專利名稱：雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種不使用位置傳感器實現(xiàn)雙凸極永磁電機從靜止狀態(tài)自起動的控制技術(shù)，屬于電機驅(qū)動與控制技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
雙凸極永磁(doubly-salient permanent magnet，以下簡稱 DSPM)電機是 20 世紀 90年代出現(xiàn)的一種新型交流調(diào)速電機，是交流電機調(diào)速與傳動領(lǐng)域近年來繼開關(guān)磁阻電機之后又一新的研究方向，其獨特的結(jié)構(gòu)和優(yōu)良的電氣性能已得到越來越多的關(guān)注和研究。 DSPM電機在常規(guī)運行時需要采用位置傳感器來檢測轉(zhuǎn)子位置，以控制逆變器中功率管的換流，從而實現(xiàn)電機的換相。這樣，不僅硬件電路十分復(fù)雜，而且由于霍爾傳感器的安裝比較困難，隨之增加了許多問題，甚至損壞器件。所以，無位置技術(shù)用于DSPM電機，可以實現(xiàn)可靠、低成本控制。電機如何起動是無位置控制技術(shù)領(lǐng)域的一個普遍性難題。無位置傳感器控制方法，大都基于反電勢過零檢測法或磁鏈估計法。但在電機靜止和轉(zhuǎn)速很低時，反電勢或磁鏈太小，無法準確檢測到轉(zhuǎn)子位置。所以在電機靜止或低速時需要有一段特殊的無位置控制起動過程。傳統(tǒng)的無位置起動方法如三段式起動等，轉(zhuǎn)子定位時電機轉(zhuǎn)子在起動時容易振蕩，加速時控制復(fù)雜。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明針對雙凸極永磁電機無位置傳感器起動問題，提出了一種雙凸極永磁電機無位置傳感器控制的起動方法實現(xiàn)無位置傳感器轉(zhuǎn)子初始位置檢測，并使電機起動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到可以檢測到電機反電勢時，再轉(zhuǎn)換到反電勢過零檢測法進行無位置控制運行。技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，該方法包括如下步驟
通過逆變器分別給每種定子繞組組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓， 在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值，相應(yīng)產(chǎn)生的電流值是每種組合方式等效電感的函數(shù)，電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，比較電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置；
根據(jù)轉(zhuǎn)向?qū)孀兤飨鄳?yīng)開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢矢量方向超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)；
該定子磁勢矢量通電一段預(yù)定時間后，再用轉(zhuǎn)子初始位置檢測的方法檢測轉(zhuǎn)子位置， 判斷轉(zhuǎn)子所在的新的位置，之后，再施加相應(yīng)的定子磁勢矢量，再檢測，再驅(qū)動，循環(huán)進行， 電機處于轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)運行狀態(tài)，電機平穩(wěn)起動。優(yōu)選的，依據(jù)定子繞組自感隨轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律，分別給定子繞組上外加時間寬度相同、幅值相同的脈沖電壓，測量脈沖結(jié)束時的電流，依據(jù)電感越小，時間常數(shù)越小，電流上升越快，脈沖結(jié)速時的電流值就越大的規(guī)律，通過比較電流的相對大小來判斷轉(zhuǎn)子位置。優(yōu)選的，定子繞組電流是從逆變器直流側(cè)檢測，只需一個電流傳感器。優(yōu)選的，給每種定子繞組組合方式施加脈沖電壓，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。優(yōu)選的，所述對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，其中角度范圍根據(jù)不同的逆變器開關(guān)器件的導(dǎo)通規(guī)律，具有不同的角度范圍。有益效果
1.該方法僅采用一個電流傳感器接入逆變器直流側(cè)輸入端，不需要位置傳感器，也無需提前獲得電機參數(shù)，且電機參數(shù)變化并不影響該方法實現(xiàn)。與有位置傳感器控制相比較， 節(jié)約了控制系統(tǒng)硬件成本。2.判斷轉(zhuǎn)子位置的精確度高，所提出的方法檢測轉(zhuǎn)子位置可以精確到30度。3.轉(zhuǎn)子定位時能保證電機轉(zhuǎn)子在起動時不產(chǎn)生振蕩，加速時控制簡單，易于實現(xiàn)。4.解決了電機靜止和低速時，無位置控制方法實現(xiàn)的難題。


