專利名稱：無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置及驅(qū)動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種電機驅(qū)動控制技術(shù)，特別是無位置傳感器永磁同步電動機控制及功率因數(shù)校正技術(shù)。
背景技術(shù)：
進入21世紀(jì)，能源和環(huán)境是人類面臨的首要問題之一。尤其是近年來，氣候變化和溫室氣體減排問題持續(xù)升溫，已成為全球關(guān)注的熱點問題。隨之應(yīng)運而生的“低碳經(jīng) 濟”是以低能耗、低污染、低排放為基礎(chǔ)的經(jīng)濟模式，是人類社會繼農(nóng)業(yè)文明、工業(yè)文明之后 的又一次重大進步。低碳經(jīng)濟實質(zhì)是能源高效利用、清潔能源開發(fā)、追求綠色⑶P的問題， 核心是能源技術(shù)和減排技術(shù)創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和制度創(chuàng)新以及人類生存發(fā)展觀念的根本性轉(zhuǎn) 變。在這種世界大背景下，各種新能源和節(jié)能減排技術(shù)的發(fā)展也迫在眉睫。我國在“十一五”規(guī)劃中明確提出單位⑶P能耗和主要污染物排放總量比“十五” 期末分別降低20%左右、10%的約束性指標(biāo)?！伴_源節(jié)流”是應(yīng)對能源危機和環(huán)境惡化的唯 一辦法。節(jié)能方面，工業(yè)節(jié)能是其他行業(yè)節(jié)能的源頭，而其中電機節(jié)能又占有的十分重要的 地位?？梢钥闯鰞煞矫娴陌l(fā)展都離不開高效節(jié)能的電機及其電力電子變換器系統(tǒng)，因此開 展對高效節(jié)能電機系統(tǒng)的研究是非常必要和緊迫的。在工業(yè)領(lǐng)域，電動機+減速機或皮帶減速輪的裝置廣為應(yīng)用，但減速機構(gòu)的使用 嚴(yán)重影響了裝置工作效率，增加了裝置的損耗，為此設(shè)計直接驅(qū)動裝置取代原有裝置。永磁 同步電動機具有輸出轉(zhuǎn)矩高、低速特性優(yōu)異、效率高，調(diào)速范圍大等特點，特別適合用來作 為直接驅(qū)動的執(zhí)行機構(gòu)。但永磁同步電動機裝置通常需要角位置傳感器制約了裝置的使用 范圍，并且變頻驅(qū)動器中不控整流帶來了對電網(wǎng)的干擾，尤其是電流中的高次諧波成分，增 加了裝置的無功損耗。為了解決以上電機系統(tǒng)中低效問題，采用永磁同步電動機作為直接驅(qū)動裝置的執(zhí) 行機構(gòu)，引入了無位置傳感器技術(shù)以及功率因數(shù)校正技術(shù)解決以上問題，可以實現(xiàn)高效節(jié) 能綠色的驅(qū)動裝置。經(jīng)對現(xiàn)有的技術(shù)文獻檢索發(fā)現(xiàn)，CNKI數(shù)據(jù)庫中有一篇與本發(fā)明上題相同或類似的 文獻報道，名為《直驅(qū)風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)側(cè)變流控制系統(tǒng)的研究與開發(fā)》(
公開日2009. 2.17)，該 文側(cè)重研究發(fā)電機的變流控制運行，與無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置沒有關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠提高效率，減少對電網(wǎng)的干擾及進線損耗的節(jié)能 型無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置。本發(fā)明的目的還在于提供一種無位置傳感器永 磁同步電動機驅(qū)動方法。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置主要由功率放大單元、主控制單元、操作 控制單元及永磁同步電動機組成。通過操作面板設(shè)定電動機的轉(zhuǎn)速及永磁同步電動機何時啟動和停止，并把這些給定信息傳遞給主控制單元，主控制單元控制功率放大電路形成永 磁同步電動機控制所需電壓信號。本發(fā)明的無位置傳感器永磁同步電動機驅(qū)動方法為采用轉(zhuǎn)子定位、開環(huán)加速和 閉環(huán)運行三段式運行策略；轉(zhuǎn)子定位給永磁同步電動機定子通入六個脈沖；開環(huán)起動在 轉(zhuǎn)子定位完成后，開始啟動時，速度控制開環(huán)和電流控制閉環(huán)，由控制器給出一個旋轉(zhuǎn)電壓 矢量，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動電機轉(zhuǎn)起來，待電機以一定轉(zhuǎn)速運行并可以準(zhǔn)確估算到轉(zhuǎn)子 位置之后，再切換到閉環(huán)工作模式，輸出轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化；閉環(huán)運行在此控制階段采 用一種基于觀測器的電機無位置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉(zhuǎn) 速信息， 實現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式。本發(fā)明提供了一套無位置傳感器永磁同步電動機直接驅(qū)動裝置，取代異步機+減 速機方案，采用永磁同步電動機，能夠提高裝置效率；采用無位置傳感器方案可以提高運行 可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力，增加輸入功率因數(shù)校正及濾波環(huán)節(jié)，減少對電網(wǎng)的干擾及進線損 耗，達到了裝置綠色節(jié)能的目的。