基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方法

摘要

基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方法，属于电机控制领域，本发明为解决由定子侧注入高频信号在变频装置的控制方法上受到了限制的问题。本发明方法包括以下步骤：步骤一：采用励磁桥式电路的触发策略，使励磁电流在直流分量的基础上叠加一个固定频率的脉动信号；脉动信号的固定频率为f

说明书

技术领域

本发明属于电机控制领域。

背景技术

近些年来，电力传动系统不断发展使得同步电机得到更加广泛的应用。相比于异步电机，同步电机具有功率因数高且可以调节、变频器容量小、控制精度高等诸多优势。然而同步电机与其他电机不同的是，在启动时期必须能够实时检测到电机的转子位置，并以此为依据来控制同步电机的运行。但是传统的机械式位置传感器安装繁琐、检测精度受环境影响较大并且工作可靠性较低。因此，研究者一直致力于无传感器的转子位置检测方法。

目前，基于高频信号注入的同步电机转子位置检测方法不断发展。此类方法利用同步电机的本体结构作为传感器，结合运行过程中的电磁关系来实现同步电机的转子位置检测。电励磁同步电机的高频信号注入方法包括定子信号注入和转子信号注入两类，定子信号注入方法又分为单向信号注入和三相信号注入。电励磁同步电机经常应用在中高压场合，变频驱动装置普遍采用具有较大容量的功率半导体器件——晶闸管，由于晶闸管的半控特性，常规的高频信号注入方法无法实现，因此由定子侧注入高频信号就在变频装置的控制方法上受到了限制。

图1为转子侧高频信号发生装置的一种拓扑结构。该拓扑是在励磁系统的结构上并联一个Buck电路，利用IGBT对励磁电压进行斩波，使励磁电流包含一个与斩波频率同频的高频信号。但是这种高频信号发生装置需要在原有的励磁系统上至少增加一个IGBT和一个二极管，并不适用于大功率同步电机的励磁系统。即使对于小功率的励磁系统来说，这种拓扑结构不但会增加系统的电气成本，同时也会增加系统的功耗。此外增加的半导体器件会降低系统的可靠性，尤其当需要多个IGBT串并联使用时，还会带给励磁系统的控制来一系列的新问题。因此，提出一种无需改变同步电机控制调速系统结构的无传感器转子位置检测方法具有非常重要的意义。

发明内容

本发明目的是为了解决由定子侧注入高频信号在变频装置的控制方法上受到了限制的问题，提供了一种基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方法。

本发明所述基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方 法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用励磁桥式电路的触发策略，使励磁电流在直流分量的基础上叠加一个固定频率的脉动信号；脉动信号的固定频率为f_h；

步骤二：采集电机的三相反电动势线电压，并且提取其中频率为f_h的脉动信号；

步骤三：提取频率为f_h的脉动信号的三相高频信号感应电动势的包络线e_{AB_h}、e_{BC_h}和e_{CA_h}；

步骤四：根据步骤三提取的三相包络线计算出同步电机的转子机械角度。

本发明的优点：

1、本发明所述无传感器连续检测方法能够在不额外安装机械式传感器的前提下，实现电励磁同步电机零速及低速时期的转子位置实时检测，改善了电动机的启动效果，提高了系统的启动成功率，大大提升了系统的可靠性。

2、本发明所述无传感器连续检测方法无需增加额外的硬件设备，相较于其他无传感器检测方法具有干扰小，成本低的优势。

附图说明

图1是励磁系统高频信号发生的拓扑结构图；

图2是电励磁同步电机模型等效电路图；

图3是反电动势的高频感应信号及其包络线波形；

图4是励磁系统拓扑结构图；

图5是带有脉动信号的励磁电流波形图；

图6是三相反电动势线电压波形图；

图7是三相300Hz脉动信号波形图；

图8是图7信号经校正后的三相包络线；

图9是校正后的转子机械角度示意图；

图10是本发明基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方法的流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图10说明本实施方式，本实施方式所述基于励磁电流脉动响应的电励磁同步电机转子位置全程无传感器检测方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：采用适当的励磁桥式电路的触发策略，使励磁电流在直流分量的基础上叠加一个固定频率的脉动信号，脉动信号的固定频率为f_h。

此时励磁电流表达式为：

其中I_f为励磁电流i_f的有效值；I_h为励磁电流高频成分的幅值；ωk为励磁电流高频成分的角频率；为励磁电流高频成分的相位。

步骤二：采集电机的三相反电动势线电压，并且提取其中频率为f_h的脉动信号。

图2为电励磁同步电机模型等效电路图。我们规定，当励磁绕组与A相绕组轴线夹角为0°时，电励磁同步电机转子的机械角度为0°。

由图2可知，同步电机的三相反电动势线电压中高频信号感应电动势与励磁电流i_f关系为：

$\left(\begin{array}{c}{u}_{AB\_h}\\ u_{BC\_h}\\ u_{CA\_h}\end{array}\right)=\frac{d}{dt}\left(\begin{array}{c}\sqrt{3}{L}_{M}cos(\theta +\pi /6)·i_f\\ \sqrt{3}{L}_{M}cos(\theta -\pi /2)·i_f\\ \sqrt{3}{L}_{M}cos(\theta +5\pi /6)·i_f\end{array}\right)$

L_M为电机定转子间最大互感，θ为同步电机的转子机械角度。

将励磁电流的表达式代入上式中，可得到由励磁电流产生的三相感应电动势，即该步骤中所需要提取的频率为f_h的高频信号，其表达式为：

其中ω_m为同步电机的机械角频率，θ＝ω_mt。

由于励磁系统产生的脉动信号频率远大于同步电机的转动频率，上式可简化为如下表达式：

步骤三：提取三相高频信号感应电动势的包络线e_{AB_h}、e_{BC_h}和e_{CA_h}。

由于在上式中为高频项，且不包含我们所需要的转子位置信息，因此我们 忽略该项。余下部分即为u_{AB_h},u_{BC_h}和u_{CA_h}的包络线，其表达式如下：

$\left(\begin{array}{c}{e}_{AB\_h}\\ e_{BC\_h}\\ e_{CA\_h}\end{array}\right)=K\left(\begin{array}{c}cos(\theta +\pi /6)\\ cos(\theta -\pi /2)\\ cos(\theta +5\pi /6)\end{array}\right)$

其中

图3为u_{AB_h}与e_{AB_h}的波形。从图中可以看出，e_{AB_h}完全可以认为是u_{AB_h}的包络线。

步骤四：根据三相包络线的表达式，可以计算出同步电机的转子机械角度，其计算公式为：

$\theta ={\tan }^{-1}\left(\frac{\sqrt{3}{e}_{BC\_h}}{e_{AB\_h}-e_{CA\_h}}\right)$

下面给出一个具体实施例。

图4为励磁系统的拓扑结构。结合图4说明，基于励磁电压脉动的电励磁同步电机转子位置无传感器连续检测方法，由以下步骤实现：

步骤一：控制励磁系统整流桥触发角为60°，此时会在励磁电流上产生一个300Hz的脉动信号。

步骤二：采集三相反电动势线电压，提取频率为300Hz的脉动信号。

步骤三：提取三相300Hz脉动信号的包络并对包络进行AD采样。

步骤四：应用AD采样得到的三相包络值，利用发明内容中的转子位置计算公式进行计算，可得到实时的转子位置角度。

图5为励磁系统产生的带有300Hz脉动信号的励磁电流波形。图6为电机运行时三相反电动势线电压波形。图7为三相反电动势线电压中提取的300Hz脉动信号。图8为AD采样得到的三相包络线。图9为利用本方法检测到的转子位置角。