CN117749025B - 宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，涉及永磁同步电机控制技术领域，包括如下步骤：计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb；计算获得转速均值和转速变化评价指数Vb；计算目标永磁同步电机的加速度，从而进一步计算加速度均值和加速度变化评价指数Db；依据负载、转速及加速度分析结果，实现宽转速自适应调节；采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警。通过综合考虑多种因素，可以实现电机的精确调速，并对永磁同步电机的自适应调节后的转速进行分析，从而可以及时发现并处理问题。
Description
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体为宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法。
背景技术
目前永磁同步电机控制方法有变频调速法、直接转矩控制法、PWM调速法及矢量控制法。变频调速法利用变频器调节供电频率和电压，以实现电机转速的精确控制。变频调速法通常具有调速范围广、控制精度高、启动和制动性能好等特点，是常用的永磁同步电动机调速方式；直接转矩控制法通过测量电机的磁场和电枢电流，计算出转子速度和负载特性，从而实现对电机的转矩控制。直接转矩控制法通常具有响应速度快、调速精度高等特点，适用于对转速变化要求较高的应用领域。PWM调速法采用PWM(脉宽调制)技术，通过改变电机电压的脉冲宽度，控制电机的转速。这种方法具有调速范围宽、控制精度高、可靠性强等优点。矢量控制法采用数学模型来控制电机的磁场，实现精确的转速和扭矩控制，应用于高精度控制领域。
在申请公布号为CN111262490A的中国发明申请中，公开了一种双转子永磁电机控制方法及系统，包括对电机的三相定子电流进行检测，得到定子电流；对所述定子电流进行坐标变换，得到定子电流的两项旋转系的量；基于所述定子电流的两项旋转系的量计算下一时刻定子电流dq轴的分量值；确定电压矢量；对所述电压矢量进行扩展；采用改进的价值函数基于所述下一时刻定子电流dq轴的分量值从扩展后的电压矢量中选择最佳电压矢量；基于所述最佳电压矢量控制逆变器的导通与关闭，从而控制所述双转子永磁电机稳定运行。
在以上发明申请中，通过对电机的电流和电压进行分析，从而确定最佳电压矢量，控制双转子永磁电机稳定运行，但在实际操作过程中，由于电机负载的不同，相同的电流和电压会产生不同的转速，因此仅仅依靠电流和电压数据分析对永磁同步电机进行分析控制，会导致控制精度不高，且无法预知控制结果是否达到预期。
为此，本发明提供了宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，通过对永磁同步电机的负载、转速及加速度进行分析，获得负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db，综合考虑多种因素，可以实现电机的精确调速，使电机的加减速控制更加合理，电机在启动、停止时更加平稳。并对永磁同步电机的自适应调节后的转速进行分析，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警，可以了解自适应调节后的转速与期望转速之间的差异，当Pc大于偏差阈值时，说明电机转速存在异常，此时发出异常预警可以及时发现并处理问题，避免造成更大的损失或故障。从而解决了背景技术中记载的技术问题。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：
采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb；
采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算获得转速均值和转速变化评价指数Vb；
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，并进一步计算加速度均值和加速度变化评价指数Db；
依据负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db，得到占空比可调的PWM信号，将PWM信号输出到电机驱动器中，实现宽转速自适应调节；
采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警。
进一步的，在永磁同步电机输出端安装力传感器，通过力传感器周期性采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，其中i＝1、2…n，且n≤100，i表示为第i个负载数据的时间顺序编号；周期性采集时间间隔为100us。
进一步的，获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，进行线性归一化处理后，计算获得负载均值
对应的负载均值的计算公式如上。
进一步的，获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)和负载均值进行线性归一化处理后，计算获得负载变化评价指数Fb：
对应的负载变化评价指数Fb的计算公式如上。
进一步的，在永磁同步电机输出端安装光电编码器，通过光电编码器周期性采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，其中i＝1、2…n，且n≤100，i表示为第i个转速数据的时间顺序编号；周期性采集时间间隔为100us；
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，进行线性归一化处理后，计算获得转速均值
对应的转速均值的计算公式如上。
进一步的，获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)和转速均值进行线性归一化处理后，计算获得转速变化评价指数Vb：
对应的转速变化评价指数Vb的计算公式如上。
进一步的，获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，对应的加速度ai-1的计算公式如下：
整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)。
进一步的，获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，进行线性归一化处理后，计算获得加速度均值
对应的加速度均值的计算公式如上。
进一步的，获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)和加速度均值进行线性归一化处理后，计算获得加速度变化评价指数Db：
对应的加速度变化评价指数Db的计算公式如上。
进一步的，将负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db和目标转速输入PID控制器，PID控制器计算出控制量后输出。
