《風機電機及其的啟動方法和裝置》是威靈（蕪湖）電機製造有限公司於2016年12月30日申請的發明專利，該專利申請號為2016112555698，公布號為CN106849807A，專利公布日為2017年6月13日，發明人是劉天翼、王超、趙小安、龔黎明。
《風機電機及其的啟動方法和裝置》所述方法包括以下步驟：獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值；根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值；在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。從而在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。
2020年7月17日，《風機電機及其的啟動方法和裝置》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
（概述圖為《風機電機及其的啟動方法和裝置》的摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：風機電機及其的啟動方法和裝置
- 公布號：CN106849807A
- 公布日：2017年6月13日
- 申請號：2016112555698
- 申請日：2016年12月30日
- 申請人：威靈（蕪湖）電機製造有限公司
- 地址：安徽省蕪湖市經濟技術開發區
- 發明人：劉天翼、王超、趙小安、龔黎明
- 代理機構：北京清亦華智慧財產權代理事務所
- 代理人：黃德海
- Int.Cl.：H02P21/24(2016.01)I；H02P21/34(2016.01)I
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
隨著矢量變頻控制技術的發展及成熟，越來越多的設備配備了變頻驅動器來驅動電機運行。例如，家用空調的室內機和室外機、油煙機、鼓風機等。然而，在變頻驅動器採用無位置感測器進行矢量控制時，由於速度觀測器無法有效的觀測靜止和超低速時的轉子位置，因而使得啟動方式成為技術研究熱點。
相關技術中，針對無位置感測器的啟動方式主要包括：預定位開環拖動法、高頻注入法、電壓矢量脈衝法等。然而這些方法會存在各種限制，其中，預定位開環拖動法的啟動時間較長，高頻注入法在啟動過程中會產生一定的噪音，電壓矢量脈衝法對電機的凸極性要求明顯。
發明內容
專利目的
《風機電機及其的啟動方法和裝置》旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。該發明的一個目的在於提出一種風機電機的啟動方法，能夠在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。該發明的另一個目的在於提出一種風機電機的啟動裝置。該發明的又一個目的在於提出一種風機電機。
技術方案
《風機電機及其的啟動方法和裝置》一方面實施例提出了一種風機電機的啟動方法，包括以下步驟：獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值；根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值；在所述電機啟動時，根據所述速度給定值計算所述電機的轉子位置，並根據所述電流給定幅值和所述轉子位置對所述電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到所述開環運行時間時，控制所述電機進行速度環閉環運行。
根據該發明實施例的風機電機的啟動方法，首先獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值，並根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值。在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。從而在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。
根據該發明的一個實施例，所述獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值，包括：給定第一預設電流矢量以控制所述電機的轉子靜止在第一位置；在所述電機的轉子靜止在所述第一位置後，給定第二預設電流矢量以使所述電機的轉子從所述第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在所述第二位置；記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得所述電流給定幅值；記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置轉動並最終靜止在所述第二位置的時間，以獲得所述速度環的開環運行時間。
根據該發明的一個實施例，所述第一位置對應的電角度為180°，所述第二位置對應的電角度為0°。
根據該發明的一個實施例，所述根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值，包括：獲取所述速度環的開環運行時的轉子位置限值；根據所述轉子位置限值和所述速度環的開環運行時間計算所述速度給定值。
根據該發明的一個實施例，通過以下公式計算所述速度給定值：
其中，ω*為所述速度給定值，k為係數，且0＜k＜1，T為所述速度開環運行時間為所述轉子位置限值。
根據該發明的一個實施例，所述轉子位置限值為π/2。
