一种基于IF起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法

一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法
技术领域
1.本发明涉及永磁同步电机无速度传感器控制技术领域，尤其涉及一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其具有功率密度高、效率高、可靠性高、控制简单等优点被广泛运用于生产与生活中。永磁同步电机常采用磁场定向控制，需要转速以及转子的位置信息，通常采用的方法是安装机械式的传感器，然而传感器会占用一定的空间，同时会增加生产成本且有产生故障的风险。因此，永磁同步电机的无速度传感器控制具有很高的经济价值和实际意义，目前也是国内外学者的热点研究内容。
3.永磁同步电机在中高速运行时，可以采用滑模观测器法、状态观测器法、模型参考自适应观测器法等，这些方法采集电机的电流和电压信息，基于电机反电动势模型对转速和位置进行观测。但是，当永磁同步电机零速或低速运行时，由于采集信号的信噪比较低，基于电机反电动势模型的方法往往会失效。为了避免这种情况，可以对电机采取恒电流变频(i/f)方法起动，到达一定速度时切换到基于反电动势模型的速度观测方法，使永磁同步电机在全速域范围内都能无速度传感器稳定运行。
4.i/f起动策略是一种电流闭环、转速开环的控制方法，通过在原有的同步坐标系中给定一个新的电流旋转矢量，使给定的电流矢量恒加速旋转至指定速度，根据“转矩-功角自平衡”性能带动电机的转子旋转，到达指定速度后永磁同步电机的转速围绕给定转速波动并逐渐收敛至给定值。由于在切换到基于反电动势模型的速度观测器过程中，i/f起动方法给定的转子位置角度和观测器观测到的转子位置角度存在角度差，会导致切换前后的电流和转子位置角度不匹配，造成电机转矩突变，从而影响电机运行稳定性，因此需要对i/f控制过程中的切换方法进行改进。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，旨在解决传统i/f起动后切换到基于反电动势模型的速度观测方法过程中电流和位置角度不匹配导致的转矩突变、电机运行不稳定的问题。
6.本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
7.本发明提供一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，该方法包括以下步骤：
8.步骤1、根据永磁同步电机参数和负载，设置i/f起动的起动参数，包括给定的电流值大小以及机械角加速度；
9.步骤2、采用预定位方法找到电机初始位置，依据所设置的起动参数进行i/f起动；
10.步骤3、i/f起动到达切换设定速度后，切入电流调节的过渡过程；
11.步骤4、设计反馈调节器对电流进行调节，待电流调节减小并保持稳定后，切入基
于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。
12.进一步地，本发明的步骤1中设置给定的电流值的方法包括：
13.根据电机的转矩方程得到电机加速时电流和负载的关系：
[0014][0015]
进一步得到给定电流i
q*
的取值范围：
[0016][0017]
其中，te为电机转矩，pn为永磁同步电机磁极对数，ψf为永磁体磁链，θ为给定电流矢量与电机转子q轴的夹角，t
l
为负载转矩。在上述范围内选择合适的电流值i
q*
作为i/f起动给定电流。
[0018]
进一步地，本发明的步骤1中设置的机械角加速度的方法包括：
[0019]
当电流矢量与电机转子q轴的夹角为零时电机的瞬时加速度最大，忽略粘滞摩擦系数，由电机的机械方程得到在给定电流幅值下电机最大机械角加速度为：
[0020][0021]
起动设定机械角加速度范围为：
[0022]
0≤ae≤ar[0023]
其中，j为电机的转动惯量，ar为电机i/f起动给定电流下的最大机械角加速度，ae为电机给定的机械角加速度。
[0024]
进一步地，本发明的步骤2的方法包括：
[0025]
对电机给定机械角加速度ae积分得到电机的给定转速ω
*
；
[0026]
再对给定转速ω
*
积分得到电机旋转的电角度：
[0027][0028]