圖1是三相DSPM電機定子繞組每相自感值隨轉(zhuǎn)子位置變化圖。圖2是三相DSPM電機定子繞組分別AB、BC、AC兩相串聯(lián)時的等效自感隨轉(zhuǎn)子位置變化圖。圖3是電機與逆變器聯(lián)接示意圖。其中iin-輸入電流，iin (t) 一逆變器直流側(cè)輸入電流，R —每相定子繞組電阻， Tl 一第一逆變器開關(guān)，T2 —第二逆變器開關(guān)，T3 —第三逆變器開關(guān)，T4 一第四逆變器開關(guān)， T5—第五逆變器開關(guān)，T6—第六逆變器開關(guān)，Laa- A相定子繞組自感，Lbb-B相定子繞組自感，Lcc-C相定子繞組自感，A-A相定子繞組與逆變器相聯(lián)結(jié)的節(jié)點，B-B相定子繞組與逆變器相聯(lián)結(jié)的節(jié)點，C-C相定子繞組與逆變器相聯(lián)結(jié)的節(jié)點，Vdc-逆變器直流輸入電源。圖4是AB兩相定子繞組串聯(lián)時等效電路。圖5是定子繞組各組合方式產(chǎn)生的磁勢圖。
其中Fl —對應(yīng)第二逆變器開關(guān)T2，第三逆變器開關(guān)T3導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢矢量，
F2 一對應(yīng)第三逆變器開關(guān)T3，第六逆變器開關(guān)T6導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁
勢矢量，
F3 一對應(yīng)第一逆變器開關(guān)Tl，第六逆變器開關(guān)T6導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁
勢矢量，
F4 一對應(yīng)第一逆變器開關(guān)Tl，第四逆變器開關(guān)T4導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁
勢矢量，
F5 一第四對應(yīng)逆變器開關(guān)T4，第五逆變器開關(guān)T5導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁
勢矢量，F(xiàn)6 一對應(yīng)第二逆變器開關(guān)T2，第五逆變器開關(guān)T5導(dǎo)通的定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁
勢矢量。圖6是本發(fā)明所提出的雙凸極電機無位置傳感器控制起動方法控制框圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供的雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，該方法包括如下步驟 通過逆變器分別給每種定子繞組組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓， 在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值，相應(yīng)產(chǎn)生的電流值是每種組合方式等效電感的函數(shù)，電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，比較電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置；
根據(jù)轉(zhuǎn)向?qū)孀兤飨鄳?yīng)開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢矢量方向超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)；
該定子磁勢矢量通電一段預(yù)定時間后，再用轉(zhuǎn)子初始位置檢測的方法檢測轉(zhuǎn)子位置， 判斷轉(zhuǎn)子所在的新的位置，之后，再施加相應(yīng)的定子磁勢矢量，再檢測，再驅(qū)動，循環(huán)進行， 電機處于轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)運行狀態(tài)，電機平穩(wěn)起動。依據(jù)定子繞組自感隨轉(zhuǎn)子位置變化的規(guī)律，分別給定子繞組上外加時間寬度相同、幅值相同的脈沖電壓，測量脈沖結(jié)束時的電流，依據(jù)電感越小，時間常數(shù)越小，電流上升越快，脈沖結(jié)速時的電流值就越大的規(guī)律，通過比較電流的相對大小來判斷轉(zhuǎn)子位置。定子繞組電流是從逆變器直流側(cè)檢測，只需一個電流傳感器。根據(jù)所檢測到的轉(zhuǎn)子位置以及轉(zhuǎn)向要求，確定逆變器開關(guān)器件的導(dǎo)通規(guī)律，給雙凸極電機施加驅(qū)動電壓，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。