CN117335712A - 一种水下推进无速度传感器正反转控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，属于水下推进电机控制器控制技术领域。包括：获取用户对电机的转速需求信号，并计算得到转速指令信号；获取三相电机电压，三相电机电流，并计算得到电机功率；依据转速指令信号计算转子牵引角度值；基于电机功率计算转子牵引角度的补偿值；基于转子牵引角度值、转子牵引角度的补偿值，计算补偿后的牵引角度值；获取电机转子位置和电机转子转速，计算电流指令、解耦角度、以及转子速。本发明支持反复正反转切换并自行平滑切换至中高速无速度控制策略模式，整个过程中，电机注入辅助信号引起的噪音且具备一定抵抗负载波动的能力。

Description

一种水下推进无速度传感器正反转控制方法

技术领域

本发明属于水下推进电机控制器控制技术领域，具体涉及一种水下推进无速度传感器正反转控制方法。

背景技术

永磁同步电机作为主推系统或者辅推系统提供动力牵引是一种趋势，具有以下优势：(1)低速启动扭矩大，大扭矩的堵转特性是整个系统能够抵抗水下复杂地形和复杂干扰物的重要保证；(2)系统效率高确保整个系统续航时间更长，能够正常工作周期更久，作业距离更长；(3)扭矩脉动较小，噪音低的优点在特种应用场景具有重要意义；永磁同步电机特性严重依赖电机转子位置编码器的可靠运行。一旦编码器存在故障，特种应用场景下对推进系统要求进入“带故”运行模式。

在“故障运行”阶段，在启动阶段通常有两种方式完成电机启动。第一种方式为：高频信号注入法。如文献《永磁同步电机无位置传感器运行控制技术研究》，该方法依赖电机的“凸极”特性，根据不同转子位置下定子电感不同，提取转子位置分量，实现电机启动；该方法依赖电机的“凸极”特性，而对于水下推进电机常用的表贴式永磁同步电机(SPM)，凸极特性不足，难以提取出转子位置；该方法引起定子磁场产生大量谐波，引起谐波扭矩，从而引起电机较大噪音，在水下推进应用需求时功能受限。第二种方式为：恒流频法启动。如文献《一种无位置传感器的永磁同步电机全速度范围控制方法》，专利申请公布号CN113938077A。该方法采用功角自平衡方法实现电机启动到高速无速度传感器运行控制策略平滑切换，其原理如图1所示。然而该方法在水下推进系统要求频繁的低速正反转需求，应用场景难以满足水下推进控制要求。

发明内容

发明目的：为了解决上述问题，本发明提供了一种水下推进无速度传感器正反转控制方法。

技术方案：一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，包括以下步骤：

接收用户对电机的转速需求信号ω_obi；获取三相电机电压u_a、u_b、u_c，以及三相电机电流i_a、i_b、i_c；

基于转速需求信号ω_obj计算得到转速指令信号ω_ref；基于三相电机电压u_a、u_b、u_c，三相电机电流i_a、i_b、i_c，计算得到电机功率P_e；

依据所述转速指令信号ω_ref计算得到转子牵引角度值θ_force1；基于所述电机功率P_e计算得到转子牵引角度的补偿值θ_cmp；

基于转子牵引角度值θ_force1、转子牵引角度的补偿值θ_cmp，计算得到补偿后的牵引角度值θ_force；

获取电机转子位置θ_est和电机转子转速ω_est；基于电机转子位置θ_est、电机转子转速ω_est、补偿后的牵引角度值θ_force、转速指令信号ω_ref，计算得到电流指令i_qref、解耦角度θ_e、以及转子速度ω_e。

进一步地，所述转速指令信号ω_ref计算过程包括以下步骤：

若ω_obj≥ω_ref0，则ω_ref＝ω_ref0+ΔT*ω_step；

若ω_obj＜ω_ref0，则ωω_ref＝ω_ref0-ΔT*ω_step；

其中，ω_ref0为系统设置参考转速，ΔT为系统采样周期，ω_step为推进系统最大允许加速度限制值。

进一步地，所述电机功率P_e的计算过程包括以下步骤：

计算两相静止坐标系下电压分量u_α，u_β，计算公式如下：u_α＝u_α；

计算两相静止坐标系下电流分量i_α，i_β，计算公式如下：i_α＝i_α；

计算电机功率P_e，如下：

进一步地，所述转子牵引角度值θ_force1的计算过程包括以下步骤：

θ’_force0＝θ_force0+ΔT*ω_ref；其中，θ_force0为转子初始角度；

对θ′_force0进行归一化处理，规则如下所示：

若θ′_force0≥2π，则θ_force1＝θ′_force0-2π；

若θ′_force0＜0，则θ_force1＝θ′_force0+2π。

进一步地，所述转子牵引角度的补偿值θ_cmp的计算过程包括以下步骤：

其中，t表示时间；

上式中sign为符号函数，定义如下：

进一步地，所述补偿后的牵引角度补偿值θ_force的计算过程包括以下步骤：θ’_force＝θ_cmp+θ_force1；

对θ′_force进行归一化处理；

若θ’_force≥2π，则θ_force＝θ’_force-2π；

若θ’_force＜0，则θ_force＝θ’_force+2π。

进一步地，计算电流指令i_qref、解耦角度θ_e、以及转子速度ω_e，包括以下步骤：

当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＜ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝sign(ω_ref)*i_set；