采用电机的预定位方法，找到电机的初始位置，则i/f起动给定输入角度为：
[0029][0030]
其中，θ
*
为i/f起动位置指令输入的电角度，θ
if*
为电机旋转的电角度，θ0为电机的初始电角度；采用上述设定值进行电机i/f起动。
[0031]
进一步地，本发明的步骤4中设计反馈调节器的方法包括：
[0032]
根据中高速状态下基于反电动势的无速度传感器观测方法，得到估计的转子电角度θe；
[0033]
根据i/f给定的位置角度，得到角度差：
[0034]
θ
err
＝θ
e-θ
*
[0035]
设计反馈调节器，用θ
err
作为反馈调节器的输入来调节反馈电流大小；
[0036]
反馈调节器的输入输出关系为：
[0037][0038]
加入反馈调节器后得到控制电流iq为：
[0039][0040]
反馈调节器中，设计的角度差调节器的输入输出关系为：
[0041]
e(t)＝keθ
err
[0042]
其中，
[0043]
其中，k
p
、ki、λ、n为可调参数，为反馈电流，ke为角度调节系数，e(t)为角度差调节器输出。
[0044]
进一步地，本发明的步骤4的方法包括：
[0045]
在反馈调节器的作用下，q轴的给定电流自动的调节减小并保持稳定，待电流稳定后可切入基于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。
[0046]
本发明产生的有益效果是：本发明的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，在i/f控制方法起动中，加入了pi调节器和角度差调节器组成的反馈调节器，使电机在切换到基于反电动势模型的速度观测方法的过渡过程中，对电流和角度差的关系进行自动调节，不仅保证了切换前后电流和输入位置角的匹配，增加了系统的稳定性和可靠性，且相比普通方法还省去了设置电流切换阈值这个步骤。
附图说明
[0047]
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0048]
图1是本发明的一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器控制系统的结构框图；
[0049]
图2是本发明的一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法流程图；
[0050]
图3是本发明的一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法中的反馈调节器原理示意图；
[0051]
图4是带载起动下带角度差调节器和不带角度差调节器过渡过程的速度变化曲线对比图；
[0052]
图5是带载起动下带角度差调节器和不带角度差调节器过渡过程的电流变化曲线对比图。
具体实施方式
[0053]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0054]
如图1所示为本发明的一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器控制系统的结构框图，该矢量控制系统先由给定参数进行i/f起动，待i/f起动转速达到设定切换转速后，切换k1进入电流自动调节的过渡过程，待电流稳定后切换k2和k3进入无速度传感器转速电流闭环控制。在闭环控制中，由采样得到的三相电流和电压信号，经过clarke变换后得到的α、β坐标下的电流和电压，通过基于反电动势的状态观测器得到电机转速和转子位置信息。
[0055]
如图2所示，本发明实施例的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方
法，具体包括以下步骤：
[0056]
步骤1：选择合适的起动电流大小和起动机械角加速度；
[0057]
根据电机的转矩方程可以得到电机加速时电流和负载的关系：
[0058][0059]
进一步可以得到给定电流i
q*
的取值范围：
[0060][0061]
其中te为电机转矩，pn为永磁同步电机磁极对数，ψf为永磁体磁链，θ为电流矢量与电机转子q轴的夹角，t
l
为负载转矩。在上述范围内选择合适的电流值i
q*
作为i/f起动给定电流。
[0062]
