等于軸間角度δθ，因此，上述公式表明了軸間角度δθ和us與is之間的夾角存在對(duì)應(yīng)關(guān)系，即，軸間角度δθ可由功率因數(shù)角來(lái)反映。

進(jìn)一步，電壓矢量us與電流矢量is之間的夾角(功率因數(shù)角)可以通過(guò)采樣后計(jì)算得到，如圖6所示，通過(guò)采樣相電壓ua,b,c(即電壓矢量us)和相電流ia,b,c(即電流矢量is)，經(jīng)過(guò)clarke變換得到uα,β和iα,β，再計(jì)算電壓相角和電流相角得到兩者夾角(即相位差)δφ＝φu-φi，該夾角就是上文提到的功率因數(shù)角因此有這一關(guān)系。

換言之，本發(fā)明可以通過(guò)采樣相電壓ua,b,c和相電流ia,b,c，計(jì)算得到功率因數(shù)角由于的值與軸間角度δθ相關(guān)聯(lián)，因此，轉(zhuǎn)子與定子的同步程度可以通過(guò)計(jì)算電壓矢量us與電流矢量is之間的夾角來(lái)判斷。

在一實(shí)施例中，控制器中可以沒(méi)有相電壓采樣電路，此時(shí)電壓采樣信號(hào)可以用驅(qū)動(dòng)端的輸出電壓(即給定電壓，如圖6虛線所示)近似替代。

在一實(shí)施例中，如果要對(duì)電壓和電流采樣值進(jìn)行濾波，要確保采用同一套濾波參數(shù)，以確保不會(huì)引入額外的相位差。

有些電機(jī)上述第二項(xiàng)相位差δθ2無(wú)法忽略，那么需要根據(jù)電機(jī)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，因?yàn)樵陂_(kāi)環(huán)階段ωopen是已知的，因此可以根據(jù)ωopen的變化得到一條角度補(bǔ)償曲線，其基本形式為δθ2＝k*ωopen，k為與電氣時(shí)間常數(shù)有關(guān)的一個(gè)因子。

根據(jù)ωopen與δφ已經(jīng)可以構(gòu)造一條曲線表示開(kāi)環(huán)i/f啟動(dòng)過(guò)程中的轉(zhuǎn)子同步異常狀態(tài)，我們很自然想到要用參考曲線與實(shí)測(cè)曲線之間對(duì)照的方法。即首先通過(guò)調(diào)節(jié)合適的開(kāi)環(huán)i/f啟動(dòng)參數(shù)(包括轉(zhuǎn)矩電流iq*、流頻比系數(shù)、啟動(dòng)速度v0*以及加速度a*)，可以構(gòu)造一條理想的無(wú)定位開(kāi)環(huán)i/f曲線，作為開(kāi)環(huán)過(guò)程的ωopen～δφref基準(zhǔn)曲線(以ωopen為橫軸，δφref為縱軸)，存儲(chǔ)在系統(tǒng)中，每次實(shí)際運(yùn)行時(shí)把采集得到的ωopen與δφreal參數(shù)與基準(zhǔn)曲線進(jìn)行對(duì)比，如果兩者偏差較大，則可以判斷開(kāi)環(huán)啟動(dòng)發(fā)生了異常，需要進(jìn)行狀態(tài)切換，如果偏差超出了一定范圍，則可以判斷為發(fā)生了堵轉(zhuǎn)，需要重新啟動(dòng)。

為此本發(fā)明進(jìn)一步引入偏差因子該因子反映了實(shí)際曲線與基準(zhǔn)曲線之間的偏差程度，數(shù)值越大則偏差越嚴(yán)重，表示轉(zhuǎn)子偏離正常啟動(dòng)狀態(tài)越嚴(yán)重(即失步程度越嚴(yán)重)。

