CN109245634A - 一种变转动惯量永磁同步电机控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种变转动惯量永磁同步电机控制方法，主要通过获取永磁同步电机负载的变转动惯量的变动因子信息，建立起变转动惯量因子参数表，并获取其误差信息，结合实际产品的经验参数进行修正，引入到永磁同步电机的控制算法中，主要包括变转动惯量的变动因子信息参数获取、变转动惯量因子参数表、电流参数算法、变惯量电磁转矩算法、变惯量拉普拉斯算法、变惯量角速度算法、变惯量的控制模型。本发明能够让风机实现快速的速度收敛，大幅度减小阶跃响应输入的转速相应时间，大幅度缩短转速稳定的建立时间，增加风机的抗外界负载干扰能力，实现顺风启动和逆风启动，实现运行过程中的抗大逆风稳速运行，增强了运行的可靠性与安全性。

Description

一种变转动惯量永磁同步电机控制方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术的领域，具体涉及一种变转动惯量永磁同步电机控制方法。

背景技术

由于制冷行业对低能耗、小空间、绿色节能和无极调速等产品的需求越来越多，传统的交流电机方案和内转子电机方案出现逐步缩减的趋势，而外转子永磁同步电机驱动轴流风机的方案由于自身具有无极调速、力矩大、风叶与电机一体化设计能够缩减空间和效率高等特点，越来越得到市场的认可。而外转子永磁同步风机本身除了具有很多优点外，它也具有其不足之处与难点：一方面轴流风机叶轮直径大、大转动惯量决定了风机启动时或在实现无极调速时难以实现转速的快速收敛，具有较大的转速波动特性和较长的转速稳定建立时间，其转速超调量较大，风机安装在设备或冷却系统中容易导致与系统发生共振，产生异常的振动或噪音，尤其是多风机成套系统设备的应用情况，其异常的效果更加明显，甚至可能导致整个系统设备无法正常工作，抗外界负载干扰能力弱。另一方面就是阶跃响应输入的转速相应时间较长，无极调速时与转动惯量部匹配导致控制系统振荡，引起风机在系统中发出异常的噪音。再一方面就是大转速超调量引起的大启动电流冲击，容易导致功率器件击穿或产生大电流的电磁兼容干扰，影响启动的可靠性等。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种变转动惯量永磁同步电机控制方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种变转动惯量永磁同步电机控制方法，主要通过获取永磁同步电机负载的变转动惯量的变动因子信息，建立起变转动惯量因子参数表，并获取其误差信息，结合实际产品的经验参数进行修正，引入到永磁同步电机的控制算法中，主要包括变转动惯量的变动因子信息参数获取、变转动惯量因子参数表、电流参数算法、变惯量电磁转矩算法、变惯量拉普拉斯算法、变惯量角速度算法、变惯量的控制模型。

所述变转动惯量的变动因子信息参数获取系统化地归纳为一个变动转动惯量引入一个负载变动因子λ_F，针对效率关系引入一个风叶效率变动因子τ_F，风机及外转子一体本身的转动惯量为J，风机的机械角速度为Ω，电机的转矩系数为K_T,电机的黏滞系数为B_v。

涉及到电枢电流算法，即电机相电流算法，引入变转动惯量和变化因子下的电流模型，其关键是永磁同步电机控制器通过电流采样的方式在程序中对电机进行优化的运算与调整，电流参数算法为下式：

涉及到磁同步电机电枢回路方程，引入其变转动惯量后的算法为：

涉及到变惯量拉普拉斯算法得到永磁同步风机的传递函数为

涉及到相电流模型，该模型为通过拉普拉斯变换后，电机控制系统算法中电流采样后获得的相电流，将一定时段内的采集信息进行优化处理，消除系统误差，得到：

涉及到电磁转矩和变转动惯量负载转矩分量算法为：

涉及到机械角度拉普拉斯算法为:

本发明的有益效果为：

1、本发明专门针对外转子永磁同步电机驱动大转动惯量轴流风机的特殊负载，针对其它不足的特性，通过控制技术解决其实际的运行问题，能够让风机实现快速的速度收敛，大幅度减小阶跃响应输入的转速相应时间，大幅度缩短转速稳定的建立时间，增加风机的抗外界负载干扰能力，实现顺风启动和逆风启动，实现运行过程中的抗大逆风稳速运行，增强了运行的可靠性与安全性。