上式中ABS[*]为取绝对值，ω_loopup为开环切入闭环切换转速值；i_set为启动电流值。

进一步地，还包括以下步骤：

当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝i_qref0-sign(ω_ref)*i_set*ΔT；其中，i_qref0为预设的参考电流值；

若ω_ref＞0，则i_qref最小为0；

若ω_ref＜0，则i_qref最大为0；

令θ_err＝θ_est-θ_force；

若ABS[θ_err]＜θ_erromax，则切入闭环：

Sts＝闭环；

其中，θ_erromax为角度偏差。

进一步地，还包括以下步骤：

当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则电流给定为正常转速跟踪；

θ_e＝θ_est；

ω_e＝ω_est；

i_qref＝i_spdpi；

其中i_spdpi为预设的控制电流。

进一步地，还包括以下步骤：

当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＜ω_loopdown，则：

令θ_force＝θ_est；

ω_ref＝ω_est；

Sts＝开环；

其中，ω_loopdown为闭环切入开环切换转速值。

有益效果：本发明支持反复正反转切换并自行平滑切换至中高速无速度控制策略模式，整个过程中，电机注入辅助信号引起的噪音且具备一定抵抗负载波动的能力；无引入辅助注入信号带来的噪音；主动抑制因牵引角度引入的转速抖动；同时支持表贴式和内嵌式两种永磁同步电机，应用范围更广。

附图说明

图1是现有技术中传统“带故”运行模式下水下推进控制系统框图；

图2是本发明“带故”运行模式下水下推进控制系统框图；

图3是本发明处理步骤框图；

图4是切换处理逻辑状态框图。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，包括以下步骤：

S1：根据用户对电机的转速需求信号ω_obj；基于转速需求信号ω_obj计算得到转速指令信号ω_ref。

转速指令信号ω_ref计算方式如下：

若ω_obj≥ω_ref0，则ω_ref＝ω_ref0+ΔT*ω_step；

若ω_obj＜ω_ref0，则ω_ref＝ω_ref0-ΔT*ω_step。

上式中，ΔT为系统采样周期，单位为s，ω_step为推进系统最大允许加速度限制值，单位为rad/s²。

S2：获取三相电机电压u_a、u_b、u_c和三相电机电流i_a、i_b、i_c；基于三相电机电压u_a、u_b、u_c，三相电机电流i_a、i_b、i_c，计算得到电机功率P_e。

S2中计算得到电机功率P_e，包括以下步骤：

S2.1计算两相静止坐标系下电压分量u_α，u_β，如下：

u_α＝u_a；

S2.2计算两相静止坐标系下电流分量i_α，i_β，如下：

i_α＝i_a；

S2.3在S2.1、S2.2基础上计算电机功率P_e，如下：

S3：在S1的基础上，依据所述转速指令信号ω_ref计算得到转子牵引角度值θ_force1。

S3中计算转子牵引角度值θ_force1，包括以下步骤：

S3.1计算角度θ_force1，如下所示：θ’_force0＝θ_force0+ΔT*ω_ref；其中，θ_force0为转子初始角度；

S3.2对θ′_force0进行归一化处理，规则如下所示：

若θ’_force0≥2π，则θ_force1＝θ’_force0-2π；

若θ’_force0＜0，则θ_force1＝θ’_force0+2π。

S4：在S2的基础上基于所述电机功率P_e计算得到转子牵引角度的补偿值θ_cmp。

S4中计算转子牵引角度的补偿值θ_cmp，包括以下步骤：

其中，t表示时间；

上式中sign为符号函数，定义如下：

S5：在S3，S4基础上，基于转子牵引角度值θ_force1、转子牵引角度的补偿值θ_cmp，计算得到补偿后的牵引角度值θ_force。

S5中计算补偿后的牵引角度值θ_force，包括以下步骤：

S5.1计算牵引角度：θ’_force＝θ_cmp+θ_force1；

S5.2对θ′_force进行归一化处理：

若θ’_force≥2π，则θ_force＝θ’_force-2π；

若θ’_force＜0，则θ_force＝θ’_force+2π。

S6：获取电机转子位置θ_est和电机转子转速ω_est；基于电机转子位置θ_est、电机转子转速ω_est、补偿后的牵引角度值θ_force、转速指令信号ω_ref，计算得到电流指令i_qref、解耦角度θ_e、以及转子速度ω_e。

S6所描述的计算电流指令i_qref、解耦角度θ_e和转子速度ω_e，如下图4所示，具体步骤：

S6.1如果当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＜ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝sign(ω_ref)*i_set；