进一步的，将控制量输入到PWM发生器中，通过PWM发生器内部的处理电路和滤波电路，得到占空比可调的PWM信号。
进一步的，将PWM信号输出到电机驱动器中，通过调节占空比来控制电机的电流和转速，实现宽转速自适应调节。
进一步的，使用光电编码器周期性采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，其中k＝1、2…m，且m≤100，k表示为第k个转速数据的时间顺序编号。周期性采集时间间隔为100us。
进一步的，获取调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)和目标转速Va，计算获得调节偏差系数Pc：
对应的调节偏差系数Pc的计算公式如上。
(三)有益效果
本发明提供了宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，具备以下有益效果：
1、通过采集目标永磁同步电机的负载，计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb，可以了解电机的实际负载情况，判断电机是否处于过载或欠载状态，以及是否需要调整控制策略来优化电机的运行。
2、通过采集目标永磁同步电机的转速，计算获得转速均值和转速变化评价指数Vb，可以了解电机的实际转速情况，判断电机是否处于过速或低速状态，以及是否需要调整控制策略来优化电机的运行，避免因为电机转速出现异常波动或长时间处于过速状态，对电机寿命和稳定性造成影响。
3、依据负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db，得到占空比可调的PWM信号，将PWM信号输出到电机驱动器中，实现宽转速自适应调节，实现电机的精确调速，使电机的加减速控制更加合理，电机在启动、停止时更加平稳。
4、通过采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警，可以了解自适应调节后的转速与期望转速之间的差异，当Pc大于偏差阈值时，说明电机转速存在异常，此时发出异常预警可以及时发现并处理问题，避免造成更大的损失或故障。
附图说明
图1为本发明宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法的流程示意图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。
请参阅图1，本发明提供宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：
步骤一、采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb。
所述步骤一包括如下内容：
步骤101、在永磁同步电机输出端安装力传感器，通过力传感器周期性采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，其中i＝1、2，…，n，且n≤100，i表示为第i个负载数据的时间顺序编号，周期性采集时间间隔为100us。
步骤102、获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，进行线性归一化处理后，计算获得负载均值
其中，对应的负载均值的计算公式如上。
步骤103、获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)和负载均值进行线性归一化处理后，计算获得负载变化评价指数Fb：
对应的负载变化评价指数Fb的计算公式如上。
使用时，结合步骤101及103中的内容：
通过采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb，可以了解电机的实际负载情况，判断电机是否处于过载或欠载状态，以及是否需要调整控制策略来优化电机的运行。
步骤二、采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算获得转速均值和转速变化评价指数Vb。
所述步骤二包括如下内容：
步骤201、在永磁同步电机输出端安装光电编码器，通过光电编码器周期性采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，其中i＝1、2…n，且n≤100，i表示为第i个转速数据的时间顺序编号。周期性采集时间间隔为100us。
光电编码器，主要是通过脉冲计数或脉冲计时来测量转速，光电编码器的测速方法有三种，分别是M法，即位置差分法，测量脉冲数来测速；T法，即定角测时法，测量脉冲的时间间隔来测速，还有结合两种方法的M/T测速法。
步骤202、获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，进行线性归一化处理后，计算获得转速均值
对应的转速均值的计算公式如上。
步骤203、获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)和转速均值进行线性归一化处理后，计算获得转速变化评价指数Vb：
对应的转速变化评价指数Vb的计算公式如上。
使用时，结合步骤201及203中的内容：
通过、采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算获得转速均值和转速变化评价指数Vb，可以了解电机的实际转速情况，判断电机是否处于过速或低速状态，以及是否需要调整控制策略来优化电机的运行，避免因为电机转速出现异常波动或长时间处于过速状态，对电机寿命和稳定性造成影响。
步骤三、获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，并进一步计算加速度均值和加速度变化评价指数Db。
所述步骤三包括如下内容：
步骤301、获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，对应的加速度ai-1的计算公式如下：
整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)。
步骤302、获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，进行线性归一化处理后，计算获得加速度均值
对应的加速度均值的计算公式如上。
步骤303、获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)和加速度均值进行线性归一化处理后，计算获得加速度变化评价指数Db：
对应的加速度变化评价指数Db的计算公式如上。
使用时，结合步骤301及303中的内容：
通过获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，并进一步计算加速度均值和加速度变化评价指数Db，可以了解电机的实际加速度情况，判断电机的转速是否变化较为剧烈，评估电机是否能够适应这种变化。
