永磁同步电机闭环切换方法与流程

本发明涉及电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机闭环切换方法。

背景技术：

变频空调行业使用到的电机为永磁同步电机(简称pmsm)，永磁同步电机控制算法一般都是矢量控制算法，也就是磁场定向控制算法(简称foc)；矢量控制算法由坐标变换、电流采样和重构、位置估算、速度环调节器、电流环调节器、空间矢量调制(简称svpwm)构成，目前大多数位置估算方法无法在永磁同步电机零速和超低速条件下准确地估算电机位置信息，导致电机无法实现安全可靠直接从静止状态启动。

目前行业对于永磁同步电机的启动绝大多数采用一种传统三步启动方法。所述三步启动方法，即通过转子预定位阶段、开环强制运行阶段及闭环运行阶段三个阶段进行电机的启动。

第一步转子预定位阶段，是通过电流调节器给定固定的磁场方向，强制转子转动到给定的位置上，这个过程是一个半开环控制，也就是电流环闭环运行、速度环开环，给定有转子固定的给定位置角。

第二步开环强制运行阶段，维持第一步的状态，给定一个固定负载转矩，同时给定从零速以固定加速度上升的转速和角度，此时会产生一个加速旋转的磁场，迫使转子跟随给定旋转磁场加速转动，当转子转速达到一定速度后位置估算估算出转子的位置信息(包括转速和位置角)，此时就可以切入第三步了。

第三步闭环运行阶段，电流环闭环，通过估算的位置信息闭环速度环，速度环调节器工作。

一般情况下，由于开环强制运行阶段切换至闭环运行阶段时负载完全不同(开环强制运行阶段是给定的负载转矩，闭环运行阶段是实际的负载转矩)，所以如果直接进行切换，电机电流必然将出现大幅度的震荡，导致切换过程电流突变，触发过流保护，严重时导致电机启动失败或永磁体退磁。

因此，如何有效地使电机启动的开环强制运行阶段稳定地可靠无缝切入闭环运行阶段，是本领域所急需解决的重要问题之一。

技术实现要素：

本发明的目的在于为克服现有技术的不足而提供一种永磁同步电机闭环切换方法。

永磁同步电机闭环切换方法，采用磁场定向控制算法运行，包括转子预定位阶段、开环强制运行阶段及闭环运行阶段，所述开环强制运行阶段中，电流环闭环运行，速度环开环运行，所述开环强制运行阶段包括以下步骤：

s1、设定有电机转子的给定转速spdif、切换目标转速spdswitch以及负载平衡判定角度范围；

s2、设定有指数衰减公式，当给定转速spdif加速至切换目标转速spdswitch时，使电流环中的交轴pi调节器输入的交轴目标电流iqreg按照指数衰减公式进行衰减；

s3、计算电机转子位置的估算位置角θ3与电机转子于开环强制运行阶段的给定位置角θ2之间的角度差值△θ，当角度差值△θ在所述平衡判定角度范围之内时，判定转子呈负载平衡状态，并进行闭环运行阶段的切换。

其应用原理如下：

在启动过程中的开环切入闭环阶段，因指数曲线的特点是衰减速率刚开始最大，后速率逐渐变小，最后无限趋近0，所以通过增加一个判断触发的交轴目标电流iqreg按照指数曲线衰减的方法，即可有效地满足电机在开环切入闭环过程负载平衡特性；进而通过估算位置角θ3及给定位置角θ2的角度角度差值△θ以判定为负载平衡状态，以满足电机从开环切入闭环时机的准确判定需要。

进一步地，所述指数衰减公式为iqreg＝ipark×(e^-wt)，其中，ipark为开环强制运行阶段的给定电流，w＝1/τ，τ为时间常数。

进一步地，时间常数τ选择范围为1～5rad/s；优选为1rad/s，符合空调启动时间要求。

进一步地，于步骤s3中，所述平衡判定角度范围为0至5度。

进一步地，于步骤s2中，设定有给定转速spdif的加速度k，给定转速spdif按照加速度k从0加速到切换目标转速spdswitch。

进一步地，于步骤s2中，当给定转速spdif加速至切换目标转速spdswitch时，，电机转子停止加速，并触发切换标志switchtrig，使交轴目标电流iqreg按照指数衰减公式进行衰减。

进一步地，于步骤s2中，交轴目标电流iqreg的指数衰减通过高通滤波器或者低通滤波器实现。

进一步地，切换至闭环运行阶段时，令速度调节器输出的转矩电流isreg给定初始值为电机交轴实际反馈电流iq。

切换至闭环运行阶段时，一般的速度调节器开始工作输出都是从0开始调节，然而此时的实际负载并不为0，所以速度调节器从0开始调节就需要一定的时间才能追踪实际的负载，因此调节存在时间上的滞后，而且从0到调节器追踪上实际负载的过程中，pi输出的负载和实际负载存在误差，导致电机电流波动，严重可能导致失步；通过对传统速度调节器进行修正，当把速度调节器的初始值设计为实际负载时，进入闭环后，速度调节器的调节就可以省去从0到实际负载的调节时间，使得速度调节器输出快速、稳定，切换平滑可靠。

