CN111711386B - 空压机无位置控制破冰启动方法及系统 - Google Patents

空压机无位置控制破冰启动方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空压机无位置控制破冰启动方法及系统，方法包括：在给定转速命令值下，采用开环控制根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，开始破除冰；随着冰被破除，电机转子做正反转的实时转速发生变化，开环控制给定电机的电压处于变化状态；检测电机的三相电流，当一段时间内电压恒定时，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速；将实时转速与给定的转速命令值进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功。采用本发明电机控制方法及系统，使得空压机在极寒天气，冰冻住的条件下能够有效地完成破冰任务，并能通过自检的方式判断破冰成功与否并进行反馈是否进行下一步正常启动工作。

Description

空压机无位置控制破冰启动方法及系统
技术领域
本发明涉及空压机控制技术领域，尤其涉及一种空压机无位置控制破冰启动方法及系统。
背景技术
燃料电池车用空气压缩机可以为燃料电池的阴极反应提供高压空气，根据功率需求，为燃料电池提供所需压力和流量的干净空气，其性能好坏直接影响燃料电池系统的性能。典型的燃料电池空气供应系统由空气过滤器、空压机、电机、中冷器、增湿器和膨胀机等组成。空气压缩机对于燃料电池车来说至关重要，电机在空气压缩机中扮演的角色更是重中之重，一般采用高转速电机直驱与叶轮相连，能够有效降低空压机的能耗。高速电机由于高精度和高分辨率的位置/速度传感器不仅价格较昂贵，而且在极高速、高温、潮湿等恶劣的环境下性能会受到影响。无速度传感器控制技术主要是根据已有的电机参数和所测得的定子端电压或电流，运用某些具体的算法得到电机的位置和转速。
由于空压机会工作在各种极端天气下，需要考虑到在极寒天气中，空气压缩机中电机转子被冰冻的情况如何启动问题，基于这样的考虑，本发明设计了空压机无位置控制破冰启动系统，该方法对电机顺利启动具有重要的工程应用价值。
发明内容
为解决现有技术中存在或潜在的不足之处，本发明提供一种空压机无位置控制破冰启动方法及系统，能够在空压机被冰冻住的情况下有效地完成破冰任务。
本发明所采用的技术方案为：一种空压机无位置控制破冰启动方法，其包括步骤：
在给定转速命令值下，采用开环控制根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，开始破除冰；
随着冰被破除，所述电机转子做正反转的实时转速发生变化，所述开环控制的实时电压随即发生变化，使得所述开环控制给定电机的电压处于变化状态；
检测所述电机的三相电流，当一段时间内电压恒定时，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速；
将所述实时转速与给定的所述转速命令值进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功。
采用本发明空压机无位置控制破冰启动方法，使得空压机在极寒天气，冰冻住的条件下能够有效地完成破冰任务，并能通过自检的方式判断破冰成功与否并进行反馈是否进行下一步正常启动工作。
所述空压机无位置控制破冰启动方法进一步的改进在于，还包括步骤：在所述开环控制中对给定电机的电压预先进行压降补偿。
所述空压机无位置控制破冰启动方法进一步的改进在于，所述翻转逻辑为：每一次转动结束后均停留一段时间T1，每一次转动的时长均为前一次转动时长加上一段时间T2。
所述空压机无位置控制破冰启动方法进一步的改进在于，设定电子转子正反转n次，在最后一次转动的时间范围t(3n-2)到t(3n-3)内，开环控制给定定子电压Us恒定，其对应的转速命令值恒定；并且
在时间范围t(3n-2)到t(3n-3)内，通过永磁同步电机定子电压数学模型，计算电机转子的实时转速，通过推导电压方程计算转子位置：
