CN111682824A - 一种基于功角自平衡特性的开环启动策略 - Google Patents

一种基于功角自平衡特性的开环启动策略 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于功角自平衡特性的开环启动策略，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-385312DEST_PATH_IMAGE001
，
Figure RE-696339DEST_PATH_IMAGE002
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-999144DEST_PATH_IMAGE003
，期望位置角
Figure RE-31341DEST_PATH_IMAGE004
°；施加一个与期望位置角相差90°方向的电压矢量，转子转动到期望位置角；撤掉d轴期望电压，进入开环启动阶段；将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-241743DEST_PATH_IMAGE005
，将q轴电流
Figure RE-407276DEST_PATH_IMAGE006
加到期望最大电流
Figure RE-287507DEST_PATH_IMAGE007
，期望加速度
Figure RE-787759DEST_PATH_IMAGE009
，角速度
Figure RE-287004DEST_PATH_IMAGE010
，角度
Figure RE-821891DEST_PATH_IMAGE011
；q轴电流
Figure RE-151985DEST_PATH_IMAGE012
保持为期望最大电流
Figure RE-139532DEST_PATH_IMAGE013
，当角速度大于最小观测速度
Figure RE-567102DEST_PATH_IMAGE014
时，开启观测器；q轴电流
Figure RE-972807DEST_PATH_IMAGE015
由期望最大电流
Figure 100004_RE-RE-DEST_PATH_IMAGE016
减小，将观测器观测到的角度和角速度与期望角度和角速度对比，满足切换阈值，进行闭环切换。本发明的开环启动策略，解决了现有电机在低速条件时，适用性差及启动和切换时扭矩脉动等缺陷。

Description

一种基于功角自平衡特性的开环启动策略
技术领域
本发明涉及永磁同步电机无速度传感器控制技术领域，尤其涉及一种基于功角自平衡特性的开环启动策略。
背景技术
永磁电机，具有高效、功率密度大、控制性能好、维护成本低的特点，因而应用范围广泛，在航空航天、国防、工农业和产和日常生活等各个领域使用，逐渐成为电机驱动系统尤其是精密伺服和电动车辆应用的主力。
而在电机控制策略中，为了获得实时准确的位置信息，一般需要安装霍尔位置传感器、旋转变压器或者光电编码器等位置检测装置。这些传感器通常具备很高的精度和响应速度，但同时也增加了系统的成本、尺寸、重量和惯量，增加了设计、连线、安装的复杂程度，带来电磁兼容上的问题，降低了系统的可靠性，因此在很多应用场合受到了限制。为了避免上述问题，出现了一种无位置传感器控制技术，针对无传感器控制策略，大部分采用反电动势观测算法，但是当电机在低速条件下，反电动势较小，反电动势观测算法受限，使用较多的是I/F控制策略，基于该算法，一般采用两种控制方式：
第一种为速度环处于开环条件，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE002
，q轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE004
，期望加速度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE006
，那么角速度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE008
，角度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE010
，其中
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE012
代表电流斜率，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE014
表示作用时间，
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE016
代表加速度常数。电流斜率和加速度常数在实际使用中均需要根据负载和电机特性进行标定，同一参数在不同负载条件下，适用性较差，在启动瞬间电机抖动严重，严重的情况下导致启动失败。
第二种为速度环处于开环条件，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE018
，q轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE020
，期望加速度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE022
，那么角速度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE008A
，角度
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE024
，其中
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE026
代表电流常数。电流常数和加速度常数在实际使用中均需要根据负载和电机特性进行标定，该方法相对第一种方式，启动时电机相对比较平滑，但是在闭环切换后，需要将d轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE028
，q轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE030
，其中
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE032
为速度闭环得到的期望电流，此时电流将发生突变，造成扭矩脉动，严重影响系统系能。
发明内容
本发明的目的：为了克服现有技术中所存在的，电机在低速条件时，适用性差及启动和切换时扭矩脉动等缺陷，本发明提供了一种基于功角自平衡特性的开环启动策略，大大减小了扭矩脉动，提高系统鲁棒性。
本发明的技术方案：一种基于功角自平衡特性的开环启动策略，包括有以下步骤，
步骤1，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE034
，其中
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE036
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE038
，期望位置角
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE040
°；
步骤2，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE042
，其中
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE044
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE046
，施加一个与期望位置角相差90°方向的电压矢量，转子可转动到期望位置角；
步骤3，撤掉d轴期望电压，开始进入到开环启动阶段；
步骤4，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE048
，将q轴电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE050
增加到期望最大电流
Figure RE-RE-DEST_PATH_IMAGE052
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE054
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE056
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE058
；
步骤5，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE060
，q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE062
保持为期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE064
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE066
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE068
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE070
，当角速度大于最小观测速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE072
时，开启观测器用于观测角速度和角度；
步骤6，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE074
，q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE076
由期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE078
减小，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE080
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE082
，将观测器观测到的角度和角速度与期望角度和角速度对比，当误差值小于切换误差阈值时，进行闭环切换。
本发明的技术方案具有以下显著效果：
（1）在期望位置角为0°时，FOC控制转子初始角度为-90°，相当于q轴的电流矢量施加在真实d轴上，这样随着FOC控制角度的增加，扭矩缓慢增加，d轴转动与q轴重合，使得转子角度为0°，这就会避免启动瞬间，电机出现抖动的问题。
（2）由于开环使用的是q轴电流矢量，闭环后仍然继续使用q轴电流矢量，d轴完全不变，根据功角自平衡原理，当电流逐渐减小，加速度不变时，误差角将逐渐减小，当误差角为0时，进行闭环的平滑切换，这样就很大程度避免了切换时的电流突变，从而减小转速突变。
（3）在不同负载情况下具有较高的适用性。
附图说明
图1是本发明具体实施例中的电机控制系统框图。
图2是本发明具体实施例中电流和角速度的示意图。
图3是具体实施例中空载条件下转速波形图。
图4是本具体实施例中空载条件下角度波形图。
图5是具体实施例中空载条件下速度和角度误差及q轴电流波形图。
图6是具体实施例中负载扭矩1NM条件下的转速波形图。
图7是具体实施例中负载扭矩1NM条件下的角度波形图。
图8是具体实施例中负载扭矩1NM条件下速度和角度误差及q轴的电流波形图。
图9是具体实施例中负载扭矩2NM条件下的转速波形图。
图10是具体实施例中负载扭矩2NM条件下的角度波形图。
图11是具体实施例中负载扭矩2NM条件下速度和角度误差及q轴的电流波形图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的一种基于功角自平衡特性的开环启动策略，包括有以下步骤，步骤1，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE084
，其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE086
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE088
，期望位置角
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE090
；步骤2，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE092
，其中
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE094
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE096
，用FOC施加一个与期望位置角相差90°方向的电压矢量，转子可转动到期望位置角；步骤3，撤掉d轴期望电压并进入到开环启动阶段；步骤4，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE098
，将q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE100
增加到期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE102
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE104
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE106
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE108
；步骤5，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE110
，q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE112
保持为期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE078A
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE114
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE116
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE118
，当角速度大于最小观测速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE120
时，开启观测器用于观测角速度和角度；
步骤6，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE122
，q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE124
由期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE126
减小，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE128
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE130
，将观测器观测到的角度和角速度与期望角度和角速度对比，当误差值小于切换误差阈值时，进行闭环切换。
具体地，q轴期望最大电流、期望电流曲线以及期望加速度需要在电路满负载状况下进行标定。
具体地，设有电流内环调节器调节q轴的实际电流，图2为q轴期望电流的电流变化曲线。
为了验证该策略的有效性，将上述策略用在图1的电机控制系统框图中，进行了仿真分析。
将该策略分别在空载、负载扭矩1NM、负载扭矩2NM的条件下对系统进行验证。
仿真分析实验1，策略在空载的条件下对系统的影响分析
图3，系统处于空载条件下的给定转速、电机实际转速和观测器估算转速的波形，可以看出，在低速期间观测到的速度明显不准确，转速升高后，能起到很好的估算效果；另外，在电机启动瞬间，电机并不会产生过大的瞬态扭矩，而是随着期望速度的增加而缓慢增速；在0.1s后三个速度基本一致，加速过程中，电机转速波动较小。
图4，系统处于空载条件下的给定角度、电机实际角度和观测器估算角度的波形，在电机启动时，给定的角度滞后真实角度90°，也即是初始误差角为90°，随着给定速度的逐渐增加，扭矩逐渐增大，误差角逐渐减小，为了使误差角快速接近0，将q轴电流逐减，为了保持同样的扭矩，根据功角自平衡特性，误差角将逐渐减小，直至为0，随后给定角度将超前真实角度，扭矩将会降低，实际速度将会跌落。
图5，系统处于空载条件下的角度和速度误差以及电流曲线，可以看出，在位置误差接近为0时，电流为0.2A左右，转速误差为-60RPM，因此在切换到闭环后，电流并不会产生很大的突变，从而也就会使系统运行更加平滑。
仿真分析实验2，策略在负载1NM条件下对系统的影响分析
图6、图7、图8分别为负载1NM条件下的波形图，从图8中可以看出，在位置误差接近0时，电流为1.1A左右，转速误差为-30RPM。
仿真分析实验3，策略在负载2NM条件下对系统的影响分析
图9、图10、图11分别为负载2NM条件下的波形图，从图11可以看出，在位置误差接近0时，电流为2.2A左右，转速误差为-25RPM。
因此，在对比空载、1NM和2NM切换时的电流可知，此种策略会根据负载特性自动调节期望电流的大小，能够实现在闭环切换时平滑过渡。

