基于线电压矢量注入的单电流传感器带速重投方法及系统

本发明属于永磁同步电机驱动控制领域，尤其涉及一种基于线电压矢量注入的单电流传感器带速重投方法及系统。

背景技术：

1、在无位置传感器控制下，风机、水泵等特殊负载应用场景以及某些短时停电意外下，永磁同步电机驱动系统会出现需要带速重构的工况，此时电机处于惰性运行状态，贸然重启，电机的转子位置以及转速等信息无法对应，可能会造成重启失败，甚至大电流冲击，导致逆变器失效。基于上述问题，学术界及工业界针对带速重投问题展开研究，现有的基于多电流传感器的带速重投方案主要有端电压测量法、零电流矢量闭环法、零电压矢量脉冲法、虚拟电阻法、高频注入法等。其中端电压测量法相对简单，通过采样三相的端电压计算电机惰性运行时的反电动势，从而提取电机的转子位置及转速信息，但是需要对端电压进行额外的电压采样；零电流矢量闭环法通过将电流环给定设置为零，从而使逆变器的输出电压与反电势相匹配，进而观测逆变器电压给定实现转子位置及转速观测，然而，该方法在调节过程中可能触发过流；零电压矢量脉冲法是通过对逆变器施加零矢量，使所有上桥臂或下桥臂开关管接通从而使电机发生瞬时短路，利用反电动势激励出短路电流，通过采样短路电流的大小提取出转子位置及转速，此外根据施加的零电压矢量脉冲数量，可以将该方法进一步分类；虚拟电阻法通过在环路中引入虚拟电阻，并通过调整虚拟电阻大小以允许较小的定子电流流过，进而根据该电流估计出电机的转子位置及转速，但该方法的观测精度受到初始转速的影响；高频注入法通过在不同坐标系下注入高频分量，并提取电机中的高频响应信号获取转子位置信息，但是相关方法需要进行磁极辨识。

2、上述方案无法应用在基于单电流传感器的永磁同步电机带速重投应用场景，因其电流检测方式不同，无法同时检测到三相电流信息，从而根据电流信息估计出当前的转子位置及转速。而当前，由于成本低、体积小以及系统可靠性高等优势，基于单电流传感器的永磁同步电机驱动方案广泛应用，因此，基于单电流传感器的带速重投方案设计具有重要的实践意义。

技术实现思路

1、为了解决上述背景技术中存在的技术问题，本发明公开了一种基于线电压矢量注入的单电流传感器带速重投方法及系统。

2、本发明按以下技术方案实现：

3、第一方面，本发明提供了一种基于线电压矢量注入的单电流传感器带速重投方法，适用于三相两电平逆变器驱动的永磁同步电机系统，所述方法包括：

4、定义逆变器的开关状态，仅允许两相桥臂进行互补开关动作，强制剩余一相桥臂的上下管全部关断，生成一组包含单相悬空的线电压矢量；

5、根据电流传感器的安装拓扑，从线电压矢量中筛选出能够形成有效采样通路的矢量，作为注入矢量组；

6、在一个注入周期内，依次向逆变器注入矢量组的矢量，且在切换至下一矢量前，等待电机绕组电流衰减至零，以确保各矢量作用时的电流初值为零；

7、采集每个注入线电压矢量作用期间的电流数据，结合电机绕组参数对称性，建立忽略定子电阻压降的等效电路方程；

8、将不同注入线电压矢量对应的等效电路方程进行两两运算，消去母线电压项，得出线反电动势与电流变化率的线性关系式；

9、定义重投因子为线反电动势与电流变化率的线性关系式中的电流斜率之差；所述重投因子与线反电动势相对应，包含带速重投所需的转速及转子位置信息；

10、对重投因子估算结果进行归一化处理后送入正交锁相环，依据线反电动势与转子磁链的相位偏移量对锁相环输出进行补偿，得到电机惰性运行的转子位置及转速信息；

11、将转子位置及转速信息传递给无感控制观测器，重启逆变器，完成电机由惰性运行到无感控制的无缝平滑切入。

12、在一种实施方式中，相悬空的线电压矢量包括12种线电压矢量，具体为：(00x)、(01x)、(10x)、(11x)、(0x0)、(0x1)、(1x0)、(1x1)、(x00)、(x01)、(x10)、(x11)，其中“x”表示该相上下桥臂全关断。

13、在一种实施方式中，当电流传感器为单分支电流采样拓扑时，所述注入矢量组包含(x10)、(x01)、(01x)、(0x1)四种矢量，分别定义为lv1(x10)、lv2(x01)、lv3(01x)、lv4(0x1)。

