CN108063575B - 自启动永磁同步电机i/f启动方法及系统 - Google Patents

自启动永磁同步电机i/f启动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种自启动永磁同步电机I/F启动方法及系统，其通过在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；并根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；再依据电流频率计算坐标变化角度；按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；最后根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。该启动方法可在确保启动阶段的转矩大、带载能力强的同时，确保启动电流不会过大；此外，该方法还可以改变同步转速，直到达到电机的额定转速，且在切换到中高速的无速度传感器矢量控制之后，能够稳定地来回切换运行。

Description

自启动永磁同步电机I/F启动方法及系统
技术领域
本发明涉及频繁重载启动电机的启动技术，具体涉及一种自启动永磁同步电机I/F启动方法。
背景技术
冶金、起重等行业存在大量的需要频繁重载启动的定速驱动工况，目前主要存在两种驱动方式：(1)驱动电机(往往是异步电机)经过减速传动链驱动负载。该驱动方式启动转矩大，启动电流小，但是运行效率和功率因数指标较低；(2)采用鼠笼转子自启动永磁同步电机进行负载驱动。该方法可在很宽负载范围内保持较高效率和功率因数，近年来发展迅速，并得到较多应用。
为进一步提高自启动永磁同步电机的运行效率和功率因素，除了改进电机本体设计之外，人们对该类型电机的控制技术进行了专门而深入的研究。研究表明，自启动永磁同步电机的启动转矩与牵入转矩相互矛盾。比如，提高电机转子电阻可以提高启动转矩，但是会造成牵入同步能力下降，电机最终运行于异步状态而无法牵入同步。此外，自启动永磁同步电机的启动过程存在电流冲击，当驱动功率较大或频繁起停时，对电网影响较大。
可见，启动能力成为制约自启动永磁同步电机进一步推广应用的瓶颈。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种能够确保在频繁重载应用场合下，电机在启动阶段转矩较高、电流较为平稳，实现电机的稳定启动的自启动永磁同步电机I/F启动方法及系统。
本发明提供一种自启动永磁同步电机I/F启动方法，所述自启动永磁同步电机I/F启动方法包括如下步骤：
S1、在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；
S2、根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；
S3、依据电流频率计算坐标变化角度；
S4、按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；
S5、根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
一种自启动永磁同步电机I/F启动系统，所述自启动永磁同步电机I/F启动系统包括如下功能模块：
幅值设置模块，用于在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；
频率设定模块，用于根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；
角度获取模块，用于依据电流频率计算坐标变化角度；
给定值确定模块，用于按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；
稳定启动模块，用于根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法及系统，其通过在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；并根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；再依据电流频率计算坐标变化角度；按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；最后根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。该启动方法可在确保启动阶段的转矩大、带载能力强的同时，确保启动电流不会过大；此外，该方法还可以改变同步转速，直到达到电机的额定转速，且在切换到中高速的无速度传感器矢量控制之后，能够稳定地来回切换运行。
附图说明
图1是本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法的流程框图；
图2为本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法中电流幅值给定规律；
图3为本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法中I/F启动阶段的电流控制结构图；
图4是本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法的步骤流程图；
图5为额定负载条件下采用本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法启动的转矩测量波形图；