所述對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，其中角度范圍根據(jù)不同的逆變器開關(guān)器件的導(dǎo)通規(guī)律，具有不同的角度范圍。通地對雙凸極電機檢測、驅(qū)動、再檢測、再驅(qū)動，步驟循環(huán)進行，使電機平穩(wěn)起動， 直到電機轉(zhuǎn)速升高到可以根據(jù)反電動勢準確估計轉(zhuǎn)子位置時，再切換到反電勢過零法無位置傳感器控制運行。參見圖1 一 6，本發(fā)明所提出的雙凸極永磁電機無位置傳感器自起動方法，主要技術(shù)方案是利用電機定子繞組自感隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化的特性，施加高頻脈沖電壓給電機定子繞組，再檢測相應(yīng)的電流值，由于電流是電感的函數(shù)，從而判斷轉(zhuǎn)子位置，對三相雙凸極電機其判斷精度達到30度。之后，導(dǎo)通相應(yīng)的逆變器開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置60° ~ 120° (對三相電機)，驅(qū)動電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。驅(qū)動一段預(yù)定時間后，再檢測轉(zhuǎn)子位置，再驅(qū)動， 再檢測……，電機起動，轉(zhuǎn)速逐漸上升。當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到可以檢測到電機反電勢時，再轉(zhuǎn)換到反電勢過零檢測法進行無位置控制運行。本發(fā)明是不使用位置傳感器實現(xiàn)雙凸極電機從靜止狀態(tài)自起動的控制技術(shù)，利用電機每相繞組電感隨轉(zhuǎn)子位置變化的特性，實現(xiàn)無位置傳感器轉(zhuǎn)子初始位置檢測，并使電機起動，轉(zhuǎn)速逐漸上升，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到可以檢測到電機反電勢時，再轉(zhuǎn)換到反電勢過零法無位置控制運行。轉(zhuǎn)子初始位置檢測的基本原理是逆變器控制星形聯(lián)接的電機定子三相繞
5組分別兩兩串聯(lián)，得到AB、BC、AC三種組合方式，在逆變器直流側(cè)分別給每種組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓，在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值(從逆變器直流輸入側(cè)檢測)，相應(yīng)產(chǎn)生的電流是每種組合方式等效電感的函數(shù)，而電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，比較三個電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置，位置可以精確到30°范圍。隨后，根據(jù)轉(zhuǎn)向，導(dǎo)通逆變器相應(yīng)開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置 60°-120° ,使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。該矢量通電一段時間后，再用轉(zhuǎn)子初始位置檢測的方法檢測轉(zhuǎn)子位置，判斷轉(zhuǎn)子所在的新的位置，之后，再施加相應(yīng)的定子磁勢，再檢測，再驅(qū)動……步驟循環(huán)進行，電機處于轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)運行狀態(tài)，電機平穩(wěn)起動。直到電機轉(zhuǎn)速升高到可以根據(jù)反電勢準確估計轉(zhuǎn)子位置時，再切換到反電勢過零法無位置傳感器控制運行。該方法僅采用一個電流傳感器接入逆變器直流輸入端，不需要位置傳感器，也不用知道電機參數(shù)。與有位置傳感器控制相比較，節(jié)約了成本。所提出的方法檢測轉(zhuǎn)子位子可以精確到30度。以一臺三相雙凸極永磁電機為例說明實施方式。雙凸極永磁電機具有電機定子繞組自感隨轉(zhuǎn)子位置變化而變化的特性，圖1為三相DSPM電機定子繞組每相自感值隨轉(zhuǎn)子位置變化圖，圖2為該DSPM電機定子繞組分別AB、BC、AC兩相串聯(lián)時的等效自感隨轉(zhuǎn)子位置變化圖。首先檢測處于靜止狀態(tài)電機的轉(zhuǎn)子初始位置，檢測的基本原理是如圖3所示，靜止時電機可等效為三相R-L電路，控制逆變器開關(guān)使星形聯(lián)接的電機定子三相繞組分別兩兩串聯(lián)，得到AB、BC、AC三種組合方式，在逆變器直流側(cè)分別給每種組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓，例如AB串聯(lián)等效電路如圖4所示，此時相當(dāng)于R-L —階電路直流電壓響應(yīng)，產(chǎn)生的電流為指數(shù)函數(shù)上升曲線。