CN109379016B - 基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，启动运行电机，设置q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速下降到实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加额外电流增量delta_iq的对转速进行干预，使电机作恒转速控制；实时检测的转速V回升达到稳定时，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出恒转速控制，返回重新进入恒力矩控制。它能保证转速的稳定，运行平稳，减少电机运行的振动和噪音。

Description

基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法
技术领域：
本发明涉及基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法。
背景技术：
目前，无位置传感器矢量控制永磁同步电机的控制方法，一般有恒力矩控制模式、或恒转速控制模式，或恒风量控制模式三种。
例如美国专利US7525269公开了无位置传感器的3相同步电机电机矢量控制器，只公开了电流力矩控制模式，进行恒力矩控制。
中国专利CN103929109(A)也公开，基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机的恒转速控制方法。
如图1所示，一般恒力矩控制的方框图如图1所示，由于力矩T只与q轴电流有关，根据力矩计算公式T＝K*iq0，给出力矩设定值T就换算成q轴的设定电流iq0，就可以利用q轴PI电流环进行闭环控制实现恒力矩的控制。
永磁同步电机在无位置传感器矢量控制恒转矩模式下，如果力矩指令值较小或者负载变大的情况下，速度会越来越慢，当电机转速低到一定程度时，或者此时电机负载波动较大情况下，对转速估算有很大的影响，容易导致系统进入非稳定状态。为此，需要在额定电流范围内，确保电机能稳定在一个转速范围内运行，以确保系统稳定运行,这是要解决的一项技术问题。
为了解决以上问题，现有解决的技术方案有3种：
方案1：目前常用的控制策略类似滞环控制，根据转速反馈情况进行适当的加减调整力矩指令值。这种策略非常简单，在执行速度足够快的情况下能够实现转速稳定，但由于这种控制特性，转速会在一定范围内波动，进而引起电流(力矩)波动，导致电机振动和噪音。如果负载发生较大范围内变化或者突变，此控制策略非常容易引起调节震荡，甚至会控制发散而触发保护导致停机。
方案2：当转速低于一定值时，直接做停机处理；这种策略缩小电机的转速范围；
方案3：提高最低转速限定值，依赖内部控制策略和保护策略，这种策略负载波动时容易引起失步或堵转。
以上解决方案存在的技术问题是：
1、无位置传感器矢量控制的恒力矩策略在低转速时非常容易因为转速估算不准确而进入非稳定状态；
2、在传统的恒转矩模式下不对转速进行控制，当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速下降，若不对转速进行有效控制，则容易进入非稳定状态；；
3、不同的用户对最低转速有不同的要求，当转速低于一定值时，直接做停机处理显然是不恰当的；
4、常用的解决策略容易引起系统震荡、电机振动和噪音问题。
发明内容：
本发明的目的是提供基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，解决现有技术中：在低转速时非常容易因为转速估算不准确而进入非稳定状态；当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速下降,若不对转速进行有效控制，则容易进入非稳定状态的技术问题。
本发明的目的是通过以下的技术方案予以实现的。
基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1：启动运行电机，基于无位置传感器矢量控制模式进行恒力矩控制，即根据用户设定的力矩T换算成q轴的电流给定值iq_limit，然后设定q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；
步骤2：当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速会下降，当实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加额外电流增量delta_iq对转速进行干预，使电机以设定的目标转速Vref2作恒转速控制；
