一种永磁同步电机控制方法和装置与流程

1.本技术实施例涉及电机控制技术，尤指一种永磁同步电机控制方法和装置。


背景技术：

2.永磁同步电机系统所有器件中，转子位置/速度机械传感器的故障率是较高的。而在永磁同步电机的控制中，转子的位置是必须要知道的。如果在电机高速运行过程中，转子位置/速度机械传感器突然故障，电机的控制系统将在极短时间内崩溃，轻则造成系统停机，严重可引发烧毁器件，危害设备、人员生命安全的事故。因此对于一些安全可靠性要求较高的领域，必须要提高永磁同步电机转子位置/速度采样通道冗余度，保证转子位置/速度采样通道故障发生后，系统继续安全稳定运行的要求。
3.目前，一些学者提出了各种永磁同步电机位置/速度采样通道故障冗余方案。归纳后，主要包括如下几种：1、为电机系统增加转子/速度机械传感器。
4.2、机械位置/速度传感器采样值与无位置/速度传感器算法观测值做加权平均。
5.3、机械传感器芯片硬解码与系统控制直接采样传感器信号后进行程序软解码相结合。
6.目前，现有的技术主要存在的缺陷如下：1、为电机系统增加转子/速度机械传感器显然会增加系统成本并且增加电机体积和重量。航空航天、高铁等对体积重量要求较高的领域是不易接受的。
7.2、采用机械位置/速度传感器采样值与无位置/速度传感器算法观测值做加权平均的方案也具有明显的缺陷。对于系统全生命周期而言，正常工况是大概率的，而故障工况是小概率的。具有机械传感器的控制方案在电机转速、转矩、电流的控制精度方面都要优于无机械传感器算法观测的方案。因此，对于正常工况，要尽可能用有机械传感器的控制方案。而冗余方案不应影响电机系统正常工况的运行。显然，该冗余方案为了应对小概率的故障工况影响了电机系统全生命周期绝大部分时间的正常运行。
8.3、机械传感器芯片硬解码与系统控制直接采样传感器信号后进行程序软解码相结合方案的冗余度和可靠性显然是不足的。它只能应对硬件解码部分故障，而不能对转子/速度采样通道故障做冗余控制。另外，该方案增加了系统硬件布线负担。


技术实现要素：

9.本技术实施例提供了一种永磁同步电机控制方法和装置，能够在不增加硬件和成本的基础上，提高电机控制系统的冗余度、安全性和可靠性。
10.本技术实施例提供了一种永磁同步电机控制方法，可以包括：在正常工况下，使用位置/速度传感器采样值进行电机矢量控制；并实时检测所述位置/速度传感器是否发生故障；当所述位置/速度传感器采样发生故障时，切换到预设的无位置/速度传感器算法
进行电机矢量控制。
11.在本技术的示例性实施例中，当所述位置/速度传感器采样发生故障时，所述方法还可以包括：生成冗余切换指令；根据所述冗余切换指令停止使用位置/速度传感器采样值进行电机矢量控制，并对所述无位置/速度传感器算法进行初始化。
12.在本技术的示例性实施例中，所述对所述无位置/速度传感器算法进行初始化，可以包括：使用短路电流矢量法对当前转子的转子位置角进行检测，将检测得到的转子位置角作为所述无位置/速度传感器算法的初始转角输入；和/或，获取所述位置/速度传感器发生故障前的一个或多个指令周期内的采样速度，将所述采样速度作为所述无位置/速度传感器算法的初始速度输入。
13.在本技术的示例性实施例中，所述切换到预设的无位置/速度传感器算法进行电机矢量控制，可以包括：采集永磁同步电机的d轴和q轴的电流和电压；根据预设算法以及所述d轴和q轴的电流和电压计算所述永磁同步电机的转角和速度；根据计算出的转角和速度进行电机矢量控制。
14.在本技术的示例性实施例中，所述短路电流矢量法，可以包括：控制电机断电惰行，使定子电流衰减到零；控制电机控制器的驱动桥臂全部上桥臂或全部下桥臂闭合导通，并对定子中的短路电流进行采样；控制所述驱动桥臂上的全部桥臂关断，并根据采样的短路电流进行转子位置角计算。
15.在本技术的示例性实施例中，所述根据采样的定子电流进行转子位置角计算，可以包括：获取所述短路电流在坐标系中的第一短路电流矢量；计算所述第一短路电流矢量与轴的第一夹角；获取所述短路电流在坐标系中的第二短路电流矢量；计算所述第二短路电流矢量与轴的第二夹角；计算所述第一夹角和所述第二夹角的差作为转子磁极d轴与轴之间的夹角，并将所述转子磁极d轴与轴之间的夹角作为所述转子位置角。