2、本发明的零转速超调量启动也避免了无刷直流电机启动时相电流大幅度上升的问题，避免了瞬态大电流对功率器件带来的击穿和寿命问题，也降低了瞬态大电流冲击导致的电磁干扰的概率，提高风机启动的可靠性。

3、本发明设计的大转动惯量零速度超调量永磁同步电机控制系统能够实现轴流风机负载的复杂环境运行，解决了转速超调量过大和电流超调量过大引起的系统振荡和异常噪音问题；解决了电流过冲导致功率电子元器件的的击穿问题和电磁兼容干扰问题；解决了无极调速的时间响应与负载不匹配问题；解决了大转动惯量轴流风机负载的顺风启动和逆风启动失效与振荡问题，具有很高的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明的结构框图。

图2为本发明的永磁同步风机启动的速度超调量曲线图。

图3为不具有变转动惯量算法的电机测功曲线图。

图4为具有变转动惯量算法的电机测功曲线图。

图5为具有变转动惯量算法的电机启动电流波形图。

图6为具有变转动惯量算法的电机顺风启动电流波形图。

图7为具有变转动惯量算法的电机逆风启动电流波形图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细的介绍：

实施例：如附图所示，这种变转动惯量永磁同步电机控制方法，主要通过获取永磁同步电机负载的变转动惯量的变动因子信息，建立起变转动惯量因子参数表，并获取其误差信息，结合实际产品的经验参数进行修正，引入到永磁同步电机的控制算法中，主要包括变转动惯量的变动因子信息参数获取、变转动惯量因子参数表、电流参数算法、变惯量电磁转矩算法、变惯量拉普拉斯算法、变惯量角速度算法、变惯量的控制模型。

在永磁同步电机中，开环运行且不加任何限制条件下，电机的启动相电流将是稳态运行电流的5倍至10倍左右，其启动电流的大小由电机驱动的负载转动惯量大小、电机的过载能力和电机的额定速度等决定，转动惯量越大，电机过载能力越强，速度越高，其电机的启动电流冲击倍数越大。对于一个具体的负载，其转速的超调量直接决定这电机的电流超调量大小。这对负载的启动、运行及其控制系统的稳定性产生极大的影响。电机的转速超调量时间相应曲线如附图2所示。通过附图2可知，永磁同步风机在进入稳态是t_s(行业规则为±5％额定转速n_N),风机需要t_s的时间才能实现速度收敛，t_s为稳态建立时间。第一个波峰的最高值与稳态值的百分比为超调量峰值。在实际的应用中，我们希望超调量的峰值越小越好，稳态建立时间t_s越短越好。

所述变转动惯量的变动因子信息参数获取为风机负载在启动过程中，不能单一的考虑到风机本身的转动惯量问题，由于风机在加速过程中，其风叶在流体的流动加载过程中的风叶效率和力矩变化是非常量的负载，且如果在外界流体干扰或系统振荡等异常环境下，其负载的变化更加巨大，本发明不深入研究风叶流体方面的规律，我们可以把它系统化地归纳为一个变动转动惯量引入一个负载变动因子λ_F。由于风叶在不同状态下其流量与静压的输出并非线性关系，而时依据叶轮设计的不同或变形系数的不同呈现出负载的变化规律，所以我们在本发明的分析中针对效率关系引入一个风叶效率变动因子τ_F，风机及外转子一体本身的转动惯量为J，风机的机械角速度为Ω，电机的转矩系数为K_T,电机的黏滞系数为B_v。

涉及到电枢电流算法，电流参数算法，即电机相电流算法，引入变转动惯量和变化因子下的电流模型，其关键是永磁同步电机控制器通过电流采样的方式在程序中对电机进行优化的运算与调整，电流参数算法为下式：

从上式可知，轴流风机的转动惯量很大，在我们要求获得一个快速的速度变化时，本身电流i就很大，加上风叶负载两个变动因子的剧烈增加和流体负载的3次方增加，其启动电流i将进一步增大，这对电机的稳定性操控来带了很大的困难，表面上体现在速度超调量的增加，稳态建立时间的延长和系统的振荡上，更加深层次地引起电流的冲击与电磁干扰等一系列问题的发生。