14、在一种实施方式中，所述重投因子为呈线对称的三相重投因子、、，具体表达式为：

15、，

16、式中，为电机电角速度，为永磁磁链，为转子电角度，为相电感，为相间互感，、、、分别为对应线电压矢量作用下的电机相电流采样值；

17、对所述三相重投因子先进行clark变换，再送入正交锁相环，锁相环内部反馈角度需叠加π/6的相位补偿量。

18、在一种实施方式中，所述正交锁相环的pi参数按二阶系统最优阻尼比设置，满足：

19、，

20、其中，为正交锁相环的比例增益，为正交锁相环的积分增益，为无阻尼自然频率。

21、在一种实施方式中，通过优化注入线电压矢量组合，所述注入矢量组缩减为lv1(x10)、lv2(x01)、lv3(01x)三种矢量；

22、所述重投因子为呈正交对称的、，具体表达式为：

23、，

24、式中，为电机电角速度，为永磁磁链，为转子电角度，为相电感，为相间互感，、、分别为注入矢量组作用下的电机相电流采样值；

25、所述重投因子无需进行clark变换，直接送入正交锁相环，锁相环内部反馈角度需叠加π/3的相位补偿量。

26、在一种实施方式中，当电流传感器为直流母线电流采样拓扑时，所述注入矢量组包含(01x)、(10x)、(0x1)、(1x0)、(x01)、(x10)六种矢量，分别定义为lv1(01x)、lv2(10x)、lv3(0x1)、lv4(1x0)、lv5(x01)、lv6(x10)。

27、在一种实施方式中，通过优化注入矢量组合，所述注入矢量组缩减lv2(10x)、lv5(x01)、lv6(x10)三种矢量；

28、所述重投因子为呈正交对称的、，具体表达式为：

29、，

30、式中，为电机电角速度，为永磁磁链，为转子电角度，为相电感，为相间互感，、、分别为注入矢量组作用下的电机相电流采样值；

31、所述重投因子无需进行clark变换，直接送入正交锁相环，锁相环内部反馈角度需叠加π/3的相位补偿量。

32、在一种实施方式中，每个线电压矢量作用期间的电流采样时刻设置在该矢量注入周期的末尾，并预留预设时长的采样保持时间。

33、本发明还提供了一种基于线电压矢量注入的单电流传感器带速重投系统，适用于三相两电平逆变器驱动的永磁同步电机系统，所述系统包括：

34、矢量生成模块：用于定义逆变器的开关状态，仅允许两相桥臂进行互补开关动作，强制剩余一相桥臂的上下管全部关断，生成包含单相悬空的线电压矢量；

35、矢量筛选模块：用于结合单电流传感器的安装位置，从所述线电压矢量中筛选出能够形成有效采样通路的矢量，构建注入矢量组；

36、注入控制模块：用于在一个注入周期内，依次向逆变器注入所述注入矢量组中的矢量，且在切换至下一矢量前，等待电机绕组电流衰减至零，确保各矢量作用时的电流初值为零；

37、方程建立模块：用于采集每个注入线电压矢量作用期间的电流数据，结合电机绕组参数对称性，建立忽略定子电阻压降的等效电路方程；

38、差分运算模块：用于将不同注入线电压矢量对应的等效电路方程进行差分运算，消去母线电压项，得到线反电动势与电流变化率呈线性相关的观测表达式；

39、重投因子计算模块：用于定义重投因子为所述观测表达式中的电流斜率之差，所述重投因子与线反电动势相位同步，包含带速重投所需的转速及转子位置信息；

40、锁相环解算模块：用于对重投因子进行归一化处理后送入正交锁相环，依据线反电动势与转子磁链的固有相位偏移量对锁相环输出进行补偿，解算得到电机惰性运行的转子位置及转速信息；

41、观测器初始化模块：用于将所述转子位置及转速信息赋值给无感控制观测器的初始状态，重启逆变器，完成电机由惰性运行到无感控制的无缝平滑切入。

42、本发明有益效果：

43、1.本发明区别于传统的电压矢量，线电压矢量作用于两相的开关状态，利用线反电动势作用产生的电流能有效提取线反电动势信息。

44、2.本发明将线电压矢量作用时的逆变器以及永磁同步电机的电路进行等效并简化，能够得到电路的等效电路方程，便于分析电路及电机特性。

45、3.本发明通过对定义线电压矢量作用期间的简化等效电路方程进行两两运算，可以得到不包含母线电压vdc项的方程组，便于线反电动势信息提取。

46、4.本发明提出一种重投因子定义方法，通过将包含线反电动势对称信息的电流斜率之差定义为重投因子，并将其送入锁相环处理，即可得到电机惰性运行时的转子位置及转速信息。

47、5.本发明不仅适用于单分支电流采样拓扑，同样适用于其他常见的单电流传感器采样拓扑，如直流母线电流采样拓扑。同时本发明针对直流母线电流采样拓扑的线电压矢量注入带速重投方法也提供了设计过程。