16.本技术实施例还提供了一种永磁同步电机控制装置，可以包括处理器和计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有指令，当所述指令被所述处理器执行时，实现所述的永磁同步电机控制方法。
17.与相关技术相比，本技术实施例可以包括：在正常工况下，使用位置/速度传感器采样值进行电机矢量控制；并实时检测所述位置/速度传感器是否发生故障；当所述位置/速度传感器采样发生故障时，切换到预设的无位置/速度传感器算法进行电机矢量控制。通过该实施例方案，在不增加硬件和成本的基础上，提高了电机控制系统的冗余度、安全性和可靠性。
18.本技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本技术而了解。本技术的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。
附图说明
19.附图用来提供对本技术技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本技术的实施例一起用于解释本技术的技术方案，并不构成对本技术技术方案的限制。
20.图1为本技术实施例的永磁同步电机控制方法流程图；图2为相关技术的基于位置传感器的电机矢量控制框图；图3为相关技术的基于速度传感器的电机矢量控制框图；图4为本技术实施例的基于无位置/速度传感器算法的电机矢量控制框图；图5为本技术实施例的系统冗余切换逻辑示意图；图6为本技术实施例的永磁同步电机控制器驱动桥臂示意图；图7为本技术实施例的短路时定子电流矢量空间相量图；图8为本技术实施例的永磁同步电机控制装置组成框图。
具体实施方式
21.本技术描述了多个实施例，但是该描述是示例性的，而不是限制性的，并且对于本领域的普通技术人员来说显而易见的是，在本技术所描述的实施例包含的范围内可以有更多的实施例和实现方案。尽管在附图中示出了许多可能的特征组合，并在具体实施方式中进行了讨论，但是所公开的特征的许多其它组合方式也是可能的。除非特意加以限制的情况以外，任何实施例的任何特征或元件可以与任何其它实施例中的任何其他特征或元件结合使用，或可以替代任何其它实施例中的任何其他特征或元件。
22.本技术包括并设想了与本领域普通技术人员已知的特征和元件的组合。本技术已经公开的实施例、特征和元件也可以与任何常规特征或元件组合，以形成由权利要求限定的独特的发明方案。任何实施例的任何特征或元件也可以与来自其它发明方案的特征或元件组合，以形成另一个由权利要求限定的独特的发明方案。因此，应当理解，在本技术中示出和/或讨论的任何特征可以单独地或以任何适当的组合来实现。因此，除了根据所附权利要求及其等同替换所做的限制以外，实施例不受其它限制。此外，可以在所附权利要求的保护范围内进行各种修改和改变。
23.此外，在描述具有代表性的实施例时，说明书可能已经将方法和/或过程呈现为特定的步骤序列。然而，在该方法或过程不依赖于本文所述步骤的特定顺序的程度上，该方法或过程不应限于所述的特定顺序的步骤。如本领域普通技术人员将理解的，其它的步骤顺序也是可能的。因此，说明书中阐述的步骤的特定顺序不应被解释为对权利要求的限制。此
外，针对该方法和/或过程的权利要求不应限于按照所写顺序执行它们的步骤，本领域技术人员可以容易地理解，这些顺序可以变化，并且仍然保持在本技术实施例的精神和范围内。
24.本技术实施例提供了一种永磁同步电机控制方法，如图1所示，可以包括步骤s101-s102：s101、在正常工况下，使用位置/速度传感器采样值进行电机矢量控制；并实时检测所述位置/速度传感器是否发生故障；s102、当所述位置/速度传感器采样发生故障时，切换到预设的无位置/速度传感器算法进行电机矢量控制。
25.永磁同步电机相比传统的异步电机具有精度高、效率高、能耗小、功率密度高、可做全封闭电机等优点。永磁同步电机在工业机器人、电动汽车、航空航天、高铁等领域广泛应用。这些领域对于设备的安全性、可靠性具有很高的要求。