圖3是一個(gè)典型的基準(zhǔn)與實(shí)測(cè)曲線示意圖。其中，δφref為一條基準(zhǔn)曲線(圖3中的直實(shí)線)，δφreal為實(shí)測(cè)曲線(圖3中的曲實(shí)線)，一般實(shí)測(cè)值圍繞基準(zhǔn)值上下波動(dòng)，可設(shè)定上下兩個(gè)門限(也可以設(shè)定更多門限)，超過(guò)門限就判定為失步，要進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)切換。一般而言，電機(jī)理論中講到失步是指轉(zhuǎn)子已經(jīng)不跟隨定子驅(qū)動(dòng)矢量旋轉(zhuǎn)，是一種嚴(yán)重的失控狀態(tài)，本文中為簡(jiǎn)化描述，使用了“失步”的字面意思，即表示轉(zhuǎn)子失去了同步，發(fā)生了同步異常情況，可能只是輕微的超前或滯后，并非最嚴(yán)重的失控或堵轉(zhuǎn)，均視為“失步”。如果要指失控或堵轉(zhuǎn)，會(huì)特別注明。

一般設(shè)計(jì)的基準(zhǔn)開(kāi)環(huán)曲線如圖4所示。此曲線分成2段，第一段用勻速v*(0)拉一段時(shí)間t0，然后進(jìn)入加速狀態(tài)，加速度為a*，加速到一定速度后觀測(cè)器收斂，切換到閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段。如果在以上加速過(guò)程中遇到失步，隨著失步的嚴(yán)重程度進(jìn)行慢加速(加速度可以在a*的基礎(chǔ)上按比例縮減)，極限減到加速度為0。如果遇到堵轉(zhuǎn)(失步程度超過(guò)一定門限就判為堵轉(zhuǎn))，則直接減到v*(0)，重新從初始狀態(tài)開(kāi)始加速。需要注意的是，實(shí)際開(kāi)環(huán)曲線并不限于此，可以是單段線性加速、多段線性加速、甚至按照指數(shù)形式。本方法的核心是失步的判決及糾正策略，并不限定開(kāi)環(huán)曲線的具體形式。

得到轉(zhuǎn)子的同步異常狀態(tài)(即失步)后，下一步就要進(jìn)行糾正，因?yàn)樘幱陂_(kāi)環(huán)i/f控制過(guò)程中，糾正的基本策略是調(diào)整開(kāi)環(huán)i/f曲線，以改善轉(zhuǎn)子異常狀態(tài)。一般而言，異常狀態(tài)和啟動(dòng)加速度成負(fù)相關(guān)關(guān)系，即異常程度越重，加速度應(yīng)該要越小，即加速越慢，直到退到加速度為0，即勻速狀態(tài)，此時(shí)如果異常程度繼續(xù)惡化，徹底失步，則可以判為堵轉(zhuǎn)，直接退回到重啟動(dòng)狀態(tài)。如果異常程度有改善，則加速度可以恢復(fù)到基準(zhǔn)加速曲線。

整個(gè)檢測(cè)-糾正的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖見(jiàn)圖5，其中各狀態(tài)描述如下：

狀態(tài)500：?jiǎn)?dòng)狀態(tài)

狀態(tài)501：以初始轉(zhuǎn)速勻速啟動(dòng)

狀態(tài)502：標(biāo)準(zhǔn)加速過(guò)程，加速度a

狀態(tài)503：達(dá)到目標(biāo)轉(zhuǎn)速，準(zhǔn)備切到閉環(huán)

狀態(tài)504：切到閉環(huán)

狀態(tài)505：低加速度，其中加速度a1，a1小于a

狀態(tài)506：極低加速度，其中加速度a2，a2小于a1

狀態(tài)507：判為堵轉(zhuǎn)，無(wú)條件返回初始狀態(tài)501

圖5中標(biāo)示了各個(gè)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移條件，其中，起始門限小于惡化門限1，惡化門限1小于惡化門限2，惡化門限2小于堵轉(zhuǎn)門限。

圖5只是示例了一種狀態(tài)跳轉(zhuǎn)方式，在實(shí)際應(yīng)用中，還可以由其它各種狀態(tài)跳轉(zhuǎn)方式，例如，除了圖5中所示的加速度檔位從小到大分為三檔，即a2,a1,a，在實(shí)際應(yīng)用中，還可根據(jù)需求進(jìn)一步細(xì)分加速度，例如，將加速度檔位從小到大分為大于等于三檔。

需要注意的是，圖5中打叉的①②表示即使偏差因子大于堵轉(zhuǎn)門限，也不直接切換到堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，而是要通過(guò)中間狀態(tài)進(jìn)行過(guò)渡，避免誤判堵轉(zhuǎn)而頻繁重啟。