当电流矢量与电机转子q轴的夹角为零时电机的瞬时加速度最大，忽略粘滞摩擦系数，由电机的机械方程可以得到在给定电流幅值下电机最大机械角加速度为：
[0063][0064]
可知起动设定的机械角加速度范围为：
[0065]
0≤ae≤ar；
[0066]
其中，j为电机的转动惯量，ar为电机i/f起动给定电流下最大机械角加速度，ae为电机给定机械角加速度。
[0067]
步骤2：使用步骤1范围内设定的参数对电机进行i/f起动，依据电机的“转矩-功角自平衡”性能使得电机起动时围绕给定速度加速运动。
[0068]
将ae和起动时间t相乘可以得到给定的匀加速起动时的转速；
[0069]
ω
*
＝aet
[0070]
再对给定转速ω
*
积分，并得到电机旋转的给定电角度：
[0071][0072]
采用电机的预定位方法，找到电机的初始位置角度，则i/f起动给定输入角度为：
[0073][0074]
其中ω
*
为电机匀加速起动的给定速度，θ
*
为i/f起动位置指令输入的电角度，θ
if*
为根据电机i/f起动给定机械角加速度得到的电角度，θ0为电机的初始电角度。当电机采用i/f起动，待速度稳定后进入步骤3的过渡阶段。
[0075]
电机进入切换设定速度后，切入电流调节的过渡过程。
[0076]
步骤4的闭环调节器的设计具体包括：
[0077]
根据中高速状态下的基于电机反电动势模型的观测方法，得到估计的转子电角度θe，此时观测器在中高速下能准确的观测出电机的位置，所以用观测器得到的位置角度来代替电机真实的位置角度；
[0078]
根据观测器得到的观测角度和i/f给定的位置角度相减得到角度差：
[0079]
θ
err
＝θ
e-θ
*
[0080]
角度差的大小反应了i/f控制过渡状态中给定的控制角度和真实控制角度之间的
关系，通过角度差的信息作为反馈调节器的输入来自动调整给定电流；
[0081]
设计反馈调节器，用θ
err
作为整个反馈调节器的输入来调节反馈电流大小；整个反馈调节器的输入输出关系为：
[0082][0083]
加入反馈调节器后得到控制电流iq为：
[0084][0085]
参照图3，反馈调节器由pi调节器和角度差调节器组成，在pi调节器之前先对角度差进行调节；
[0086]
其中，角度差调节器的输入输出关系为：
[0087]
e(t)＝keθ
err
[0088]
其中，
[0089]
其中，k
p
、ki、λ、n为可调参数，为反馈电流，ke为角度调节系数，e(t)为角度差调节器输出。
[0090]
所述反馈调节器模块的控制参数包括k
p
、ki，可以控制调节过程电流的下降速度。
[0091]
对角度差调节器模块的控制参数包括λ、n，可以控制电流下降到一定值和转速电流双闭环控制的匹配程度。
[0092]
在反馈调节器的作用下，q轴的给定电流自动的减小并保持稳定，待电流稳定后可切入基于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。
[0093]
下面结合图4至图5的仿真波形验证本发明的可行性。
[0094]
图4为本发明带载起动下，反馈调节器中带角度差调节器和不带角度差调节器情况下过渡过程速度曲线对比图。设定i/f起动电流为10a，转速加速到600r/min后保持恒定，切入反馈调节器调节q轴电流，当存在角度差调节器时，过渡过程中速度保持稳定，而不带角度差调节器的情况下速度开始发散造成电机失步。
[0095]
图5本发明为带载起动下，反馈调节器中带角度差调节器和不带角度差调节器过渡过程的电流变化曲线对比图，可以看出，当电流减小到一定值后，不带角度差调节器情况下电流开始发散，这是由于过渡过程中随着电流的减小，电流变化对角度差θ
err
的影响逐渐增大，在θ
err
＝0工作点附近来回运动时，若不及时的切换到速度电流双闭环控制，电流很小的波动会引起θ
err
的震荡，导致发散。而加入本发明的角度差调节器后，可以在过渡状态中保持电流稳定的同时解决速度发散这一问题，保障了电机在过渡过程中的稳定性。
[0096]
本发明对i/f起动后过渡状态中的切换过程进行了改进，根据给定电流和角度差的关系设计了反馈调节器，通过反馈调节器对给定电流进行调节，无需设置切换电流阈值的步骤，待电流稳定后切换为适用于中高速无速度传感器控制的反电动势观测法，使切换前后电流和转子角度趋于一致，消除了转矩突变的影响，提高了系统的稳定性。
[0097]