θ＝arctan(A/B)
其中，
A＝uα-Riα-Ldpiα+ωeiβ(Lq-Ld)
B＝-uβ+Riβ+Ldpiβ+ωeiα(Lq-Ld)
式中，uα、uβ分别表示定子电压在α、β轴分量，R为电机定子等效电阻，iα、iβ分别表示定子电流在在α、β轴分量，p表示微分，ωe表示电机电角速度，Ld、Lq分别表示d、q轴电感。
所述空压机无位置控制破冰启动方法进一步的改进在于，在得到转子位置后，在所述转子位置后加入锁相环得到光滑的转速，用得到的光滑转速与所述转速命令值进行比对。
一种空压机无位置控制破冰启动系统，其包括翻转逻辑模块、开环控制模块、PWM调制模块、逆变器及转速自检模块，一给定转速命令值通过所述翻转逻辑模块后输入至所述开环控制模块，所述开环控制模块将给定电机电压通过所述PWM调制模块输入到逆变器，所述逆变器在所述PWM调制模块的调制下控制电机转子做正反转；所述转速自检模块通过检测所述电机的三相电流，当一段时间内电压恒定时，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速，将所述实时转速与给定的所述转速命令值进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功。
所述空压机无位置控制破冰启动系统进一步的改进在于，还包括压降补偿模块，所述给定转速命令值在输入至所述开环控制模块前，预先通过所述压降补偿模块进行压降补偿。
所述空压机无位置控制破冰启动系统进一步的改进在于，所述翻转逻辑模块中设定有翻转逻辑，所述开环控制模块根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，所述翻转逻辑为：每一次转动结束后均停留一段时间T1，每一次转动的时长均为前一次转动时长加上一段时间T2。
所述空压机无位置控制破冰启动系统进一步的改进在于，所述PWM调制模块采用SVPWM调制，所述逆变器采用三相逆变器。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例空压机无位置控制破冰启动系统的架构图。
图2为本发明实施例空压机无位置控制破冰启动方法在压降补偿前后的开环给定电压曲线图。
图3为本发明实施例空压机无位置控制破冰启动方法的破冰策略时序图。
图4为本发明实施例用锁相环PLL求出转速的框图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
下面结合附图和具体实施例对本发明实施例做进一步详细的说明。
为了使极寒天气下冰冻住的电机转子能够在进行正常转速闭环控制前把冰破除，需要加入一定策略使冰快速破开，由于本发明电机控制采用的是无位置控制，在电机转子被冰冻住的情况下，本发明电机控制采用开环控制，开环控制不需要引入任何的电压、电流或速度、位置等反馈信号，十分简单可靠。为了使冰快速破除，本发明电机控制加入的策略是在开环控制的基础上，通过逻辑翻转控制电机正反转，而且基于现实情况，正反摆动的幅度越来越大，最终检测一定时间后电机的转速维持在一定范围内，则认为破冰成功，可以进行下一阶段正常启动工作。
基于此，本发明重点研究在于空压机无位置破冰启动，所以将着重讲述破冰的策略及开环无位置控制算法，PWM调制产生占空比部分未做具体说明(所涉技术为现有技术)。开环无位置控制是基于电机稳态模型的一种标量控制方式，目的是保持定子磁链的恒定，这样就可以取得最大的转矩电流比和最快的转矩响应。
参阅图1，为本发明一种实施例的空压机无位置控制破冰启动系统的架构图，如图所示，该空压机无位置控制破冰启动系统主要包括翻转逻辑模块11、开环控制模块12、PWM调制模块13、逆变器14及转速自检模块16，进一步还可以包括一压降补偿模块15，电机采用永磁同步电机PMSM。
逆变器14优选采用三相逆变器，PWM调制模块13优选采用SVPWM调制方法，三相逆变器采用SVPWM控制，SVPWM是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation)的简称，SVPWM调制方法是从电机的角度出发，着眼于如何使电机获得幅值恒定的圆形旋转磁场，它以三相对称正弦波电压供电时交流电机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生的实际磁通去逼近基准磁通圆，并由它们比较的结果决定逆变器的开关状态，形成PWM波形。