以上就是本發(fā)明的核心內(nèi)容，總結(jié)如下：為分析電機(jī)在開(kāi)環(huán)啟動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)子是否成功跟隨定子驅(qū)動(dòng)矢量，引入了定子坐標(biāo)系，通過(guò)坐標(biāo)變換解耦得到轉(zhuǎn)子跟隨定子矢量的角度信息(軸間角度)，該角度反映了轉(zhuǎn)子在啟動(dòng)過(guò)程中的失步情況。再用功率因數(shù)角的變化反映軸間角度的變化，用測(cè)量相電壓和相電流波形計(jì)算相角從而獲得功率因數(shù)角。最終用功率因數(shù)角反映轉(zhuǎn)子的失步情況。在此基礎(chǔ)上通過(guò)引入開(kāi)環(huán)基準(zhǔn)曲線，構(gòu)造曲線偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)，根據(jù)失步判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)i/f參數(shù)的糾正，并在檢測(cè)-糾正-檢測(cè)這一循環(huán)中完成整個(gè)開(kāi)環(huán)i/f的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段，即觀測(cè)器驅(qū)動(dòng)階段。

本發(fā)明是一種通用的永磁同步電機(jī)foc啟動(dòng)方法，但在無(wú)定位直接啟動(dòng)方案中具有更高的價(jià)值，在應(yīng)對(duì)隱極性電機(jī)凸極效應(yīng)無(wú)法使用、啟動(dòng)過(guò)程中負(fù)載擾動(dòng)等復(fù)雜應(yīng)用場(chǎng)合，具有重要的實(shí)用價(jià)值。

圖6示出根據(jù)本發(fā)明方法對(duì)應(yīng)的電機(jī)控制模塊框圖。該電機(jī)控制模塊在開(kāi)環(huán)控制模塊的基礎(chǔ)上增加了失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊，以獲得平穩(wěn)可靠的開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)過(guò)程。開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)完成后一般在一定算法輔助下會(huì)切換到閉環(huán)控制過(guò)程，此處不涉及。

本發(fā)明的電機(jī)控制模塊包括逆變器601、第一clarke變換模塊602、可選的第二clarke變換模塊603、失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊604、開(kāi)環(huán)i/f控制模塊605、第一電流環(huán)pi控制器(簡(jiǎn)稱pi)609、第二電流環(huán)pi控制器(簡(jiǎn)稱pi)610、park變換模塊606、park反變換模塊607、空間矢量脈寬調(diào)制器(svpwm)模塊608、積分模塊611。

逆變器601用于驅(qū)動(dòng)永磁同步電機(jī)(pwsmmotor)。在一個(gè)實(shí)施例中，該逆變器601是一電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)外圍電路。

第一clarke變換模塊602對(duì)電流采樣得到的電機(jī)三相相電流ia,ib,ic(簡(jiǎn)寫(xiě)ia,b,c，也即電機(jī)電流矢量is)進(jìn)行克拉克變換，將靜止三相坐標(biāo)變換到靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電流和beta軸電流iα,iβ(簡(jiǎn)寫(xiě)iα，β)。

第二clarke變換模塊603對(duì)電壓采樣得到的電機(jī)三相相電壓ua,ub,uc(簡(jiǎn)寫(xiě)ua,b,c，也即電機(jī)電壓矢量us)進(jìn)行克拉克變換，將靜止三相坐標(biāo)變換到靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓uα,uβ(簡(jiǎn)寫(xiě)uα，β)。

在一實(shí)施例中，第二clarke變換模塊603可以省去，失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊604可以直接從park反變換模塊607處獲得給定電壓uα，β。

失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊604是本發(fā)明的核心模塊，包括失步檢測(cè)、動(dòng)態(tài)糾正兩個(gè)基本過(guò)程，是一種開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)輔助方法，能夠解決開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)失敗、運(yùn)行失步等常見(jiàn)問(wèn)題，改善開(kāi)環(huán)缺陷，發(fā)揮開(kāi)環(huán)優(yōu)勢(shì)，保證實(shí)用性。

