專利名稱：無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法，尤其涉及一種無位置傳感 器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。
背景技術(shù)：
對于電勵磁雙凸極電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)而言,實時而準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息是其可 靠運行的必要前提。通過采用軸位置傳感器或者其它類型的探測式位置檢測器 來獲得位置信息不僅會增大電機(jī)體積，提高系統(tǒng)成本和復(fù)雜程度，更重要的是 會降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的堅固性,影響整個系統(tǒng)的可靠運行。因此如何讓它去掉位置檢 測器,直接利用電機(jī)的電壓和電流信息間接確定轉(zhuǎn)子位置,從而使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加 堅固,運行更加可靠、高效,成本更加低廉，無疑是一個很有潛力的研究方向，在 航空航天、風(fēng)力發(fā)電領(lǐng)域都具有重要價值。迄今為止，國內(nèi)外對這一領(lǐng)域的研究 尚屬起步階段，研究對象多集中于電機(jī)結(jié)構(gòu)相類似的開關(guān)磁阻電機(jī)無位置傳感
器。其研究的思路有兩種:(1)脈沖注入定位法--脈沖注入法的算法盡管相對比 較簡單,但基于高頻脈沖的輸入使其不免有著內(nèi)在固有的速度限制，而且測試電 流可能帶來負(fù)轉(zhuǎn)矩,其對整個系統(tǒng)出力和效率的影響也是很大的不足；(2)反電 勢法--這種方法需要輔助起動設(shè)施，需要進(jìn)行相位補(bǔ)償，還存在計數(shù)值轉(zhuǎn)速電 流限幅的匹配問題。因為這些缺點的存在，最后以上的方法都沒有能夠很好地 實現(xiàn)。因此，如何實時精確獲得轉(zhuǎn)子位置角度信息一直是雙凸極無位置傳感器 技術(shù)的難題。國內(nèi)外目前尚沒有雙凸極電機(jī)無位置傳感器控制的有效方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷提出一種無位置傳感器 雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。
本發(fā)明無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)，由雙凸極電機(jī)、勵磁繞組、主功率 電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩個輸出端分
4別與IPM的兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電機(jī)的三個輸 入端連接，雙凸極電機(jī)的輸出端與勵磁繞組的輸入端連接，所述控制電路包括 隔離電路、故障檢測電路、三相電流采樣電路、勵磁電流采樣電路、PWM控 制電路、過流過壓保護(hù)電路、ADC模塊、位置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路、邏 輯控制電路、捕獲單元、速度環(huán)、、電流環(huán)、滯環(huán)比較器和PI調(diào)節(jié)器，其中故 障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接過流過壓保 護(hù)電路的輸入端，過流過壓保護(hù)電路的輸出端接邏輯控制電路的輸入端；三相 電流采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，三相電流采樣電 路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的輸出端與電流環(huán)的負(fù)輸入 端連接；勵磁電流采樣電路的輸入端與勵磁繞組的輸出端連接，勵磁電流采樣 電路的輸出端與位置檢測電路的輸入端連接，位置檢測電路的一個輸出端與捕 獲單元的輸入端連接，捕獲單元的輸出端與邏輯控制電路的輸入端連接，位置 檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn)速計算電路的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電路的輸出 端與轉(zhuǎn)速環(huán)的負(fù)輸入端連接；轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出端與PI調(diào)節(jié)器的輸入端連接，PI 調(diào)節(jié)器的輸出端與電流環(huán)的正輸入端連接，電流環(huán)的輸出端與邏輯控制電路的 輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離電路與IPM
的輸入端連接。
