电动车EHPS用永磁同步电机无传感器的控制方法及装置与流程

本发明属于永磁同步电机控制领域，具体涉及电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制方法及装置。

背景技术：

由于永磁同步电机具有功率损耗小，功率密度高以及可靠性高等特点，因此被广泛运用于电动商用车电动液压助力转向系统(ehps)，而永磁同步电机转子位置信息的获取是永磁同步电机控制的基础，现多用旋转变压器或编码器等转子位置传感器转置测量获得。但对于ehps的工作环境而言，传感器的安装和维修都非常困难，不仅会提高系统成本，还会降低系统的可靠性。因此，永磁同步电机在ehps应用环境下的无传感器控制技术成为当前研究的热点问题。

目前，常用的永磁同步电机无传感器控制方法主要有“反电动势法”和“高频信号注入法”。“反电动势法”是通过对电机反电动势的观测来实现转子位置观测，由于电机低速时反电动势很小，只适用于中高转速工况，在零速工况和低速启动工况则不能使用。“高频信号注入法”只适用于凸极式电机，通用性差且容易因扭矩波动出现失步的问题。但目前尚不存在任何一种单一方法可以解决全转速范围内转子位置和速度的估计问题，故而需要将多种控制方法结合形成整套控制系统及方法。

技术实现要素：

为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供电动车ehps的永磁同步电机全转速范围内无传感器的控制方法及装置。本发明所述电动车ehps的永磁同步电机无传感器控制方法包括以下步骤：

步骤1——判断当前电机状态，将标志位flag置0，当永磁同步电机零速时，执行步骤2，当永磁同步电机低速运行时，执行步骤3，当永磁同步电机中高速运行时，执行步骤4；

步骤2——当永磁同步电机零速时，采用电压矢量注入法估算电机转子初始位置，将标志位flag置1，并执行步骤1；

步骤3——当永磁同步电机低速运行时，采用i/f流频比开环控制法将电机转速加速至切换转速，并将标志位flag置2，并执行步骤1；

步骤4——当永磁同步电机中高速运行时，采用滑模观测器法使电机加速并维持在目标转速，并执行步骤1。

优选的是，在所述电压矢量注入法中利用永磁同步电机的饱和凸极效应估算零速时电机转子的初始位置。

在上述任一方案中优选的是，所述永磁同步电机为嵌入式永磁同步电机、内置式永磁同步电机和面贴式永磁同步电机中任一种。

在上述任一方案中优选的是，所述i/f流频比开环控制法基于低通滤波算法的相角补偿器，用所述滑模观测器对转子位置进行观测，同时利用滑模观测器获得的观测角位置和积分获得的控制角位置间的偏差对观测角位置进行补偿。

在上述任一方案中优选的是，所述滑模观测器法利用了一个基于pi控制算法设计的相角补偿器，该相角补偿器将补偿角作为转速环pi的一个输出量，能够实现开环控制到滑模控制的平滑切换。

在上述任一方案中优选的是，所述流频比开环控制采用转速环开环、电流环闭环形式，目标交轴电流设定值略大于电机额定电流。

在上述任一方案中优选的是，所述步骤3采用滑模观测器法包括以下步骤：

步骤3.1设计电流滑模观测器；

步骤3.2在滑模观测器中通过滤波方法计算得到电机两相静止坐标系下的反电动势信号；

步骤3.3利用反正切方法计算得到转子位置；

步骤3.4由于低通滤波特性带来的一定的相位滞后，加入转子位置滞后补偿，得到最终转子位置信息。

本发明用于电动商用车ehps的永磁同步电机无传感器的控制装置，所述控制装置为永磁同步电机dc/ac控制器，所述永磁同步电机dc/ac控制器包括供电电源电路、开关量采集电路、模拟量采集电路、存储功能电路、保护电路、最小控制系统电路、逆变(igbt)驱动及功率输出电路和通讯总线电路。