步骤3：实时检测的转速V回升达到稳定时，转速差Err＝V-Vref2，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出恒转速控制，返回步骤1重新进入恒力矩控制。
上述所述的Vref1＝Vref2或者Vref1<Vref2。
上述所述的步骤1的q轴的电流给定值iq_limit是这样获得：根据力矩计算公式T＝K*iq_limit，当用户给定力矩值T就可以利用上述的公式换算出q轴的电流给定值iq_limit，其中T是力矩、K是系数，iq_limit是q轴的电流给定值。
上述所述的步骤2的恒转速控制是利用q轴的电流PI控制环的外围的转速PI控制环实现。
上述所述的转速PI控制环利用实时检测的转速V和设定的目标转速Vref2之差Err是负数时，不断获得q轴的电流增量delta_iq，即在恒转速控制模式下，q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit与若干个q轴的电流增量delta_iq之和。
上述所述的转速PI控制环设置进入和退出机制，转速差Err＝V-Vref2，利用转速差ERR作为判断要件，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出转速PI控制环,E0是一个大于0的正数。
上述所述的实时检测的转速V是由速度观测器来估算，实时检测的转速V的信号加了均值滤波和递推滤波处理，能够把转速波动抑制在较小范围内，又不影响响应速度。
上述所述的预设的转速Vref1是利用实验的手段获得。
上述所述的转速PI控制环的响应时间t1要小于电流PI控制环的响应时间t2,转速PI控制环的响应时间t1根据负载的转动惯量大小设定，转动惯量越大，转速PI控制环的响应时间t1就要增加；转动惯量越小，则为保证响应速度，转速PI控制环的响应时间t1就要减小。
本发明的变速风机系统有益效果是：
1)基于无位置传感器矢量控制模式进行恒力矩控制，即根据用户设定的力矩T换算成q轴的电流给定值iq_limit，然后设定q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速会下降，当实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加一个额外电流增量delta_iq的对转速进行干预，使电机以设定的目标转速Vref2作恒转速控制；实时检测的转速V回升达到稳定时，转速差Err＝V-Vref2，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出恒转速控制，返回重新进入恒力矩控制。这种方式，由于预先设置的参考转速Vref1，即使负载增加和转矩指令值偏小的情况下，避免转速不断下降的过程中实际转速V完全脱离预先设置的参考转速Vref2，保证了在恒力矩控制模式下即使转速下降，实际转速V只是在预先设置的附近波动，从而使电机的转速不至于过低，避免导致转速估算不准确而进入非稳定状态；也可以避免当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速下降，若不对转速进行有效控制，则容易进入非稳定状态的技术问题。能保证转速的稳定，运行平稳，减少电机运行的振动和噪音。
2)利用q轴的电流PI控制环的外围的转速PI控制环实现，转速PI控制环利用实时检测的转速V和设定的目标转速Vref2之差Err是负数时，不断获得q轴的电流增量delta_iq，即在恒转速控制模式下，q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit与若干个q轴的电流增量delta_iq之和。这样保证q轴的电流只能大于电流给定值iq_limit，保证转矩不下降，且恒转速控制与恒力矩控制切换平稳，减少电机运行的振动和噪音，且数学模型简单，运算简单。
3)能适应负载波动，并能够快速响应，运行平稳，减少电机运行的振动和噪音。
4)转速PI控制环的响应时间t1要小于电流PI控制环的响应时间t2,转速PI控制环的响应时间t1根据负载的转动惯量大小设定，转动惯量越大，转速PI控制环的响应时间t1就要增加；转动惯量越小，则为保证响应速度，转速PI控制环的响应时间t1就要减小，响应速度快；这样恒力矩控制与恒转速控制切换更加平稳，减少电机运行的振动和噪音
5)提高系统稳定性，扩大电机运行转速范围；不会因电机低于某个速度就关停电机。
附图说明：
图1是传统无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方框图。
图2是无位置传感器矢量控制永磁同步电机原理示意图。
图3是本发明永磁同步电机的立体图；
图4是本发明永磁同步电机的电机控制器的立体图；
图5是本发明永磁同步电机的剖视图；
图6是本发明永磁同步电机的电机控制器的原理方框图；
图7是图6对应的电路图；
图8是永磁同步电机矢量控制的各坐标系关系图；
