CN106788032B - 交流电机转速跟踪控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用自适应PI控制的转速跟踪方法，当电机再启动时，通过简单的PI控制可以同时获得电机的运行频率和相位信号，另外通过电流幅值恒定控制使整个跟踪过程电机转矩平稳，电机运行频率的辨识能在2～5个电周期内完成，响应快，转矩控制平滑，本发明提供的方法算法简单，易于实现，不需要增加***成本。

Description

交流电机转速跟踪控制方法
技术领域
本发明涉及一种交流电机转速跟踪控制方法。
背景技术
在许多无速度传感器的电机拖动***中，特别是风机、水泵等应用场合，其转子连接设备的转动惯量较大，从旋转状态到静止通常需要较长时间。如果出现变频器掉电，电机处于较高速度旋转时立即重新上电直接启动，由于无法判断电机的运行状态，特别是运行频率，往往会造成电机过流，对变频器、电机及其驱动设备都会造成损害。如果等电机完全停稳后再通过变频器从零开始加速运行则存在时间浪费，效率低下的问题。为了防止变频器带速启动时存在的异常，要求电机的调速***具备转速跟踪再启动功能。
申请号为“201210490524.4”名称为“一种具有转速跟踪起动的低压变频器”的中国专利申请中提出了采用增加电机输出检测电路的方法实时检测电机的运行频率，并根据该检测结果使变频器启动时输出频率与所检测结果一致的驱动频率，这种方法需要增加额定的硬件，并且虽然检测了电机的运行频率但没有提到是否对电机的相位即电角度进行跟踪控制。
对于电机转速跟踪控制，现有技术中一般通过软件算法来进行转速辨识，如申请号为“201210453696.4”名称为“高压变频电机空转转速跟踪方法”的中国专利申请中通过频率扫描的方法，如申请号为“201310695259.8”名称为“一种基于自适应模糊神经网络的电机转速跟踪控制方法”的中国专利申请通过建立模糊神经网络的方法，如申请号为“201310723403.4”名称为“一种交流电机的转速跟踪方法、调速装置及交流电机”的中国专利申请中通过磁链估计的方法，如申请号为“201510831699.0”名称为“一种高压变频器转速跟踪再启动方法”的中国专利申请中通过转矩电流跟踪的方法，如申请号为“201610322986.3”名称为“一种永磁同步电机转速跟踪控制方法”的中国专利申请中通过扩展卡尔曼滤波器的方法，以上方法均能实现对电机转速的跟踪，但实现较为复杂，不利于数字控制器的实现；且上述方法大多根据转矩电流为零或者根据电机输入功率过零来判断，在整个转速跟踪过程中受控制算法的动态特性影响，会使电机不断处于发电、电动的状态切换中，存在转矩波动和一定量的电流冲击。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种交流电机转速跟踪控制方法，
为解决上述技术问题，本发明提供的交流电机转速跟踪控制方法，用于跟踪采用三相全桥逆变电路驱动的交流电机再启动时的转速，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电机再启动时，将三相全桥逆变电路的上桥臂的功率开关器件的驱动信号关闭，对三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件采用斩波调制，斩波调制时占空比D的初始值D(0)＝1；
步骤二、采样a、b两相电流，并采用CLARKE变换为两相αβ坐标，然后获取当前运算周期的电机电角度实际值同时获取当前运算周期的电机电流幅值其中iα(nTs)和iβ(nTs)为两相αβ坐标，Ts表示运算周期，n表示运算周期数；
步骤三、对电机电流进行幅值控制，获取三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件进行斩波调制时的占空比D(nTs)，其中其中kpi为电流PI环的比例系数，kii为电流PI环的积分系数，1/s表示积分运算，iref为给定电流幅值，Ts表示运算周期，n表示运算周期数，然后输出该占空比信号控制三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件工作；
步骤四、对电机转速进行自适应控制，获取当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)，其中其中kps为自适应PI环的比例系数，kis为自适应PI环的积分系数，1/s表示积分运算，θs((n-1)Ts)是指上个运算周期的电机电角度估计值，θi(nTs)是指当前运算周期的电机电角度实际值，×表示矢量叉乘；
步骤五、对当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)进行积分，获得当前运算周期的电机电角度估计值θs(nTs)，然后判断该电机电角度估计值θs(nTs)是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1；