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1、根据永磁同步电机参数和负载，设置i/f起动的起动参数，包括给定的电流值以及机械角加速度；步骤2、采用预定位方法找到电机初始位置，依据所设置的起动参数进行i/f起动；步骤3、i/f起动到达切换设定速度后，切入电流调节的过渡过程；步骤4、设计反馈调节器对电流进行调节，待电流调节减小并保持稳定后，切入基于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。2.根据权利要求1所述的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，所述步骤1中设置给定的电流值的方法包括：根据电机的转矩方程得到电机加速时电流和负载的关系：进一步得到给定电流i
q*
的取值范围：其中，t
e
为电机转矩，p
n
为永磁同步电机磁极对数，ψ
f
为永磁体磁链，θ为给定电流矢量与电机转子q轴的夹角，t
l
为负载转矩，在上述取值范围内选择合适的电流值i
q*
作为i/f起动给定电流。3.根据权利要求2所述的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，所述步骤1中设置机械角加速度的方法包括：当电流矢量与电机转子q轴的夹角为零时电机的瞬时加速度最大，忽略粘滞摩擦系数，由电机的机械方程得到在给定电流幅值下电机最大机械角加速度为：起动设定机械角加速度范围为：0≤a
e
≤a
r
其中，j为电机的转动惯量，a
r
为电机i/f起动给定电流下的最大机械角加速度，a
e
为电机给定的机械角加速度。4.根据权利要求1所述的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，所述步骤2的方法包括：对电机给定机械角加速度a
e
积分得到电机的给定转速ω
*
；再对给定转速ω
*
积分得到电机旋转的电角度：采用电机的预定位方法，找到电机的初始位置，则i/f起动给定输入角度为：其中，θ
*
为i/f起动位置指令输入的电角度，θ
if*
为电机旋转的电角度，θ0为电机的初始
电角度；采用上述设定值进行电机i/f起动。5.根据权利要求1所述的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，所述步骤4中设计反馈调节器的方法包括：根据中高速状态下基于电机反电动势的无速度传感器观测方法，得到估计的转子电角度θ
e
；根据i/f给定的位置角度，得到角度差：θ
err
＝θ
e-θ
*
设计反馈调节器，用θ
err
作为反馈调节器的输入来调节反馈电流大小；反馈调节器的输入输出关系为：加入反馈调节器后得到控制电流i
q
为：反馈调节器中，设计的角度差调节器的输入输出关系为：e(t)＝k
e
θ
err
其中，其中，k
p
、k
i
、λ、n为可调参数，为反馈电流，k
e
为角度调节系数，e(t)为角度差调节器输出。6.根据权利要求5所述的基于i/f起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，其特征在于，所述步骤4的方法包括：在反馈调节器的作用下，q轴的给定电流自动的调节减小并保持稳定，待电流稳定后可切入基于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。

技术总结
本发明公开了一种基于I/F起动的永磁同步电机无速度传感器切换方法，包括：根据永磁同步电机参数和负载，设置I/F起动的起动参数，包括给定的电流值以及机械角加速度；采用预定位方法找到电机初始位置，进行I/F起动；I/F起动到达切换设定速度后，切入电流调节的过渡过程；设计反馈调节器对电流进行调节，待电流调节减小并保持稳定后，切入基于反电动势速度观测器的转速电流双闭环控制。本发明在I/F起动中，加入了PI调节器和角度差调节器组成的反馈调节器，使电机在切换前的过渡过程中，对电流和角度差的关系进行自动调节，保证了切换前后电流和输入位置角的匹配，增加了系统的稳定性和可靠性。和可靠性。和可靠性。


技术研发人员：宁博文 赵毅恒 卢少武 严保康 刘江 但峰 马娅婕
受保护的技术使用者：武汉科技大学
技术研发日：2022.02.08
技术公布日：2022/5/25