一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置及檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括三相電壓源型逆變器（1）、可控整流器（2）、電勵磁同步電機(jī)（3）、DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)（4）、電流傳感器（51）和電流傳感器（52），三相交流電源通過可控整流器（2）與電勵磁同步電機(jī)（3）的勵磁繞組連接，所述電流傳感器（51）設(shè)置在可控整流器（2）與電勵磁同步電機(jī)（3）之間的勵磁繞組電氣連接線上，其中電流傳感器（51）的信號輸出端與DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)（4）的輸入端相連，所述電流傳感器（51）采集電勵磁同步電機(jī)（3）的勵磁繞組電流反饋值至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)（4），DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)（4）輸出觸發(fā)脈沖至可控整流器（2），實(shí)現(xiàn)對可控整流器（2）的控制。
【專利說明】一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置及檢測方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種檢測裝置，具體地說是一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，屬于電勵磁同步電動機(jī)位置檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]電勵磁同步電機(jī)高性能控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子初始位置檢測關(guān)系到電機(jī)的順利啟動。在電勵磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，啟動時，轉(zhuǎn)子初始位置不準(zhǔn)確會直接影響定子磁鏈觀測的準(zhǔn)確精度，從而降低系統(tǒng)的啟動性能，嚴(yán)重時會導(dǎo)致系統(tǒng)啟動失敗。
[0003]電勵磁同步電動機(jī)以其高效率、功率因數(shù)可調(diào)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于大功率工業(yè)生產(chǎn)機(jī)械傳動中。通常電勵磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測多通過檢測定子繞組電壓實(shí)現(xiàn)，具體實(shí)現(xiàn)方法為定子繞組不通電，轉(zhuǎn)子繞組施加直流勵磁，在轉(zhuǎn)子電流從零增大到穩(wěn)態(tài)值過程中，檢測定子繞組電壓，通過純積分電壓模型獲得磁鏈的幅值與相位。由于轉(zhuǎn)子初始位置檢測期間，定子繞組不通電，故通過純積分電壓模型獲得的磁鏈為轉(zhuǎn)子磁鏈，其磁鏈相位即為轉(zhuǎn)子初始位置。該方法通過檢測定子繞組電壓計(jì)算磁鏈的相位得到轉(zhuǎn)子初始位置，方法較為簡單，但定子繞組感應(yīng)電壓衰減較快，同時純積分器的引入會來帶積分初始值及直流偏移量等問題，其檢測精度不高。其改進(jìn)的方法為，采用新型電壓模型，該模型雖然能消除積分初始值問題，但直流偏移量問題仍然存在。近年來，出現(xiàn)了采用離散傅立葉分析(DFT)對電壓模型獲得的磁鏈進(jìn)行基波信息提取，進(jìn)行獲得轉(zhuǎn)子初始位置的方法，該方法可有效避免直流偏移量及噪聲干擾等問題，但算法較為復(fù)雜，計(jì)算量較大，對微處理器的性能要求較高，現(xiàn)有技術(shù)中也有相關(guān)的檢測裝置，有的需要增加額外的設(shè)備，成本較高，有的方法計(jì)算量大，耗時長，不容易實(shí)現(xiàn)，并且精度不容易控制。鑒于現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，因此，迫切的需要一種新的檢測裝置解決上述技術(shù)問題。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題，提供一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置及檢測方法，該裝置整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)巧妙，成本較低，檢測方法耗時短，精度高，易于實(shí)現(xiàn)。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為，一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括三相電壓源型逆變器、可控整流器、電勵磁同步電機(jī)、DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)、電流傳感器和電流傳感器，三相交流電源通過可控整流器與電勵磁同步電機(jī)的勵磁繞組連接，所述電流傳感器設(shè)置在可控整流器與電勵磁同步電機(jī)之間的勵磁繞組電氣連接線上，其中電流傳感器的信號輸出端與DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)的輸入端相連，所述電流傳感器采集電勵磁同步電機(jī)的勵磁繞組電流反饋值至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)輸出觸發(fā)脈沖至可控整流器，實(shí)現(xiàn)對可控整流器的控制；三相電壓源型逆變器的輸出端與電勵磁同步電機(jī)的定子繞組相連，在三相電壓源型逆變器與電勵磁同步電機(jī)的定子繞組之間的電氣連接線上有電流傳感器，電流傳感器采集電勵磁同步電機(jī)的定子繞組電流輸送至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)；轉(zhuǎn)子初始位置觀測前，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)輸出功率器件(IGBT)控制信號至三相電壓源型逆變器，保持三相電壓源型逆變器中的相關(guān)功率器件開通或關(guān)斷。
