CN103219933B - 一种永磁同步电机起动平滑切换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机起动平滑切换方法，包括下列步骤：预设转矩给定电流恒等于1.5倍所述永磁同步电机额定电流，预设转子位置角以时间的平方率递增，使所述永磁同步电机以一个恒定的加速度旋转；当所述永磁同步电机速度达到30％额定转速时，开始切换过渡，使用于PARK变换和逆变换的转子位置角逐步靠近位置和速度估测器获得的实际转子位置角，同时使预设的转矩电流逐步靠近采用实际转子位置角计算得到的转矩电流；当切换过渡时间到达时，切换到速度、位置和电流三闭环控制状态。本发明提供的方法，可实现在任意负载下，只需设定一次参数，保证所述永磁同步电机在起动切换时，转子位置和相电流无畸变，转速无任何抖动。

Description

一种永磁同步电机起动平滑切换方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机，尤其涉及一种风机、泵类、压缩机等负载用无位置传感器磁场定向控制永磁同步电机起动时由位置开环、速度开环、电流闭环向位置、速度、电流三闭环平滑切换的方法。

背景技术

磁场定向控制是目前业界公认最先进的电机控制理论，它可使永磁同步电机在任何速度下以更高的效率、更好的动态响应以及更小的扭矩波动运行。目前，永磁同步电机磁场定向控制系统普遍采用位置、速度和电流三闭环的控制方法，为了计算出永磁同步电机运行需要的转矩电流分量和磁通电流分量，需要实时获得可靠的转子信息。对于高性能伺服电机，现多用光电码盘、旋转变压器等机械位置传感器测量，而这些装置会增加电机的尺寸与成本，降低电机运行的可靠性。对于无需低转速、高动态控制性能的风机、泵类、压缩机等负载，通常采用成本低、可靠性高的无机械位置传感器。目前比较成熟的无机械位置传感器检测方法主要有反电动势法和滑模观测器法，这两种方法在中高速运行时对转子位置检测有良好的效果，然而在静止和低速运行时因反电动势幅值太小，导致其信噪比过低而无法准确地获取转子位置信息。为了保证电机从静止状态运行，通常采用位置开环、速度开环、电流闭环的I/F方式进行强迫起动，待永磁同步电机的转速达到无机械位置传感器检测方法能准确地检测到转子位置后，瞬间切换到位置、速度、电流三闭环模式运行。由于切换前用于PARK变换和逆变换的转子位置角是预设的，并不代表转子的实际位置，而通过无机械位置传感器检测出来的是转子实际位置。因此，切换时预设转子位置未必等于实际位置，结果导致永磁同步电机的电流发生畸变，速度产生抖动。实际使用时，一般通过对切换速度、电流环控制参数进行反复调节，保证在某一负载下切换瞬间位置、速度和电流无突变。但如果负载改变，切换时位置和电流又会发生畸变，速度又会产生抖动，应用范围受到很大的限制。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种风机用无位置传感器磁场定向控制永磁同步电机起动时由位置开环、速度开环、电流闭环向位置、速度、电流三闭环切换时，只需预设一次参数，就能实现任意负载下，转子位置和相电流无畸变，转速无抖动的平滑切换方法。

实现上述目的的技术方案是：

一种永磁同步电机起动平滑切换方法，包括下列步骤：

(1)预设转矩给定电流i_qref1恒等于永磁同步电机额定电流的1.5倍，同时，预设加速系数k，使转子给定位置角θ_ref1按∫2πkt dt进行变化，式中t为时间，将平滑切换开关放到位置1，使转矩电流i_qref等于i_qref1，使PARK变换和逆变换的位置角θ_ref等于θ_ref1，强迫永磁同步电机起动并加速旋转；

(2)当位置速度检测器检测到永磁同步电机速度ω_f达到30％额定转速时，将平滑切换开关转换到位置2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于式中t₀为切换过渡开始时刻，T为切换过渡时间，θ_ref1(t0)为t₀时刻转子给定位置角，θ_f为位置速度检测器输出的转子位置角，使转矩电流i_qref等于 $\frac{i_{\mathrm{qref}1}}{T}(1-\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}t);$

(3)当切换过渡时间到达T时，将平滑切换开关转换到位置3，使转矩电流i_qref等于永磁同步电机给定转速和实际转速的误差经PI调节后的输出值i_qref2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于位置速度检测器输出的转子位置角θ_f。

本发明的有益效果是：本发明的切换方法只需一次整定加速系数、转矩给定电流和切换过渡时间三个参数，可实现在任意负载时，使用于PARK变换和逆变换的转子位置角由预设的转子位置角逐步靠近位置速度检测器获得的实际转子位置角，同时，使转矩电流由预设转矩给定电流逐步到达采用实际转子位置角计算得到的转矩电流，从而确保在切换时，永磁同步电机的相电流、转子位置无任何突变，永磁同步电机的转速无任何抖动。