本發(fā)明的主要特點體現(xiàn)在1、TMS320F2808芯片在電機的數(shù)字化控制方面具有處理性能更好、外設(shè)集成度更 高、程序存儲器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點，是電機數(shù)字化控制理想的升級產(chǎn)品且具有 低成本、低功耗、高性能的特點。2、應(yīng)用無位置傳感器矢量控制算法，在不降低裝置性能的基礎(chǔ)上，省去了磁極角 度位置傳感器，節(jié)約了成本，增加了環(huán)境適應(yīng)能力，保證裝置可以在室外惡劣環(huán)境下可靠運 行。3、驅(qū)動器采用空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)可以方便的改變輸出電壓和頻率，從而大范 圍的提高電動機裝置驅(qū)動性能。4、采用智能功率因數(shù)校正技術(shù)解決了不控整流帶來的對電網(wǎng)的干擾，尤其是電流 中的高次諧波成分，增加了裝置的無功損耗，使得裝置的功率因數(shù)達到0. 95以上。


圖1為本發(fā)明的節(jié)能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置組成圖；圖2為無位置傳感器控制運行說明圖原理圖；圖3為節(jié)能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置的TMS320F2808最小系統(tǒng)電 路圖；圖4為多功能網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字軸角變換裝置的軸角變換部分的功放電路圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖舉例對本發(fā)明做更詳細(xì)地描述結(jié)合圖1，節(jié)能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置主要由功率放大單元、主 控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成。功率放大單元由可控整流電路2、逆變電 路3及檢測電路5組成。主控制單元由接口處理電路7和數(shù)字控制器8構(gòu)成，操作控制單 元主要由外部操作控制面板6實現(xiàn)。其中永磁同步電動機包含電動機定子4和轉(zhuǎn)子構(gòu)成， 轉(zhuǎn)子通常為中空或?qū)嵭慕Y(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)。
系統(tǒng)運行時，合上外部操作控制面板6的空氣開關(guān)，通過三相交流電源1給可控整流電路2供電，調(diào)整外部操作控制面板6的轉(zhuǎn)速給定按鈕，按需要設(shè)置轉(zhuǎn)速，具體設(shè)定值可 以參看控制面板6設(shè)定速度顯示，設(shè)置的轉(zhuǎn)速通過總線傳到數(shù)字控制器8形成轉(zhuǎn)速指令。按 下外部操作控制面板6的起動按鈕，啟動指令傳到數(shù)字控制器8，數(shù)字控制器8通過接口處 理電路7，使得可控整流電路2、逆變電路3開始工作，給永磁同步電動機定子4提供可變頻 率和電壓幅值的三相電，永磁同步電動機按一定加速時間加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速。當(dāng)需要停電機 時，按下外部操作控制面板6的停止按鈕，停機指令傳到數(shù)字控制器8，數(shù)字控制器8通過接 口處理電路7，使得可控整流電路2、逆變電路3工作，減少給永磁同步電動機定子4的幅值 和頻率，永磁同步電動機減速，當(dāng)檢測電路5檢測信息經(jīng)過數(shù)字控制器8的運算分析到達一 定頻率時，數(shù)字控制器8給可控整流電路2、逆變電路3停止發(fā)脈沖信號，逆變電路3不再給 永磁同步電動機定子4供電，永磁同步電動機停止運行。在系統(tǒng)運行過程中，檢測電路5實時的將逆變電路3的電壓電流信息通過接口處 理電路7發(fā)送到數(shù)字控制器8，數(shù)字控制器8根據(jù)如圖2所示的無位置傳感器控制運行策略 形成空間矢量脈沖信號，經(jīng)接口處理電路7給逆變電路3，逆變電路3進行信號放大輸出到 永磁同步電動機定子4。同時檢測電路5實時的可控整流電路2的前端電壓電流信息通過 接口處理電路7發(fā)送到數(shù)字控制器8，數(shù)字控制器8根據(jù)功率因數(shù)校正算法形成脈沖信號， 經(jīng)接口處理電路7給可控整流電路2，可控整流電路2進行信號放大控制整流電路的電壓和 電流保證接近整功率因數(shù)運行。結(jié)合圖2，永磁同步電動機控制采用三段式運行策略運行策略主要包括轉(zhuǎn)子定 位9、開環(huán)加速10和閉環(huán)運行11三個階段。轉(zhuǎn)子定位9 給永磁同步電動機定子4通入六 個脈沖，根據(jù)獲取的電流信息得到一個初步粗略位置，能夠保證開環(huán)加速時有足夠啟動力 矩。開環(huán)起動10，在定位9完成后，開始啟動時，速度控制開環(huán)和電流控制閉環(huán)，由控制器給 出一個旋轉(zhuǎn)電壓矢量，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動電機轉(zhuǎn)起來。待電機以一定轉(zhuǎn)速運行并可以 準(zhǔn)確估算到轉(zhuǎn)子位置之后，再切換到閉環(huán)工作模式11，輸出轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化。