涉及到磁同步电机电枢回路方程，引入其变转动惯量后的算法为：

永磁同步电机的电流为：

整理后得到：

因此

涉及到变惯量拉普拉斯算法为对上式进行拉普拉斯变换并进行整理，得到永磁同步风机的传递函数为

涉及到相电流模型，该模型为通过拉普拉斯变换后，电机控制系统算法中电流采样后获得的相电流，我们在实际的程序优化中，将对一定时段内的采集信息进行优化处理，消除系统误差，得到：

涉及到电磁转矩和变转动惯量负载转矩分量算法为：

涉及到机械角度拉普拉斯算法，该算法为对永磁同步电机的转速进行控制的关键之一，由于永磁同步电机具有无极调速功能(通常为0～10VDC模拟电压调速与1kHz PWM波兼容调速模式)，因此，在不同的调速端或转速变化段时，其负载的负载变化将导致电流的大幅度变化，而控制系统的控制目的是实现转速的恒定和电流的零超调(电流波动)效果，所以必须更改掉电机的输入相位并结合弱磁调速来均衡零转速超调与零电流超调的目的，尤其是在大转动惯量兼变转动惯量负载下，其算法非常复杂，必须建立实际负载的变转动惯量因子表，采用插值优化的算法才能够更好地实现，本发明的机械角度拉普拉斯算法为

通过以上算法，建立控制系统的结构图，实现永磁同步电机在变转动惯量下的零电流超调量和零转速超调量控制。

大负载零超调量永磁同步风机控制系统软件的主要功能是实现风机启动的转速零超调量，以此实现电机相电流的零超调量启动。该功能在实际应用中实现软启动功能、实现快速转速稳定功能、实现顺风启动功能和逆风启动功能，提高风机的启动稳定性和可靠性。NM1100单片机控制芯片为专门针对电机控制接口的32位单片机，其接口刚好满足永磁同步三相风机控制，具有3路PWM波输出功能，可以实现永磁同步电机的正弦波驱动控制，这为风机的低速稳定运行和低噪音运行提供了硬件保障与支持。控制器的硬件电路方案为：单电阻电流采样方案、霍尔元件传感器方案、正弦波驱动方案、分离式功率器件MOS管方案、单相整流与三相逆变方案、电源电磁兼容设计方案和三个独立驱动芯片方案。恒转速控制的转速闭环不采用外部转速传感器，通过程序内部估测实现。

本发明研究的重点是在解决大转动惯量的速度超调量和电流超调量问题，需要实现零超调量的控制关键技术，而外转子风机的内部电控集成空间有限，不允许有过多的器件考虑和能够实现速度闭环控制的速度传感器，速度的闭环只能通过检测霍尔元件的脉冲后进行软件的估算，这一点在运行过程中的实现是较为简单的，但是启动的瞬间，还未获得霍尔元件的位置信号时，就只能通过速度估测来解决大转动惯量负载的启动问题。所以，速度估测与负载的匹配是本发明设计的算法核心之一。

在整个风机的启动和运行过程中，其关键在于通过程序实现叶轮负载变动控制策略部分，就是需要在算法中考虑到的变转动惯量因素，以及考虑到叶轮的负载变动因子λ_F和风叶效率变动因子τ_F，同时考虑到永磁同步电机本身的黏滞系数B_v。根据不同转速下建立这些相关因子的参数表，采用插值的方式调用其因子参数，这样就能够根据实际负载获取同一控制方式下的不同数值，实现风机的软启动与稳定运行。

对于本发明设计的控制器，需要根据实际风叶负载建立相对应的因子参数插值表，以供程序调用实现恒速控制方式，对于风机的启动性能检测，需要具有高精度快速采样的系统，而风机本身就是一个负载，所以要想得到其性能指标，需要卸载风轮后，在电机的测功系统中进行模拟负载加载测试，其电机测功机的采样时间要求具有ms级别以上，使其能够准确采集电机在不断加载模拟负载状况下，其永磁同步电机的转速变化曲线、功率变化曲线和效率变化曲线。