附图说明

图1是本发明的控制系统组成示意图。

具体实施方式

下面结合附图1和实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

本实施例的一种永磁同步电机起动平滑切换方法，所述永磁同步电机额定功率120W，额定转速1200rpm，调速范围400～1200rpm，包括以下步骤：

(1)预设转矩给定电流i_qref1恒等于0.9A，加速系数k＝5000，切换过渡时间T＝2s，使转子给定位置角θ_ref1按∫2πkt dt进行变化，将平滑切换开关放到位置1，使PARK变换和逆变换的转矩电流i_qref等于i_qref1，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于θ_ref1，强迫永磁同步电机起动并加速旋转；

(2)当位置速度检测器检测到永磁同步电机速度ω_f达到360rpm时，将平滑切换开关转换到位置2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于式中t₀为切换过渡开始时刻，T为切换过渡时间，θ_ref1(t0)为t₀时刻转子给定位置角，θ_f为位置速度检测器输出的转子位置角，使转矩电流i_qref等于 $\frac{i_{\mathrm{qref}1}}{T}(1-\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}t),$ 这个过程将迫使PARK变换和逆变换的转子位置角逐步靠近位置速度检测器获得的实际转子位置角，同时使预设的转矩给定电流逐步到达采用实际转子位置角计算得到的转矩电流；

(3)当切换过渡时间T到达2s时，将平滑切换开关转换到位置3，使PARK变换和逆变换的转矩电流i_qref等于永磁同步电机给定转速和实际转速的误差经PI调节后的输出值i_qref2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于位置速度检测器输出的转子位置角θ_f，实现转子位置、电流和速度三闭环运行。

实施例2

本实施例的一种永磁同步电机起动平滑切换方法，所述永磁同步电机额定功率60W，额定转速900rpm，调速范围400～900rpm，包括以下步骤：

(1)预设转矩给定电流i_qref1恒等于0.5A，加速系数k＝3000，切换过渡时间T＝3s，使转子给定位置角θ_ref1按∫2πkt dt进行变化，将平滑切换开关放到位置1，使PARK变换和逆变换的转矩电流i_qref等于i_qref1，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于θ_ref1，强迫永磁同步电机起动并加速旋转；

(2)当位置速度检测器检测到永磁同步电机速度ω_f达到300rpm时，将平滑切换开关转换到位置2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于式中t₀为切换过渡开始时刻，T为切换过渡时间，θ_ref1(t0)为t₀时刻转子给定位置角，θ_f为位置速度检测器输出的转子位置角，使转矩电流i_qref等于 $\frac{i_{\mathrm{qref}1}}{T}(1-\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}t),$ 这个过程将迫使用于PARK变换和逆变换的转子位置角逐步靠近位置和速度检测器获得的实际转子位置角，同时使预设的转矩给定电流逐步到达采用实际转子位置角计算得到的转矩电流；

(3)当切换时间过渡T到达2s时，将平滑切换开关转换到位置3，使PARK变换和逆变换的转矩电流i_qref等于永磁同步电机给定转速和实际转速的误差经PI调节后的输出值i_qref2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于转子位置速度检测器输出的转子位置角θ_f，实现转子位置、电流和速度三闭环运行。

以上实施例仅供说明本发明之用，而非对本发明的限制，有关技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以作出各种变换或变型，因此所有等同的技术方案也应该属于本发明的范畴，应由各权利要求所限定。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机起动平滑切换方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)预设转矩给定电流i_qref1恒等于永磁同步电机额定电流的1.5倍，同时，预设加速系数k，使转子给定位置角θ_ref1按∫2πktdt进行变化，式中t为时间，将平滑切换开关放到位置1，使转矩电流i_qref等于i_qref1，使PARK变换和逆变换的位置角θ_ref等于θ_ref1，强迫永磁同步电机起动并加速旋转；

(2)当位置速度检测器检测到永磁同步电机速度ω_f达到30％额定转速时，将平滑切换开关转换到位置2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于式中t₀为切换过渡开始时刻，T为切换过渡时间，θ_ref1(t0)为t₀时刻转子给定位置角，θ_f为位置速度检测器输出的转子位置角，使转矩电流i_qref等于 $\frac{i_{\mathrm{qref}1}}{T}(1-\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}^2\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)-{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\sin \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}{\cos \left({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{ref}1\left(t_0\right)}\right)}t);$

(3)当切换过渡时间到达T时，将平滑切换开关转换到位置3，使转矩电流i_qref等于永磁同步电机给定转速和实际转速的误差经PI调节后的输出值i_qref2，使PARK变换和逆变换的转子位置角θ_ref等于位置速度检测器输出的转子位置角θ_f。