失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊604根據(jù)iα，β和uα，β計(jì)算電壓相位角和電流相位角得到兩者夾角δφ＝φu-φi，并根據(jù)偏差因子公式計(jì)算偏差因子，以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)，根據(jù)失步判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整，開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括轉(zhuǎn)矩電流iq*、流頻比系數(shù)、啟動(dòng)速度v0*以及加速度a*，其中啟動(dòng)速度v0*以及加速度a*決定了驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速ω*(開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速)，而轉(zhuǎn)矩電流iq*由驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速ω*按照流頻比系數(shù)決定，本例中流頻比系數(shù)為一預(yù)先設(shè)定的固定值。

開(kāi)環(huán)流頻比控制(開(kāi)環(huán)i/f控制)模塊605根據(jù)失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊604的開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的調(diào)整信息輸出糾正后的定子驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速ω*(ω*即前文所述的ωopen，與啟動(dòng)速度v0*和加速度a*相關(guān)聯(lián))以及交軸電流給定iq*(即轉(zhuǎn)矩電流)，并在檢測(cè)-糾正-檢測(cè)這一循環(huán)中完成整個(gè)開(kāi)環(huán)i/f的驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到觀測(cè)器驅(qū)動(dòng)階段。

逆變器601、第一clarke變換模塊602、第二clarke變換模塊603、第一pi609、第二pi610、park變換模塊606、park反變換模塊607、空間矢量調(diào)制器(svpwm)模塊608、積分模塊611均是電機(jī)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模塊，其具體實(shí)現(xiàn)在此不再贅述。

圖6中的模塊說(shuō)明如下：

三相逆變器：電機(jī)驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)外圍電路；

pi：比例-積分控制器，電機(jī)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模塊，此處指電流環(huán)pi控制器；在一個(gè)實(shí)施例中，電流環(huán)pi控制器也可以更換為電流環(huán)pid控制器；

clarke變換：克拉克變換，電機(jī)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成靜止三相坐標(biāo)到兩相坐標(biāo)變換；

park變換：帕克變換，電機(jī)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)模塊，完成靜止兩相坐標(biāo)到旋轉(zhuǎn)兩相坐標(biāo)變換；

park反變換：帕克反變換；

svpwm：空間矢量脈寬調(diào)制器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器端核心模塊；

開(kāi)環(huán)i/f控制：開(kāi)環(huán)流頻比控制；

積分模塊，由速度積分得到角度

失步檢測(cè)與動(dòng)態(tài)糾正模塊：本發(fā)明核心算法，包括失步檢測(cè)、動(dòng)態(tài)糾正兩個(gè)基本過(guò)程，是一種開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)輔助方法，能夠解決開(kāi)環(huán)驅(qū)動(dòng)過(guò)程中啟動(dòng)失敗、運(yùn)行失步等常見(jiàn)問(wèn)題，改善開(kāi)環(huán)缺陷，發(fā)揮開(kāi)環(huán)優(yōu)勢(shì)，保證實(shí)用性。

ua,b,c：ua,ub,uc的簡(jiǎn)便寫(xiě)法，電機(jī)a、b、c三相相電壓

ia,b,c：ia,ib,ic的簡(jiǎn)便寫(xiě)法，電機(jī)a、b、c三相相電流

uα，β：uα,uβ的簡(jiǎn)便寫(xiě)法，靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓，uα,uβ是電機(jī)電壓矢量us的橫軸和縱軸分量，可直接構(gòu)成電機(jī)電壓矢量us；

iα，β：iα,iβ的簡(jiǎn)便寫(xiě)法，靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電流和beta軸電流，iα,iβ是電機(jī)電流矢量is的橫軸和縱軸分量，可直接構(gòu)成電機(jī)電流矢量is；

ud,uq：運(yùn)動(dòng)兩相坐標(biāo)系下直軸(direct-axis)電壓和交軸(quadrature-axis)電壓

id,iq：運(yùn)動(dòng)兩相坐標(biāo)系下直軸電流和交軸電流

id*,iq*：直軸電流給定，交軸電流給定，帶右上角*號(hào)標(biāo)記的表示“給定”值，表示根據(jù)控制參數(shù)設(shè)計(jì)在電機(jī)運(yùn)行之前就已經(jīng)確定的值，相對(duì)應(yīng)的是“未定”值，比如“電壓采樣”“電流采樣”得到的值，必須要通過(guò)電機(jī)運(yùn)行以后實(shí)際采樣才能得到，而其他的一些參數(shù)比如轉(zhuǎn)速和角度等必須通過(guò)特定算法進(jìn)行估算才能得到。

