CN105186956A - 一种无传感器永磁同步电机启动控制方法以及对应的*** - Google Patents
一种无传感器永磁同步电机启动控制方法以及对应的*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种无传感器永磁同步电机启动控制方法以及对应的***，包括以下步骤：(1)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在设定倍数的额定电流值以内；(2)规划的转子角度Angle给定值从0°逐步增加至360°；(3)判断永磁同步电机是否启动完成；若电机启动完成，进入电压外环、电流内环的矢量控制；若电机没有启动，返回步骤(1)重新启动。通过基于电流闭环控制的方法对永磁同步电机进行转子零位校正；通过永磁同步电机定子侧的q、d轴电流控制永磁同步电机，由于q、d轴电流可控，不会出现过流问题；通过转子角度的规划以及合理使用恒定角加速度步长能够保证电机启动过程不失步。
Description
技术领域
本发明属于电机伺服控制领域，具体涉及一种无传感器永磁同步电机启动控制方法以及对应的***。
背景技术
永磁同步电机因其功率密度大，损耗小、可靠性高等特点被广泛应用于工业控制领域。永磁同步电机的控制需要获得可靠的转子位置信息，现多用转子位置传感器如旋转变压器或者编码器等装置测量。这些装置会增加***成本，而且安装难度大。因此，无传感器控制方法成为研究热点，但如果控制不当会出现失步以及过流等问题。常用的永磁同步电机无传感器控制方法有“反电动势法”、“高频信号注入法”等。
由于永磁同步电机在零转速条件下反电动势为0，在低转速条件下难以精确测量。因此“反电动势法”适合于中高转速***，不适合作为电机启动控制方法。“高频信号注入法”对凸极式电机效果明显，但对隐极式电机效果不好。通用性差且算法复杂。而且，很容易出现失步的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种无传感器永磁同步电机启动控制方法以及对应的***，用以解决现有技术中的永磁同步电机启动控制方法失步的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种无传感器永磁同步电机启动控制方法，包括以下步骤：
(1)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在设定倍数的额定电流值以内；
(2)规划的转子角度Angle给定值从0°逐步增加至360°；
(3)判断永磁同步电机是否启动完成；若电机启动完成，进入电压外环、电流内环的矢量控制；若电机没有启动，返回步骤(1)重新启动。
在进行步骤(1)之前，进行如下步骤：判断永磁同步电机是否进行转子零位校正；如果转子进行了零位校正，则进行步骤(1)；如果转子没有进行零位校正，则先对电机进行转子零位校正。
所述步骤(1)中的设定倍数为1.2倍。
所述步骤(3)中判断永磁同步电机是否启动的方式是：设定永磁同步电机的参考启动转速为n，如果永磁同步电机的实际转速值大于n，则判定永磁同步电机已经正常启动；如果永磁同步电机的实际转速值小于等于n，则判定永磁同步电机没有启动。
所述转子零位校正方式如下：
(Ⅰ)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在设定倍数的额定电流值以内；
(Ⅱ)将转子角度Angle给定值从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子至理论零位；
(Ⅲ)判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，若到达最终稳定位置，转子零位校正完成。
所述步骤(Ⅲ)中永磁同步电机转子的最终稳定位置是Angle给定值等于0°且此时转子角度与上一时刻的变化量小于某一临界阈值的位置。
所述临界阈值为0.01°。
一种使用上述永磁同步电机启动控制方法的无传感器永磁同步电机启动控制***，包括电机控制支路、电流反馈支路、角度规划支路和电机转速计算支路；所述电机控制支路用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流控制控制永磁同步电机；所述电流反馈支路用于采集永磁同步电机的相电流；所述转子角度规划支路为电流闭环坐标变换提供角度来实现电机转子零度校正及电机启动控制；所述转速计算支路为无传感器永磁同步电机启动控制提供电机实时转速来判断电机是否已经正常启动。
本发明的有益效果是：通过基于电流闭环控制的方法对永磁同步电机进行转子零位校正；通过永磁同步电机定子侧的q、d轴电流控制控制永磁同步电机，由于q、d轴电流可控，不会出现过流问题；通过转子角度的规划以及合理使用恒定角加速度步长能够保证电机启动过程不失步。借助基于电流闭环控制的方法对永磁同步电机进行电机启动控制；最后通过判断永磁同步电机是否已经启动实现了无传感器永磁同步电机的启动控制。使得本发明的无传感器永磁同步电机启动控制简单，容易实施。
附图说明
图1是本发明实施例的永磁同步电机启动控制***结构图
图2是本发明实施例的永磁同步电机启动控制方法流程图；
图3是本发明实施例的永磁同步电机启动控制方法的中断服务流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