图6为额定负载条件下采用本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法启动的电流-转矩关系。
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。
本发明提供一种自启动永磁同步电机I/F启动方法，如图1所示，所述自启动永磁同步电机I/F启动方法包括如下步骤：
S1、在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；
S2、根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；
S3、依据电流频率计算坐标变化角度；
S4、按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；
S5、根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
具体的，在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值，即ihold、iacc和iset。如图2所示，在电机静止阶段(0-t0)，实际电流控制为ihold，牵入同步运行阶段(t0-t2)，实际电流控制为加减速电流iacc，同步运行阶段(t2以后)，实际电流控制为iset。给定频率等于设定值(f0)时，实际电流从加减速电流iacc变化为设定电流iset。设置各电流时，需要考虑负载最大值TLmax和摩擦转矩Tfic，并留有一定裕量。一般情况下，ihold<iset<iacc。
为防止电流变化过于剧烈，引起转矩波动等，电流设定值之间切换时采用渐变平滑切换法。因为直线变化方法实现较为简单，应用效果可满足电流控制的需求，因此具体可采用直线变化、抛物线变化或幂指数变化的方式。以ihold切换到iacc为例，如果切换持续时间为Tch，则在该时段内的第t秒的电流给定值为，
Figure GDA0001633662990000041
如果负载为一次负载、二次负载和恒功率负载，则需要根据电流频率(电机转速)设置电流幅值。电流幅值要考虑实际负载大小，并留有一定的余量，以提供足够的转矩，并保持较高的运行效率。以二次负载为例，其负载可表示为，
TL2＝c0fs 2 (2)
式中，c0为负载系数，需依据实际负载测试得到。此时，在不同转速下，对应的iset为：
iset＝kc1TL2 (3)
式中，c1为电流系数，需依据电流-负载关系确定，k为裕量系数，1<k<2。
依据电流频率，计算坐标变化角度θr，其中，θr是I/F启动阶段实现电机矢量控制的关键变量。计算的方法如下：
θr＝∫fcurdt (4)
其中，fcur为根据负载特定得到的电流频率。
按照最大转矩/电流比(MTPA)的原则以及电流幅值确定d、q轴电流的给定值。一般为实现MTPA控制，均利用Lagrange极值定理构造函数进行分析，Ld<Lq时，d、q轴电流的关系为，
Figure GDA0001633662990000051
式中，Ld，Lq分别为d、q轴电感，id，iq分别为d、q轴电流，
Figure GDA0001633662990000052
为永磁体磁链，is为相电流幅值。
考虑到计算较为复杂，可将MTPA曲线近似为直线，此时d、q轴电流的关系可表示为，
iq＝kcurid(kcur<0) (6)
式中，MTPA曲线的斜率kcur根据电机参数计算确定，也可依据转矩和电流的测试数据确定。
根据上述电流幅值和频率(确定坐标变换角度)的给定原则，开始I/F启动流程。I/F启动阶段的电流控制结构图如图3所示。可见，该结构与正常运行时刻的结构相同，即d、q轴电流给定值
Figure GDA0001633662990000053
Figure GDA0001633662990000054
与实际值isd，isq之间的偏差经过PI整定后，经坐标逆变换，生成PWM信号，驱动电机运行。但该电流控制的有3个基本特点，包括：①相电流的幅值is依据负载转矩需求确定is的具体值，并留有一定的余量，以提供足够的启动转矩；②根据MTPA的原则，由is确定给定的d、q轴电流
Figure GDA0001633662990000055
Figure GDA0001633662990000056
③电流频率经过积分后，得到坐标变换角度。
具体的，本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法的步骤流程如图4所示。其步骤为：
①判断转速设定值是否为0，是则将电流幅值控制为静持电流，否则进行运行状态的判断；
②判断是否为IF控制模式，如果判断为是，则根据上述计算给定电流频率和电流幅值；如果判断为否，则进行速度环整定；
③在确定了d、q轴参考电流和同步频率的情况下，进行电流环的整定、以及PWM生成等工作，具体如图3所示。
采用I/F方式进行某型自启动永磁同步电机的启动测试。该电机的额定转矩为70Nm，额定电流为22A。
以额定转矩70Nm为例，测试时，d、q轴电流比设定为5。启动阶段，负载转矩的波形如图5所示，此时电机相电流的有效值为22A。电机启动平稳，没有出现转子失步现象。可见，电机电流幅值设定留有余量的前提下，电机带载能力较强。
不同负载情况下，电机相电流RMS值的测试情况如图6和表1所示。
表1电机电流幅值-转矩关系测试结果
Figure GDA0001633662990000061
由图6和表1可知，拖动额定负载时，电机电流接近额定电流。同时，当负载转矩降低时，电机相电流的RMS值也接近为线性下降。可见，不同负载条件下，设置的电流不需要过大，以提高电机的运行效率。
基于上述自启动永磁同步电机I/F启动方法，本发明还提供一种自启动永磁同步电机I/F启动系统，所述自启动永磁同步电机I/F启动系统包括如下功能模块：