無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，采用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極 電機(jī)，采用勵磁電流采樣電路采樣得到勵磁繞組的輸出勵磁電流if，勵磁電流采 樣電路輸出脈沖位置信號，將勵磁電流采樣電路輸出脈沖位置信號依次經(jīng)過位 置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速ov，將勵磁繞組的輸出 勵磁電流依次經(jīng)過位置檢測電路、捕獲單元得到觸發(fā)信號；采用三相電流采樣 電路采集雙凸極電機(jī)的三相輸入電流，將采集的雙凸極電機(jī)的三相輸入電流經(jīng)
過ADC模塊得到相電流ip，將所述雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速(Om和給定的雙凸極電
機(jī)轉(zhuǎn)速oC經(jīng)過速度環(huán)得到雙凸極電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速差，將所述雙凸極電機(jī)的實時 轉(zhuǎn)速差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的相電流i/，將所述給定的相電流i/和相電流ip經(jīng) 過電流環(huán)得到實時電流差，將所述實時電流差經(jīng)過滯環(huán)比較器得到階躍信號； 采用故障檢測電路檢測IPM得到雙凸極電機(jī)的故障信號，將雙凸極電機(jī)的故障信 號經(jīng)過過流過壓保護(hù)電路得到高低電平信號；將所述觸發(fā)信號、階躍信號、高 低電平信號經(jīng)過邏輯控制電路得到激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM 的驅(qū)動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機(jī)的三相輸入 電流。本發(fā)明所述的雙凸極電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、出力大，因此在進(jìn)行大功率或者較 大功率模擬實驗時，采用雙凸極電機(jī)的風(fēng)輪機(jī)模擬器有利用簡化模擬系統(tǒng)結(jié) 構(gòu)、降低成本。本發(fā)明可以利用人為風(fēng)速給定來模擬風(fēng)洞或風(fēng)場條件下各種 風(fēng)速模型，具有很大的靈活性，節(jié)省了風(fēng)洞實驗的研究資金，縮短了風(fēng)力發(fā) 電技術(shù)的研究周期。本發(fā)明利用風(fēng)速和轉(zhuǎn)速求得風(fēng)輪機(jī)特性，用來控制模擬 器的轉(zhuǎn)矩給定，采用轉(zhuǎn)矩內(nèi)環(huán)實現(xiàn)風(fēng)輪機(jī)的模擬，為風(fēng)輪機(jī)的前期設(shè)計節(jié)省 了研究時間，帶來了很大方便。


圖1:本發(fā)明控制系統(tǒng)框圖2:本發(fā)明雙凸極電機(jī)三相互感與勵磁電流波形圖； 圖3:本發(fā)明雙凸極電機(jī)勵磁電流采樣調(diào)理電路圖； 圖4:本發(fā)明雙凸極電機(jī)勵磁電流與位置信號波形圖； 圖5:本發(fā)明雙凸極電機(jī)位置信號與三相電流波形圖。
具體實施例方式
如圖1所示。 一種無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)，由雙凸極電機(jī)、勵磁繞 組、主功率電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩 個輸出端分別與IPM的兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電 機(jī)的三個輸入端連接，雙凸極電機(jī)的輸出端與勵磁繞組的輸入端連接，所述控 制電路包括隔離電路、故障檢測電路、三相電流采樣電路、勵磁電流采樣電路、 PWM控制電路、過流過壓保護(hù)電路、ADC模塊、位置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電 路、邏輯控制電路、捕獲單元、速度環(huán)、、電流環(huán)、滯環(huán)比較器和PI調(diào)節(jié)器， 其中故障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接過流 過壓保護(hù)電路的輸入端，過流過壓保護(hù)電路的輸出端接邏輯控制電路的輸入 端；三相電流采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，三相電 流采樣電路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的輸出端與電流環(huán) 的負(fù)輸入端連接；勵磁電流采樣電路的輸入端與勵磁繞組的輸出端連接，勵磁 電流采樣電路的輸出端與位置檢測電路的輸入端連接，位置檢測電路的一個輸 出端與捕獲單元的輸入端連接，捕獲單元的輸出端與邏輯控制電路的輸入端連 接，位置檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn)速計算電路的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電 路的輸出端與轉(zhuǎn)速環(huán)的負(fù)輸入端連接；轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出端與PI調(diào)節(jié)器的輸入端