如图1所示，本发明的永磁同步电机启动控制***包括电机控制支路、电流反馈支路、角度规划支路和电机转速计算支路，它们构成电机电流环控制模式。
电机控制支路包括电流比较器、电流环控制器、Park/Clark逆变换器和功率放大装置；用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流控制控制永磁同步电机，给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流为0，d轴电流为设定倍数的额定电流值以内。d、q轴的电流命令通过电流环控制器连接至Park/Clark逆变换器，将旋转坐标系d、q轴电流转换为将三相静止坐标系电流，经功率放大装置连接至永磁同步电机，实现对永磁同步电机的控制。
电流反馈支路包括相电流传感器和Park/Clark变换器，相电流传感器的输入端连接至电机控制支路的输出端与永磁同步电机之间的，用于采集永磁同步电机的相电流，相电流传感器通过Park/Clark变换器连接至比较器一端，与比较器另一端输入的d、q轴的电流命令值做逻辑运算后输入至电流环控制器，作为电机的控制信号。Park/Clark变换器用于将相电流传感器采集到永磁同步电机的三相静止坐标系电流转换为d、q电流。
转子角度规划支路为电流闭环坐标变换提供角度，用于电机转子零度校正以及电机启动控制。此规划角度被Park/Clark坐标变换及其反变换使用。
电机转速计算支路为无传感器永磁同步电机启动控制提供电机实时转速，用于判断电机是否已经正常启动。本发明电机转速计算方法使用的是基于电机反电动势法，但并不局限于此方法。
具体的永磁同步电机启动控制方法如下。
如图2所示，本发明的永磁同步电机启动控制方法适用于基于电流环控制的永磁同步电机，包括以下步骤：
(1)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内；
给定永磁同步电机定子侧q轴电流命令为0，d轴电流命令控制在1.2倍额定电流值以内，能够产生合适大小的电磁转矩，不会因为电流过大而烧坏定子绕组，也不会因为电流过小而无法拖动永磁同步电机转子。
(2)规划的转子角度Angle给定值从0°逐步增加至360°；
规划的转子角度Angle给定值从0°逐步增加至360°，周而复始(如果需要反向启动，角度规划值从360°逐步减小至0°。永磁同步电机转子在电磁扭矩作用下被拖动运行。
(3)判断永磁同步电机是否启动；完成若电机启动完成，进入电压外环、电流内环的矢量控制；若电机没有启动，返回步骤(1)重新启动。
通过电机转速判断永磁同步电机是否已经启动。根据电机特性，设定永磁同步电机的参考启动转速为n，如果永磁同步电机的实际转速值大于n，则判定永磁同步电机已经正常启动；如果永磁同步电机的实际转速值小于等于n，则判定永磁同步电机没有启动。
若电机启动完成，进入电压外环、电流内环的矢量控制；若电机没有启动，返回步骤(1)重新启动。
在上述实施例中，在进行步骤(1)之前，进行如下步骤：判断永磁同步电机是否进行转子零位校正；如果转子进行了零位校正，则进行步骤(1)；如果转子没有进行零位校正，则先对电机进行转子零位校正。
在上述实施例中，所述步骤(1)中的设定倍数为1.2倍。作为其他实施方式，所述设定倍数为1.1等其他倍数。
在上述实施例中，所述步骤(3)中判断永磁同步电机是否启动的方式是：设定永磁同步电机的参考启动转速为n，如果永磁同步电机的实际转速值大于n，则判定永磁同步电机已经正常启动；如果永磁同步电机的实际转速值小于等于n，则判定永磁同步电机没有启动。作为其他实施方式，通过其他方式判断永磁同步电机是否启动。
在上述实施例中，所述转子零位校正的方式如下：
(Ⅰ)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内；
给定永磁同步电机定子侧q轴电流命令为0，d轴电流命令控制在1.2倍额定电流值以内，能够产生合适大小的电磁转矩，不会因为电流过大而烧坏定子绕组，也不会因为电流过小而无法拖动永磁同步电机转子。
(Ⅱ)将转子角度Angle给定值从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子至理论零位；
将转子角度从30°逐步减小至0°，可以使用定步长减小方式。在此过程中，即使转子处于180°非稳定的角位置，扭矩方向的变化也能够保证永磁同步电机转子被拖动至理论零位。
(Ⅲ)判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，若到达最终稳定位置，转子零位校正完成。
通过电流闭环控制，如果转子角度Angle给定值等于0°且此时转子角度与上一时刻的变化量小于0.01°，永磁同步电机转子达到最终稳定位置，转子零位校正完成。
电机转子零位校正完成后进入基于电流闭环控制的电机启动控制。
作为其他实施方式，所述转子零位校正的方式是其他方式。
在上述实施例中，所述步骤(Ⅲ)中的临界阈值为0.01°；作为其他实施方式，所述临界阈值的精度视实际情况进行调整。
本发明的永磁同步电机启动控制方法可通过在控制芯片(本发明中使用的是数字信号处理芯片DSP，但不局限于DSP芯片)中编程实现的，本实施例给出一种具体的编程实现形式，如图3所示，是一个中断服务程序的流程图，可以采用定时中断的方式。本发明的永磁同步电机启动控制通过控制转子零位校正和电机启动控制两部分实现。
1.判断电机是否进行转子零位校正，可靠的校零是避免永磁同步电机失步运行的前提。