幅值设置模块，用于在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；所述幅值设置模块中，不同阶段的相电流幅值之间切换时采用渐变平滑切换法。
频率设定模块，用于根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；所述相电流幅值的设定值留有一定的余量。
角度获取模块，用于依据电流频率计算坐标变化角度；具体的，坐标变化角度的计算方法如下：
θr＝∫fcurdt
其中，fcur为根据负载特定得到的电流频率。
给定值确定模块，用于按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；其中，所述d、q轴的电流给定值的关系如下：
iq＝kcurid(kcur<0)
其中，kcur为最大转矩/电流比曲线的斜率。
稳定启动模块，用于根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
本发明所述自启动永磁同步电机I/F启动方法及系统，其通过在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；并根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；再依据电流频率计算坐标变化角度；按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；最后根据电流和坐标变换角度的给定原则，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。该启动方法可在确保启动阶段的转矩大、带载能力强的同时，确保启动电流不会过大；此外，该方法还可以改变同步转速，直到达到电机的额定转速，且在切换到中高速的无速度传感器矢量控制之后，能够稳定地来回切换运行。
以上装置实施例与方法实施例是一一对应的，装置实施例简略之处，参见方法实施例即可。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能性一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应超过本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机储存器、内存、只读存储器、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其他形式的存储介质中。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种自启动永磁同步电机I/F启动方法，其特征在于，所述自启动永磁同步电机I/F启动方法包括如下步骤：
S1、在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；
S2、根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；
S3、依据步骤S2所述负载特性设置的电流频率计算对应坐标变化角度，算方法如下：
θr＝∫fcurdt
其中，fcur为根据实际负载得到的电流频率；
S4、按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；
S5、根据步骤S3坐标变换角度和步骤S4中所述电流给定值的计算，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
2.根据权利要求1所述自启动永磁同步电机I/F启动方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述不同阶段的相电流幅值之间切换时采用渐变平滑切换法。
3.根据权利要求2所述自启动永磁同步电机I/F启动方法，其特征在于，所述相电流幅值的设定值留有一定的余量。
4.根据权利要求1所述自启动永磁同步电机I/F启动方法，其特征在于，所述步骤S4中，所述d、q轴的电流给定值的关系如下：
iq＝kcurid(kcur＜0)
其中，kcur为最大转矩/电流比曲线的斜率。
5.一种自启动永磁同步电机I/F启动系统，其特征在于，所述自启动永磁同步电机I/F启动系统包括如下功能模块：
幅值设置模块，用于在电机启动前，根据电机拖动的负载大小，设置不同阶段的相电流幅值；
频率设定模块，用于根据负载特性设置电流频率与电流幅值之间的关系；
角度获取模块，用于依据频率设定模块中负载特性设置的电流频率计算对应坐标变化角度，算方法如下：
θr＝∫fcurdt
其中，fcur为根据实际负载得到的电流频率；
给定值确定模块，用于按照最大转矩/电流比的原则以及电流幅值确定d、q轴的电流给定值；
稳定启动模块，用于角度获取模块中坐标变换角度和给定值确定模块中所述电流给定值的计算，启动电机运行流程，电机即可实现稳定的启动。
6.根据权利要求5所述自启动永磁同步电机I/F启动系统，其特征在于，所述幅值设置模块中，不同阶段的相电流幅值之间切换时采用渐变平滑切换法。
7.根据权利要求6所述自启动永磁同步电机I/F启动系统，其特征在于，所述相电流幅值的设定值留有一定的余量。
8.根据权利要求5所述自启动永磁同步电机I/F启动系统，其特征在于，所述给定值确定模块中，所述d、q轴的电流给定值的关系如下：
iq＝kcurid(kcur＜0)
其中，kcur为最大转矩/电流比曲线的斜率。
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