CN103746619B

CN103746619B - 一种同步电机启动控制方法及系统

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Publication number: CN103746619B
Application number: CN201310642193.6A
Authority: CN
Inventors: 刘毅; 秦向南
Original assignee: Guangdong Welling Motor Manufacturing Co Ltd; Midea Welling Motor Technology Shanghai Co Ltd
Current assignee: Guangdong Welling Motor Manufacturing Co Ltd; Midea Welling Motor Technology Shanghai Co Ltd
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2033-12-03
Also published as: CN103746619A

Abstract

本发明属于同步电机控制技术领域，提供了一种同步电机启动控制方法及系统。本发明在同步电机上电后，先对其执行零电流闭环控制，并通过同时获取电机转速以检测同步电机的初始转速，然后在电机转速大于预设转速值（即初始转速大于预设转速值）时，继续对同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，从而在同步电机的初始速度大于预设转速值的情况下，使电机转速平滑过渡至目标转速以顺利地完成启动，且不会带来电流突变，也不会对负载产生转矩冲击，因此能够解决现有的不具备位置传感器的同步电机所存在的因启动前的转速不为零，而无法成功启动的问题。

Description

一种同步电机启动控制方法及系统

技术领域

本发明属于同步电机控制技术领域，尤其涉及一种同步电机启动控制方法及系统。

背景技术

对于现有的不具备位置传感器的同步电机，其启动方法通常是先对转子进行初始定位，即在预设时间内向电机绕组输入具有预设幅值的直流电流以使电机转子定位在某个位置；然后对电机转子执行电流拖动，此过程是由电流闭环控制和速度开环控制同时进行所实现，电流闭环控制是采用具有预设幅值的电流按照预设相序依次控制电机定子绕组导通，速度开环控制是按照预设的电流频率增量值逐步提高电流频率以使电机转速增大到预设目标转速；接着，从速度开环控制转换为速度闭环控制（维持电流闭环控制），即在电流频率大于预设目标电流值时，由于电机已具备足够大的反电势，则可控制电机从速度开环控制切换至速度闭环控制，从而完成了同步电机的启动工作。

然而，在上述同步电机的启动过程中，如果同步电机在上电启动前已具有一定的转速（如电机在高速运转时掉电并立刻重新上电启动的情况，或者电机在驱动大惯量负载时停止运转后立刻重新上电启动的情况），则容易使转子初始定位和电流拖动这两个启动步骤无法正常有效的执行，且在电机启动过程中会因电流突变而产生转矩，对负载造成转矩冲击，从而导致同步电机启动失败。

综上所述，现有的不具备位置传感器的同步电机存在因启动前的转速不为零，而无法成功启动的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种同步电机启动控制方法，旨在解决现有的不具备位置传感器的同步电机所存在的因启动前的转速不为零，而无法成功启动的问题。

本发明是这样实现的，一种同步电机启动控制方法，所述同步电机启动控制方法包括以下步骤：

在同步电机上电后，对所述同步电机执行零电流闭环控制，并获取电机转速；

当所述电机转速大于预设转速值时，继续对所述同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对所述同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速。

本发明还提供了一种同步电机启动控制系统，所述同步电机启动控制系统包括：

电机初始控制模块，用于在同步电机上电后，对所述同步电机执行零电流闭环控制；

电机参数获取模块，用于在所述电机初始控制模块对所述同步电机执行零电流闭环控制时获取电机转速；

第一电机启动控制模块，用于当所述电机转速大于预设转速值时，继续对所述同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对所述同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速。

本发明在同步电机上电后，先对其先执行零电流闭环控制，并通过同时获取电机转速以检测同步电机的初始转速，然后在电机转速大于预设转速值（即初始转速大于预设转速值）时，继续对同步电机执行零电流闭环控制，且根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，从而在同步电机的初始速度大于预设转速值的情况下，使电机转速平滑过渡至目标转速以顺利地完成启动，且不会带来电流突变，也不会对负载产生转矩冲击，因此能够解决现有的不具备位置传感器的同步电机所存在的因启动前的转速不为零，而无法成功启动的问题。