Claims (1)

1.一种基于功角自平衡特性的开环启动策略，其特征在于：包括有以下步骤，
步骤1，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
，其中
Figure RE-936650DEST_PATH_IMAGE002
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE003
，期望位置角
Figure RE-480895DEST_PATH_IMAGE004
°；
步骤2，将速度环、电流环处于开环条件，d轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE005
，其中
Figure RE-21729DEST_PATH_IMAGE006
为对齐期望电压，q轴电压
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE007
，施加一个与期望位置角相差90°方向的电压矢量，转子可转动到期望位置角；
步骤3，撤掉d轴期望电压，开始进入开环启动阶段；
步骤4，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-385845DEST_PATH_IMAGE008
，将q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE009
增加到期望最大电流
Figure RE-520592DEST_PATH_IMAGE010
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE011
，角速度
Figure RE-184923DEST_PATH_IMAGE012
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE013
；
步骤5，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-224554DEST_PATH_IMAGE014
，q轴电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE015
保持为期望最大电流
Figure RE-607125DEST_PATH_IMAGE016
，期望加速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE017
，角速度
Figure RE-20265DEST_PATH_IMAGE018
，角度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE019
，当角速度大于最小观测速度
Figure RE-273523DEST_PATH_IMAGE020
时，开启观测器用于观测角速度和角度；
步骤6，将速度环处于开环，电流环处于闭环条件，d轴期望电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE021
，q轴电流
Figure RE-749634DEST_PATH_IMAGE022
由期望最大电流
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE023
减小，期望加速度
Figure RE-478556DEST_PATH_IMAGE024
，角速度
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE025
，将观测器观测到的角度和角速度与期望角度和角速度对比，当误差值小于切换误差阈值时，进行闭环切换。
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