CN113541559B - 基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，所述方法包括虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段，在所述虚拟闭环控制阶段中根据虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，同时在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}；当电机达到预定转速后，控制系统转换为所述切换闭环控制阶段，令零电流同时通过低通滤波器输入D轴电流环控制器，在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0；同时在观测器输出的位置信息上叠加位置信息增量Δθ后输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换；随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0时，无感电机的逻辑控制切换为闭环运行控制。

Description

基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法及系统

技术领域

本发明涉及无感电机的控制技术，具体涉及一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法及系统。

背景技术

无感电机由于其内部不设置由霍尔感应元件，且状态观测器重构电角度需要使用正弦电流来观测反电动势，进而观测电角度，因此在电机转子静止或低速转动时，没有反电动势或反电动势及其微弱，无法用于估计电角度。现有技术中对无感电机的启动控制逻辑一般均采用开环控制策略。即如图1所示，无感电机在开环策略控制逻辑下启动时，电机开环策略控制逻辑产生一个幅度越来越大，频率越来越高的正弦电压波形，然后通过SVM调制器将该波形以PWM形式输出给电机。越来越快的正弦电压会拖动电机不断加速，直至进入闭环。该方式虽然简单，但有三个缺点：第一，参数调节繁琐。这是因为正弦曲线的加速度和幅度增长率都需要与电机及负载匹配，否则启动成功率大大降低。第二，开环阶段无法限制直轴电流环控制电路的电流大小，为追求启动成功率，经常出现总电流过大的问题。第三，引入较复杂的开环加速逻辑，消耗逻辑资源。

由此可见本领域中需要一种启动成功率更高，对电机适配性更好，启动阶段电流更小，同时更加节省逻辑控制资源的无感电机启动方法。

发明内容

本发明立足于对现有无感电机启动控制技术原理和不足的分析，提出了一种直接使用闭环控制逻辑启动无感电机的方法。该方法分虚拟闭环、切换闭环及闭环运行三个阶段。在切换闭环时，通过电流平滑处理，使电机电流平稳过渡。相较于传统方法，本发明提出的方法启动成功率更高，对电机适配性更好，启动阶段电流更小，同时由于复用了闭环逻辑，更加节省逻辑资源。

基于上述技术目的，本发明提供了一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，所述方法包括虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段，其中

在所述虚拟闭环控制阶段中根据虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，使用虚拟转子位置曲线中的速度信息替代指令速度信号输入至速度环路控制器，使用虚拟转子位置曲线中的位置信息替代观测器信号输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换；

在所述虚拟闭环控制阶段中，还包括在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}作为D轴电流环控制器的电流参考值；所述正电流I_{d_drv}被强制赋值给低通滤波器，并由低通滤波器将正电流I_{d_drv}输出至D轴电流环控制器；

当电机达到预定转速后，控制系统转换为所述切换闭环控制阶段，在所述切换闭环控制阶段中正电流I_{d_drv}停止强制赋值给低通滤波器，同时令零电流输出至低通滤波器，此时在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0；

在所述切换闭环控制阶段中，还包括切换指令速度信息输入速度环控制器，同时在观测器的位置信息上叠加位置信息增量Δθ后输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换，所述位置信息增量Δθ为：

上式中，I_{d_drv}为虚拟闭环控制阶段使用的正驱动电流，I_{d_target}为低通滤波器输出至D轴电流环控制器的电流，θ_ctrl为虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻，虚拟转子位置曲线中的转子位置信息，θ_obs为所述切换时刻，观测器输出的转子位置；

随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0时，无感电机的逻辑控制切换为闭环运行控制。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法中，所述虚拟转子位置曲线为转子的角速率-时间曲线，所述速曲线为随时间增长，角速率越来越快其数学表达式为：

其中ω为转子的角速率，a₀为速度随时间变化的一次项系数，a₁为速度随时间变化的二次项系数。a₀和a₁的取值由电机及负载的转动惯量决定，当电机的转动惯量越大，a₀和a₁的取值越小。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法中，所述正电流I_{d_drv}的数值选取取决于电机及负载的转动惯量，以及虚拟加速曲线的加速度，当转动惯量越大，加速越快时，需要的正电流I_{d_drv}越大。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法中，所述电机的预定转速的选择依据为电机的最低应用转速，即所述预定转速需低于最低应用转速。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法中，所述电机的预定转速设定为最低应用转速的30%~50%。

基于上述技术目的，本发明还提供了一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，所述启动系统中包括速度环控制器、D轴电流环控制器、Q轴电流环控制器、入PARK变换器、逆PARK变换器、SVM调制器、观测器及低通滤波器；