附图说明

图1是本发明实施例所涉及的用于驱动同步电机的电流控制环路和速度控制环路的示意图；

图2是本发明实施例提供的同步电机启动控制方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的同步电机启动控制系统的结构图。

具体实施方式

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

同步电机在三相静止坐标系上的数学模型是一个多变量、非线性且强耦合的复杂系统，在对处于该坐标系下的变量求解难度较大，所以需要通过矢量变换控制技术实现从静止坐标系到旋转坐标系的变换，便能对电机的定子电流中的励磁分量和转矩分量实现解耦，从而使永磁同步电机能如直流电机那样分别磁通量和转矩进行独立控制。其中，静止坐标系为互成直角的α-β坐标系，旋转坐标系为互成直角的d-q坐标系。

如图1所示，同步电机的工作主要由电流控制环路10和速度控制环路20所控制，两者均是基于上述的矢量变换控制技术的。由于同步电机中的转子内嵌有永磁体，在磁场的作用下，电机转子会跟随电机定子绕组所产生的旋转磁场转动，在理想情况下，即电机转子的负荷足够小时，电机转子的转动会一直与电极定子绕组所产生的旋转磁场同步；但在实际情况下，电机转子却总是滞后于电机定子线圈所产生的旋转磁场，于是电机转子的负荷越大，滞后也会越严重。为了能够在电机负荷从小到大的过程中维持电机转子的转动与电极定子绕组所产生的旋转磁场同步，可以通过采用上述电流控制环路10闭环工作（即电流闭环控制）和速度控制环路20开环工作（即速度开环控制）来实现电机启动初期对电机转子的有效拖动，在对电机进行拖动的过程中，是在电流闭环控制中采用预设幅值的电流按照预设相序依次导通电机定子绕组，且在速度开环控制中逐步提高电流频率使电机转速增大到预设转速以实现拖动，然后再通过电流闭环控制和速度闭环控制（即速度控制环路20闭环工作）使同步电机的转速达到目标转速以完成整个启动过程。然而，对于同步电机在启动前已具有一定转速（即启动初始速度不为零）的情况下，则不适于采用上述方式进行拖动，否则会出现电流突变，并对负载产生转矩冲击，且无法使同步电机顺利启动。因此，本发明实施例提供了一种同步电机启动控制方法和系统以解决上述问题。

图2示出了本发明实施例提供的同步电机启动控制方法的实现流程，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

在步骤S1中，在同步电机上电后，对同步电机执行零电流闭环控制，并获取电机转速。

其中，零电流闭环控制具体是指通过对同步电机进行电流闭环控制使电机定子电流维持在零值附近的过程。

在步骤S2中，当电机转速大于预设转速值时，继续对同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速。

具体地，步骤S2包括以下步骤：

当电机转速大于预设转速值时，对同步电机执行零电流闭环控制，并同时获取电机转子的磁极位置和转速；

根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速。

其中，上述的根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速的步骤是在进入速度闭环控制后，根据电机转子的转速逐步增大电机定子电流，并结合电机转子的磁极位置以逐步增大电机转速，从而使电机转速达到目标转速的。

另外，在步骤S3中，当电机转速不大于预设转速值时，对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制。

需要说明的是，步骤S3是在电机转速不大于预设转速值时所作出的，也就是同步电机在启动前的电机转速不超过预设转速值时，按照常规的启动方式对同步电机进行启动是可以顺利完成的，也就是对同步电机进行非零电流闭环控制（即常规的电流闭环控制，且不会将电机定子电流控制至零值附近）和速度开环控制，在非零电流闭环控制中采用预设幅值的电流按照预设相序依次导通电机定子绕组，且在速度开环控制中逐步提高电流频率使电机转速增大到预设转速以完成对同步电机的拖动，所以步骤S3是用于对同步电机进行有效的电流拖动，且在步骤S3中，电机转子的磁极位置和转速也会被实时计算出来以供非零电流闭环控制和速度开环控制所用。

