专利名称：无位置传感器双凸极电机系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种双凸极电机系统及其控制方法，尤其涉及一种无位置传感 器双凸极电机系统及其控制方法。
背景技术：
对于电励磁双凸极电机驱动系统而言,实时而准确的转子位置信息是其可 靠运行的必要前提。通过采用轴位置传感器或者其它类型的探测式位置检测器 来获得位置信息不仅会增大电机体积，提高系统成本和复杂程度，更重要的是 会降低系统结构的坚固性,影响整个系统的可靠运行。因此如何让它去掉位置检 测器,直接利用电机的电压和电流信息间接确定转子位置,从而使系统结构更加 坚固,运行更加可靠、高效,成本更加低廉，无疑是一个很有潜力的研究方向，在 航空航天、风力发电领域都具有重要价值。迄今为止，国内外对这一领域的研究 尚属起步阶段，研究对象多集中于电机结构相类似的开关磁阻电机无位置传感
器。其研究的思路有两种:(1)脉冲注入定位法--脉冲注入法的算法尽管相对比 较简单,但基于高频脉冲的输入使其不免有着内在固有的速度限制，而且测试电 流可能带来负转矩,其对整个系统出力和效率的影响也是很大的不足；(2)反电 势法--这种方法需要辅助起动设施，需要进行相位补偿，还存在计数值转速电 流限幅的匹配问题。因为这些缺点的存在，最后以上的方法都没有能够很好地 实现。因此，如何实时精确获得转子位置角度信息一直是双凸极无位置传感器 技术的难题。国内外目前尚没有双凸极电机无位置传感器控制的有效方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术的缺陷提出一种无位置传感器 双凸极电机系统及其控制方法。
本发明无位置传感器双凸极电机系统，由双凸极电机、励磁绕组、主功率 电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两个输出端分
4别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电机的三个输 入端连接，双凸极电机的输出端与励磁绕组的输入端连接，所述控制电路包括 隔离电路、故障检测电路、三相电流采样电路、励磁电流采样电路、PWM控 制电路、过流过压保护电路、ADC模块、位置检测电路、转速计算电路、逻 辑控制电路、捕获单元、速度环、、电流环、滞环比较器和PI调节器，其中故 障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流过压保 护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入端；三相 电流采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，三相电流采样电 路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的输出端与电流环的负输入 端连接；励磁电流采样电路的输入端与励磁绕组的输出端连接，励磁电流采样 电路的输出端与位置检测电路的输入端连接，位置检测电路的一个输出端与捕 获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连接，位置 检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电路的输出 端与转速环的负输入端连接；转速环的输出端与PI调节器的输入端连接，PI 调节器的输出端与电流环的正输入端连接，电流环的输出端与逻辑控制电路的 输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离电路与IPM
的输入端连接。
无位置传感器双凸极电机系统的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极 电机，采用励磁电流采样电路采样得到励磁绕组的输出励磁电流if，励磁电流采 样电路输出脉冲位置信号，将励磁电流采样电路输出脉冲位置信号依次经过位 置检测电路、转速计算电路得到双凸极电机的实际转速ov，将励磁绕组的输出 励磁电流依次经过位置检测电路、捕获单元得到触发信号；采用三相电流采样 电路采集双凸极电机的三相输入电流，将采集的双凸极电机的三相输入电流经
过ADC模块得到相电流ip，将所述双凸极电机的实际转速(Om和给定的双凸极电
机转速oC经过速度环得到双凸极电机的实时转速差，将所述双凸极电机的实时 转速差经过PI调节器得到给定的相电流i/，将所述给定的相电流i/和相电流ip经 过电流环得到实时电流差，将所述实时电流差经过滞环比较器得到阶跃信号； 采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信 号经过过流过压保护电路得到高低电平信号；将所述触发信号、阶跃信号、高 低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到IPM 的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的三相输入 电流。本发明所述的双凸极电机结构简单、出力大，因此在进行大功率或者较 大功率模拟实验时，采用双凸极电机的风轮机模拟器有利用简化模拟系统结 构、降低成本。本发明可以利用人为风速给定来模拟风洞或风场条件下各种 风速模型，具有很大的灵活性，节省了风洞实验的研究资金，縮短了风力发 电技术的研究周期。本发明利用风速和转速求得风轮机特性，用来控制模拟 器的转矩给定，采用转矩内环实现风轮机的模拟，为风轮机的前期设计节省 了研究时间，带来了很大方便。