优选的是，所述模拟量采集电路包括两相电流、母线电压、控制器温度及电机温度的采样电路。

在上述任一方案中优选的是，所述控制器通过所述两相电流的采样对永磁同步电机转子位置和速度的实时估算。

在上述任一方案中优选的是，所述控制器根据估算的转子位置，按照电机矢量控制方法生成开关信号，并将其传送给逆变模块，控制所述永磁同步电机。

在上述任一方案中优选的是，所述供电电源电路包括高压电源电路和低压电源电路。

在上述任一方案中优选的是，所述开关量采集电路可采集的信号包括高有效开关信号电路和低有效开关信号。

相对于传统永磁同步电机无传感器控制方法，本发明采用一种适用于电动车ehps的永磁同步电机无传感器控制方法及装置，对电机运行的三个不同阶段采取了三种不同的控制算法，实现了对永磁同步电机全转速范围内的有效控制。针对ehps特殊使用环境，利用电压矢量注入的方式检测电机转子初始位置，通过调整电压矢量的方向密度，理论上能够实现任意精度的位置检测需求，从而能够满足ehps系统带载启动需求，且能够同时适用于隐极式电机和凸极式电机；利用i/f流频比开环起动的方式，避开滑模观测算法的失准转速区间，保证电机在低速起动工况时的稳定运行；通过对滑模观测算法的使用，使得整个控制装置在电机起动后具有很强的控制鲁棒性，从而提高整个装置应对冲击载荷和振荡载荷的能力；通过角度补偿的方式，实现了流频比控制和滑模观测控制两种算法间的平滑切换，消除了在算法切换过程中控制装置失稳的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本实施例或现有技术中的技术方案，下面将结合附图对实施例或现有技术中所需要使用的附图做详细的描述。显而易见，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图和实施例获得其他的实施例，这些实施例都在本发明专利的权利要求书的保护范围之内。

图1为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的一优选实施例的控制系统图。

图2为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制方法的如图1实施例的程序框图。

图3为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制方法的如图1实施例的电压矢量注入法程序框图。

图4为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制方法的如图1实施例的i/f流频比开环控制法程序框图。

图5为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制方法的如图1实施例的滑模观测法程序框图。

图6为按照本发明的电动车ehps用永磁同步电机无传感器的控制装置的如图1实施例的dc/ac控制器在ehps中的结构位置图。

图7为按照本发明的电动车ehps的永磁同步电机无传感器的控制装置的如图1实施例的控制器框架图。

0：电压矢量注入法阶段

1：流频比开环启动阶段

2：滑模观测阶段

具体实施方式

下面将结合附图，详细地描述本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

在本实施例中，电动车ehps用永磁同步电机(pmsm)无传感器控制系统如图1所示，所述永磁同步电机(pmsm)两相定子电流采样ia、ib，传输至clark变换模块和park变换模块，所述park变换模块用于利用接收到的电机转子位置估计值获得两相旋转坐标系下实际电流值id和iq，并将其传输至对应的电流环pi控制模块；所述q轴电流调节模块产生q轴电压输出值uq，并将电压输出值uq传输至反park变换模块；所述d轴电流调节模块产生d轴电压输出值ud，并将电压输出值ud传输至反park变换模块；所述反park变换模块利用接收到的q轴电压输出值uq和d轴电压输出值ud产生两相静止坐标系下参考电压分别为ua和uβ，并将所述等效电压控制给定值ua和uβ传输至空间矢量脉宽调制模块(svpwm)；所述空间矢量脉宽调制模块利用接收到的等效电压控制给定值ua和uβ产生控制信号，驱动逆变模块产生三相电压信号，并利用所述三相电压信号控制永磁同步电机运行。

在本实施例中，电动车ehps用永磁同步电机(pmsm)无传感器所述控制方法的程序框图如图2所示，本发明针对电机运行的不同转速工况，采用了不同的转子位置估算控制算法，按以下步骤实现了全转速工况下的有效控制：

步骤1——判断当前电机状态，将标志位flag置0，当永磁同步电机零速时，执行步骤2，当永磁同步电机低速运行时，执行步骤3，当永磁同步电机中高速运行时，执行步骤4；