步骤四、依据负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db，得到占空比可调的PWM信号，将PWM信号输出到电机驱动器中，实现宽转速自适应调节。
所述步骤四包括如下内容：
步骤401、将负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db和目标转速输入PID控制器，PID控制器计算出控制量后输出。
步骤402、将控制量输入到PWM发生器中，通过PWM发生器内部的处理电路和滤波电路，得到占空比可调的PWM信号。
步骤403、将PWM信号输出到电机驱动器中，通过调节占空比来控制电机的电流和转速，实现宽转速自适应调节。
使用时，结合步骤401及403中的内容：
依据负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值/>及加速度变化评价指数Db，得到占空比可调的PWM信号，将PWM信号输出到电机驱动器中，实现宽转速自适应调节，综合考虑多种因素，可以实现电机的精确调速，使电机的加减速控制更加合理，电机在启动、停止时更加平稳。
步骤五、采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警。
所述步骤五包括如下内容：
步骤501、使用光电编码器周期性采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，其中k＝1、2…m，且m≤100，k表示为第k个转速数据的时间顺序编号。周期性采集时间间隔为100us。
步骤502、获取调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)和目标转速Va，计算获得调节偏差系数Pc：
对应的调节偏差系数Pc的计算公式如上。
步骤503、获取调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警。
其中，偏差阈值为所有调节偏差系数的平均值。
使用时，结合步骤501及503中的内容：
通过采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警，可以了解自适应调节后的转速与期望转速之间的差异，当Pc大于偏差阈值时，说明电机转速存在异常，此时发出异常预警可以及时发现并处理问题，避免造成更大的损失或故障。
上述实施例，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或其他任意组合来实现。当使用软件实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式实现。本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：包括如下步骤：
采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，计算获得负载均值和负载变化评价指数Fb；采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算获得转速均值/>和转速变化评价指数Vb；
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，并进一步计算加速度均值和加速度变化评价指数Db；
依据负载均值负载变化评价指数Fb、转速均值/>转速变化评价指数Vb、加速度均值及加速度变化评价指数Db，得到占空比可调的PWM信号，将PWM信号输出到电机驱动器中，以实现宽转速自适应调节；
通过采集目标永磁同步电机的自适应调节后的转速，得到调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)，计算获得调节偏差系数Pc，当调节偏差系数Pc大于偏差阈值时，向外发出异常预警。
2.根据权利要求1所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
在永磁同步电机输出端安装力传感器，通过力传感器周期性采集目标永磁同步电机的负载，得到负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，其中i＝1、2，…，n，且n≤100，i表示为第i个负载数据的时间顺序编号；周期性采集时间间隔为100us。
3.根据权利要求2所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)，进行线性归一化处理后，计算获得负载均值
对应的负载均值的计算公式如上。
4.根据权利要求3所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取负载数据集(Fz1，Fz2，…，Fzi)和负载均值进行线性归一化处理后，计算获得负载变化评价指数Fb：
对应的负载变化评价指数Fb的计算公式如上。
5.根据权利要求1所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
在永磁同步电机输出端安装光电编码器，通过光电编码器周期性采集目标永磁同步电机的转速，得到转速数据集(V1，V2，…，Vi)，其中i＝1、2…n，且n≤100，i表示为第i个转速数据的时间顺序编号；周期性采集时间间隔为100us；
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，进行线性归一化处理后，计算获得转速均值
对应的转速均值的计算公式如上。
6.根据权利要求5所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)和转速均值进行线性归一化处理后，计算获得转速变化评价指数Vb：
对应的转速变化评价指数Vb的计算公式如上。
7.根据权利要求6所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取转速数据集(V1，V2，…，Vi)，计算目标永磁同步电机的加速度ai-1，对应的加速度ai-1的计算公式如下：
整理后获得加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)。
8.根据权利要求7所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)，进行线性归一化处理后，计算获得加速度均值
对应的加速度均值的计算公式如上。
9.根据权利要求8所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取加速度数据集(a1，a2，…，ai-1)和加速度均值进行线性归一化处理后，计算获得加速度变化评价指数Db：
对应的加速度变化评价指数Db的计算公式如上。
10.根据权利要求7所述的宽转速自适应调节的永磁同步电机控制方法，其特征在于：
获取调节转速数据集(V1，V2，…，Vk)和目标转速Va，计算获得调节偏差系数Pc：
对应的调节偏差系数Pc的计算公式如上。
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