开环控制模块12可以是一开环控制电路，在开环控制下，系统稳定性问题是非常重要的，为了满足电机在低频情况下的使用要求，能够保证在有负载的情况下顺利启动，开环控制中给定电压需要对电阻压降补偿，采用压降补偿模块15进行该压降补偿操作。补偿前后永磁同步电机的开环控制特性分别如图2中的线性关系所示，其中，曲线I表示压降补偿前的开环给定电压曲线，II表示压降补偿后的开环给定电压曲线，图中，U0是压降补偿后的初始定子电压，U1N是f1N频率下对应的定子电压，Us是定子电压，f1是电机定子频率，f1N是电机目标定子频率。
翻转逻辑模块11中设定有翻转逻辑，开环控制模块根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，开始破除冰，该设定的翻转逻辑优选为：每一次转动结束后均停留一段时间T1，每一次转动的时长均为前一次转动时长加上一段时间T2。
具体地，假设电子转子来回需要翻转转动n(奇数)次完成破冰，每转动一次，为缓慢清空电压命令值，防止造成过流，会在正转或者反转结束后停留一小段时间T1，其停留间隔时间T1如下图3所示，其中：
T1＝t2-t1＝t5-t4＝t8-t7＝…
为了更快速将冰破除，本发明方法加入的策略是正反转的幅度越来越大，对应到时间上就是正反转动的时间越来越长，每转动一次，增加一段时间T2，如图3所示，其中：
T2＝t4-t3＝t7-t6＝…
在反复正、反转动n次后，破冰成功与否需要进行检测，具体操作如下：
1、在设定正反转n次的时候，确保最后一次的转动在t(3n-2)到t(3n-3)时间范围内，开环控制给定定子电压Us恒定，其对应的转速命令值恒定；
2、在t(3n-2)到t(3n-3)这段时间里，通过永磁同步电机定子电压数学模型，直接计算的方法对电机的转速进行估计，通过推导电压方程可以由电压、电流等量直接计算得到转子位置，其方法如下：
θ＝arctan(A/B)
其中，
A＝uα-Riα-Ldpiα+ωeiβ(Lq-Ld)
B＝-uβ+Riβ+Ldpiβ+ωeiα(Lq-Ld)
式中，uα、uβ分别表示定子电压在α、β轴分量，R为电机定子等效电阻，iα、iβ分别表示定子电流在在α、β轴分量，p表示微分，ωe表示电机电角速度，Ld、Lq分别表示d、q轴电感。
式中A、B没有具体物理含义，上式中其它的量可以认为已知，通过上述的量分别计算出A和B，然后对(A/B)再进行求反正切arctan得到电机转子位置。
通过上式开环估计出了电机转子位置，为了得到光滑的估计转速，可以在估计的转子位置后加入锁相环(Phase Locked Loop，简称PLL)得到估计转速，并将估计的转速与转速命令值进行对比，其相差的值在一定小范围内则认为破冰成功，如果超出这个范围则判定未破冰成功。其中，锁相环PLL是现有技术，是一种利用相位同步产生的电压，去调谐压控振荡器以产生目标频率的负反馈控制系统，图4中对应符号的含义为：θ*是通过反正切求出的位置，θ是反馈回来的位置，PI代表PI控制(线性控制)，ωr表示电机的电角速度，1/s代表积分。
本发明实施例的整个空压机无位置控制破冰启动系统的架构如图1所示：
一给定转速命令值f*给定分别经过翻转逻辑模块11及压降补偿模块15之后，以设定的翻转逻辑及压降补偿后的电压V输入到开环控制模块12中，通过开环控制这一环节将电压V分配到电机定子电压在α、β轴分量，SVPWM根据给定的定子电压在α、β轴分量，通过永磁同步电机定子电压数学模型，直接计算的方法对电机的转速进行估计，通过推导电压方程可以由电压、电流等量直接计算得到转子位置。同时，三相逆变器在开环控制下以设定的翻转逻辑控制转子做正反转，开始破冰，并随着冰被破除，电机转子做正反转的实时转速发生变化，开环控制给定定子电压随即发生变化；转速自检模块通过检测电机的三相电流iu、iv、iw(电机的三相电流iu、iv、iw在经过克拉克(Clarke)坐标变换后，以iα、iβ输入到转速自检模块中)，当一段时间内电压恒定，其对应的转速恒定，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速；将实时转速与给定的转速命令值f*给定或开环控制给定电机电压进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功。