6連接，PI調(diào)節(jié)器的輸出端與電流環(huán)的正輸入端連接，電流環(huán)的輸出端與邏輯控
制電路的輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離 電路與IPM的輸入端連接。
無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，采用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極 電機(jī)，采用勵磁電流采樣電路采樣得到勵磁繞組的輸出勵磁電流if，勵磁電流采 樣電路輸出脈沖位置信號，將勵磁電流采樣電路輸出脈沖位置信號依次經(jīng)過位
置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速O)m，將勵磁繞組的輸出
勵磁電流依次經(jīng)過位置檢測電路、捕獲單元得到觸發(fā)信號；采用三相電流采樣 電路采集雙凸極電機(jī)的三相輸入電流，將采集的雙凸極電機(jī)的三相輸入電流經(jīng)
過ADC模塊得到相電流ip，將所述雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速COm和給定的雙凸極電
機(jī)轉(zhuǎn)速oC經(jīng)過速度環(huán)得到雙凸極電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速差，將所述雙凸極電機(jī)的實時 轉(zhuǎn)速差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的相電流i/，將所述給定的相電流i/和相電流ip經(jīng) 過電流環(huán)得到實時電流差，將所述實時電流差經(jīng)過滯環(huán)比較器得到階躍信號； 采用故障檢測電路檢測IPM得到雙凸極電機(jī)的故障信號，將雙凸極電機(jī)的故障信 號經(jīng)過過流過壓保護(hù)電路得到高低電平信號；將所述觸發(fā)信號、階躍信號、高 低電平信號經(jīng)過邏輯控制電路得到激勵信號，將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM 的驅(qū)動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電壓和驅(qū)動電流即雙凸極電機(jī)的三相輸入 電流。
如圖2所示，無位置傳感器電勵磁雙凸極電機(jī)的定子齒極與轉(zhuǎn)子齒極重合 處互感最大，定子齒極與轉(zhuǎn)子齒極相距最遠(yuǎn)時互感最小。根據(jù)電勵磁雙凸極電 機(jī)的基本理論可知，電勵磁雙凸極電機(jī)的運行依靠在電感上升區(qū)通入正向電 流，在電感下降區(qū)通入負(fù)向電流。當(dāng)有位置傳感器電勵磁雙凸極電機(jī)運行時， 依靠位置傳感器獲得轉(zhuǎn)子位置信息，相電流在電感從最小值開始上升的時刻、 電感從最大值開始下降的時刻以及電感下降到最小值三個時刻進(jìn)行換向。由圖 2可以看出電勵磁雙凸極電機(jī)的勵磁電流波動與定轉(zhuǎn)子位置以及三相互感存在 對應(yīng)關(guān)系，勵磁電流波動周期與電流換向周期一致，并且勵磁電流發(fā)生波動的 位置正好與換向位置同相位。不同的轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)電機(jī)磁場分布不同，勵磁磁 場會隨著轉(zhuǎn)子位置變化而變化，因此可以利用勵磁電流波動來獲得轉(zhuǎn)子位置信 息。
如圖3所示，勵磁電流采樣電路由電流傳感器、2個低通濾波器、微分器、 反向器、過零比較器和單觸發(fā)器構(gòu)成。電流傳感器采樣得到的勵磁電流，經(jīng)過 第一級低通濾波器進(jìn)行濾波，消除高頻毛刺；再分別經(jīng)過微分器、反向器、第二級低通濾波器、過零比較器和單觸發(fā)器得到脈沖位置信號。
如圖4所示，勵磁電流經(jīng)過采樣調(diào)理電路后得到了電勵磁雙凸極電機(jī)脈沖
位置信號?？梢钥闯雒}沖位置信號與勵磁電流波動具有對應(yīng)關(guān)系，勵磁電流每 波動一次產(chǎn)生一個脈沖位置信號，脈沖信號與勵磁電流發(fā)生波動的位置同相 位，并且脈沖信號的位置正好是三相電流進(jìn)行換向的位置。因此，所述脈沖信 號正好可以用來代替位置傳感器來驅(qū)動電勵磁雙凸極電機(jī)。
如圖5所示，采用所述脈沖位置信號，通過圖1所示控制系統(tǒng)后得到IPM的驅(qū) 動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電流即雙凸極電機(jī)的三相輸入電流。由圖5可以 看出，利用所述脈沖位置信號可實現(xiàn)無位置傳感器電勵磁雙凸極電機(jī)三相輸入 電流正確換向，即在電感上升區(qū)相繞組通入正電流，在電感下降區(qū)相繞組通入 負(fù)電流。
權(quán)利要求