26.永磁同步电机的转子磁链的位置对于永磁同步电机的控制非常重要。由于永磁同步电机的转子磁链是由转子永磁体产生的，所以转子磁链的位置与转子的机械位置是对应的。因此，测量转子的机械位置就可以知道转子磁链的位置。转子机械位置的测量一般是由安装在电机转子上的机械传感器来完成的。电机转子转速可以通过采样位置微分得到。如果电机转子安装的是速度传感器，则电机的转子位置可通过采样速度积分得到。电机转子位置/速度机器传感器一般有光电码盘、旋转变压器等。
27.光电码盘是一种增量式的机械传感器，由光电盘(透光栅板并刻有线条)、光源、光敏管和光电整形放大电路组成。增量式光电编码器测量的是位置的增量值，而无法测量位置的绝对值，所以需要z信号来给出零位置信号，但是在电机刚起动尚未检测到z信号的时候，光电编码器测量的位置是存在较大误差的。如果需要实时确定电机转子的绝对位置，则需要使用绝对值编码器。绝对值光电编码器光码盘上有许多道光通道刻线，每道刻线依次以2线、4线、8线、16线
……
编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通道，从而获得一组从2的零次方到2的n-1次方的唯一的二进制编码。因此这样的编码器也称n位绝对值编码器。绝对值编码器不受停电和电机停机的影响，抗干扰性、数据可靠性也大大提高。但是它的成本相比增量式编码器要高得多，通常应用于高精度伺服系统。
28.另外一种常用的可直接测量绝对位置的是旋转变压器，旋转变压器是一种电磁式的机械位置传感器，又称同步分解器，它实际上可以看作一种测量角度用的小型交流电动机，由电子和转子组成，电子与电机本体固定，转子随电机转子同步旋转。
29.转子位置/速度机械传感器的故障率是较高的，如果在电机高速运行过程中，转子位置/速度机械传感器突然故障，电机的控制系统将在极短时间内崩溃，轻则造成系统停机，严重可引发烧毁器件，危害设备、人员生命安全的事故。
30.在本技术的示例性实施例中，提出了一种准确、有效、可靠的永磁同步电机位置/速度采样通道故障冗余控制方案。该方案不需要对电机系统增加额外的硬件设备，不会对电机系统的正常工况造成影响，可应对电机高速工况突然发生位置/速度机械传感器故障。该方案提高了永磁同步电机系统可靠性，冗余度，可广泛应用于航空航天、高铁、电动汽车等高安全可靠性要求领域。
31.在本技术的示例性实施例中，实现了电机控制系统有位置/速度传感器控制和无位置/速度传感器控制的双冗余备份。在正常工况下，系统可以使用位置/速度传感器采样
值做电机矢量控制，如图2、图3所示。当位置/速度传感器采样发生故障时，系统可以切换到无位置/速度传感器算法做冗余控制，如图4所示。
32.在本技术的示例性实施例中，为电机转速指令值，和分别为电机传感器采样或计算得到的电机实际转速和实际转子位置角，和为无位置/速度传感算法估算得到的电机转速和转子位置角，为矢量控制算法计算得到的电机定子电流指令值，和为矢量控制算法计算得到的电机dq轴电流指令值，和分别为实际采样电流通过坐标变换得到的电机dq轴电流实际值，、、分别为电机三相电流实际值，和分别为矢量控制算法计算得到的dq轴电压计算值，和分别为矢量控制算法计算得到的轴电压计算值。
33.在本技术的示例性实施例中，和由、、通过clark变换（abc-变换）和park变换（-dq变换）得到；和由和通过park反变换（dq-变换）得到；mtpa为最大转矩电流比控制算法；svpwm为空间矢量脉宽调制算法；vsi为电压源型逆变器；dc为直流电源。
34.在本技术的示例性实施例中，系统的冗余切换逻辑如图5所示，正常工况下，系统基于机械传感器（位置/速度机械传感器）采样值做电机控制并且时刻应用预设的故障检测算法检测传感器是否发生故障，如果故障检测算法显示未发生机械传感器故障，则系统继续按照正常工况使用机械传感器采样值进行电机矢量控制。如果故障检测算法显示机械传感器发生了故障，则系统进行相关冗余切换控制算法，切换到无位置/速度传感器算法继续控制电机正常稳定运行。
35.在本技术的示例性实施例中，当所述位置/速度传感器采样发生故障时，所述方法还可以包括：生成冗余切换指令；根据所述冗余切换指令停止使用位置/速度传感器采样值进行电机矢量控制，并对所述无位置/速度传感器算法进行初始化。