電流上升速度反應(yīng)R-L電路時間常數(shù)，電感越小，時間常數(shù)越小，電流上升越快，。如在每個脈沖電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值(從逆變器直流輸入側(cè)檢測)，相應(yīng)產(chǎn)生的電流是每種組合方式等效電感的函數(shù)。電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，表1為轉(zhuǎn)子位置在360°電角度電周期，按 30°范圍劃分，定子繞組分別AB、BC、AC兩相串聯(lián)時的等效自感特性的相對關(guān)系。所以比較三個電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置，位置可以精確到30°范圍。表 1
三相雙凸極永磁電機定子繞組分別AB、BC、AC兩相串聯(lián)時的等效自感特
性的相對關(guān)系
權(quán)利要求
1.一種雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，其特征在于，該方法包括如下步驟通過逆變器分別給每種定子繞組組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓， 在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值，相應(yīng)產(chǎn)生的電流值是每種組合方式等效電感的函數(shù)，電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，比較電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置；根據(jù)轉(zhuǎn)向?qū)孀兤飨鄳?yīng)開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢矢量方向超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)；該定子磁勢矢量通電一段預(yù)定時間后，再用轉(zhuǎn)子初始位置檢測的方法檢測轉(zhuǎn)子位置， 判斷轉(zhuǎn)子所在的新的位置，之后，再施加相應(yīng)的定子磁勢矢量，再檢測，再驅(qū)動，循環(huán)進行， 電機處于轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)運行狀態(tài)，電機平穩(wěn)起動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，其特征在于，所述通過逆變器分別給每種定子繞組組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓，在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值，依據(jù)電感越小，時間常數(shù)越小，電流上升越快，脈沖結(jié)速時的電流值就越大的規(guī)律，通過比較電流的相對大小來判斷轉(zhuǎn)子位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，其特征在于所述的定子繞組電流是從逆變器直流側(cè)檢測，只需一個電流傳感器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，其特征在于，給每種定子繞組組合方式施加脈沖電壓，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法，其特征在于，所述對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，其中角度范圍根據(jù)不同的逆變器開關(guān)器件的導(dǎo)通規(guī)律，具有對應(yīng)的角度范圍。
全文摘要
本發(fā)明提供一種雙凸極電機無位置傳感器控制的起動方法,其特征在于，該方法包括如下步驟通過逆變器分別給每種定子繞組組合方式施加一個相同時間、相等幅值的脈沖電壓，在每個電壓結(jié)束時檢測對應(yīng)的電流值，相應(yīng)產(chǎn)生的電流值是每種組合方式等效電感的函數(shù)，電感與轉(zhuǎn)子位置之間存在對應(yīng)關(guān)系，比較電流值可以間接得到轉(zhuǎn)子初始位置；根據(jù)轉(zhuǎn)向?qū)孀兤飨鄳?yīng)開關(guān)，使對應(yīng)的定子繞組電流產(chǎn)生的定子磁勢超前初始位置一個確定的角度范圍，保證定子繞組電流產(chǎn)生的合成磁勢與永磁磁場相互作用得到最大平均電磁轉(zhuǎn)矩，使電機朝給定轉(zhuǎn)向旋轉(zhuǎn)。本發(fā)明不需要位置傳感器，也無需提前獲得電機參數(shù)，且電機參數(shù)變化并不影響該方法實現(xiàn)。
文檔編號H02P6/20GK102291070SQ20111025202
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年8月30日
發(fā)明者杜軍, 程明, 花為 申請人:東南大學(xué)