在步骤S4中，在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时对同步电机进行速度闭环控制。

对于步骤S4，需要说明的是，在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时，证明同步电机已完成了电流拖动，其转速也达到了预设转速，但同步电机还未完成启动，并从速度开环控制切换至速度闭环控制，在速度闭环控制过程中逐步增大电机定子电流以使电机转速增大至目标转速，从而达到完成整个电机启动过程的目的。

而在电机定子电流的频率不大于预设电流频率值时，则按照步骤S3继续对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制。

以下结合图1对上述的同步电机启动控制方法作进一步说明：

对于步骤S1，在两相旋转坐标系下，电机定子电流i_d ^*和i_q ^*均为零，两相的电机定子电流i_d ^*和i_q ^*分别与电流反馈i_d和i_q的误差送入电流调节器101和电流调节器102，电流调节器101和电流调节器102分别输出电压V_q和V_d，V_q和V_d经过2r/2s变换（即两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换）后得到两相静止坐标系下的电压V_α和V_β，V_α和V_β与直流母线电压V_dc经过驱动信号生成模块103输出逆变器驱动信号以驱动逆变器104，则逆变器104可输出调制电压以驱动同步电机M运行。三相静止坐标系下的电机相电流i_a和i_b经过3s/2s变换（三相静止坐标系到两相静止坐标系变换）后得到两相静止坐标系下的两相电流i_α和i_β，i_α和i_β再经过两相静止坐标系到2s/2r变换（即两相静止坐标系到两相旋转坐标系的变换）得到两相旋转坐标系下的两相电流i_d和i_q作为电流反馈，从而形成对同步电机M的零电流闭环控制。在上电重新启动时，同步电机M在启动初始时刻处于不稳定的状态，那么，在上述的零电流闭环控制过程中，电机参数获取模块105所计算得到的电机转子的磁极位置θ也会出现不稳定的现象，不利于电流控制环路10的工作，所以，为了保证零电流闭环控制的正常进行，此时对于2r/2s变换（通过Park变换方法实现）和2s/2r变换（通过Park逆变换实现），两者所需要的电机转子的磁极位置θ^*设定为固定值（例如设定为零），这样就能够保证对同步电机实现稳定的电流拖动，所以步骤S1中不需要对电机转子的磁极位置进行获取。

对于步骤S2，则是在步骤S1的基础上增加了对电机转子的磁极位置的获取，由于电机转速大于预设转速值，所以是需要根据图1所示的电机参数获取模块105所计算得到的电机转子的磁极位置θ和转速ω对同步电机进行速度闭环控制，由图1所示的速度控制模块201根据转速ω与参考转速ω_ref的误差调整电机定子电流i_q ^*以使电机转速达到目标转速，这样就可以使同步电机在启动初始速度不为零的情况下顺利完成启动，且不会对负载产生速度冲击。

而对于步骤S3，由于电机转速不大于预设转速值，通过电流控制环路10和速度控制环路20分别对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制，并且由电机参数获取模块105获取电机转子的磁极位置θ和转速ω，然后在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时对同步电机进行速度闭环控制以达到启动目的。

综上所述，通过采用本发明实施例提供的同步电机启动方法，可以在同步电机于启动前已具备一定转速的情况下，在其上电重新启动时通过零电流闭环控制保证电流定子电流不发生突变，且同步电机不产生转矩，进而不对负载产生转矩冲击；另外，在当电机转速大于预设转速值时，通过对同步电机执行零电流闭环控制，再由电机参数获取模块105获取电机转子的磁极位置和转速，并根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速，避免了对负载产生速度冲击，从而保证了同步电机的顺利启动。此同步电机启动控制方法尤其适用于不具备位置传感器的同步电机，且该同步电机启动控制方法融合了常规的电机启动方法，其通用性强、适应范围广。

图3示出了本发明实施例提供的同步电机启动控制系统的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分，详述如下：

同步电机启动控制系统包括：

电机初始控制模块100，用于在同步电机上电后，对同步电机执行零电流闭环控制；

电机参数获取模块200，用于在电机初始控制模块100对同步电机执行零电流闭环控制时获取电机转速；

第一电机启动控制模块300，用于当电机转速大于预设转速值时，继续对同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速。