我们进行了不具备重负载零超调量永磁同步风机控制系统软件的常规控制策略和具有该功能的系统控制进行了测功对比，发现常规控制系统的启动具有非常大的转速超调量，转速稳定具有很长时间的波动，从而引起了设备和系统的共振和异常噪音，甚至导致系统无法使用，其测功曲线如附图3所示。而具有大转动惯量零超调量控制技术的电机的测功曲线能够看出电机具有快速的速度收敛功能，其阶跃响应的稳态建立时间非常的短，具有非常好的恒速控制效果，随着测功机的不断加载，我们发现电机受到外界力矩干扰(一定范围内的力矩)的情况下基本上不会发生转速波动，只有力矩大到电机无法承受时就自动停机，测功曲线如附图4所示。

转速超调量过大的危害是产品系统共振与异常噪音，速度稳态建立时间太长，影响无极调速的速度响应时间，导致控制系统与负载不匹配，发生系统混乱，严重时导致系统的控制崩溃。通过特定算法与优化后大幅度改善了控制效果，我们可以直接采用示波器对永磁同步电机带动风机负载后的启动电流进行监控，其采集的启动电流波形如附图5所示，电流缓慢从0上升到额定电流，不存在任何电流的超调与冲击，这不仅仅改善了启动效果，还能够延长风机的寿命，防止了功率器件因为大电流而导致的击穿，同时也减少了大电流对电磁干扰引起的异常启动等等问题的概率。

通过对大负载转动惯量的风机做了特殊的处理，解决了该类风机容易出现顺风启动失效的问题，例如风机运行在某一转速下，电源突然发生掉电后有立即上电，或发生电压波动，由于转动惯量大，风机难以与控制系统匹配而发生反转、停机、飞车、抖动和啸叫等异常现象。通过优化算法后能够实现风机的顺风启动稳定运行，其相电流波形如附图6所示，在过渡区域未发生电流畸变现象。

大负载轴流风机的逆风启动稳定性运行非常关键，为了保护风机的安全性和启动的成功性，通常我们需要根据实际应用工况结合电机的过载能力来设定逆风启动的力矩大小，如果设定力矩太大或不具备该功能的风机，运行后遇到强劲的逆风干扰后，很容易烧毁电机及其控制系统。如果力矩设定太小，在启动瞬间如果越到逆风干扰，容易导致启动失效。通常电机设计的过载能力余量为30％左右，那么我们在逆风启动时的力矩也通常考虑到30％左右。通过实际验证，逆风启动的相电流波形如附图7所示，我们能够从图中可以看到，其电流的增加和幅值要明显大于额定运行的电流值，但依然没有出现电流过冲，而是非常平滑地过渡到稳态的运行电流。

可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：主要通过获取永磁同步电机负载的变转动惯量的变动因子信息，建立起变转动惯量因子参数表，并获取其误差信息，结合实际产品的经验参数进行修正，引入到永磁同步电机的控制算法中；主要包括变转动惯量的变动因子信息参数获取、变转动惯量因子参数表、电流参数算法、变惯量电磁转矩算法、变惯量拉普拉斯算法、变惯量角速度算法、变惯量的控制模型；变转动惯量的变动因子信息参数获取系统化地归纳为一个变动转动惯量引入一个负载变动因子λ_F，针对效率关系引入一个风叶效率变动因子τ_F，风机及外转子一体本身的转动惯量为J，风机的机械角速度为Ω，电机的转矩系数为K_T,电机的黏滞系数为B_v。

2.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：电枢电流算法，即电机相电流算法，引入变转动惯量和变化因子下的电流模型，其关键是永磁同步电机控制器通过电流采样的方式在程序中对电机进行优化的运算与调整，电流参数算法为下式：

3.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：涉及到磁同步电机电枢回路方程，引入其变转动惯量后的算法为：

4.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：涉及到变惯量拉普拉斯算法得到永磁同步风机的传递函数为：

5.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：涉及到相电流模型，该模型为通过拉普拉斯变换后，电机控制系统算法中电流采样后获得的相电流，将一定时段内的采集信息进行优化处理，消除系统误差，得到：

6.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：涉及到电磁转矩和变转动惯量负载转矩分量算法为：

7.根据权利要求1所述的变转动惯量永磁同步电机控制方法，其特征在于：涉及到机械角度拉普拉斯算法为: