一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法。

背景技术

在永磁同步电机控制领域，稳定带载启动问题是永磁同步机的核心问题，无论是在工业驱动系统还是其他多元领域，电机的可靠启动和稳健运行直接决定了系统性能的卓越表现。从电力驱动、交通运输，再到不断兴起的再生能源领域，电机作为不可或缺的核心驱动元件，其启动性能和稳定性质变得愈发突显，直接塑造了整个系统的效率和可靠性。

现有的电机启动策略在带载启动过程中会存在稳定性不足的问题，导致启动过程不平稳，极易影响系统的性能和可靠性。在实际应用中，为了在不同负载条件下实现永磁同步电机的稳定带载启动，常用的有转速开环和电流闭环的IF(Indirect Field-oriented)控制策略，但是转速开环和电流闭环的IF控制策略均存在转矩和相角失配的问题，电机强拖启动稳定性不高，主要通过高转矩来提高转速，让转速达到一个期望值后再进行调节，这个启动过程是不太科学的。

发明内容

为了弥补现有技术的不足，本发明目的在于提供一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法，基于相角匹配原理，确保电机在启动过程中能够始终保持正确的转矩和相角匹配，实现电机在不同恒定负载情况下的稳定带载启动。

一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法，具体步骤如下：

S1、在启动过程中，通过电流采样电阻获得电机定子电流的实时数据；

S2、基于步骤S1采集的信息数据，计算电机的转矩和转矩角变化；

S3、将电机的扭矩与功角之间的关系与相角匹配原理相结合；

S4、将步骤S3计算结果用于控制算法，使系统精确调整电机的控制参数，自动进行相角补偿，保持转矩与转矩角之间的匹配。

进一步地，所述电机为三相永磁同步电机，包括A相、B相和C相，当电机运行过程中，转子上的励磁绕组在励磁电压影响下产生励磁电流，定义为沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的为q轴，dq两轴固定在转子上，当电机运行过程中，dq两轴随转子同步旋转，对两输入电压进行坐标变换，将跟随转子旋转的转子坐标系中d轴和q轴电压转化为直流坐标系的α轴和β轴电压：

同步电机的定子电压方程为：

转子电压方程为：

dq两相旋转坐标系上的磁链方程为：

电磁转矩方程整理后得：

T

进一步地，所述电机以正方向速度旋转时，定子电流的方向被表示为i

进一步地，所述步骤S2中功角为定子电流与转子磁场方向的d轴之间的夹角；在电机运行时，功角的变化会直接映射到输出转矩上，功角越大，输出转矩越大；而功角越小，则输出转矩降低。

进一步地，所述控制系统采用转速开环、电流闭环的方法，进行一定的q轴电流设定值输出，并同时对转速指令信号进行积分，以产生自动累积的角度信号。

进一步地，在转速开环、电流闭环的方法中，各参数如电流值、角度都在虚拟的旋转坐标系中产生，这个虚拟坐标系可以理解为是软件模拟的dq坐标系，在此虚拟坐标系中，使用上标表示，虚拟坐标系与转子的实际位置坐标系之间必然存在相位差，这个相位差被定义为Δθ，即虚拟坐标系与实际转子位置所在坐标系之间的相位差即为Δθ，与这个相位差相互补充的角度被称为功角：

在不同的负载情况下，电机的功角会自动调整以使得输出的电磁转矩与负载转矩相平衡。

与现有技术相比，本发明有以下优点：

(1)与传统方法不同，本方法无需过多关注电机的具体参数，而是利用电机转矩和功角之间的适应性关系来保持启动过程中的转矩—功角匹配，从而确保稳定性；

(2)在不同的负载情况下，电机的功角会自动调整以使得输出的电磁转矩与负载转矩相平衡；当负载转矩发生变化时，功角的自适应变化会导致电机输出的电磁转矩进行相应的调整，以实现新的平衡状态；这种特性能够自动应对外界负载的变化，而不需要进行额外的控制操作，只需确保闭环控制中输出电流幅值的稳定和自加角度的准确性；不仅更精确地控制电机操作，还避免了实时监测带来的延迟和噪音问题。