申請(qǐng)人通過(guò)實(shí)驗(yàn)，在多款永磁同步電機(jī)的無(wú)傳感器foc控制中驗(yàn)證了上述方法配合無(wú)定位直接啟動(dòng)方案，取得了較好的效果，舉例說(shuō)明如下。

一、一款表貼式永磁同步風(fēng)機(jī)，電機(jī)參數(shù)：rs＝23.9r，ld＝0.101h，lq＝0.101h，反電動(dòng)勢(shì)常數(shù)ke＝79.5v/krpm，5對(duì)極，轉(zhuǎn)速范圍100rpm～1000rpm。隱極性電機(jī)，凸極效應(yīng)不明顯，常規(guī)靜止定位方案不可靠，啟動(dòng)效果不好，經(jīng)常反拉甚至持續(xù)反拉、啟動(dòng)頓挫、負(fù)載擾動(dòng)后經(jīng)常失步。改用無(wú)定位直接啟動(dòng)，配合上述檢測(cè)-糾正新方法(即本發(fā)明的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法)進(jìn)行調(diào)試。

(1)正常開(kāi)環(huán)i/f啟動(dòng)時(shí)基準(zhǔn)相位差情況，1#波形為電壓波形，2#波形為電流波形，3#為基準(zhǔn)相位差δφref的一個(gè)衡量參數(shù)，此處平均在60左右。具參考圖7所示。

(2)拉住轉(zhuǎn)子完全堵死時(shí)相位差情況，3#波形的相位差衡量參數(shù)δφreal降低到20以下，與基準(zhǔn)相位差δφref偏差明顯，以此為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)立堵轉(zhuǎn)門限。從電壓電流波形來(lái)看，兩者幾乎重合。因?yàn)檗D(zhuǎn)子靜止時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)因素引入的相位差為0，而該款電機(jī)時(shí)間常數(shù)較小，感抗因素引入的相位差也接近0，最終得到的實(shí)測(cè)相位差很小，遠(yuǎn)小于基準(zhǔn)相位差δφref，狀態(tài)異常明顯。從這里也可以看出，此時(shí)電壓和電流波形還是比較正常的，因此傳統(tǒng)的依靠電壓波形和電流波形的變異是很難判斷這種極端的堵轉(zhuǎn)情況的。圖8示出了堵轉(zhuǎn)時(shí)電壓電流波形與實(shí)測(cè)相位差衡量參數(shù)。

(3)隨機(jī)在開(kāi)環(huán)啟動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)間點(diǎn)拉住轉(zhuǎn)子后放開(kāi)，新增的4#波形是一個(gè)開(kāi)環(huán)狀態(tài)監(jiān)控參數(shù)，該參數(shù)降為0時(shí)說(shuō)明恢復(fù)為重啟動(dòng)狀態(tài)。如圖9所示，在一直拉住轉(zhuǎn)子的情況下，電機(jī)周期性進(jìn)入堵轉(zhuǎn)重啟動(dòng)狀態(tài)，避免了進(jìn)入失步異常流程。一旦阻力消失，電機(jī)又通過(guò)開(kāi)環(huán)流程啟動(dòng)成功。3#波形是實(shí)測(cè)相位差衡量參數(shù)，在堵轉(zhuǎn)時(shí)降為20以下，在釋放時(shí)恢復(fù)到60以上。

二、一款外轉(zhuǎn)子永磁同步吊扇電機(jī)，電機(jī)參數(shù)：rs＝31r，ld＝0.136h，lq＝0.137h，6對(duì)極，轉(zhuǎn)速范圍70rpm～260rpm。這款電機(jī)帶很長(zhǎng)的扇葉，慣性較大，一旦反拉不容易停止，需要快速檢測(cè)并切換到正向驅(qū)動(dòng)。同樣凸極效應(yīng)不明顯，靜止定位效果不好，采用無(wú)定位直接啟動(dòng)加檢測(cè)-糾正新方法。