步骤六、判断当前电周期Ps是否大于等于A，如果不是，则返回步骤二，进入下一运算周期；如果是，则将电周期Ps清零，并将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值，其中2≤A≤5。
作为优选，所述的交流电机转速跟踪控制方法还包括以下步骤：
步骤七、在将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值后，电机进入速度开环、电流闭环的匀速维持状态，此时设置电机力矩电流isqref＝0，设定电机励磁电流isdref为一常数，如果该电机为三相异步电机，此时采用基于正交磁链的无速度矢量跟踪算法，通过定子反电动势与定子磁链相正交的关系获得定子磁链，进而得到转子磁链并由此获得当前电机的实际转速，如果该电机为三相同步电机，此时采用假定旋转坐标法，根据设定转子轴和实际转子轴的误差来推算出当前电机的实际转速；然后通过当前电机的实际转速来推算出当前电机电角度，并判断当前电机电角度是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1；
步骤八、判断当前电周期Ps是否大于等于B，如果不是，则返回步骤七，如果是，电机切换为正常运行状态，电机根据实际频率进行加减速运行，其中B≥10。
采用以上方法后，本发明与现有技术相比，具有以下的优点：
本发明提出了一种采用自适应PI控制的转速跟踪方法，当电机再启动时，通过简单的PI控制可以同时获得电机的运行频率和相位信号，另外通过电流幅值恒定控制使整个跟踪过程电机转矩平稳，电机运行频率的辨识能在2～5个电周期内完成，响应快，转矩控制平滑，本发明提供的方法算法简单，易于实现，不需要增加***成本。
附图说明
图1是本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。
由图1所示，本发明交流电机转速跟踪控制方法，包括以下步骤：
步骤一、电机再启动时，将三相全桥逆变电路的上桥臂的各个功率开关器件的驱动信号全部关闭，对三相全桥逆变电路的下桥臂的各个功率开关器件采用相同的斩波调制，斩波调制时占空比D的初始值D(0)＝1，表示斩波调制时三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件在初始状态时为全开状态；
步骤二、采样电机的a、b两相电流，并采用CLARKE变换为两相αβ坐标，然后获取当前运算周期的电机电角度实际值同时获取当前运算周期的电机电流幅值其中iα(nTs)和iβ(nTs)为两相αβ坐标，Ts表示运算周期，n表示运算周期数，即n为1时表示此时为第1个运算周期，n为2时表示此时为第2个运算周期，以此类推；
步骤三、对电机电流进行幅值控制，获取三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件进行斩波调制时的占空比D(nTs)，其中其中kpi为电流PI环的比例系数，kii为电流PI环的积分系数，1/s表示积分运算，iref为给定电流幅值，给定电流幅值为一常数，可以根据电机的额定电流而进行人为设定，ibk(nTs)为步骤二中获取的当前运算周期的电机电流幅值，即反馈电流幅值，Ts表示运算周期，n表示运算周期数，即n为1时表示此时为第1个运算周期，n为2时表示此时为第2个运算周期，以此类推，然后输出该占空比信号控制三相全桥逆变电路的下桥臂的各个功率开关器件工作；
步骤四、对电机转速进行自适应控制，获取当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)，其中其中kps为自适应PI环的比例系数，kis为自适应PI环的积分系数，1/s表示积分运算，θs((n-1)Ts)是指上个运算周期的电机电角度估计值，θi(nTs)是指当前运算周期的电机电角度实际值，×表示矢量叉乘；
步骤五、对当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)进行积分，获得当前运算周期的电机电角度估计值θs(nTs)，然后判断该电机电角度估计值θs(nTs)是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1，如果不是，则电周期数Ps不变；
步骤六、判断当前电周期Ps是否大于等于3，如果不是，则返回步骤二，进入下一运算周期，如果是，则将电周期Ps清零，并将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值；