步骤2——当永磁同步电机零速时，采用电压矢量注入法估算电机转子初始位置，将标志位flag置1，并执行步骤1；

步骤3——当永磁同步电机低速运行时，采用i/f流频比开环控制法将电机转速加速至切换转速，并将标志位flag置2，并执行步骤1；

步骤4——当永磁同步电机中高速运行时，采用滑模观测器法使电机加速并维持在目标转速，并执行步骤1。

在本实施例中，零速阶段采用电压矢量注入法，程序框图如图3所示。

所述电压矢量注入法主要利用永磁同步电机的饱和凸极效应实现0速时电机的初始位置估算。在电机同步旋转坐标系下，因直轴磁路处于饱和状态而导致磁阻增大、电感减小的现象称为饱和凸极效应。对于固有结构具有凸极性的嵌入式、内置式永磁同步电机及面贴式永磁同步电机，此种效应都会出现。基于此原理，对电机施加的一系列电压脉冲具有相等的幅值，其电压脉冲的方向就决定了响应定子电流值的大小，在电机转子磁极所在位置的方向则响应电流最大，据此可以在电机静止状态下获得转子的初始位置，从而保证电机的带载起动性能。

所述电压矢量注入法首先将标志位flag置0，程序识别电机处于零速状态。通过空间矢量脉宽调制(svpwm)向电机注入不同方向的瞬时冲击电压，并记录冲击电流的响应。完成注入360°不同方向瞬时冲击电压后，找出冲击响应电流的两个峰值位置θ1和θ2，应分别为电机转子永磁体的n极和s极。比较θ1和θ2，校验其是否相差180°，若相差180°则说明初始位置估计成功，将标志位flag置1，取电机初始位置为θ1，否则重复上述过程

在本实施例中，低速阶段采用i/f流频比开环控制法，程序框图如图3所示。

i/f流频比开环控制法用以在滑模观测法准确性较低的低速运行工况下实现电机起动。i/f流频比控制是根据永磁同步电机负载的转矩转速特性，给变频器设置合适的电流频率比，使电机的输出转矩与不同转速下的负载转矩相匹配，以达到较高的运行效率。定子电流在交轴上的分量用于提供电磁转矩，当电磁转矩与负载转矩相平衡时定子电流与转子磁链保持固定夹角，转子在电流矢量的牵引下保持同速旋转，即永磁同步电机具有“转矩-功角自平衡”特性。为防止系统进入非稳定区域，需要设计足够大的定子电流，使得受夹角控制的电磁转矩有一定裕量，就能够响应负载转矩的振荡变化。

i/f流频比开环控制法首先是程序识别标志位flag为1，电机处于启动加速阶段。采用转速环开环、电流环闭环形式，设定目标交轴电流为略大于电机额定电流的定值，并直接将角加速度值赋值给kw，并通过与时间的积分得到电机转速ωref，进而积分得到转子位置θ，直到电机转速ωref加速至与目标切换转速ωg相等。最后将标志位置为2。

为解决i/f流频比开环控制法和滑模观测法间切换时易出现相角突变的问题，本实施例设计了一个基于低通滤波算法和pi控制算法的相角补偿器，在流频比开环控制阶段，该相角补偿器基于低通滤波原理工作，在滑模控制阶段则基于pi控制算法工作。

在流频比开环控制阶段，根据积分方法计算获得的电机理论转子位置与实际转子位置会存在一个偏差角，该偏差角随着负载转矩的减小而增大，在空载工况下该偏差角达到最大值，此时相角补偿器会根据滑模观测的估计结果与积分获得的转子位置间的偏差，通过一个低通滤波器，获得初始补偿角度。为保证该补偿角的正确性，流频比开环控制的转速范围需至少超过滑模观测器能够获得准确估计值的最低转速，一般需要电机转速达到150rpm以上。

在此阶段同时执行滑模观测算法，但不将其结果作为控制输入，而是将观测到的转子位置与积分获得的转子位置θ作差，利用低通滤波器获得实时补偿角δθ，在进行算法切换时用于对转子位置进行补偿。

