永磁同步电机的I/F启动控制策略
目录
前言
一、I/F控制是什么？
二、永磁同步电机的功角自平衡原理
三、实现思路
总结
前言
近年来无速度传感器控制策略得到了深入的研究，按照适用的转速范围可以被分为两类：低速无速度和高速无速度传感器控制策略。低速的方法利用电机的凸极性，注入激励来获得电机的转子位置信息，高频注入的效果当然是较好的，但是也存在噪声，开发难度也相对较大，因此一种较为简单的低速无速度的方法得到了广泛的使用——I/F控制方式。（流频比控制）
一、I/F控制是什么？
I/F控制是根据永磁同步电机负载特性，给变频器设置合适的电流-频率比，使得电机输出转矩与不同转速下的负载相匹配，以达到较高的运行效率。I/F控制策略运行在速度开环、电流闭环的状态，有PI调节器构成DQ轴坐标系下的电流闭环，电流的反馈至收到期望值的约束，避免产生过流。其系统控制框图如下图所示，与有速度传感器控制系统框图存在较大区别：dq轴电流环给定电流idref 与 iqref 均来源于I/f控制器；不存在转速；并且关键一点是Park 变换与 反Park 变换的输入位置信号 theta 同样来源于I/F控制器。
如果从数学模型的角度对I/F进行剖析，将更好理解这种控制方式。永磁同步电机在dq轴坐标系下的电磁转矩公式如下所示：
式中Is为定子电流矢量，phim为转子磁链矢量，theta为定子电流矢量和转子磁链矢量之间的夹角
二、永磁同步电机的功角自平衡原理
通过分析数学模型可知，永磁同步电机的输出转矩与定子电流iq分量成正比，控制定子电流的大小就可以控制输出转矩。在电磁转矩和负载相平衡的时候，定子电流Is和转子磁链pihm之间夹角保持固定，并且转子在电流矢量的牵引下同步旋转；如果电磁转矩大于负载转矩，转子加速旋转，夹角theta逐渐减小，电磁转矩也逐渐减小，并在一个新的位置建立转矩平衡；如果电磁转矩小于负载转矩，转子减速旋转，夹角theta逐渐增大，电磁转矩也逐渐增大，同样在一个新的位置建立转矩平衡。如果这个theta角增大超过了90°还是没办法建立平衡，电机将失去稳定平衡，造成失步。
这里就需要详细探究一下了？为什么电磁转矩加速旋转，夹角逐渐减小，能够到一个新的位置建立转矩平衡？为什么theta超过了90°电机将失去稳定平衡，造成失步呢？
这个就回到了上面那个公式上面去了，如果is矢量长度不变，磁链大小不变，电磁转矩Te的输出大小由sin(theta)的大小决定，可以空间想象一下，永磁同步电机的运转本质是定子产生磁动势拖动永磁体旋转，就相当于是我有两个磁铁放地上，我可以控制其中一个旋转，另一个会被这个拖着旋转。在不同的相对位置转动可旋转的磁铁，另一个磁铁跟随旋转的快速性不一样，这就是theta影响的。
那首先研究一下加速过程，假如控制可旋转磁铁开始旋转，并且电流矢量和磁链的初始角度theta = 0°，sin(theta)= 0 ，因此初始的时候没有任何的转矩，可旋转磁铁对被拖动磁铁没有任何作用力，但是随着旋转磁铁的转动，他们之间相对的角度出现了变化，theta就会开始增大，sin（theta）开始变大，因此开始出现转矩。诶，这个时候被拖动磁铁也不一定旋转，他和地面还有摩擦力在阻挠，那么这个theta还会继续增大，直到产生的转矩能够使得克服摩擦力和可旋转磁铁一起转起来。如果到达了 sin(theta)的最大值，拉力还是小于摩擦力，那这个时候就转不起了，也就是无法到达稳定平衡状态了。考虑到加减速两个过程，因此可以得到永磁同步电机I/F启动的可达平衡条件。这个条件就是功角自平衡的范围，超出了这个范围电机的运行将无法到达稳定。这个条件无论是有速度传感器控制，还是I/F开环控制都是符合的，矢量控制由于时时刻刻有位置从传感器传过来，为了保持时刻为最大转矩输出，但是I/F的角度是自己给的，所以就需要考虑这个范围。
三、实现思路
根据上述的分析，在实现的过程中必须满足功角自平衡条件。在仿真过程中，先把电流内环建立好，然后1、给定一个电流Is；2、给定一个转速，并且将转速积分得到角度，给到park变换和反park变换。考虑到以下几点：
1、实际电机运转过程中，需要经历恒加速阶段，不同的电流对应不同的转矩，因此也对应不同的加速度，例如我现在用的电机参数里面，转动惯量 J = 0.003，永磁磁链强度为0.1827，额定电流为10A，极对数为4，额定转矩为10.96N，因此忽略摩擦阻力与空载的情况下，恒加速阶段加速度为10.96*4/0.003 = 14613rad/s^2（这个是电角加速度），电机额定转速为1000rpm，等于104.7rad/s(机械角速度)，418.8rad/s（电角速度），因此到达额定转速的时间是0.0287s。
2、设置输入速度为
3、对电角速度积分，得到位置信号，并将其导入到坐标变换中，看看效果。图中蓝色线条为给定转速，红色为实际转速，可以看到仿真结果实现了I/F的启动。在实现I/F启动的基础上，就可以做高速的无速度传感器控制了。
总结
I/F启动方式是一种转速开环，电流闭环的无速度传感器控制启动方式，这种方式能够提供一种较为容易实现的启动策略。
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