1. 一種無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)，由雙凸極電機(jī)、勵磁繞組、主功率電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，電源的兩個輸出端分別與IPM的兩個輸入端連接，IPM的三個輸出端分別與雙凸極電機(jī)的三個輸入端連接，雙凸極電機(jī)的輸出端與勵磁繞組的輸入端連接，其特征在于所述控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、三相電流采樣電路、勵磁電流采樣電路、PWM控制電路、過流過壓保護(hù)電路、ADC模塊、位置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路、邏輯控制電路、捕獲單元、速度環(huán)、電流環(huán)、滯環(huán)比較器和PI調(diào)節(jié)器，其中故障檢測電路的輸入端接IPM的輸出端，故障檢測電路的輸出端接過流過壓保護(hù)電路的輸入端，過流過壓保護(hù)電路的輸出端接邏輯控制電路的輸入端；三相電流采樣電路的三個輸入端分別與IPM的三個輸出端連接，三相電流采樣電路的輸出端與ADC模塊的輸入端連接，ADC模塊的輸出端與電流環(huán)的負(fù)輸入端連接；勵磁電流采樣電路的輸入端與勵磁繞組的輸出端連接，勵磁電流采樣電路的輸出端與位置檢測電路的輸入端連接，位置檢測電路的一個輸出端與捕獲單元的輸入端連接，捕獲單元的輸出端與邏輯控制電路的輸入端連接，位置檢測電路的另一個輸出端與轉(zhuǎn)速計算電路的輸入端連接，轉(zhuǎn)速計算電路的輸出端與轉(zhuǎn)速環(huán)的負(fù)輸入端連接；轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出端與PI調(diào)節(jié)器的輸入端連接，PI調(diào)節(jié)器的輸出端與電流環(huán)的正輸入端連接，電流環(huán)的輸出端與邏輯控制電路的輸入端連接，邏輯控制電路的輸出端依次通過PWM控制電路、隔離電路與IPM的輸入端連接。
2. —種基于權(quán)利要求l所述的無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)的控制方法，采用電源通過IPM驅(qū)動雙凸極電機(jī)，其特征在于采用勵磁電流采樣電路采樣得到勵 磁繞組的輸出勵磁電流if，勵磁電流采樣電路輸出脈沖位置信號，將勵磁電流采 樣電路輸出脈沖位置信號依次經(jīng)過位置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路得到雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速COm，將勵磁繞組的輸出勵磁電流依次經(jīng)過位置檢測電路、捕獲單元得到觸發(fā)信號；采用三相電流采樣電路采集雙凸極電機(jī)的三相輸入電流，將 采集的雙凸極電機(jī)的三相輸入電流經(jīng)過ADC模塊得到相電流ip，將所述雙凸極電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速ov和給定的雙凸極電機(jī)轉(zhuǎn)速a^經(jīng)過速度環(huán)得到雙凸極電機(jī)的實 時轉(zhuǎn)速差，將所述雙凸極電機(jī)的實時轉(zhuǎn)速差經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器得到給定的相電流i/ ， 將所述給定的相電流i/和相電流ip經(jīng)過電流環(huán)得到實時電流差，將所述實時電流 差經(jīng)過滯環(huán)比較器得到階躍信號；采用故障檢測電路檢測IPM得到雙凸極電機(jī)的故障信號，將雙凸極電機(jī)的故障信號經(jīng)過過流過壓保護(hù)電路得到高低電平信號； 將所述觸發(fā)信號、階躍信號、高低電平信號經(jīng)過邏輯控制電路得到激勵信號， 將激勵信號經(jīng)過隔離電路得到IPM的驅(qū)動信號用于控制IPM輸出的驅(qū)動電流即 雙凸極電機(jī)的三相輸入電流。
全文摘要
本發(fā)明公布了一種無位置傳感器雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法，屬雙凸極電機(jī)系統(tǒng)及其控制方法。本發(fā)明所述系統(tǒng)由雙凸極電機(jī)、勵磁繞組、主功率電路和控制電路組成，其中主功率電路包括電源和IPM，控制電路包括隔離電路、故障檢測電路、三相電流采樣電路、勵磁電流采樣電路、PWM控制電路、過流過壓保護(hù)電路、ADC模塊、位置檢測電路、轉(zhuǎn)速計算電路、邏輯控制電路、捕獲單元、速度環(huán)、電流環(huán)、滯環(huán)比較器和PI調(diào)節(jié)器。本發(fā)明所述控制方法采用電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速外環(huán)雙環(huán)控制方式，通過參考給定轉(zhuǎn)速與反饋的實際轉(zhuǎn)速比較，間接控制雙凸極電機(jī)電流大小。本發(fā)明系統(tǒng)簡單、結(jié)構(gòu)更堅固、運行可靠、效率高。
文檔編號H02P6/06GK101499754SQ200810195058
公開日2009年8月5日 申請日期2008年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月28日
發(fā)明者波 周, 樂 張, 張永帥 申請人:南京航空航天大學(xué)