閉環(huán)運 行11 在此控制階段為了滿足工作可靠實現(xiàn)簡便的要求，采用一種基于觀測器的電機無位 置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉(zhuǎn)速信息，實現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢 量控制方式。結(jié)合圖3，最小系統(tǒng)板硬件電路主要為TMS320F2808的接口電路，包括數(shù)字、模擬 及通信接口。TMS320F2808負(fù)責(zé)處理采集到的數(shù)據(jù)和發(fā)送控制命令，DSP產(chǎn)生合適占空比 的PWM控制信號驅(qū)動IPM，再由IPM直接驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)；DSP經(jīng)A/D 口采集電機的相電流信 號，完成電機的電流閉環(huán)控制和電機的過流保護等。TMS320F2808芯片配有串行通信接口 SCI模塊。SCI接收器和發(fā)送器是雙緩沖的，通過一個16位的波特率選擇寄存器，數(shù)據(jù)的 傳輸速度可以被編程為65535種不同的方式，該電路采用了符合RS-232標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動芯片 MAX232進行串行通信，實現(xiàn)PC機與多功能網(wǎng)絡(luò)化數(shù)字軸角變換裝置之間的異步通信。采 用TMS320F2808處理器實現(xiàn)CAN總線的節(jié)點，需要在CAN總線與處理器之間增加變換器電 路，以便能夠?qū)崿F(xiàn)兼容的電平轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)采用SN65HVD230轉(zhuǎn)換器(符合IS011898)實現(xiàn)高 速CAN總線網(wǎng)絡(luò)。SN65HVD230是3. 3V的CAN收發(fā)器，適用于較高通訊速率、良好抗干擾能 力和高可靠性的CAN總線的串行通信。它具有差分收發(fā)能力，最高速率可達IMb/s ；低電流 等待模式，典型電流370 μ A。
結(jié)合圖4，功率放大電路包括兩部分，可控整流和逆變，其中可控整流電路與逆變電路結(jié)構(gòu)一樣。可控整流的最大優(yōu)點是可以控制功率因數(shù)，通過改變導(dǎo)通關(guān)系，減少高次諧 波成分。采用IGBT門驅(qū)動光電耦合器HCPL-315J，對上、下橋臂的兩個IGBT提供隔離和驅(qū) 動。驅(qū)動側(cè)的12路隔離直流電源，由兩個6路輸出且相互隔離的小變壓器經(jīng)整流后提供。 IGBT模塊采用IKW20N60T，霍爾電流傳感器KA 50A/P,電壓互感器HPT205NB等。
權(quán)利要求
一種無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置，其特征是主要由功率放大單元、主控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成；功率放大單元由可控整流電路、逆變電路及檢測電路組成；主控制單元由接口處理電路和數(shù)字控制器構(gòu)成；操作控制單元主要由外部操作控制面板實現(xiàn)；永磁同步電動機包含電動機定子和轉(zhuǎn)子。
2.一種無位置傳感器永磁同步電動機驅(qū)動方法，其特征是采用轉(zhuǎn)子定位、開環(huán)加速 和閉環(huán)運行三段式運行策略；轉(zhuǎn)子定位給永磁同步電動機定子通入六個脈沖；開環(huán)起動 在轉(zhuǎn)子定位完成后，開始啟動時，速度控制開環(huán)和電流控制閉環(huán)，由控制器給出一個旋轉(zhuǎn)電 壓矢量，進而產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，帶動電機轉(zhuǎn)起來，待電機以一定轉(zhuǎn)速運行并可以準(zhǔn)確估算到轉(zhuǎn) 子位置之后，再切換到閉環(huán)工作模式，輸出轉(zhuǎn)速隨給定轉(zhuǎn)速變化；閉環(huán)運行在此控制階段 采用一種基于觀測器的電機無位置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉(zhuǎn)速信 息，實現(xiàn)了基于轉(zhuǎn)子磁場定向的矢量控制方式。
全文摘要
本發(fā)明提供的是無位置傳感器永磁同步電動機直驅(qū)裝置及驅(qū)動方法。主要由功率放大單元、主控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成；功率放大單元由可控整流電路、逆變電路及檢測電路組成；主控制單元由接口處理電路和數(shù)字控制器構(gòu)成；操作控制單元主要由外部操作控制面板實現(xiàn)；永磁同步電動機包含電動機定子和轉(zhuǎn)子。本發(fā)明取代異步機+減速機方案，采用永磁同步電動機，能夠提高裝置效率；采用無位置傳感器方案可以提高運行可靠性及環(huán)境適應(yīng)能力，增加輸入功率因數(shù)校正及濾波環(huán)節(jié)，減少對電網(wǎng)的干擾及進線損耗，達到了裝置綠色節(jié)能的目的。
文檔編號H02P27/08GK101814882SQ20101014905
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月19日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月19日
發(fā)明者李冰, 杜春洋, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學(xué)