為實現上述目的，該發明另一方面實施例提出的一種風機電機的啟動裝置，包括：第一獲取模組，用於獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值；第二獲取模組，用於根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值；控制模組，用於在所述電機啟動時，根據所述速度給定值計算所述電機的轉子位置，並根據所述電流給定幅值和所述轉子位置對所述電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到所述開環運行時間時，控制所述電機進行速度環閉環運行。
根據該發明實施例的風機電機的啟動裝置，通過第一獲取模組獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值，第二獲取模組根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值，控制模組在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。從而在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。根據該發明的一個實施例，所述第一獲取模組包括：給定模組，用於給定第一預設電流矢量以控制所述電機的轉子靜止在第一位置，並在所述電機的轉子靜止在所述第一位置後，給定第二預設電流矢量以使所述電機的轉子從所述第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在所述第二位置；記錄模組，用於記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得所述電流給定幅值，並記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置轉動並最終靜止在所述第二位置的時間，以獲得所述速度環的開環運行時間。
根據該發明的一個實施例，所述第一位置對應的電角度為180°，所述第二位置對應的電角度為0°。
根據該發明的一個實施例，所述第二獲取模組根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值時，其中，所述第二獲取模組獲取所述速度環的開環運行時的轉子位置限值，並根據所述轉子位置限值和所述速度環的開環運行時間計算所述速度給定值。
根據該發明的一個實施例，所述第二獲取模組通過以下公式計算所述速度給定值：
其中，ω*為所述速度給定值，k為係數，且0＜k＜1，T為所述速度開環運行時間為所述轉子位置限值。
根據該發明的一個實施例，所述轉子位置限值為π/2。
此外，該發明的實施例還提出了一種風機電機，其包括上述的風機電機的啟動裝置。
改善效果
《風機電機及其的啟動方法和裝置》施例的風機電機，通過上述的風機電機的啟動裝置，能夠在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。
附圖說明
圖1是根據《風機電機及其的啟動方法和裝置》實施例的風機電機的啟動方法的流程圖；
圖2是根據該發明一個實施例的帶有負載的風機電機的轉子旋轉示意圖；
圖3是根據該發明一個實施例的風機電機的速度開環控制過程中的電流給定值和速度給定值；
圖4是根據該發明一個實施例的風機電機的矢量控制系統圖；
圖5是根據該發明實施例的風機電機的啟動裝置的方框示意圖；
圖6是根據該發明一個實施例的風機電機的啟動裝置的方框示意圖。
技術領域
《風機電機及其的啟動方法和裝置》涉及電機技術領域，特別涉及一種風機電機的啟動方法、一種風機電機的啟動裝置和一種具有該裝置的風機電機。
權利要求
1.一種風機電機的啟動方法，其特徵在於，包括以下步驟：獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值；根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值，包括：獲取所述速度環的開環運行時的轉子位置限值，並根據所述轉子位置限值和所述速度環的開環運行時間計算所述速度給定值；在所述電機啟動時，根據所述速度給定值計算所述電機的轉子位置，並根據所述電流給定幅值和所述轉子位置對所述電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到所述開環運行時間時，控制所述電機進行速度環閉環運行。
2.如權利要求1所述的風機電機的啟動方法，其特徵在於，所述獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值，包括：給定第一預設電流矢量以控制所述電機的轉子靜止在第一位置；在所述電機的轉子靜止在所述第一位置後，給定第二預設電流矢量以使所述電機的轉子從所述第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在所述第二位置；記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得所述電流給定幅值；記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置轉動並最終靜止在所述第二位置的時間，以獲得所述速度環的開環運行時間。
3.如權利要求2所述的風機電機的啟動方法，其特徵在於，所述第一位置對應的電角度為180°，所述第二位置對應的電角度為0°。
4.如權利要求1所述的風機電機的啟動方法，其特徵在於，通過以下公式計算所述速度給定值：其中，ω*為所述速度給定值，k為係數，且0＜k＜1，T為所述速度環的開環運行時間
為所述轉子位置限值。
5.如權利要求1所述的風機電機的啟動方法，其特徵在於，所述轉子位置限值為π/2。
6.一種風機電機的啟動裝置，其特徵在於，包括：第一獲取模組，用於獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和所述速度環開環運行時的電流給定幅值；第二獲取模組，用於根據所述速度環的開環運行時間獲取所述速度環開環運行時的速度給定值，其中，所述第二獲取模組獲取所述速度環的開環運行時的轉子位置限值，並根據所述轉子位置限值和所述速度環的開環運行時間計算所述速度給定值；控制模組，用於在所述電機啟動時，根據所述速度給定值計算所述電機的轉子位置，並根據所述電流給定幅值和所述轉子位置對所述電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到所述開環運行時間時，控制所述電機進行速度環閉環運行。
