CN105529979A - 一种电机启动速度闭环控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电机控制技术，目的是为了解决解决永磁同步直流电机重负荷的条件下启动失败的问题。本发明提供一种电机启动速度闭环控制方法，包括定位阶段、异步拖动阶段、异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段和无位置传感器速度闭环控制阶段，在无位置传感器速度闭环过渡阶段，控制d轴电流命令值I_d ^*＝0，q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制或者PI调节控制确定。电机启动速度闭环控制方法，还对定位阶段、异步拖动阶段及无位置传感器速度闭环控制阶段进行了改进。本发明适用于永磁同步直流电机。

Description

一种电机启动速度闭环控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术，特别涉及永磁同步直流电机异步拖动结束切换到闭环控制的方法。

背景技术

传统的电机启动技术，一般包括定位、异步拖动、异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡和无位置传感器速度闭环控制技术。在定位和异步拖动阶段，电流环ACR闭环控制，而速度环ASR开环控制，在异步拖动阶段，速度环虽然开环，但软件一直在检测电机位置和速度，在异步拖动结束时，软件所检测的电机位置和速度虽然有一定的误差，但切换到闭环控制时，一般能够顺利的实现电机的平滑过渡，顺利切换到闭环控制。

在异步拖动结束后，切换到闭环控制时，传统的控制方法是，通过最大力矩控制获得电机的q轴控制电流命令值I_q ^*和d轴控制电流命令值I_d ^*,即使在力矩不变的条件下，I_d ^*也会迅速变化到一负值，随着I_d*的减少，I_q ^*也会迅速减小，造成电机在重负荷的条件下启动失败。

专利“永磁同步直流无刷电机启动控制方法(CN201410508796)”所介绍的方法，采用延时检测电机的转速方法进行控制，虽然可以提高所检测的电机转速精度，但是没有涉及电机从异步拖动过渡到无位置传感器速度闭环控制方法，“一种电机启动控制方法(CN201510129234)”虽然详细的介绍了电机的启动和异步拖动技术，也没有详细介绍切换到速度闭环控制技术，“永磁无刷电机的启动方法(CN201410431250)”虽然较好的处理了d/q轴电流的转换，避免了在进入闭环瞬间，由于d轴电流不为0，而造成d轴电流向0甚至向负值过渡时，q轴电流迅速降低造成启动问题，但还是存在d轴从0向负值变换的趋势和q轴电流I_q ^*的降低，造成启动失败问题的发生。

传统的最大力矩控制方法，所采用的公式是：

$I_q*=\frac{{\mathrm{\τ}}^{*}}{1.5p\[{K_E}^{*}+({L_d}^{*}-{L_q}^{*}){I_{d-1}}^{*}\]}---\left(1\right)$

$I_d*=-\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}-\sqrt{{\[\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}\]}^2+{I_q}^2}---\left(2\right)$

其中τ^*为力矩命令值，I_d-1 ^*为上次电机d轴电流命令值，I_q ^*为本次电机q轴电流命令值，I_d ^*为本次电机d轴电流命令值，K_E ^*为电机反电动势常数，L_d ^*为电机d轴电感，L_q ^*为电机q轴电感。K_E ^*、L_d ^*、L_q ^*为电机参数。由于L_d ^*<L_q ^*，在τ^*不变的条件下，当I_d-1 ^*不为0，并且I_d-1 ^*>0时，由公式(1)可见，在I_d-1 ^*下降时，I_q ^*也降低，I_q ^*代入公式(2)可见，I_d ^*为负值(最大为0)，下次循环时，I_d ^*为负值，代入(1)时，得到更小的I_q ^*，造成I_q ^*迅速降低。为了避免I_d-1 ^*>0向负值过渡时，I_d ^*突变，在异步拖动结束，切换到速度闭环控制时，常常采用对I_d ^*进行低通滤波。但I_d ^*的降低造成I_q ^*的减小，会造成异步拖动切换到速度环闭环控制时启动失败问题的发生。

发明内容

本发明提供一种电机启动速度闭环控制方法，用于解决重负荷的条件下启动失败的问题。

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，一种电机启动速度闭环控制方法，包括定位阶段、异步拖动阶段、异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段和无位置传感器速度闭环控制阶段，其特征在于，在无位置传感器速度闭环过渡阶段，控制d轴电流命令值I_d ^*＝0，q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制或者PI调节控制确定。