附图说明

图1为本发明控制方法的控制框图；

图2为本发明的永磁同步电机相量图；

图3为现有的IF控制策略的控制框图；

图4为本发明的转矩角相位关系图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法作进一步说明。

如图1所示，一种基于相角补偿的电机带载启动控制方法，具体步骤如下：

步骤1：在启动过程中，通过电流采样电阻获得定子电流的实时数据，并计算电机的转矩和转矩角变化。

本发明中电机为三相永磁同步电机，电机绕组呈三相式分布，三相分别定义为A相、B相和C相，当电机运行过程中转子以一定角速度旋转，转子上的励磁绕组在励磁电压影响下产生励磁电流，定义为沿励磁磁极的轴线为d轴，与d轴正交的为q轴，dq两轴固定在转子上，当电机运行过程中，dq两轴随转子同步旋转。对两输入电压进行坐标变换，将跟随转子旋转的转子坐标系中d轴和q轴电压转化为直流坐标系的α轴和β轴电压：

同步电机的定子电压方程为：

转子电压方程为：

dq两相旋转坐标系上的磁链方程为：

电磁转矩方程整理后得：

T

当电机以正方向速度旋转时，定子电流的方向被表示为i

在这里，i

这三个分量，即i

步骤2：电机运行过程中自动进行相角补偿。即将电机的扭矩与功角之间的关系与相角匹配原理相结合，将电机的转矩和转矩角计算结果用于控制算法，使系统精确调整电机的控制参数，保持转矩与转矩角之间的匹配。

基于这些数据，控制系统通过重构电机模型，并结合功角和转矩角的关系，计算出电机的转矩和转矩角变化以进行相角补偿。

其中，功角是角度和功率之间的纽带，是指在电机运行中，角度变化对于所消耗或产生的功的影响，如图2所示。功角的大小直接影响电机的输出转矩，功角越大，输出转矩越大；而功角越小，则输出转矩降低。在电机运行时，功角的变化会直接映射到输出转矩上，从而影响了电机的整体性能，故人们常将其称为转矩角。

如图3所示，控制系统采用一种转速开环、电流闭环的方法，以实现一定的q轴电流设定值输出，并同时对转速指令信号进行积分，以产生自动累积的角度信号。在这一控制策略中，各参数如电流值、角度都在虚拟的旋转坐标系中产生，这个虚拟坐标系可以理解为是软件模拟的dq坐标系。在此虚拟坐标系中，使用上标(')表示。

这个虚拟坐标系与转子的实际位置坐标系之间必然存在相位差，这个相位差被定义为Δθ，即虚拟坐标系与实际转子位置所在坐标系之间的相位差即为Δθ，与这个相位差相互补充的角度被称为功角：

如图4所示，这个相位差的存在符合了之前对功角的定义，即定子电流与d轴(转子磁场方向)之间的夹角即为功角。在控制策略中，通过处理虚拟坐标系中的电流和角度信号，能够实现对电机的控制和稳定运行。由于三相永磁同步电机的电磁转矩方程包含了电机的各种参数，在IF控制策略下，电磁转矩方程需要用虚拟坐标系值在转子坐标系下的投影分量来替代，以实现更精确的计算。因此，电磁转矩方程与虚拟坐标系的相位关系和转子实际坐标系下的角度存在密切的联系。

可以理解，电机的转矩方程中的电磁转矩与负载转矩达到相平衡，加速度项考虑了转速变化的影响；根据负载转矩的变化，虚拟同步坐标系的角度差也会随之变化，进而影响到电磁转矩的输出；这种相角补偿特性实际上是通过调整功角使得电机能够适应外部负载的变化。

本发明方法是基于采样电阻数据和模型计算的方法，实质上是在离散时间点上对电机状态进行估计和预测，从而实现精确的控制。本方法的核心是将电机的转矩与功角之间的关系与相角匹配原理相结合，通过重构电机模型并计算电机转矩和转矩角变化，控制系统能够在启动过程中更精确地调整电机的操作，避免了因参数不匹配而引起的不稳定性。这种方法的有效性不仅限于启动阶段，还适用于电机在定负载切换工作条件下的稳定运行。

在启动过程中，通过定子电流信息重构电机模型并计算电机转矩和转矩角的变化，这种相角匹配的方法在启动阶段能够有效地抑制振荡和不稳定性，从而实现稳定的带载启动。在不同的负载情况下，电机的功角会自动调整以使得输出的电磁转矩与负载转矩相平衡；当负载转矩发生变化时，功角的自适应变化会导致电机输出的电磁转矩进行相应的调整，以实现新的平衡状态；这种特性能够自动应对外界负载的变化，而不需要进行额外的控制操作，只需确保闭环控制中输出电流幅值的稳定和自加角度的准确性；不仅更精确地控制电机操作，还避免了实时监测带来的延迟和噪音问题。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。