图9是本发明的永磁同步电机的控制流程图；
图10是本发明的流程方框图；
图11是图10中恒力矩控制的流程方框图；
图12是图10中恒转速控制的流程方框图；
图13是本发明的实验测试绘制的一个示意图；
图14是本发明的实验测试绘制的另一个示意图；
图15是本发明的实验测试过程中电流包络线的示意图。
具体实施方式：
下面通过具体实施例并结合附图对本发明作进一步详细的描述。
如图3、图4、图5所示，举例：假设本发明是一种三相永磁同步电机,由电机控制器2和电机单体1,所述的电机单体1包括定子组件12、转子组件13和机壳组件11，定子组件13安装在机壳组件11上，转子组件13套装在定子组件12的内侧或者外侧组成，电机控制器2包括控制盒22和安装在控制盒22里面的控制线路板21，控制线路板21一般包括电源电路、微处理器、母线电压检测电路、逆变器，电源电路为各部分电路供电，母线电压检测电路将直流母线电压Uabc输入到微处理器，微处理器控制逆变器，逆变器控制定子组件12的各相线圈绕组的通断电。
如图6、图7所示，假设3相无刷直流永磁同步电机的相线电流检测电路将各相的电流ia、ib、ic输入到微处理器。交流输入(AC INPUT)经过由二级管D7、D8、D9、D10组成的全波整流电路后，在电容C1的一端输出直流母线电压Vbus,直流母线电压Vbus与输入交流电压有关，微处理器输入到逆变器的PWM信号，逆变器由电子开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6组成，电子开关管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的控制端分别由微处理器输出的6路PWM信号(P1、P2、P3、P4、P5、P6)控制。
如图2所示，简述无位置传感器矢量控制永磁同步电机的基本工作原理(教科书有详细的描述)，永磁同步电机看作是定子的旋转磁场与转子旋转磁场相互作用的结果，图中有两个坐标系，一个是转子旋转坐标系dq轴；另一个定子静止坐标系ABC坐标系(可以转换成αβ相互垂直的坐标系)；转子可以看作是励磁电流if的作用以转速wr旋转，定子可以看作是励磁电流is的作用转速ws旋转,图中定子的合成矢量是S；根据电磁转矩的计算公式：：
Te＝P0·ψf×iq------(1)
P0是电机的极对数(常数)，Ψf是励磁电流if的作用产生的磁链，由于转子是永磁转子，if＝0,Ψf变成常数，电磁转矩的公式变成：
Te＝K×iq------(2)
K是一个常数，永磁同步电机电磁转矩Te只与q轴电流有关。
如图8所示，定子静止坐标系ABC坐标系用αβ相互垂直的坐标系代替。定子静止坐标系是αβ的坐标系，转子旋转坐标系是dq坐标系，αβ的坐标系与dq坐标系的夹角是θ。
如图9、图10、图11、图12所示，基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1：启动运行电机，基于无位置传感器矢量控制模式进行恒力矩控制，即根据用户设定的力矩T换算成q轴的电流给定值iq_limit，然后设定q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；
步骤2：当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速会下降，当实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加额外电流增量delta_iq对转速进行干预，使电机以设定的目标转速Vref2作恒转速控制；
步骤3：实时检测的转速V回升达到稳定时，转速差Err＝V-Vref2，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出恒转速控制，返回步骤1重新进入恒力矩控制。
恒转速控制是以Vref2为目标转速进行控制，Vref2大于或等于参考转速Vref1。例如一：预设的参考转速Vref1＝Vref2＝600转/分，E0＝20转/分；例如二：也可以预设的参考转速Vref1＝600转/分，Vref2＝590转/分；E0＝40转/分。例如三：参考转速Vref1＝600转/分，Vref2＝630转/分；E0＝30转/分。以上这三个例子都是可以实现的。
上述的转速PI控制环利用实时检测的转速V和设定的目标转速Vref2之差Err是负数时，不断获得q轴的电流增量delta_iq，即在恒转速控制模式下，q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit与若干个q轴的电流增量delta_iq之和。
上述的转速PI控制环设置进入和退出机制，转速差Err＝V-Vref2，利用转速差ERR作为判断要件，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出转速PI控制环,E0是一个大于0的正数。