上式中ABS[*]为取绝对值，ω_loopup为开环切入闭环切换转速值，单位为rad/s为保证有足够的反电动势值，此值通常不小于0.1*ω_N，ω_N为额定转速；i_set为启动电流值恒大于0，通常设定为系统额定电流，单位为A。

S6.2如果当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝i_qref0-sign(ω_ref)*i_set*ΔT；其中，i_qref0为预设的参考电流值

若ω_ref＞0，则i_qref最小为0；

若ω_ref＜0，则i_qref最大为0；

令θ_err＝θ_est-θ_force；

若ABS[θ_err]＜θ_erromax，则切入闭环：

Sts＝闭环；其中，θ_erromax为角度偏差。

S6.3如果当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则电流给定为正常转速跟踪；

θ_e＝θ_est；

ω_e＝ω_est；

i_qref＝i_spdpi；其中i_spdpi为预设的控制电流。

S6.4如果当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＜ω_loopdown，则：

θ_force＝θ_est；

ω_ref＝ω_est；

Sts＝开环；

ω_loopdown为闭环切入开环切换转速值，单位为rad/s，保证有足够的反电动势值，此值通常不小于0.05*ω_N。

Claims (10)

1.一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

接收用户对电机的转速需求信号ω_obj；获取三相电机电压u_a、u_b、u_c，以及三相电机电流i_a、i_b、i_c；

基于转速需求信号ω_obj计算得到转速指令信号ω_ref；基于三相电机电压u_a、u_b、u_c，三相电机电流i_a、i_b、i_c，计算得到电机功率P_e；

依据所述转速指令信号ω_ref计算得到转子牵引角度值θ_force1；基于所述电机功率P_e计算得到转子牵引角度的补偿值θ_cmp；

基于转子牵引角度值θ_force1、转子牵引角度的补偿值θ_cmp，计算得到补偿后的牵引角度值θ_force；

获取电机转子位置θ_est和电机转子转速ω_est；基于电机转子位置θ_est、电机转子转速ω_est、补偿后的牵引角度值θ_force、转速指令信号ω_ref，计算得到电流指令i_qref、解耦角度θ_e、以及转子速度ω_e。

2.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，所述转速指令信号ω_ref计算过程包括以下步骤：

若ω_obj≥ω_ref0，则ω_ref＝ω_ref0+ΔT*ω_step；

若ω_obj＜ω_ref0，则ω_ref＝ω_ref0-ΔT*ω_step；

其中，ω_ref0为系统设置参考转速，ΔT为系统采样周期，ω_step为推进系统最大允许加速度限制值。

3.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，所述电机功率P_e的计算过程包括以下步骤：

计算两相静止坐标系下电压分量u_α，u_β，计算公式如下：u_α＝u_a；

计算两相静止坐标系下电流分量i_α，i_β，计算公式如下：i_α＝i_a；

计算电机功率P_e，如下：

4.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，所述转子牵引角度值θ_force1的计算过程包括以下步骤：

θ’_force0＝θ_force0+ΔT*ω_ref；其中，θ_force0为转子初始角度；

对θ’_force0进行归一化处理，规则如下所示：

若θ’_force0≥2π，则θ_force1＝θ’_force0-2π；

若θ’_force0＜0，则θ_force1＝θ’_force0+2π。

5.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，所述转子牵引角度的补偿值θ_cmp的计算过程包括以下步骤：

其中，t表示时间；

上式中sign为符号函数，定义如下：

6.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，所述补偿后的牵引角度补偿值θ_force的计算过程包括以下步骤：θ’_force＝θ_cmp+θ_force1；

对θ′_force进行归一化处理；

若θ’_force≥2π，则θ_force＝θ’_force-2π；

若θ’_force＜0，则θ_force＝θ’_force+2π。

7.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，计算电流指令i_qref、解耦角度θ_e、以及转子速度ω_e，包括以下步骤：

当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＜ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝sign(ω_ref)*i_set；

上式中ABS[*]为取绝对值，ω_loopup为开环切入闭环切换转速值；i_set为启动电流值。

8.如权利要求1所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当前状态Sts为开环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则：

θ_e＝θ_force；

ω_e＝ω_ref；

i_qref＝i_qref0-sign(ω_ref)*i_set*ΔT；其中，i_qref0为预设的参考电流值；

若ω_ref＞0，则i_qref最小为0；

若ω_ref＜0，则i_qref最大为0；

令θ_err＝θ_est-θ_force；

若ABS[θ_err]＜θ_erromax，则切入闭环：

Sts＝闭环；

其中，θ_erromax为角度偏差。

9.如权利要求8所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＞ω_loopup，则电流给定为正常转速跟踪；

θ_e＝θ_est；

ω_e＝ω_est；

i_qref＝i_spdpi；

其中i_spdpi为预设的控制电流。

10.如权利要求9所述的一种水下推进无速度传感器正反转控制方法，其特征在于，还包括以下步骤：

当前状态Sts为闭环，且ABS[ω_est]＜ω_loopdown，则：

令θ_force＝θ_est；

ω_ref＝ω_est；

Sts＝开环；

其中，ω_loopdown为闭环切入开环切换转速值。