本发明提出的一种永磁同步电机闭环切换方法，能使永磁同步电机的开环运行切入闭环运行的切换平滑、稳定而可靠，满足高品质的变频空调室外压缩机、风机应用的要求，具有产品化的价值。

附图说明

图1为永磁同步电机foc控制算法原理框图；

图2为本发明实施例中的目标转速、开环给定转速变换过程示意图；

图3为本发明实施例中的估算角度、开环给定角度变换过程示意图；

图4为本发明实施例中的触发切换标志/闭环标志变换过程示意图；

图5为本发明实施例中的电机三相电流变换过程示意图；

图6为本发明实施例中的交直轴目标电流变换过程示意图；

图7为本发明实施例中的变频室外风机(pmsm)实测启动电流波形示意图。

具体实施方式

为了使本发明的技术方案、目的及其优点更清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的解释说明。

永磁同步电机采用的控制算法如图1所示，采用的是id＝0的控制策略；其包括的功能模块及所述功能模块的作用如表1所示，其中变量及所述变量的定义如表2所示。

表1：

表2：

本发明的一种永磁同步电机闭环切换方法，采用启动方式为传统的三步启动方法，故可以将启动状态分为转子预定位阶段、开环强制运行阶段及闭环运行阶段这三个阶段，而其中所述开环强制运行阶段包括开环加速过程及开环切闭环过程，开关s1～s4根据不同的阶段进行切换；结合图1，得出各阶段的工作状态如表3所示。

表3：

本发明的一种永磁同步电机闭环切换方法是在开环强制运行阶段，增加一个判断触发的交轴目标电流iqreg，令iqreg按照指数曲线衰减，使电机位置的估算位置角θ3和电机开环强制运行阶段的给定位置角θ2的角度的角度差值△θ逐渐减少；预设有平衡判定角度范围为0至5度，当通过位置估算模块估算开环强制运行阶段的电机位置的估算位置角θ3和电机开环强制运行阶段的给定位置角θ2的角度差值△θ在所述平衡判定角度范围之内时，即判断为△θ接近0的状态，以判定为转子呈负载平衡状态，并进行闭环运行阶段的切换。

同时于所述闭环运行阶段中，速度调节器输出电流isreg的初始值＝实际反馈电流iq，使速度调节器的输出从实际反馈电流iq作为初始值开始调节，实现电流及转速平稳可靠地进行开环至闭环的切换。

如图2至图6所示，启动过程如下：

转子预定位阶段：按照对应表3切换各种状态，电机转子转到预定位的角度，电机实际转子与给定角度θ1平行，此时实际电机转子位置角θ3和给定位置角相差90度，给定转速此时为0，此时电机绕组施加直流电压，所以电机绕组中流过直流电流。

开环强制运行阶段：

开环加速过程：按照对应表3切换各种状态，开环的给定转速spdif按照固定的加速度k从0加速到切换转速spdswitch时，spdif停止加速，该过程成为开环加速过程，此时位置角由转速积分得到(∫spdifdt)，该过程电机电流的幅度保持不变，与ipark相等，其中k为常数。

开环切闭环过程：当开环加速转速达到切换转速spdswitch后，触发一个切换标志(switchtrig)，switchtrig属于强制开环运行模块，当开环给定转速大于切换转速即spdif>＝spdswitch时刻，switchtrig由0变为1，作为一个触发信号。表示此时切换过程开始了，iqreg开始按照指数曲线衰减。

此时进入开环切闭环过程，利用iqreg按照指数曲线衰减，衰减公式为：iqreg＝ipark×(e^-wt)；w＝1/τ，τ为时间常数；使得iqreg随时间t而进行指数曲线衰减；并可通过改变w来调节切换曲线的快慢；与此同时，计算角度差值δθ＝θ3-θ2，当δθ接近0时判定为负载平衡状态，切入闭环，触发闭环标志(closeflag)。

闭环运行阶段：当电机进入闭环阶段时，首先将速度调节器输出配置初始值，速度调节器输出的转矩电流isreg的初始值＝电机交轴的实际反馈电流iq；按照表3切换工作开关s1～s4，则此时速度调节器工作，电机进入闭环运行。

根据本发明的一种永磁同步电机闭环切换方法，应用于变频空调室外风机的电机上，实测得电机某相电流波形如图7所示。

所述交轴目标电流iqreg的指数衰减通过一阶高通滤波器运算实现，因为一阶高通滤波器时域函数就是指数函数，而且符合本发明要求的衰减曲线；或通过低通滤波器以间接运算实现；或可通过查表方法绘制指数曲线以满足iqreg指数衰减的应用需求。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，对于本技术领域的技术人员，在不脱离本发明的实施原理前提下，依然可以对所述实施例进行修改，而相应修改方案也应视为本发明的保护范围。