图1:本发明控制系统框图2:本发明双凸极电机三相互感与励磁电流波形图； 图3:本发明双凸极电机励磁电流采样调理电路图； 图4:本发明双凸极电机励磁电流与位置信号波形图； 图5:本发明双凸极电机位置信号与三相电流波形图。
具体实施例方式
如图1所示。 一种无位置传感器双凸极电机系统，由双凸极电机、励磁绕 组、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两 个输出端分别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电 机的三个输入端连接，双凸极电机的输出端与励磁绕组的输入端连接，所述控 制电路包括隔离电路、故障检测电路、三相电流采样电路、励磁电流采样电路、 PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、位置检测电路、转速计算电 路、逻辑控制电路、捕获单元、速度环、、电流环、滞环比较器和PI调节器， 其中故障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流 过压保护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入 端；三相电流采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，三相电 流采样电路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的输出端与电流环 的负输入端连接；励磁电流采样电路的输入端与励磁绕组的输出端连接，励磁 电流采样电路的输出端与位置检测电路的输入端连接，位置检测电路的一个输 出端与捕获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连 接，位置检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电 路的输出端与转速环的负输入端连接；转速环的输出端与PI调节器的输入端
6连接，PI调节器的输出端与电流环的正输入端连接，电流环的输出端与逻辑控
制电路的输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离 电路与IPM的输入端连接。
无位置传感器双凸极电机系统的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极 电机，采用励磁电流采样电路采样得到励磁绕组的输出励磁电流if，励磁电流采 样电路输出脉冲位置信号，将励磁电流采样电路输出脉冲位置信号依次经过位
置检测电路、转速计算电路得到双凸极电机的实际转速O)m，将励磁绕组的输出
励磁电流依次经过位置检测电路、捕获单元得到触发信号；采用三相电流采样 电路采集双凸极电机的三相输入电流，将采集的双凸极电机的三相输入电流经
过ADC模块得到相电流ip，将所述双凸极电机的实际转速COm和给定的双凸极电
机转速oC经过速度环得到双凸极电机的实时转速差，将所述双凸极电机的实时 转速差经过PI调节器得到给定的相电流i/，将所述给定的相电流i/和相电流ip经 过电流环得到实时电流差，将所述实时电流差经过滞环比较器得到阶跃信号； 采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信 号经过过流过压保护电路得到高低电平信号；将所述触发信号、阶跃信号、高 低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号，将激励信号经过隔离电路得到IPM 的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电压和驱动电流即双凸极电机的三相输入 电流。
如图2所示，无位置传感器电励磁双凸极电机的定子齿极与转子齿极重合 处互感最大，定子齿极与转子齿极相距最远时互感最小。根据电励磁双凸极电 机的基本理论可知，电励磁双凸极电机的运行依靠在电感上升区通入正向电 流，在电感下降区通入负向电流。当有位置传感器电励磁双凸极电机运行时， 依靠位置传感器获得转子位置信息，相电流在电感从最小值开始上升的时刻、 电感从最大值开始下降的时刻以及电感下降到最小值三个时刻进行换向。由图 2可以看出电励磁双凸极电机的励磁电流波动与定转子位置以及三相互感存在 对应关系，励磁电流波动周期与电流换向周期一致，并且励磁电流发生波动的 位置正好与换向位置同相位。不同的转子位置对应电机磁场分布不同，励磁磁 场会随着转子位置变化而变化，因此可以利用励磁电流波动来获得转子位置信 息。