在本实施例中，中高速阶段采用滑模观测器法，具体程序框图如图4所示。

滑模观测器法是目前通用性最强、鲁棒性最高的永磁同步电机转子位置估计方法，通过设计基于电流的滑模观测器获得电机在两相静止坐标系下的反电动势，之后使用反正切方法计算获得转子的实时位置，适用于中高速工况下的永磁同步电机转子位置估计。

在流频比开环控制法阶段，积分获得的转子位置和电机实际转子位置之间存在偏差角，若直接切换进入滑模观测法则会因给定转子位置突变使得控制系统失稳。针对这一问题，本实施例在流频比开环控制阶段即开始使用滑模观测器对转子位置进行观测，同时利用滑模观测器获得的观测角位置和积分获得的控制角位置间的偏差对观测角位置进行补偿，从而保证在算法切换过程中不出现角度突变的问题。在完成切换后，逐渐修正补偿值直至观测角位置逼近转子的实际位置。

程序识别标志位flag为2，电机处于中高速运行阶段。首先设计电流滑模观测器，如式(1)所示。

其中是定子电流观测值，uα，uβ为滑模观测器的输入。

在滑模观测器中通过式(2)的滤波方法计算得到电机两相静止坐标系下的反电动势信号。

其中ω0为截止频率，ueqα、ueqβ为电流误差的开关信号，且

然后根据式(3)利用反电动势计算得到转子位置。

由于低通滤波特性带来的一定的相位滞后，因此利用式(4)加入转子位置滞后补偿，得到最终转子位置信息。

其中，δθ为补偿量，其初始值由流频比控制阶段产生，并在滑模控制阶段逐步逼近式(4)给定的补偿值，ω'在稳态时等于给定转速，暂态时等于估计转速。

在滑模观测阶段，补偿角的初始值能够保证两种算法切换时不因角度突变出现问题。此后，依靠一个输出量为补偿角的速度环pi控制器使补偿角逐渐自适应到式(4)给出的补偿值，从而实现估计转子位置自适应到实际转子位置。在这一过程中，补偿角和电机的交轴电流共同决定了电机的输出转矩，故而可以在传统双闭环电机控制系统的基础上，将速度环的输出量由单一的电机交轴参考电流改为补偿角和电机交轴参考电流：当反馈转速低于目标转速时，通过pi调节补偿角趋近真实值以提升电机输出转矩；当反馈转速高于目标转速时，通过pi调节降低交轴参考电流以降低电机输出转矩。此输出量为补偿角的速度环pi控制器和流频比开环控制阶段用于计算初始补偿角的低通滤波器共同组成了一个角度补偿器，从而能够实现两种算法间的平滑切换。

与传统的算法切换方式相比，本实施例中任何一个阶段的电机转子位置估计值都由唯一的算法产生，而非两种算法共同决定，估算结果不易出现反复波动，具有更高的可靠性和稳定性。此外，角度补偿器的使用能够使得估计的转子位置和参考电流这两个控制器输出量得到自适应控制，不需要为其设定变化率，且电机的转速作为控制目标，不会因某一个控制器输出量的变化而发生较大的波动，保证了算法间切换的平滑性。

在本实施例中，本发明基于一种高可靠性、低成本的永磁同步电机dc/ac控制器，其在ehps中的位置如图5所示：该控制器能够实现电流电压检测、外部通讯以及高压逆变等功能，所述控制系统不设置传感器。

在本实施例中，所述控制器主要组成如图6所示，包括供电电源电路、开关量采集电路、模拟量采集电路、存储功能电路、最小控制系统电路、igbt驱动及功率输出电路和can总线电路。其中模拟量采集电路仅包括两相电流、母线电压、控制器温度及电机温度采样电路，不设置位置传感器采样电路，而是依靠电流采样和估计策略实现位置传感器的功能。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例例的限制，上述实施例例和说明书中描述的是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所付的权利要求书及其等效物界定。