(1)堵轉(zhuǎn)后釋放

1#為電壓波形，2#為電流波形，3#為相位差衡量參數(shù)。拉住扇葉堵轉(zhuǎn)后，3#波形參數(shù)快速降低，一旦釋放即跳到較高數(shù)值。堵轉(zhuǎn)釋放后開(kāi)環(huán)運(yùn)行，此參數(shù)保持較高數(shù)值，最后切換到閉環(huán)，該參數(shù)始終處于一個(gè)平穩(wěn)數(shù)值。圖10示出了間隙性堵轉(zhuǎn)啟動(dòng)時(shí)電壓電流波形與啟動(dòng)效果。

(2)單次啟動(dòng)成功率測(cè)試，連續(xù)多次啟動(dòng)全部成功。在使用本方法之前采用靜止轉(zhuǎn)子定位，經(jīng)常會(huì)定位錯(cuò)誤造成反拉和啟動(dòng)失敗。使用本方法后，采用無(wú)定位直接啟動(dòng)，基本可以確保一次啟動(dòng)成功。圖中每一小段波形代表一次啟動(dòng)過(guò)程。圖11示出了使用本方法無(wú)定位直接啟動(dòng)成功率測(cè)試。

三、一款水泵電機(jī)，電機(jī)參數(shù)：rs：77.5r，ld：0.357h，lq：0.227h，5對(duì)極，轉(zhuǎn)速范圍70rpm～200rpm。這款電機(jī)凸極效應(yīng)比較明顯的，使用脈沖靜止定位進(jìn)行啟動(dòng)沒(méi)有問(wèn)題。此處使用無(wú)定位直接啟動(dòng)配合檢測(cè)-糾正新方法，也能獲得較好的啟動(dòng)效果(圖12中波形上疊加的異常線條是電機(jī)控制板采集數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)顯示窗口時(shí)受干擾所致，和本發(fā)明方法無(wú)關(guān))。

圖13示出根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施例的永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法的流程圖。所述方法包括：

步驟1301：獲取電機(jī)電壓矢量us以及電機(jī)電流矢量is；

步驟1302：計(jì)算所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差從而獲得功率因數(shù)角，其中，所述功率因數(shù)角與反映定轉(zhuǎn)子同步狀況的軸間角度相關(guān)聯(lián)；

步驟1303：根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)；

步驟1304：根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正；

步驟1305：重復(fù)前述步驟，以完成整個(gè)開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段(即觀測(cè)器驅(qū)動(dòng)階段)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述軸間角度為定子坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子坐標(biāo)系之間的角度差δθ。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差為所述功率因數(shù)角，所述功率因數(shù)角等于所述定子坐標(biāo)系下電壓矢量與坐標(biāo)交軸(q軸)的夾角。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取電機(jī)電流矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電流采樣得到ia,ib,ic，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到電機(jī)電流矢量is在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電流和beta軸電流，即iα,iβ。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述獲取電機(jī)電壓矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電壓采樣得到ua,ub,uc，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到電機(jī)電壓矢量us在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓，即uα,uβ。

在一個(gè)實(shí)施例中，在無(wú)法進(jìn)行電壓采樣的情況下，所述電機(jī)電壓矢量通過(guò)直接使用所述永磁同步電機(jī)的park反變換模塊的輸出電壓獲得，所述park反變換模塊的輸出電壓視為靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓uα,uβ，其中，所述uα,uβ經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制器(svpwm)驅(qū)動(dòng)所述永磁同步電機(jī)。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述計(jì)算相位差包括：

確定電壓相角

確定電流相角

得到所述相位差δφ＝φu-φi。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)包括：

構(gòu)造偏差因子其中δφref為基準(zhǔn)相位差，所述基準(zhǔn)相位差對(duì)應(yīng)一條啟動(dòng)正常狀態(tài)下相位差隨驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速變化而變化的基準(zhǔn)曲線，δφreal為實(shí)際計(jì)算得到的相位差，所述δφreal對(duì)應(yīng)一條圍繞所述基準(zhǔn)相位差上下波動(dòng)的曲線；