36.在本技术的示例性实施例中，所述对所述无位置/速度传感器算法进行初始化，可以包括：使用短路电流矢量法对当前转子的转子位置角进行检测，将检测得到的转子位置角作为所述无位置/速度传感器算法的初始转角输入；和/或，获取所述位置/速度传感器发生故障前的一个或多个指令周期内的采样速度，将所述采样速度作为所述无位置/速度传感器算法的初始速度输入。
37.在本技术的示例性实施例中，当系统检测到位置/速度传感器采样通道故障并且发出系统需要进行冗余切换的指令后，由于矢量控制运算中的转速环和电流环有pi（比例积分）环节，系统首先需要停止矢量控制的运算。由于电机此时正在高速旋转，转角位置一
直在高速变化，因此需要使用短路电流矢量法进行当前转子位置角位置进行观测。将观测得到的转子位置角作为无位置/速度传感器算法的初始转角输入。由于电机转动惯量的存在，在短时间内电机的转速变化是很小的。并且无位置/速度传感器算法通常都具有一定的鲁棒性，即使无位置/速度传感器算法初始速度与真实速度有一定误差，系统也可以能很快收敛到稳定状态。因此，可以选择电机故障前几个指令周期的采样速度作为无位置/速度传感器算法初始速度输入。
38.在本技术的示例性实施例中，所述切换到预设的无位置/速度传感器算法进行电机矢量控制，可以包括：采集永磁同步电机的d轴和q轴的电流和电压；根据预设算法以及所述d轴和q轴的电流和电压计算所述永磁同步电机的转角和速度；根据计算出的转角和速度进行电机矢量控制。
39.在本技术的示例性实施例中，该预设算法可以是当前技术中任何能够实现该无位置/速度传感器算法的算法，对于详细算法不做限定。
40.在本技术的示例性实施例中，在对无位置/速度传感器算法完成初始化后，系统便可以通过无位置/速度传感器算法进行电机转角和转速的检测，并启动矢量控制运算，实现基于无位置/速度传感器算法的冗余控制方案。
41.在本技术的示例性实施例中，在电机故障后怠速期间，可以使用短路电流矢量法进行转子转角位置（即转子位置角）检测。
42.在本技术的示例性实施例中，在电机怠速期间并不能对转子位置角进行实时检测并进行电机矢量控制。所谓“怠速”就是对电机不控制，电机靠着既有惯性继续旋转，由于有摩擦力和负载的存在，电机转速将下降。
43.在本技术的示例性实施例中，在电机怠速期间对转子位置角进行检测只是为了无速度/位置传感器算法的初始化用。
44.在本技术的示例性实施例中，所述短路电流矢量法，可以包括：控制电机断电惰行，使定子电流衰减到零；控制电机控制器的驱动桥臂全部上桥臂或全部下桥臂闭合导通，并对定子中的短路电流进行采样；控制所述驱动桥臂上的全部桥臂关断，并根据采样的短路电流进行转子位置角计算。
45.在本技术的示例性实施例中，所述根据采样的定子电流进行转子位置角计算，可以包括：获取所述短路电流在坐标系中的第一短路电流矢量；计算所述第一短路电流矢量与轴的第一夹角；获取所述短路电流在坐标系中的第二短路电流矢量；计算所述第二短路电流矢量与轴的第二夹角；
计算所述第一夹角和所述第二夹角的差作为转子磁极d轴与轴之间的夹角，并将所述转子磁极d轴与轴之间的夹角作为所述转子位置角。
46.在本技术的示例性实施例中，短路电流矢量法的基本原理可以描述为：由于永磁同步电机转子含有永磁体，转子旋转时会在定子绕组中产生一个感应电动势矢量。这个感应电动势矢量的大小和方向随转子位置和速度变化而变化。当永磁同步电机惰行时，通过逆变器桥臂合适的开关组合使定子三相绕组相间短路，定子侧可以产生由感应电动势矢量施加在定子阻抗上产生的三相短路电流矢量，通过该短路电流即可实现对转子转角位置的计算。
47.在本技术的示例性实施例中，短路电流矢量法的具体实施过程如下：（1）电机断电惰行，使定子电流衰减到0；（2）打开电机控制器的逆变器（驱动桥臂）所有上桥臂（t1、t3、t5）或下桥臂（t2、t4、t6）持续极短的时间，如图6所示，期间进行定子电流采样，获取定子上的短路电流；（3）关断逆变器所有桥臂；（4）利用采样的三相短路电流进行转子转角位置计算。
48.在本技术的示例性实施例中，如图7所示，为短路时定子电流矢量（可以简称为短路电流矢量）的空间相量图。为短路起始时刻短路电流矢量，为短路结束时刻短路电流矢量，与间的夹角为电机在内转过的角度，为与轴的夹角，为与d轴的夹角，为短路持续时间。