7.如權利要求6所述的風機電機的啟動裝置，其特徵在於，所述第一獲取模組包括：給定模組，用於給定第一預設電流矢量以控制所述電機的轉子靜止在第一位置，並在所述電機的轉子靜止在所述第一位置後，給定第二預設電流矢量以使所述電機的轉子從所述第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在所述第二位置；記錄模組，用於記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得所述電流給定幅值，並記錄所述電機的轉子從所述第一位置向所述第二位置轉動並最終靜止在所述第二位置的時間，以獲得所述速度環的開環運行時間。
8.如權利要求7所述的風機電機的啟動裝置，其特徵在於，所述第一位置對應的電角度為180°，所述第二位置對應的電角度為0°。
9.如權利要求6所述的風機電機的啟動裝置，其特徵在於，所述第二獲取模組通過以下公式計算所述速度給定值：其中，ω*為所述速度給定值，k為係數，且0＜k＜1，T為所述速度環的開環運行時間為所述轉子位置限值。
10.如權利要求6所述的風機電機的啟動裝置，其特徵在於，所述轉子位置限值為π/2。
11.一種風機電機，其特徵在於，包括如權利要求6-10中任一項所述的風機電機的啟動裝置。
實施方式
如圖1所示，該風機電機的啟動方法可包括以下步驟：
S1，獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。根據該發明的一個實施例，獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值，包括：給定第一預設電流矢量以控制電機的轉子靜止在第一位置；在電機的轉子靜止在第一位置後，給定第二預設電流矢量以使電機的轉子從第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在第二位置；記錄電機的轉子從第一位置向第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得電流給定幅值；記錄電機的轉子從第一位置向第二位置轉動並最終靜止在第二位置的時間，以獲得速度環的開環運行時間。優選地，第一位置對應的電角度可以為180°，第二位置對應的電角度可以為0°。具體地，可以預先通過實驗測試的方式來獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。
圖2是根據該發明一個實施例的帶有負載的風機電機的轉子旋轉示意圖。其中
為轉子磁鏈矢量
為電流矢量，δ為轉子磁鏈與α軸負半軸之間的夾角，γ為轉子因慣性旋轉超過目標位置且速度為零時與α軸負半軸之間的夾角。
在測試時以將帶有負載的電機的轉子預定位至α軸負半軸的附近位置，即電角度為180°±δ的位置處（δ越小越好）。然後，在電機轉子靜止後，從零開始逐漸增大電流矢量的幅值，以使電機的轉子開始轉動，並最終靜止在α軸，即電角度為0°的位置處。
其中，在電機的轉子轉動的過程中，電機的轉子先沿箭頭1的方向轉動，當到達目標位置α軸時，由於慣性作用，轉子會繼續沿箭頭2的方向轉動，直到達到與α軸負半軸且夾角為γ的位置，此時轉子的速度為零，如果不考慮摩擦力和風阻等因素的影響，γ＝δ，但在實際情況中γ＞δ。當轉子到達γ位置後，轉子開始沿箭頭3的方向轉向目標位置α軸，當轉子到達目標位置α軸時，記錄此時的時間（可通過示波器測試獲得），以作為速度環的開環運行時間T（通常為毫秒級別），同時，記錄電機的轉子開始轉動時的電流矢量，以作為速度環開環運行時的電流給定幅值。從而通過兩次定位來獲得速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。
S2，根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值。
根據該發明的一個實施例，根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值，包括：獲取速度環的開環運行時的轉子位置限值；根據轉子位置限值和速度環的開環運行時間計算速度給定值。
根據該發明的一個實施例，可通過下述公式（1）計算速度給定值：（1）
其中，ω*為速度給定值，k為係數，且0＜k＜1，T為速度開環運行時間為轉子位置限值。優選地，轉子位置限值可以為π/2。
具體地，為了保證電機能夠正常啟動，在T時刻電機的轉子到達目標位置α軸時（實際為電機的轉子第二次到達目標位置α軸），需要電流矢量旋轉角度指令不能超過轉子位置
限值（如π/2）以保證此時的轉矩足以將電機的轉子拖起，所以對轉子位置做如下約束：（2）
其中，θ*為轉子位置，ω*為速度給定值，α*為角加速度給定值。
然後對上述公式（2）進行積分運算以獲得下述公式（3）：
然後根據上述公式（3）可計算獲得角加速度給定值α*和速度給定值ω*：
也就是說，通過對電機的轉子位置進行限制來獲得電機開環啟動時的速度給定值，保證電機能夠正常啟動。
S3，在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。
具體地，如圖4所示，在電機啟動時，速度位置觀測器無法精確估計速度及位置，即速度環無法進行閉環控制，因此將兩個軟體開關控制在1的位置處，以進行速度開環、電流閉環的控制。此時，電流環的給定值如圖3所示，同時，速度給定值ω*由速度指令生成器按照圖3所示的方式輸出，位置指令生成器對速度給定值ω*進行積分以獲得電機的轉子位置，然後利用該轉子位置進行計算以獲得電機的控制信號，以對電機進行速度開環、電流閉環控制。