[0006]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述三相電壓源型逆變器為三相二極管箝位式三電平逆變器。
[0007]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述可控整流器為SCR整流橋；所述DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)采用多板卡多總線架構(gòu)，多1板擴(kuò)展的數(shù)字信號控制系統(tǒng)。為支持多數(shù)字信號處理器擴(kuò)展，數(shù)字信號處理器可選用TI公司的TMS320F2812或TMS320F28335，結(jié)合Xilinx公司的Spartan系列可編程邏輯器件與XC95144XL，脈沖觸發(fā)單元以FPGA為核心，負(fù)責(zé)完成脈沖規(guī)劃、IGBT的工作狀態(tài)檢查以及故障診斷等功能；所述電流傳感器51數(shù)量是I個，采用ABB公司的型號為ESC500-9661霍爾電流傳感器，所述電流傳感器52的數(shù)量是兩個，采用ESC1000C霍爾電流傳感器。
[0008]一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述方法具體步驟如下，
I)控制電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)；
2 )給定電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流為恒定的直流量，經(jīng)勵磁繞組電流傳感器采集勵磁電流If反饋至控制系統(tǒng)，經(jīng)PID控制器輸出勵磁電壓控制量Vf,進(jìn)而控制可控整流器輸出符合要求的勵磁電壓；
3)通過定子電流傳感器檢測定子繞組的感應(yīng)電流；
4)采集的定子電流經(jīng)3s/2s變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號，經(jīng)離散等效積分模型得到定子等效感應(yīng)電壓；
5)通過反正切對兩相靜止坐標(biāo)系下的定子等效感應(yīng)電壓進(jìn)行電壓角度計(jì)算，將得到的電壓角度進(jìn)行歸一化處理；
6)將歸一化的電壓角度轉(zhuǎn)化到定子磁鏈角，即得到轉(zhuǎn)子初始位置角。
[0009]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟I具體過程如下:1)控制電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)；轉(zhuǎn)子初始位置觀測時，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)輸出功率器件(IGBT)控制信號，控制三相電壓源型逆變器中功率開關(guān)器件Sa3-Sa4Ab3-Sb4^3-Sci4開通，同時保持Sal-Sa2、Sbl-Sb2、Scl-Sc2處于關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)。
[0010]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟2具體過程如下，2)在DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子勵磁電流采用勵磁電流閉環(huán)控制，給定電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流為恒定的直流量if ref，經(jīng)勵磁繞組電流傳感器(51)采集勵磁電流if反饋至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)
(4)，經(jīng)PID控制器輸出勵磁電壓控制量匕進(jìn)而控制可控整流器輸出符合要求的勵磁電壓。
[0011]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟3具體過程如下，3)定子繞組處于Y型連接狀態(tài)，轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的磁鏈耦合到定子繞組，定子繞組中有電流，電機(jī)三相繞組對稱，通過2個定子電流傳感器(52)檢測定子繞組的三相感應(yīng)電流4、厶。
[0012]作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述步驟4具體過程如下，采集的定子電流ia、ib經(jīng)靜止變換矩陣變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號ia、u，

【權(quán)利要求】
1.一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，其特征在于，所述檢測裝置包括三相電壓源型逆變器(I)、可控整流器(2)、電勵磁同步電機(jī)(3)、DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)、電流傳感器(51)和電流傳感器(52 )，三相交流電源通過可控整流器(2 )與電勵磁同步電機(jī)(3 )的勵磁繞組連接，所述電流傳感器(51)設(shè)置在可控整流器(2 )與電勵磁同步電機(jī)(3 )之間的勵磁繞組電氣連接線上，其中電流傳感器(51)的信號輸出端與DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)的輸入端相連，所述電流傳感器(51)采集電勵磁同步電機(jī)(3)的勵磁繞組電流反饋值至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)輸出觸發(fā)脈沖至可控整流器(2)，實(shí)現(xiàn)對可控整流器(2)的控制；三相電壓源型逆變器(I)的輸出端與電勵磁同步電機(jī)(3 )的定子繞組相連，在三相電壓源型逆變器(I)與電勵磁同步電機(jī)(3 )的定子繞組之間的電氣連接線上有電流傳感器(52)，電流傳感器(52)采集電勵磁同步電機(jī)(3)的定子繞組電流輸送至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4);轉(zhuǎn)子初始位置觀測前，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)輸出功率器件(IGBT)控制信號至三相電壓源型逆變器(I)，保持三相電壓源型逆變器(I)中的相關(guān)功率器件開通或關(guān)斷。