所述启动系统在控制电机启动时分为虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段，在所述虚拟闭环控制阶段中根据虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，使用虚拟转子位置曲线中的速度信息替代指令速度信号输入至速度环路控制器，使用虚拟转子位置曲线中的位置信息替代观测器信号输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换；同时在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}作为D轴电流环控制器的电流参考值；所述正电流I_{d_drv}被强制赋值给低通滤波器，并由低通滤波器将正电流I_{d_drv}输出至D轴电流环控制器；

当电机达到预定转速后，控制系统转换为所述切换闭环控制阶段，在所述切换闭环控制阶段中正电流I_{d_drv}停止强制赋值给低通滤波器，同时令零电流输出至低通滤波器，此时在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0；

在所述切换闭环控制阶段中，还包括切换指令速度信息输入速度环控制器，同时在观测器的位置信息上叠加位置信息增量Δθ后输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换，所述位置信息增量Δθ为：

上式中，I_{d_drv}为虚拟闭环控制阶段使用的正驱动电流，I_{d_target}为低通滤波器输出至D轴电流环控制器的电流，θ_ctrl为虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻，虚拟转子位置曲线中的转子位置信息，θ_obs为所述切换时刻，观测器输出的转子位置；

随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0时，无感电机的启动系统切换为闭环运行对无感电机进行控制。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统中，所述虚拟转子位置曲线为转子的角速率-时间曲线，所述速曲线为随时间增长，角速率越来越快其数学表达式为：

其中ω为转子的角速率，a₀为速度随时间变化的一次项系数，a₁为速度随时间变化的二次项系数。a₀和a₁的取值由电机及负载的转动惯量决定，当电机的转动惯量越大，a₀和a₁的取值越小。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统中，所述正电流I_{d_drv}的数值选取取决于电机及负载的转动惯量，以及虚拟加速曲线的加速度，当转动惯量越大，加速越快时，需要的正电流I_{d_drv}越大。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统中，所述电机的预定转速的选择依据为电机的最低应用转速，即所述预定转速需低于最低应用转速。

可选地，本发明提供的一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统中，所述电机的预定转速设定为最低应用转速的30%~50%。

根据本发明的发明点在于如下几个方面：

1.本发明中使用虚拟转子位置曲线提供无感电机在启动阶段的速度信息和位置信息，提高了加速曲线对无感电机负载的鲁棒性，使得无感电机的启动成功率大大提高；

2.本发明中使用了可控的正电流作为D轴电流环控制器的参考电流，从而实现了在小电流状态下的电机启动；

3.本发明中给出了在虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻的控制电流的平滑过渡和位置信息的平滑过渡的方法，从而提高了电机运行的稳定度；

4.本发明中仅使用到了一套闭环控制逻辑，实现了闭环控制逻辑的复用。区别于现有技术中的开环控制与闭环控制两套控制逻辑并用的情况。大大提高了控制效率，节省了逻辑资源。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了现有技术中使用开环策略控制逻辑对无感电机进行启动的方法示意图；

图2示出了本发明的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法的流程示意图；

图3示出了本发明实施例中的虚拟闭环阶段中逻辑控制结构示意图；

图4示出了本发明实施例中的切换闭环阶段中逻辑控制结构示意图；

图5示出了本发明实施例中的闭环运行阶段中逻辑控制结构示意图；

图6示出了本发明实施例中的无感电机两轴在控制系与真实系中的正电流I_{d_drv}的投影关系。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

根据图2-6所述本实施例的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法包括虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段。

如图3所示，在所述虚拟闭环控制阶段中根据预先生成的虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，所述虚拟转子位置曲线为转子的加速曲线，所述加速曲线为随时间增长，速度越来越快的一条位置曲线，其速度遵循如下规律：

即，

其中ω为转子的角速度，a₀为速度随时间变化的一次项系数，a₁为速度随时间变化的二次项系数。a₀和a₁的取值由电机及负载的转动惯量决定，当电机的转动惯量越大，a₀和a₁的取值越小。本实施例中以风扇电机应用为例，a₀取4Hz/s,a₁取5Hz/s²。

使用虚拟转子位置曲线中的速度信息替代指令速度信号输入至速度环路控制器，使用虚拟转子位置曲线中的位置信息替代观测器信号输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换。

在所述虚拟闭环控制阶段中，还包括在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}作为D轴电流环控制器的电流参考值。所述正电流I_{d_drv}被强制赋值给低通滤波器，并由低通滤波器将正电流I_{d_drv}输出至D轴电流环控制器。

所述正电流I_{d_drv}的数值选取取决于电机及负载的转动惯量，以及虚拟加速曲线的加速度，当转动惯量越大，加速越快时，需要的正电流I_{d_drv}越大。本实施例中以风扇应用为例，正电流I_{d_drv}选取0.5A。