當速度開環的時間達到開環運行時間T時，記錄此時的轉子位置和速度，並將此時的轉子位置和速度作為閉環控制中速度位置觀測器的初始值，同時將兩個軟體開關控制在2的位置處，以進行速度閉環、電流閉環控制。
綜上所述，根據該發明實施例的風機電機的啟動方法，首先獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值，並根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值。在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。從而在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。
圖5是根據該發明實施例的風機電機的啟動裝置的方框示意圖。如圖5所示，該風機電機的啟動裝置包括：第一獲取模組10、第二獲取模組20和控制模組30。
其中，第一獲取模組10用於獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。第二獲取模組20用於根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值。控制模組30用於在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。
根據該發明的一個實施例，如圖6所示，第一獲取模組10包括：給定模組11和記錄模組12。其中，給定模組11用於給定第一預設電流矢量以控制電機的轉子靜止在第一位置，並在電機的轉子靜止在第一位置後，給定第二預設電流矢量以使電機的轉子從第一位置向第二位置轉動，並最終靜止在第二位置。記錄模組12用於記錄電機的轉子從第一位置向第二位置開始轉動時的電流給定值，以獲得電流給定幅值，並記錄電機的轉子從第一位置向第二位置轉動並最終靜止在第二位置的時間，以獲得速度環的開環運行時間。
優選地，第一位置對應的電角度為180°，第二位置對應的電角度為0°。
具體地，可以預先通過實驗測試的方式來獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。
圖2是帶有負載的風機電機的轉子旋轉示意圖。其中為轉子磁鏈矢量為電流矢量，δ為轉子磁鏈與α軸負半軸之間的夾角，γ為轉子因慣性旋轉超過目標位置且速度為零時與α軸負半軸之間的夾角。
以將帶有負載的電機的轉子預定位至α軸負半軸的附近位置，即電角度為180°±δ的位置處（δ越小越好）。然後，在電機轉子靜止後，給定模組11從零開始逐漸增大電流矢量的幅值，以使電機的轉子開始轉動，並最終靜止在α軸，即電角度為0°的位置處。
其中，在電機的轉子轉動的過程中，電機的轉子先沿箭頭1的方向轉動，當到達目標位置α軸時，由於慣性作用，轉子會繼續沿箭頭2的方向轉動，直到達到與α軸負半軸且夾角為γ的位置，此時轉子的速度為零，如果不考慮摩擦力和風阻等因素的影響，γ＝δ，但在實際情況中γ＞δ。當轉子到達γ位置後，轉子開始沿箭頭3的方向轉向目標位置α軸，當轉子到達目標位置α軸時，記錄模組12記錄此時的時間（可通過示波器測試獲得），以作為速度環的開環運行時間T（通常為毫秒級別），同時，記錄電機的轉子開始轉動時的電流矢量，以作為速度環開環運行時的電流給定幅值從而通過兩次定位來獲得速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值。
另外，為了保證速度環的開環運行時間T和速度環開環運行時的電流給定幅值的準確性，可以進行多次測量，以消除干擾影響。
根據該發明的一個實施例，第二獲取模組20根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值時，其中，第二獲取模組20獲取速度環的開環運行時的轉子位置限值，並根據轉子位置限值和速度環的開環運行時間計算速度給定值。優選地，轉子位置限值為π/2。
根據該發明的一個實施例，第二獲取模組20可通過上述公式（1）計算速度給定值。
具體地，為了保證電機能夠正常啟動，在T時刻電機的轉子到達目標位置α軸時（實際為電機的轉子第二次到達目標位置α軸），需要電流矢量旋轉角度指令不能超過轉子位置限值（如π/2）以保證此時的轉矩足以將電機的轉子拖起，所以按照上述公式（2）對轉子位置進行約束。然後對上述公式（2）進行積分運算以獲得上述公式（3），最後根據上述公式（3）可計算獲得角加速度給定值α*和速度給定值ω*。也就是說，通過對電機的轉子位置進行限制來獲得電機開環啟動時的速度給定值，保證電機能夠正常啟動。
如圖4所示，在電機啟動時，速度位置觀測器無法精確估計速度及位置，即速度環無法進行閉環控制，因此將兩個軟體開關控制在1的位置處，以進行速度開環、電流閉環的控制。此時，電流環的給定值如圖3所示，同時，速度給定值ω*由控制模組30中的速度指令生成器31按照圖3所示的方式輸出，控制模組30中的位置指令生成器32對速度給定值ω*進行積分以獲得電機的轉子位置，然後利用該轉子位置進行計算以獲得電機的控制信號，以對電機進行速度開環、電流閉環控制。
當速度開環的時間達到開環運行時間T時，控制模組30記錄此時的轉子位置和速度，並將此時的轉子位置和速度作為閉環控制中速度位置觀測器的初始值，同時將兩個軟體開關控制在2的位置處，以進行速度閉環、電流閉環控制。
根據該發明實施例的風機電機的啟動裝置，通過第一獲取模組獲取電機啟動時速度環的開環運行時間和速度環開環運行時的電流給定幅值，第二獲取模組根據速度環的開環運行時間獲取速度環開環運行時的速度給定值，控制模組在電機啟動時，根據速度給定值計算電機的轉子位置，並根據電流給定幅值和轉子位置對電機進行速度環開環控制，直至開環控制時間達到開環運行時間時，控制電機進行速度環閉環運行。從而在無位置感測器的條件下，實現電機的快速啟動，且啟動過程無噪音，對電機凸極性無要求，適用範圍廣。此外，該發明的實施例還提出了一種風機電機，其包括上述的風機電機的啟動裝置。
榮譽表彰
2020年7月17日，《風機電機及其的啟動方法和裝置》獲得安徽省第七屆專利獎優秀獎。