2.如權(quán)利要求1所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，其特征在于，所述三相電壓源型逆變器(I)為三相二極管箝位式三電平逆變器。
3.如權(quán)利要求2所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置，其特征在于，所述可控整流器(2)為SCR整流橋；所述DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)采用多板卡多總線架構(gòu)，多1板擴(kuò)展的數(shù)字信號控制系統(tǒng)。
4.采用上述權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)權(quán)利要求所述的一種電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述方法具體步驟如下， I)控制電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)； 2 )給定電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流為恒定的直流量，經(jīng)勵磁繞組電流傳感器采集勵磁電流If反饋至控制系統(tǒng)，經(jīng)PID控制器輸出勵磁電壓控制量Vf,進(jìn)而控制可控整流器輸出符合要求的勵磁電壓； 3)通過定子電流傳感器檢測定子繞組的感應(yīng)電流； 4)采集的定子電流經(jīng)3s/2s變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號，經(jīng)離散等效積分模型得到定子等效感應(yīng)電壓； 5)通過反正切對兩相靜止坐標(biāo)系下的定子等效感應(yīng)電壓進(jìn)行電壓角度計(jì)算，將得到的電壓角度進(jìn)行歸一化處理； 6)將歸一化的電壓角度轉(zhuǎn)化到定子磁鏈角，即得到轉(zhuǎn)子初始位置角。
5.如權(quán)利要求4所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟I具體過程如下:1)控制電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)；轉(zhuǎn)子初始位置觀測時，DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)輸出功率器件(IGBT)控制信號，控制三相電壓源型逆變器中功率開關(guān)器件Sa3-Sa4、Sb3-Sb4、Sc3-Sc4開通，同時保持Sal-Sa2、SM-Sb2、Scl-Sc2處于關(guān)斷狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電勵磁同步電機(jī)定子繞組處于Y型短接狀態(tài)。
6.如權(quán)利要求5所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟2具體過程如下，2)在DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子勵磁電流采用勵磁電流閉環(huán)控制，給定電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵磁電流為恒定的直流量iV—w，經(jīng)勵磁繞組電流傳感器(51)采集勵磁電流if反饋至DSP+FPGA/CPLD控制系統(tǒng)(4)，經(jīng)PID控制器輸出勵磁電壓控制量匕，進(jìn)而控制可控整流器輸出符合要求的勵磁電壓。
7.如權(quán)利要求6所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟3具體過程如下，3)定子繞組處于Y型連接狀態(tài)，轉(zhuǎn)子勵磁電流產(chǎn)生的磁鏈耦合到定子繞組，定子繞組中有電流，電機(jī)三相繞組對稱，通過2個定子電流傳感器(52)檢測定子繞組的三相感應(yīng)電流i3、厶。
8.如權(quán)利要求7所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟4具體過程如下，采集的定子電流ia、U經(jīng)靜止變換矩陣變換為兩相靜止坐標(biāo)系下的電流信號?α、?β，
經(jīng)離散等效積分模型得到定子等效感應(yīng)電壓;具體如下:
Ua (n) = Ua (η-1) + K*Ts*/ff (η-1)；
Up (η) = Up (η-1) + K^Ts*/^ (η-1)； 系統(tǒng)采樣計(jì)算周期為Ts=l/10000s 'Ia (n-1)、Ip (n_l)分別為第n_l步采樣時刻的電流，Ua (n-1)、Up (n-1)分別為第n-Ι步采樣時刻的電壓，Ua (n)、Ue (η)分別為第η步采樣時刻的電壓，η > I ;Κ為前向輸入增益，K > O，現(xiàn)取K=l，具體取值可依實(shí)際控制系統(tǒng)而定。
9.如權(quán)利要求8所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟5具體過程如下，5)通過反正切對兩相靜止坐標(biāo)系下的定子等效感應(yīng)電壓Vi7、Ue進(jìn)行電壓角度計(jì)算，將得到的電壓角度進(jìn)行歸一化處理；所述歸一化處理具體如下，
^?=artan{Uβ/ Ua)；
S1 =Rem (( Θ u+2*pi),2*Pi)；
二 ~*360/(2*Pi)。
10.如權(quán)利要求9所述的電勵磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測裝置的檢測方法，其特征在于，所述步驟6具體過程如下，6)將歸一化的電壓角度On轉(zhuǎn)化到定子磁鏈角，即得到轉(zhuǎn)子初始位置角θ r， θ=θη~^° 。
【文檔編號】H02P21/13GK104167971SQ201410416692
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年8月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月22日
【發(fā)明者】譚國俊, 吳軒欽, 李 浩, 何鳳有, 劉毅 申請人:徐州中礦大傳動與自動化有限公司