delta_iq是对转速差ERR积分后获得。
上述的转速PI控制环设置进入和退出机制，转速差ERR＝V1-V，利用转速差ERR作为判断要件，当转速差ERR大于等于0时，进入转速PI控制环，q轴电流的增量delta_iq不为零；当转速差ERR小于等于0时，退出转速PI控制环，q轴电流的增量delta_iq为0，相当于进入恒转矩控制模式。
例如一般的风机由电机驱动，电机设置恒力矩控制，即根据用户设定的力矩T换算成q轴的电流给定值iq_limit，然后给定q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；当外部静压突然增加很多(相当于负载增加)，转速会下降，当实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1(例如900转/分)时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加额外电流增量delta_iq的对转速进行干预保持在900转/分，当外部静压恢复正常实时检测的转速V回升达到稳定(例如Vref2＝920转/分时)，退出恒转速控制，返回步骤1重新进入恒力矩控制。
本发明的工作原理是：在恒力矩控制策略中增加了一个转速PI控制环，转速PI控制环的输入为速度差Err(V-Vref2)，输出为q轴的电流给定值是iq_limit与电流增量delta_iq之和，在恒力矩控制下转速PI控制环输出电流增量delta_iq为0。相当于恒力矩控制模式没有转速外环，delta_iq为0，直接输出q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，这个值就是用户下发的力矩指令值。现在的控制策略是在恒转矩控制策略的基础上增加一个转速PI控制环，转速PI控制环的输出作为电流给定值iq_limit的基础上增加若干个电流增量delta_iq，当电流给定值iq_limit能够拖动负载在Vref1转速以上运行时，转速差Err大于某个设定值E0(正数)时，退出转速PI控制环，电流增量delta_iq为0，相当于恒转矩控制模式；当电流给定值iq_limit不足以拖动负载时，转速会慢慢下降，当转速差Err变为负数时，转速PI控制环起作用，输出电流增量delta_iq来进行调整q轴的目标电流iq_A，使q轴的目标电流iq_A＝iq_limit+delta_iq能够拖动负载在Vref2转速范围内运行；此时当增大iq_A或者负载减小时，电流增量delta_iq会慢慢减小，当delta_iq为0时，转速刚好在Vref2，再继续增大iq_A或者负载减小，则转速V高于某个值时，退出转速PI控制环控制，此时又进入恒转矩模式。
实时检测的转速V是由速度观测器来估算，实时检测的转速V的信号加了均值滤波和递推滤波处理，能够把转速波动抑制在较小范围内，又不影响响应速度。
在进入转速PI控制环调整时，由于转速PI控制环的作用，能快速动态调整电流增量delta_iq，保证转差Err趋于0，转速波动非常小。在负载(转速V)波动时也能够在短时间内调整到稳态，而且在电流增量投入和退出时过渡平滑，基本解决传统控制策略的所有缺点。这个控制策略主要关键点有如下几点：
1、转速反馈信号的处理:转速对于无位置传感器矢量控制来说是一个相当关键的电参量，在恒转矩模式下，如果转速不稳定，必然会引起力矩不稳定。所以，必须要对转速反馈信号加以处理，确保在不影响响应速度的情况下转速信号的稳定。目前转速信号加了均值滤波和递推滤波处理，能够把转速波动抑制在较小范围内，又不影响响应速度，基本能满足控制要求。
2、转速PI控制环控制速度和控制参数的选择：转速PI控制环输出电流增量delta_iq要时刻响应内环的电流PI控制环，所以转速PI控制环要比一般恒转速控制的速度环要快得多，但要兼顾转速响应和内环(电流PI控制环)速度，转速PI控制环也不能太快。但如果太慢又会调整不及时引起震荡。而不同的负载特性，其执行速度又有所区别。
分析认为，负载的转动惯量越大，转速PI控制环的速度就要放慢；转动惯量越小，则为保证响应速度，可以适当加快转速PI控制环的响应速度。
上述所述的实时检测的转速V是由速度估算模块来实现，实时检测的转速V的信号加了均值滤波和递推滤波处理，能够把转速波动抑制在较小范围内，又不影响响应速度。
上述的预设的转速Vref1是利用实验的手段获得。
上述的转速PI控制环的响应时间t1要小于电流PI控制环的响应时间t2,转速PI控制环的响应时间t1根据负载的转动惯量大小设定，转动惯量越大，转速PI控制环的响应时间t1就要增加；转动惯量越小，则为保证响应速度，转速PI控制环的响应时间t1就要减小。