具体地，在第一电机启动控制模块300对同步电机执行零电流闭环控制时，电机参数获取模块200还同时获取电机转子的磁极位置和转速，然后由第一电机启动控制模块300再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速。

另外，同步电机启动控制系统还包括：

第二电机启动控制模块400，用于当电机转速不大于预设转速值时，对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制；在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时对同步电机进行速度闭环控制。

在电机定子电流的频率不大于预设电流频率值时，则由第二电机启动控制模块400继续对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制。

从上述的同步电机启动控制系统可知，电机初始控制模块100和电机转速参数获取模块200共同执行图2所示的步骤S1，第一电机启动控制模块300执行步骤S2，而步骤S3和步骤S4则由第二电机启动控制模块400所完成。

通过上述的同步电机启动控制系统即可控制图1所示的电流控制环路10和速度控制环路20，在同步电机的初始速度不为零的情况下实现同步电机的顺利启动，图3所示的电机参数获取模块200即相当于图1所示的电机参数获取模块105。

在本发明实施例中，在同步电机上电后，先对其执行零电流闭环控制，并通过同时获取电机转速以检测同步电机的初始转速，然后在电机转速大于预设转速值（即初始转速大于预设转速值）时，继续对同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，从而在同步电机的初始速度大于预设转速值的情况下，使电机转速平滑过渡至目标转速以顺利地完成启动，且不会带来电流突变，也不会对负载产生转矩冲击，因此能够解决现有的不具备位置传感器的同步电机所存在的因启动前的转速不为零，而无法成功启动的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种同步电机启动控制方法，其特征在于，所述同步电机启动控制方法包括以下步骤：

在同步电机上电后，电机转子的磁极位置设定为固定值对所述同步电机执行零电流闭环控制，并获取电机转速；

当所述电机转速大于预设转速值时，继续对所述同步电机执行所述零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对所述同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速；

所述当所述电机转速大于预设转速值时，继续对所述同步电机执行所述零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对所述同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速的步骤包括：

根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速；

所述根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速的步骤具体为：在进入速度闭环控制后，根据电机转子的转速逐步增大电机定子电流，并结合电机转子的磁极位置以逐步增大电机转速，从而使电机转速达到目标转速。

2.如权利要求1所述的同步电机启动控制方法，其特征在于，所述同步电机启动控制方法还包括以下步骤：

当电机转速不大于预设转速值时，对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制；

在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时对同步电机进行速度闭环控制。

3.如权利要求1或2所述的同步电机启动控制方法，其特征在于，当电机转速大于预设转速值时，通过调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速。

4.一种同步电机启动控制系统，其特征在于，所述同步电机启动控制系统包括：

电机初始控制模块，用于在同步电机上电后，电机转子的磁极位置设定为固定值对所述同步电机执行零电流闭环控制；

第一电机启动控制模块，用于当所述电机转速大于预设转速值时，继续对所述同步电机执行零电流闭环控制，再根据电机转子的磁极位置和转速对所述同步电机进行速度闭环控制以使电机转速过渡至目标转速；

在所述第一电机启动控制模块对所述同步电机执行零电流闭环控制时，所述电机参数获取模块还同时获取电机转子的磁极位置和转速，然后由所述第一电机启动控制模块再根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速；

所述第一电机启动控制模块根据电机转子的磁极位置和转速对同步电机进行速度闭环控制，并调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速的过程具体为：在进入速度闭环控制后，根据电机转子的转速逐步增大电机定子电流，并结合电机转子的磁极位置以逐步增大电机转速，从而使电机转速达到目标转速。

5.如权利要求4所述的同步电机启动控制系统，其特征在于，所述同步电机启动控制系统还包括：

第二电机启动控制模块，用于当电机转速不大于预设转速值时，对同步电机进行非零电流闭环控制和速度开环控制；在电机定子电流的频率大于预设电流频率值时对同步电机进行速度闭环控制。

6.如权利要求4或5所述的同步电机启动控制系统，其特征在于，在所述第一电机启动控制模块对同步电机执行零电流闭环控制时，调整电机定子电流以使电机转速达到目标转速。