具体地，在异步拖动阶段，按照I_d ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ),I_q ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ)进行控制电机d/q轴电流命令值，其中I_{d_B} ^*为定位目标电流，异步拖动角度γ取值从0逐渐增大到异步拖动目标角度γ_d，γ_d为90°，控制I_d ^*从I_d ^*＝I_{d_B} ^*到I_d ^*＝0变化，I_q ^*为电机q轴电流命令值，I_d ^*为电机d轴电流命令值。

具体地，在异步拖动阶段和无位置传感器速度闭环过渡阶段，对电机转子的角度θ₁和转子转速f₁进行推定，在闭环控制阶段，闭环控制电机转子速度和角度采用所推定的电机转子的角度θ₁和转子转速f₁，I_d ^*与I_q ^*则恢复到常规的最大力矩控制或者弱磁控制，控制电机的运行。

具体地，在定位阶段，令I_qn ^*＝0，n为自然数，I_d ^*在T₀时间内，从0逐渐增大到定位目标电流I_{d_B} ^*，I_d0＝0，电机运行频率f₀＝0，同时定位电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为θ₀，T₀>0，之后停留T₁时间，维持当前状态不变，迫使电机转子转到当前电流矢量的位置，T₁≥0。

具体地，在异步拖动阶段，在T₂时间内，维持电流矢量的大小不变，电流矢量以异步拖动频率f从f＝0到f＝f_n按逆时针方向旋转，0<f_n<＝f_d，其中f_d为异步拖动目标频率，f₀＝0_，异步拖动角度γ从0°变化到γ_d，γ_d为90°，γ₀＝0，异步拖动电流I_dn ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ_n),I_qn ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ_n)。

具体地，在异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段，在T₃时间内固定d轴电流命令值I_d ^*＝0，而q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制公式确定或者PI调节控制确定，T₃>0。

具体地，最大力矩控制公式为

$I_q*=\frac{{\mathrm{\&tau;}}^{*}}{1.5p\&lsqb;{K_E}^{*}+({L_d}^{*}-{L_q}^{*}){I_{d-1}}^{*}\&rsqb;}$

$I_d*=-\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}-\sqrt{{\&lsqb;\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}\&rsqb;}^2+{I_q}^2}$

其中τ^*为力矩命令值，I_d-1 ^*为上次电机d轴电流命令值，I_q ^*为本次电机q轴电流命令值，I_d ^*为本次电机d轴电流命令值，K_E ^*为电机反电动势常数，L_d ^*为电机d轴电感，L_q ^*为电机q轴电感，K_E ^*、L_d ^*、L_q ^*为电机参数。

本发明的有益效果是，通过上述一种电机启动速度闭环控制方法，能够在电机负荷重的条件下，特别是在冰箱电机背压启动的条件下，成功启动电机的运行，克服传统控制技术不能实现背压启动的技术问题，实现冰箱背压启动。

附图说明

图1为固定坐标系αβ坐标系和随电机转子运转的旋转d/q坐标系变量示意图。

具体实施方式

本发明解决其技术问题，采用的技术方案是，在定位阶段，令I_qn ^*＝0，其中下标n为自然数，下同。I_d ^*在T₀时间内，从0逐渐增大到定位目标电流I_{d_B} ^*，I_d0＝0_，电机运行频率f₀＝0，同时定位电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为θ₀，T₀>0，之后停留T₁时间，维持当前状态不变，迫使电机转子转到当前电流矢量的位置，T₁≥0；在异步拖动阶段，在T₂时间内，维持电流矢量的大小不变，电流矢量以异步拖动频率f从f＝0到f＝f_n按逆时针方向旋转，0<f_n<＝f_d，其中f_d为异步拖动目标频率，f₀＝0_，异步拖动角度γ从0°变化到γ_d，γ_d一般为90°，γ₀＝0_，异步拖动电流I_dn ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ_n),I_qn ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ_n),异步拖动电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为(θ₀+∫2πfdt)。在异步拖动结束后，在异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段的T₃时间内固定d轴电流命令值I_d ^*＝0，而q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制公式(1)确定或者PI调节控制确定，T₃>0，随后进入闭环控制，闭环控制电机转子速度和角度采用异步拖动阶段T₂时间内和速度环闭环过渡阶段T₃时间内所推定的速度和角度，而I_d ^*与I_q ^*则恢复到常规的最大力矩控制或者弱磁控制。实现冰箱背压启动。