49.在本技术的示例性实施例中，三相静止坐标系下的电机定子电压方程为：；其中，为定子空间电压矢量，为定子空间电流矢量，为定子电阻，为定子电感矩阵，为转子磁链矢量，为微分算子。
50.在本技术的示例性实施例中，当逆变器桥臂短路时，电机的定子侧电压为0，由于短路时间远小于q轴定子绕组常数，则短路时定子电阻可忽略。其中，为电机q轴电感。而由于短路之前电机定子电流已经衰减到0，因此可以认为短路初始时刻，则短路时电机的定子电压矢量方程可以写为：；短路时，定子电流矢量可以表示为：
；其中，为电机转速;则短路时定子电流矢量在三相静止坐标系中的矩阵表达式为：；其中，、、分别为短路时，电机abc三相定子电流；为定子电感矩阵的逆矩阵，为转子磁链，为转子位置角;短路时定子电流矢量在坐标系中的矩阵表达式为：；其中，和分别为短路时，电机坐标系下的短路电流，为定子电感矩阵在坐标系下的逆矩阵;由短路时定子电流矢量图可知，在短路期间内任意时刻，短路时定子电流矢量与轴的夹角都可以表示为：；根据电机在dq坐标系下的定子电压方程可得短路时的定子电压方程：；其中，、分别为电机dq轴电感，、分别为dq轴电流，为电机转速，为转子磁链，为微分算子。
51.定义短路时定子电流矢量在dq坐标系中的表达式为，由于
，则短路电流矢量的时域表达式可以写为：；其中，和分别为短路时，电机dq坐标系下的dq轴短路电流；短路时定子电流矢量与d轴之间的夹角可以表示为：；则转子磁极d轴与轴之间的夹角（即转子位置角）可以表示为：。
52.在本技术的示例性实施例中，相比当前的永磁同步电机位置/速度采样通道故障冗余控制方案，本技术实施例方案至少包括以下优点：（1）本技术实施例方案不需要对电机系统增加额外的硬件设备，不会增加电机系统的成本、体积和重量。
53.（2）本技术实施例方案只会在检测到机械传感器故障后才会做相应的冗余切换，不会对电机系统的正常工况造成影响。
54.（3）本技术实施例方案可应对电机高速工况突然发生位置/速度机械传感器故障，保障电机在高速旋转工况下平稳实现冗余切换，稳定运行。
55.（4）本技术实施例方案提高了永磁同步电机系统可靠性，冗余度，可广泛应用于航空航天、高铁、电动汽车等高安全可靠性要求领域。
56.本技术实施例还提供了一种永磁同步电机控制装置1，如图8所示，可以包括处理器11和计算机可读存储介质12，所述计算机可读存储介质12中存储有指令，当所述指令被所述处理器11执行时，实现所述的永磁同步电机控制方法。
57.在本技术的示例性实施例中，前述的永磁同步电机控制方法实施例中的任意实施例均适用于该装置实施例中，在此不再一一赘述。
58.本领域普通技术人员可以理解，上文中所公开方法中的全部或某些步骤、系统、装置中的功能模块/单元可以被实施为软件、固件、硬件及其适当的组合。在硬件实施方式中，在以上描述中提及的功能模块/单元之间的划分不一定对应于物理组件的划分；例如，一个物理组件可以具有多个功能，或者一个功能或步骤可以由若干物理组件合作执行。某些组件或所有组件可以被实施为由处理器，如数字信号处理器或微处理器执行的软件，或者被实施为硬件，或者被实施为集成电路，如专用集成电路。这样的软件可以分布在计算机可读
介质上，计算机可读介质可以包括计算机存储介质（或非暂时性介质）和通信介质（或暂时性介质）。如本领域普通技术人员公知的，术语计算机存储介质包括在用于存储信息（诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据）的任何方法或技术中实施的易失性和非易失性、可移除和不可移除介质。计算机存储介质包括但不限于 ram、rom、eeprom、闪存或其他存储器技术、cd-rom、数字多功能盘（dvd）或其他光盘存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储期望的信息并且可以被计算机访问的任何其他的介质。此外，本领域普通技术人员公知的是，通信介质通常包含计算机可读指令、数据结构、程序模块或者诸如载波或其他传输机制之类的调制数据信号中的其他数据，并且可包括任何信息递送介质。