所述虚拟闭环控制阶段与闭环运行阶段最根本区别在于无感电机的转子位置信息来源。所述虚拟闭环控制阶段使用虚拟转子坐标系，本发明中记为控制系，在控制系下无感电机的两轴记为D_ctrl轴和Q_ctrl轴。

同时，无感电机的真实转子坐标系记为真实系，无感电机的两轴记为D_actual轴和Q_actual轴。显然，控制系并非转子真实位置的反映，故和真实系间存在一定夹角。如图6所示，若真实系超前于控制系，控制系预置的I_{d_drv}在真实系Q_actual轴上存在一个负向的投影分量I_{d_drv_q}, 该分量会产生一个逆向转动的力矩，阻碍真实系转动，使得控制系追赶上真实系。同理，若真实系滞后于控制系，控制系预置的I_{d_drv}在真实系Q_actual轴上存在一个正向的投影分量I_{d_drv_q,} 该分量会产生一个正向转动的力矩，加速真实系转动，使其追赶上控制系。

根据上述分析，在所述虚拟闭环控制阶段，真实系总会趋近于控制系。若控制系不断加速，真实系也相应被“吸引”着一直加速，即转子被加速。这即为所述虚拟闭环控制阶段启动的原理。换言之，当转子远离控制位置时，I_{d_drv}较多地转化为真实系中的I_q，产生力矩使转子趋近于控制位置。由于所述虚拟闭环控制启动机制采用了负反馈方式，故成功率高于传统的开环启动方式。此外，该方式通过限制I_{d_drv}来限制总电流大小，实现小电流启动。

通过虚拟闭环控制的加速方式，当电机达到预定转速后，既可以切换闭环控制。然而由于切闭环后，位置信息突然从控制坐标系切换至观测器坐标系，且D轴电流环控制器的参考值从I_{d_drv}突变为0时，会导致整体电流发生一个剧烈跳变，进而影响电机运行的稳定性，故有必要对电流作平滑处理。

所述电机的预定转速的选择依据为电机的最低应用转速，即所述预定转速需低于最低应用转速。为增加系统鲁棒性，本实施例中将预定转速设定为最低应用转速的30%~50%。同样以风扇电机应用为例，通常风扇电机的最低应用转速为300rpm，则进入切换闭环阶段的预定转速阈值可选用144rpm。

在本发明中，当电机达到预定转速后，需进入本发明的所述的切换闭环控制阶段。参考图4所示的控制逻辑结构示意图，所述切换闭环控制阶段包括：

首先，正电流I_{d_drv}停止强制赋值给低通滤波器，同时令零电流输出至低通滤波器，此时在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0。

然后，切换指令速度信息输入速度环控制器，切换观测器的位置信息输入输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换。同时在观测器输出的位置信息需要叠加位置信息增量Δθ，所述位置信息增量Δθ为：

上式中，I_{d_drv}为虚拟闭环控制阶段使用的正驱动电流，I_{d_target}为低通滤波器输出至D轴电流环控制器的电流，随时间增加，从I_{d_drv}缓降为0。θ_ctrl为虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻，虚拟转子位置曲线中的转子位置信息，θ_obs为所述切换时刻，观测器输出的转子位置。显然，进闭环的起始时刻，Δθ为（θ_ctrl-θ_obs），即起始时刻的位置信息沿用虚拟闭环控制阶段的控制系。但进入切换闭环控制阶段后，随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0，位置信息最终趋向于观测器坐标系。由此实现坐标系的平滑过渡。

经由上述两个步骤，本实施例中在切换闭环控制阶段中实现了控制电流的平滑过渡和位置信息的平滑过渡。

如图5所示，当如上述步骤完成控制电流的平滑过渡和位置信息的平滑过渡后，即从I_{d_drv}缓降为0，Δθ也相应降为0后，逻辑控制系统切换为常规的闭环控制逻辑，即D轴电流环控制器输入零电流。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，其特征在于，所述无感电机启动方法包括虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段，其中：

在所述虚拟闭环控制阶段中根据虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，使用虚拟转子位置曲线中的速度信息替代指令速度信号输入至速度环路控制器，使用虚拟转子位置曲线中的位置信息替代观测器信号输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换；

在所述虚拟闭环控制阶段中，还包括在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}作为D轴电流环控制器的电流参考值；所述正电流I_{d_drv}被强制赋值给低通滤波器，并由低通滤波器将正电流I_{d_drv}输出至D轴电流环控制器；