一种电机启动速度闭环控制方法，包括以下步骤：

a.在定位阶段，令I_qn ^*＝0，n为自然数，I_d ^*在T₀时间内，从0逐渐增大到定位目标电流I_{d_B} ^*，I_d0＝0，电机运行频率f₀＝0，同时定位电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为θ₀，T₀>0，之后停留T₁时间，维持当前状态不变，使电机转子转到当前电流矢量的位置，T₁≥0；

b.在异步拖动阶段，在T₂时间内，维持电流矢量的大小不变，电流矢量以异步拖动频率f从f＝0到f＝f_n按逆时针方向旋转，0<f_n<＝f_d，其中f_d为异步拖动目标频率，f₀＝0_，异步拖动角度γ从0°变化到γ_d，γ_d为90°，γ₀＝0，异步拖动电流I_dn ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ_n),I_qn ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ_n)，异步拖动电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为(θ₀+∫2πfdt)；

c.在异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段，在T₃时间内固定d轴电流命令值I_d ^*＝0，而q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制公式确定或者PI调节控制确定，T₃>0；

d.在异步拖动阶段T₂时间内和异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段T₃时间内，推定电机转子的角度θ₁和转子转速f₁；

e.在闭环控制阶段，闭环控制电机转子速度和角度采用所推定的电机转子的角度θ₁和转子转速f₁，而I_d ^*与I_q ^*则恢复到常规的最大力矩控制或者弱磁控制。

Claims (7)

1.一种电机启动速度闭环控制方法，包括定位阶段、异步拖动阶段、异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段和无位置传感器速度闭环控制阶段，其特征在于，在无位置传感器速度闭环过渡阶段，控制d轴电流命令值I_d ^*＝0，q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制或者PI调节控制确定。

2.如权利要求1所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，在异步拖动阶段，按照I_d ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ),I_q ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ)进行控制电机d/q轴电流命令值，其中I_{d_B} ^*为定位目标电流，异步拖动角度γ取值从0逐渐增大到异步拖动目标角度γ_d，γ_d为90°，控制I_d ^*从I_d ^*＝I_{d_B} ^*到I_d ^*＝0变化，I_q ^*为电机q轴电流命令值，I_d ^*为电机d轴电流命令值。

3.如权利要求1所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，在异步拖动阶段和无位置传感器速度闭环过渡阶段，对电机转子的角度θ₁和转子转速f₁进行推定，在闭环控制阶段，闭环控制电机转子速度和角度采用所推定的电机转子的角度θ₁和转子转速f₁，I_d ^*与I_q ^*则恢复到常规的最大力矩控制或者弱磁控制，控制电机的运行。

4.如权利要求3所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，在定位阶段，令I_qn ^*＝0，n为自然数，I_d ^*在T₀时间内，从0逐渐增大到定位目标电流I_{d_B} ^*，I_d0＝0，电机运行频率f₀＝0，同时定位电流矢量与固定坐标轴α轴之间的夹角为θ₀，T₀>0，之后停留T₁时间，维持当前状态不变，迫使电机转子转到当前电流矢量的位置，T₁≥0。

5.如权利要求4所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，在异步拖动阶段，在T₂时间内，维持电流矢量的大小不变，电流矢量以异步拖动频率f从f＝0到f＝f_n按逆时针方向旋转，0<f_n<＝f_d，其中f_d为异步拖动目标频率，f₀＝0，异步拖动角度γ从0°变化到γ_d，γ_d为90°，γ₀＝0，异步拖动电流I_dn ^*＝I_{d_B} ^*cos(γ_n),I_qn ^*＝I_{d_B} ^*sin(γ_n)。

6.如权利要求5所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，在异步拖动到无位置传感器速度闭环过渡阶段，在T₃时间内固定d轴电流命令值I_d ^*＝0，q轴电流命令值I_q ^*按照最大力矩控制公式确定或者PI调节控制确定，T₃>0。

7.如权利要求1至6任意一项所述的一种电机启动速度闭环控制方法，其特征在于，最大力矩控制公式为

$I_q*=\frac{{\mathrm{\&tau;}}^{*}}{1.5p\&lsqb;{K_E}^{*}+({L_d}^{*}-{L_q}^{*}){I_{d-1}}^{*}\&rsqb;}$

$I_d*=-\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}-\sqrt{{\&lsqb;\frac{{K_E}^{*}}{2({L_d}^{*}-{L_q}^{*})}\&rsqb;}^2+{I_q}^2}$

其中τ^*为力矩命令值，I_d-1 ^*为上次电机d轴电流命令值，I_q ^*为本次电机q轴电流命令值，I_d ^*为本次电机d轴电流命令值，K_E ^*为电机反电动势常数，L_d ^*为电机d轴电感，L_q ^*为电机q轴电感，K_E ^*、L_d ^*、L_q ^*为电机参数。