當(dāng)所述偏差因子超出設(shè)定的門限范圍，則判定轉(zhuǎn)子失步，所述偏差因子的大小表示轉(zhuǎn)子失步程度。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正包括：

所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括轉(zhuǎn)矩電流、流頻比系數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度，其中所述啟動(dòng)速度和加速度構(gòu)成開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速，所述轉(zhuǎn)矩電流由所述開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速按照所述流頻比系數(shù)決定。所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正主要針對(duì)所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度參數(shù)的糾正；

如果在加速過(guò)程中判定轉(zhuǎn)子失步，則根據(jù)轉(zhuǎn)子失步的不同程度跳轉(zhuǎn)到一對(duì)應(yīng)狀態(tài)，所述對(duì)應(yīng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的加速度為在起始加速度的基礎(chǔ)上按失步嚴(yán)重程度成負(fù)相關(guān)減小，極限減到所述加速度為0；

如果在經(jīng)過(guò)減小加速度后轉(zhuǎn)子失步的程度仍然超過(guò)一堵轉(zhuǎn)門限，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，即轉(zhuǎn)速直接減到所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子重新從初始狀態(tài)開(kāi)始加速。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述軸間角度為：

其中，為定子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速，r為電機(jī)電阻，lq為電機(jī)交軸電感，為定子坐標(biāo)系下直軸電壓、為定子坐標(biāo)系下交軸電壓,iq*為交軸電流給定。

在一個(gè)實(shí)施例中，所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)糾正到使所述軸間角度保持在一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

本發(fā)明提供了一種開(kāi)環(huán)i/f階段的快速失步檢測(cè)方法，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果動(dòng)態(tài)調(diào)整開(kāi)環(huán)i/f啟動(dòng)參數(shù)，在啟動(dòng)成功率、抗負(fù)載擾動(dòng)等指標(biāo)上都取得了較好的效果，尤其是在一些有較大轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，且凸極效應(yīng)不明顯的表貼式電機(jī)中，可以解決由于靜止定位不準(zhǔn)確所導(dǎo)致的啟動(dòng)失敗，啟動(dòng)頓挫等問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

這里采用的術(shù)語(yǔ)和表述方式只是用于描述，本發(fā)明并不應(yīng)局限于這些術(shù)語(yǔ)和表述。使用這些術(shù)語(yǔ)和表述并不意味著排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，應(yīng)認(rèn)識(shí)到可能存在的各種修改也應(yīng)包含在權(quán)利要求范圍內(nèi)。其他修改、變化和替換也可能存在。相應(yīng)的，權(quán)利要求應(yīng)視為覆蓋所有這些等效物。

同樣，需要指出的是，雖然本發(fā)明已參照當(dāng)前的具體實(shí)施例來(lái)描述，但是本技術(shù)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，以上的實(shí)施例僅是用來(lái)說(shuō)明本發(fā)明，在沒(méi)有脫離本發(fā)明精神的情況下還可做出各種等效的變化或替換，因此，只要在本發(fā)明的實(shí)質(zhì)精神范圍內(nèi)對(duì)上述實(shí)施例的變化、變型都將落在本申請(qǐng)的權(quán)利要求書(shū)的范圍內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法，其特征在于，所述方法包括：

獲取電機(jī)電壓矢量us以及電機(jī)電流矢量is；

計(jì)算所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差從而獲得功率因數(shù)角，其中，所述功率因數(shù)角與反映定轉(zhuǎn)子同步狀況的軸間角度相關(guān)聯(lián)；

根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)；

根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正；

重復(fù)前述步驟，以完成整個(gè)開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段。

2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述軸間角度為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系之間的角度差δθ。

3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差為所述功率因數(shù)角，在直軸電流為零的控制策略下，所述功率因數(shù)角等于所述定子同步坐標(biāo)系下所述電機(jī)電壓矢量與坐標(biāo)交軸的夾角。

4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述獲取電機(jī)電流矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電流采樣得到ia,ib,ic，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到所述電機(jī)電流矢量is在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電流和beta軸電流，即iα,iβ。

5.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，所述獲取電機(jī)電壓矢量包括：

對(duì)所述永磁同步電機(jī)的三相相電壓采樣得到ua,ub,uc，對(duì)其進(jìn)行克拉克變換，得到所述電機(jī)電壓矢量us在靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓，即uα,uβ。