如图3所示，励磁电流采样电路由电流传感器、2个低通滤波器、微分器、 反向器、过零比较器和单触发器构成。电流传感器采样得到的励磁电流，经过 第一级低通滤波器进行滤波，消除高频毛刺；再分别经过微分器、反向器、第二级低通滤波器、过零比较器和单触发器得到脉冲位置信号。
如图4所示，励磁电流经过采样调理电路后得到了电励磁双凸极电机脉冲
位置信号。可以看出脉冲位置信号与励磁电流波动具有对应关系，励磁电流每 波动一次产生一个脉冲位置信号，脉冲信号与励磁电流发生波动的位置同相 位，并且脉冲信号的位置正好是三相电流进行换向的位置。因此，所述脉冲信 号正好可以用来代替位置传感器来驱动电励磁双凸极电机。
如图5所示，采用所述脉冲位置信号，通过图1所示控制系统后得到IPM的驱 动信号用于控制IPM输出的驱动电流即双凸极电机的三相输入电流。由图5可以 看出，利用所述脉冲位置信号可实现无位置传感器电励磁双凸极电机三相输入 电流正确换向，即在电感上升区相绕组通入正电流，在电感下降区相绕组通入 负电流。
权利要求
1. 一种无位置传感器双凸极电机系统，由双凸极电机、励磁绕组、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，电源的两个输出端分别与IPM的两个输入端连接，IPM的三个输出端分别与双凸极电机的三个输入端连接，双凸极电机的输出端与励磁绕组的输入端连接，其特征在于所述控制电路包括隔离电路、故障检测电路、三相电流采样电路、励磁电流采样电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、位置检测电路、转速计算电路、逻辑控制电路、捕获单元、速度环、电流环、滞环比较器和PI调节器，其中故障检测电路的输入端接IPM的输出端，故障检测电路的输出端接过流过压保护电路的输入端，过流过压保护电路的输出端接逻辑控制电路的输入端；三相电流采样电路的三个输入端分别与IPM的三个输出端连接，三相电流采样电路的输出端与ADC模块的输入端连接，ADC模块的输出端与电流环的负输入端连接；励磁电流采样电路的输入端与励磁绕组的输出端连接，励磁电流采样电路的输出端与位置检测电路的输入端连接，位置检测电路的一个输出端与捕获单元的输入端连接，捕获单元的输出端与逻辑控制电路的输入端连接，位置检测电路的另一个输出端与转速计算电路的输入端连接，转速计算电路的输出端与转速环的负输入端连接；转速环的输出端与PI调节器的输入端连接，PI调节器的输出端与电流环的正输入端连接，电流环的输出端与逻辑控制电路的输入端连接，逻辑控制电路的输出端依次通过PWM控制电路、隔离电路与IPM的输入端连接。
2. —种基于权利要求l所述的无位置传感器双凸极电机系统的控制方法，采用电源通过IPM驱动双凸极电机，其特征在于采用励磁电流采样电路采样得到励 磁绕组的输出励磁电流if，励磁电流采样电路输出脉冲位置信号，将励磁电流采 样电路输出脉冲位置信号依次经过位置检测电路、转速计算电路得到双凸极电机的实际转速COm，将励磁绕组的输出励磁电流依次经过位置检测电路、捕获单元得到触发信号；采用三相电流采样电路采集双凸极电机的三相输入电流，将 采集的双凸极电机的三相输入电流经过ADC模块得到相电流ip，将所述双凸极电机的实际转速ov和给定的双凸极电机转速a^经过速度环得到双凸极电机的实 时转速差，将所述双凸极电机的实时转速差经过PI调节器得到给定的相电流i/ ， 将所述给定的相电流i/和相电流ip经过电流环得到实时电流差，将所述实时电流 差经过滞环比较器得到阶跃信号；采用故障检测电路检测IPM得到双凸极电机的故障信号，将双凸极电机的故障信号经过过流过压保护电路得到高低电平信号； 将所述触发信号、阶跃信号、高低电平信号经过逻辑控制电路得到激励信号， 将激励信号经过隔离电路得到IPM的驱动信号用于控制IPM输出的驱动电流即 双凸极电机的三相输入电流。
全文摘要
本发明公布了一种无位置传感器双凸极电机系统及其控制方法，属双凸极电机系统及其控制方法。本发明所述系统由双凸极电机、励磁绕组、主功率电路和控制电路组成，其中主功率电路包括电源和IPM，控制电路包括隔离电路、故障检测电路、三相电流采样电路、励磁电流采样电路、PWM控制电路、过流过压保护电路、ADC模块、位置检测电路、转速计算电路、逻辑控制电路、捕获单元、速度环、电流环、滞环比较器和PI调节器。本发明所述控制方法采用电流内环，转速外环双环控制方式，通过参考给定转速与反馈的实际转速比较，间接控制双凸极电机电流大小。本发明系统简单、结构更坚固、运行可靠、效率高。
文档编号H02P6/06GK101499754SQ200810195058
公开日2009年8月5日 申请日期2008年10月28日 优先权日2008年10月28日
发明者波 周, 乐 张, 张永帅 申请人:南京航空航天大学