采用本发明空压机无位置控制破冰启动方法及系统，使得空压机在极寒天气，冰冻住的条件下能够有效地完成破冰任务，并能通过自检的方式判断破冰成功与否并进行反馈是否进行下一步正常启动工作。
需要说明的是，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。

Claims (7)

1.一种空压机无位置控制破冰启动方法，其特征在于，包括步骤：
在给定转速命令值下，采用开环控制根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，开始破除冰；每一次转动结束后均停留一段时间T1，每一次转动的时长均为前一次转动时长加上一段时间T2；
随着冰被破除，所述电机转子做正反转的实时转速发生变化，所述开环控制的实时电压随即发生变化，使得所述开环控制给定电机的电压处于变化状态；
检测所述电机的三相电流，当一段时间内电压恒定时，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速；
将所述实时转速与给定的所述转速命令值进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功。
2.如权利要求1所述的空压机无位置控制破冰启动方法，其特征在于，还包括步骤：在所述开环控制中对给定电机的电压预先进行压降补偿。
3.如权利要求1所述的空压机无位置控制破冰启动方法，其特征在于，设定电子转子正反转n次，在最后一次转动的时间范围t(3n-2)到t(3n-3)内，开环控制给定定子电压Us恒定，其对应的转速命令值恒定；并且
在时间范围t(3n-2)到t(3n-3)内，通过永磁同步电机定子电压数学模型，计算电机转子的实时转速，通过推导电压方程计算转子位置：
θ＝arctan(A/B)
其中，
A＝uα-Riα-Ldpiα+ωeiβ(Lq-Ld)
B＝-uβ+Riβ+Ldpiβ+ωeiα(Lq-Ld)
式中，uα、uβ分别表示定子电压在α、β轴分量，R为电机定子等效电阻，iα、iβ分别表示定子电流在α、β轴分量，p表示微分，ωe表示电机电角速度，Ld、Lq分别表示d、q轴电感。
4.如权利要求3所述的空压机无位置控制破冰启动方法，其特征在于，在得到转子位置后，在所述转子位置后加入锁相环得到光滑的转速，用得到的光滑转速与所述转速命令值进行比对。
5.一种空压机无位置控制破冰启动系统，其特征在于：包括翻转逻辑模块、开环控制模块、PWM调制模块、逆变器及转速自检模块，一给定转速命令值通过所述翻转逻辑模块后输入至所述开环控制模块，所述开环控制模块将给定电机电压通过所述PWM调制模块输入到逆变器，所述逆变器在所述PWM调制模块的调制下控制电机转子做正反转；所述转速自检模块通过检测所述电机的三相电流，当一段时间内电压恒定时，通过电机电压方程计算在这段时间里电机转子的实时转速，将所述实时转速与给定的所述转速命令值进行比对，当差值在允许范围内则判定为破冰成功，否则判定未破冰成功；所述翻转逻辑模块中设定有翻转逻辑，所述开环控制模块根据设定的翻转逻辑控制电机转子做正反转，所述翻转逻辑为：每一次转动结束后均停留一段时间T1，每一次转动的时长均为前一次转动时长加上一段时间T2。
6.如权利要求5所述的空压机无位置控制破冰启动系统，其特征在于，还包括压降补偿模块，所述给定转速命令值在输入至所述开环控制模块前，预先通过所述压降补偿模块进行压降补偿。
7.如权利要求5所述的空压机无位置控制破冰启动系统，其特征在于，所述PWM调制模块采用SVPWM调制，所述逆变器采用三相逆变器。
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