当电机达到预定转速后，控制系统转换为所述切换闭环控制阶段，在所述切换闭环控制阶段中正电流I_{d_drv}停止强制赋值给低通滤波器，同时令零电流输出至低通滤波器，此时在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0；

在所述切换闭环控制阶段中，还包括切换指令速度信息输入速度环控制器，同时在观测器输出的位置信息上叠加位置信息增量Δθ后输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换，所述位置信息增量Δθ为：

上式中，I_{d_drv}为虚拟闭环控制阶段使用的正电流，I_{d_target}为低通滤波器输出至D轴电流环控制器的电流，θ_ctrl为虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻，虚拟转子位置曲线中的转子位置信息，θ_obs为所述切换时刻，观测器输出的转子位置信息；

随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0时，无感电机的逻辑控制进入闭环运行控制。

2.根据权利要求1所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，其特征在于，所述虚拟转子位置曲线为转子的角速率-时间曲线，所述曲线随时间增长，角速率越来越快，其数学表达式为：

其中ω为转子的角速率，a₀为速度随时间变化的一次项系数，a₁为速度随时间变化的二次项系数，a₀和a₁的取值由电机及负载的转动惯量决定，当电机的转动惯量越大，a₀和a₁的取值越小。

3.根据权利要求1所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，其特征在于，所述正电流I_{d_drv}的数值选取取决于电机及负载的转动惯量，以及虚拟加速曲线的加速度，当转动惯量越大，加速越快时，需要的正电流I_{d_drv}越大。

4.根据权利要求1所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，其特征在于，所述电机的预定转速的选择依据为电机的最低应用转速，即所述预定转速需低于最低应用转速。

5.根据权利要求4所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动方法，其特征在于，所述电机的预定转速设定为最低应用转速的30%~50%。

6.一种基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，其特征在于，所述启动系统中包括速度环控制器、D轴电流环控制器、Q轴电流环控制器、PARK变换器、逆PARK变换器、SVM调制器、观测器及低通滤波器；

所述启动系统在控制电机启动时分为虚拟闭环控制阶段和切换闭环控制阶段，在所述虚拟闭环控制阶段中根据虚拟转子位置曲线进行无感电机的启动控制，使用虚拟转子位置曲线中的速度信息替代指令速度信号输入至速度环路控制器，使用虚拟转子位置曲线中的位置信息替代观测器信号输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换；同时在D轴电流环控制器上施加正电流I_{d_drv}作为D轴电流环控制器的电流参考值；所述正电流I_{d_drv}被强制赋值给低通滤波器，并由低通滤波器将正电流I_{d_drv}输出至D轴电流环控制器；

当电机达到预定转速后，控制系统转换为所述切换闭环控制阶段，在所述切换闭环控制阶段中正电流I_{d_drv}停止强制赋值给低通滤波器，同时令零电流输出至低通滤波器，此时在低通滤波器的作用下输入D轴电流环控制器的参考电流I_{d_target}从I_{d_drv}缓降至0；

在所述切换闭环控制阶段中，还包括切换指令速度信息输入速度环控制器，同时在观测器的位置信息上叠加位置信息增量Δθ后输入PARK变换器和逆PARK变换器，用于定子坐标系与转子坐标系之间的坐标变换，所述位置信息增量Δθ为：

上式中，I_{d_drv}为虚拟闭环控制阶段使用的正电流，I_{d_target}为低通滤波器输出至D轴电流环控制器的电流，θ_ctrl为虚拟闭环控制阶段向切换闭环控制阶段的切换时刻，虚拟转子位置曲线中的转子位置信息，θ_obs为所述切换时刻，观测器输出的转子位置；

随着I_{d_target}降为0，Δθ也相应降为0时，无感电机的启动系统切换为闭环运行对无感电机进行控制。

7.如权利要求6所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，其特征在于，所述虚拟转子位置曲线为转子的角速率-时间曲线，所述曲线随时间增长，角速率越来越快，其数学表达式为：

其中ω为转子的角速率，a₀为速度随时间变化的一次项系数，a₁为速度随时间变化的二次项系数，a₀和a₁的取值由电机及负载的转动惯量决定，当电机的转动惯量越大，a₀和a₁的取值越小。

8.如权利要求6所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，其特征在于，所述正电流I_{d_drv}的数值选取取决于电机及负载的转动惯量，以及虚拟加速曲线的加速度，当转动惯量越大，加速越快时，需要的正电流I_{d_drv}越大。

9.如权利要求6所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，其特征在于，所述电机的预定转速的选择依据为电机的最低应用转速，即所述预定转速需低于最低应用转速。

10.如权利要求9所述的基于闭环控制逻辑的无感电机启动系统，其特征在于，所述电机的预定转速设定为最低应用转速的30%~50%。

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