6.如權(quán)利要求4所述的方法，其特征在于，在無(wú)法進(jìn)行電壓采樣的情況下，所述電機(jī)電壓矢量通過(guò)直接使用所述永磁同步電機(jī)的park反變換模塊的輸出電壓獲得，所述park反變換模塊的輸出電壓視為靜止兩相坐標(biāo)系下alpha軸電壓和beta軸電壓uα,uβ，其中，所述uα,uβ經(jīng)過(guò)空間矢量脈寬調(diào)制器(svpwm)驅(qū)動(dòng)所述永磁同步電機(jī)。

7.如權(quán)利要求5或6所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算相位差包括：

確定電壓相角

確定電流相角

得到所述相位差δφ＝φu-φi。

8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)包括：

構(gòu)造偏差因子其中δφref為基準(zhǔn)相位差，所述基準(zhǔn)相位差對(duì)應(yīng)一條啟動(dòng)正常狀態(tài)下相位差隨驅(qū)動(dòng)矢量給定轉(zhuǎn)速變化而變化的基準(zhǔn)曲線，δφreal為實(shí)際計(jì)算得到的相位差，所述δφreal對(duì)應(yīng)一條圍繞所述基準(zhǔn)相位差上下波動(dòng)的曲線；

當(dāng)所述偏差因子超出設(shè)定的門限范圍，則判定轉(zhuǎn)子失步，所述偏差因子的大小表示轉(zhuǎn)子失步程度。

9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，所述根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正包括：

所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)包括轉(zhuǎn)矩電流、固定的流頻比系數(shù)、啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度，其中所述啟動(dòng)速度和加速度構(gòu)成開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速，所述轉(zhuǎn)矩電流由所述開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)速按照所述流頻比系數(shù)決定，所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正針對(duì)所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速以及加速度；

如果在加速過(guò)程中判定轉(zhuǎn)子失步，則根據(jù)轉(zhuǎn)子失步的不同程度跳轉(zhuǎn)到一對(duì)應(yīng)狀態(tài)，所述對(duì)應(yīng)狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的加速度為在起始加速度的基礎(chǔ)上按失步嚴(yán)重程度成負(fù)相關(guān)減小，極限減到所述加速度為0；

如果在經(jīng)過(guò)減小加速度后轉(zhuǎn)子失步的程度仍然超過(guò)一堵轉(zhuǎn)門限，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移到堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，即轉(zhuǎn)速直接減到所述啟動(dòng)轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)子重新從初始狀態(tài)開(kāi)始加速。

10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述軸間角度為：

其中，為定子坐標(biāo)系轉(zhuǎn)速，r為電機(jī)電阻，lq為電機(jī)交軸電感，為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下直軸電壓、為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下交軸電壓,為定子旋轉(zhuǎn)同步坐標(biāo)系下交軸電流給定。

11.如權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于，所述開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)糾正到所述軸間角度保持在一預(yù)設(shè)范圍內(nèi)波動(dòng)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供了一種永磁同步電機(jī)啟動(dòng)及低速運(yùn)行方法，所述方法包括：測(cè)量電機(jī)電壓矢量以及電機(jī)電流矢量；計(jì)算所述電機(jī)電壓矢量與電機(jī)電流矢量的相位差從而獲得功率因數(shù)角，其中，所述功率因數(shù)角與反映定轉(zhuǎn)子同步狀況的軸間角度相關(guān)聯(lián)；根據(jù)所述相位差構(gòu)造偏差因子以作為轉(zhuǎn)子失步程度的判據(jù)；根據(jù)所述失步程度的判據(jù)以狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方式進(jìn)行開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)參數(shù)的糾正；重復(fù)前述步驟，以完成整個(gè)開(kāi)環(huán)流頻比驅(qū)動(dòng)過(guò)程，直到能夠產(chǎn)生足夠穩(wěn)定的反電動(dòng)勢(shì)而切換到轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)驅(qū)動(dòng)階段。

技術(shù)研發(fā)人員：周學(xué)科;王偉智

受保護(hù)的技術(shù)使用者：中穎電子股份有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.10.23

技術(shù)公布日：2021.03.16