步骤七、在将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值后，电机进入速度开环、电流闭环的匀速维持状态，此时设置电机力矩电流isqref＝0，设定电机励磁电流isdref为一常数，如果该电机为三相异步电机，此时采用基于正交磁链的无速度矢量跟踪算法，通过定子反电动势与定子磁链相正交的关系获得定子磁链，进而得到转子磁链并由此获得当前电机的实际转速，如果该电机为三相同步电机，此时采用假定旋转坐标法，根据设定转子轴和实际转子轴的误差来推算出当前电机的实际转速；然后通过当前电机的实际转速来推算出当前电机电角度，并判断当前电机电角度是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1，如果不是，则电周期数不变；
步骤八、判断当前电周期Ps是否大于等于50，如果不是，则返回步骤七，如果是，电机切换为正常运行状态，电机根据实际频率进行加减速运行。
以上仅就本发明应用较佳的实例做出了说明，但不能理解为是对权利要求的限制，本发明的结构可以有其他变化，不局限于上述结构。总之，凡在本发明的独立权利要求的保护范围内所作的各种变化均在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种交流电机转速跟踪控制方法，用于跟踪采用三相全桥逆变电路驱动的交流电机再启动时的转速，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、电机再启动时，将三相全桥逆变电路的上桥臂的功率开关器件的驱动信号关闭，对三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件采用斩波调制，斩波调制时占空比D的初始值D(0)＝1；
步骤二、采样a、b两相电流，并采用CLARKE变换为两相αβ坐标，然后获取当前运算周期的电机电角度实际值同时获取当前运算周期的电机电流幅值其中iα(nTs)和iβ(nTs)为两相αβ坐标电流值，Ts表示运算周期，n表示运算周期数；
步骤三、对电机电流进行幅值控制，获取三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件进行斩波调制时的占空比D(nTs)，其中其中kpi为电流PI环的比例系数，kii为电流PI环的积分系数，1/s表示积分运算，iref为给定电流幅值，Ts表示运算周期，n表示运算周期数，然后输出该占空比信号控制三相全桥逆变电路的下桥臂的功率开关器件工作；
步骤四、对电机转速进行自适应控制，获取当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)，其中其中kps为自适应PI环的比例系数，kis为自适应PI环的积分系数，1/s表示积分运算，θs((n-1)Ts)是指上个运算周期的电机电角度估计值，θi(nTs)是指当前运算周期的电机电角度实际值，×表示矢量叉乘；
步骤五、对当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)进行积分，获得当前运算周期的电机电角度估计值θs(nTs)，然后判断该电机电角度估计值θs(nTs)是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1；
步骤六、判断当前电周期数Ps是否大于等于A，如果不是，则返回步骤二，进入下一运算周期；如果是，则将电周期数Ps清零，并将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值，其中2≤A≤5。
2.根据权利要求1所述的交流电机转速跟踪控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：
步骤七、在将获得的当前运算周期的电机运行频率估计值fs(nTs)设置为电机给定频率值后，电机进入速度开环、电流闭环的匀速维持状态，此时设置电机力矩电流isqref＝0，设定电机励磁电流isdref为一常数，如果该电机为三相异步电机，此时采用基于正交磁链的无速度矢量跟踪算法，通过定子反电动势与定子磁链相正交的关系获得定子磁链，进而得到转子磁链并由此获得当前电机的实际转速，如果该电机为三相同步电机，此时采用假定旋转坐标法，根据设定转子轴和实际转子轴的误差来推算出当前电机的实际转速；然后通过当前电机的实际转速来推算出当前电机电角度，并判断当前电机电角度是否超过360度，如果是，则将电周期数Ps加1；
步骤八、判断当前电周期数Ps是否大于等于B，如果不是，则返回步骤七，如果是，电机切换为正常运行状态，电机根据实际频率进行加减速运行，其中B≥10。
3.根据权利要求1所述的交流电机转速跟踪控制方法，其特征在于：所述的A为3。
4.根据权利要求2所述的交流电机转速跟踪控制方法，其特征在于：所述的B为50。
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