首先判断转子零位校正标志Angle_Flag是否等于1，等于1表示转子零位校正完成，等于0表示转子零位校正没有完成(此值初始化为0)。如果等于1则进入电机启动控制，等于0则进入转子零位校正程序。
在转子零位校正程序中，给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴电流命令Iq＝0，d轴电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内。
规划的转子角度Angle给定值从30°逐步减小至0，永磁同步电机转子在电磁扭矩作用下被拖动至理论零位。
规划的转子角度Angle给定值角度从30°逐步减小至0，可以使用定步长减小方式。在此过程中即使转子处于180°非稳定的角位置，扭矩方向的变化也能够保证永磁同步电机转子被拖动至理论零位。
通过电流闭环控制，如果Angle给定值等于0且此时转子角度与上一时刻的变化量小于0.01°(精度可视实际情况进行调整)，校零成功标志Angle_Flag置位，转子零位校正完成。
2.判断电机是否正常启动，启动过程中要防止电机失步。
判断电机启动完成标志Start_Flag是否等于1，等于1表示电机启动完成，等于0表示电机启动没有完成(此值初始化为0)。如果等于1则退出电机启动控制，等于0则进入电机启动控制程序。
在电机启动控制程序中，给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴电流命令Iq＝0，d轴电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内。
规划的转子角度Angle给定值从0逐步增加至360°，周而复始(如果需要反向启动，角度规划值从360°逐步减小至0)。永磁同步电机转子在电磁扭矩作用下被拖动运行。
转子角度的规划可以使用恒定角加速度步长方式。电机转动惯量越大则角加速度步长的选取应越小，从而保证启动过程不失步。
通过电流闭环控制，如果电机实际计算转速值大于电机参考启动转速n，则判断电机已经正常启动，同时启动成功标志Start_Flag置位，电机启动完成；如果电机实际计算转速值小于等于电机参考启动转速n，则判断电机没有启动，启动过程继续。
Claims (8)
1.一种无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在设定倍数的额定电流值以内；
(2)规划的转子角度Angle给定值从0°逐步增加至360°；
(3)判断永磁同步电机是否启动完成；若电机启动完成，进入电压外环、电流内环的矢量控制；若电机没有启动，返回步骤(1)重新启动。
2.根据权利要求1所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：在进行步骤(1)之前，进行如下步骤：判断永磁同步电机是否进行转子零位校正；如果转子进行了零位校正，则进行步骤(1)；如果转子没有进行零位校正，则先对电机进行转子零位校正。
3.根据权利要求1所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：所述步骤(1)中的设定倍数为1.2倍。
4.根据权利要求1所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：所述步骤(3)中判断永磁同步电机是否启动的方式是：设定永磁同步电机的参考启动转速为n，如果永磁同步电机的实际转速值大于n，则判定永磁同步电机已经正常启动；如果永磁同步电机的实际转速值小于等于n，则判定永磁同步电机没有启动。
5.根据权利要求2所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：所述转子零位校正方式如下：
(Ⅰ)给定矢量控制中永磁同步电机定子侧q轴的电流命令Iq＝0，d轴的电流命令Id控制在设定倍数的额定电流值以内；
(Ⅱ)将转子角度Angle给定值从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子至理论零位；
(Ⅲ)判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，若到达最终稳定位置，转子零位校正完成。
6.根据权利要求5所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：所述步骤(Ⅲ)中永磁同步电机转子的最终稳定位置是Angle给定值等于0°且此时转子角度与上一时刻的变化量小于某一临界阈值的位置。
7.根据权利要求6所述的无传感器永磁同步电机启动控制方法，其特征在于：所述临界阈值为0.01°。
8.一种使用权利要求1-7任一权利要求所述永磁同步电机启动控制方法的无传感器永磁同步电机启动控制***，其特征在于：包括电机控制支路、电流反馈支路、角度规划支路和电机转速计算支路；所述电机控制支路用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流控制控制永磁同步电机；所述电流反馈支路用于采集永磁同步电机的相电流；所述转子角度规划支路为电流闭环坐标变换提供角度来实现电机转子零度校正及电机启动控制；所述转速计算支路为无传感器永磁同步电机启动控制提供电机实时转速来判断电机是否已经正常启动。
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