如图13所示，图中纵坐标是电机转速，横坐标示外加力矩值，在测功机上进行自动加载和手动加载两种方式进行验证控制策略和投退机制，效果明显，转速能够稳定限定在目标值范围，两个控制模式能够平滑切换，图13中，假设Vref1＝Vref2＝930转/分，力矩状态下T＝0.18N·m时，转速在2000转/分，当外加负载增加从0.18N·m逐渐增加到0.8N·m时，电机保持在930转/分的恒转速状态。
如图14所示，图中纵坐标是电机转速，横坐标示外加力矩值，在测功机上进行自动加载和手动加载两种方式进行验证控制策略和投退机制，效果明显，转速能够稳定限定在目标值范围，两个控制模式能够平滑切换，图12中，假设Vref1＝Vref2＝600转/分，力矩状态下T＝0.18N·m时，转速在2000转/分，当外加负载增加从0.18N·m逐渐增加到0,8N·m时，电机保持在600转/分的恒转速状态。
如图15所示，在重载风轮负载上测试，效果明显，整个调整过程平滑，图15为指令值减小时的调整过程，从电流包络线上看出，没有明显的震荡和突变，表明此发明能切实解决提出的问题。
以上实施例为本发明的较佳实施方式，但本发明的实施方式不限于此，其他任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤1：启动运行电机，基于无位置传感器矢量控制模式进行恒力矩控制，即根据用户设定的力矩T换算成q轴的电流给定值iq_limit，然后设置q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit，利用q轴的电流PI控制环实现恒力矩控制；
步骤2：当转矩指令值偏小时或者负载变重时，转速会下降，当实时检测的转速V小于预设的参考转速Vref1时，退出恒力矩控制模式进入恒转速控制，通过在q轴的电流给定值iq_limit基础上增加额外电流增量delta_iq对转速进行干预，使电机以设定的目标转速Vref2作恒转速控制；
步骤3：实时检测的转速V回升达到稳定时，转速差Err＝V-Vref2，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出恒转速控制，返回步骤1重新进入恒力矩控制。
2.根据权利要求1所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：Vref1＝Vref2或者Vref1<Vref2。
3.根据权利要求1或2所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：步骤1的q轴的电流给定值iq_limit是这样获得：根据力矩计算公式T＝K*iq_limit，当用户给定力矩值T就可以利用上述的公式换算出q轴的电流给定值iq_limit，其中T是力矩、K是系数，iq_limit是q轴的电流给定值。
4.根据权利要求3所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：步骤2的恒转速控制是利用q轴的电流PI控制环的外围的转速PI控制环实现。
5.根据权利要求4所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：转速PI控制环利用实时检测的转速V和设定的目标转速Vref2之差Err是负数时，不断获得q轴的电流增量delta_iq，即在恒转速控制模式下，q轴的目标电流值iq_A等于电流给定值iq_limit与若干个q轴的电流增量delta_iq之和。
6.根据权利要求5所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：转速PI控制环设置进入和退出机制，转速差Err＝V-Vref2，利用转速差ERR作为判断要件，当转速差Err大于某个设定值E0时，退出转速PI控制环,E0是一个大于0的正数。
7.根据权利要求6所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：实时检测的转速V是由速度观测器来估算，实时检测的转速V的信号加了均值滤波和递推滤波处理，能够把转速波动抑制在较小范围内，又不影响响应速度。
8.根据权利要求7所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：预设的转速Vref1是利用实验的手段获得。
9.根据权利要求7所述的基于无位置传感器矢量控制永磁同步电机恒力矩控制方法，其特征在于：转速PI控制环的响应时间t1要小于电流PI控制环的响应时间t2,转速PI控制环的响应时间t1根据负载的转动惯量大小设定，转动惯量越大，转速PI控制环的响应时间t1就要增加；转动惯量越小，则为保证响应速度，转速PI控制环的响应时间t1就要减小。
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