专利名称：无位置传感器永磁同步电动机直驱装置及驱动方法
技术领域：
本发明涉及的是一种电机驱动控制技术，特别是无位置传感器永磁同步电动机控制及功率因数校正技术。
背景技术：
进入21世纪，能源和环境是人类面临的首要问题之一。尤其是近年来，气候变化和温室气体减排问题持续升温，已成为全球关注的热点问题。随之应运而生的“低碳经 济”是以低能耗、低污染、低排放为基础的经济模式，是人类社会继农业文明、工业文明之后 的又一次重大进步。低碳经济实质是能源高效利用、清洁能源开发、追求绿色⑶P的问题， 核心是能源技术和减排技术创新、产业结构和制度创新以及人类生存发展观念的根本性转 变。在这种世界大背景下，各种新能源和节能减排技术的发展也迫在眉睫。我国在“十一五”规划中明确提出单位⑶P能耗和主要污染物排放总量比“十五” 期末分别降低20%左右、10%的约束性指标。“开源节流”是应对能源危机和环境恶化的唯 一办法。节能方面，工业节能是其他行业节能的源头，而其中电机节能又占有的十分重要的 地位。可以看出两方面的发展都离不开高效节能的电机及其电力电子变换器系统，因此开 展对高效节能电机系统的研究是非常必要和紧迫的。在工业领域，电动机+减速机或皮带减速轮的装置广为应用，但减速机构的使用 严重影响了装置工作效率，增加了装置的损耗，为此设计直接驱动装置取代原有装置。永磁 同步电动机具有输出转矩高、低速特性优异、效率高，调速范围大等特点，特别适合用来作 为直接驱动的执行机构。但永磁同步电动机装置通常需要角位置传感器制约了装置的使用 范围，并且变频驱动器中不控整流带来了对电网的干扰，尤其是电流中的高次谐波成分，增 加了装置的无功损耗。为了解决以上电机系统中低效问题，采用永磁同步电动机作为直接驱动装置的执 行机构，引入了无位置传感器技术以及功率因数校正技术解决以上问题，可以实现高效节 能绿色的驱动装置。经对现有的技术文献检索发现，CNKI数据库中有一篇与本发明上题相同或类似的 文献报道，名为《直驱风力发电网侧变流控制系统的研究与开发》(
公开日2009. 2.17)，该 文侧重研究发电机的变流控制运行，与无位置传感器永磁同步电动机直驱装置没有关系。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够提高效率，减少对电网的干扰及进线损耗的节能 型无位置传感器永磁同步电动机直驱装置。本发明的目的还在于提供一种无位置传感器永 磁同步电动机驱动方法。本发明的目的是这样实现的无位置传感器永磁同步电动机直驱装置主要由功率放大单元、主控制单元、操作 控制单元及永磁同步电动机组成。通过操作面板设定电动机的转速及永磁同步电动机何时启动和停止，并把这些给定信息传递给主控制单元，主控制单元控制功率放大电路形成永 磁同步电动机控制所需电压信号。本发明的无位置传感器永磁同步电动机驱动方法为采用转子定位、开环加速和 闭环运行三段式运行策略；转子定位给永磁同步电动机定子通入六个脉冲；开环起动在 转子定位完成后，开始启动时，速度控制开环和电流控制闭环，由控制器给出一个旋转电压 矢量，进而产生旋转磁场，带动电机转起来，待电机以一定转速运行并可以准确估算到转子 位置之后，再切换到闭环工作模式，输出转速随给定转速变化；闭环运行在此控制阶段采 用一种基于观测器的电机无位置传感器控制方案，通过观测器获取磁极位置和转 速信息， 实现了基于转子磁场定向的矢量控制方式。本发明提供了一套无位置传感器永磁同步电动机直接驱动装置，取代异步机+减 速机方案，采用永磁同步电动机，能够提高装置效率；采用无位置传感器方案可以提高运行 可靠性及环境适应能力，增加输入功率因数校正及滤波环节，减少对电网的干扰及进线损 耗，达到了装置绿色节能的目的。本发明的主要特点体现在1、TMS320F2808芯片在电机的数字化控制方面具有处理性能更好、外设集成度更 高、程序存储器更大、A/D转换速度更快等特点，是电机数字化控制理想的升级产品且具有 低成本、低功耗、高性能的特点。2、应用无位置传感器矢量控制算法，在不降低装置性能的基础上，省去了磁极角 度位置传感器，节约了成本，增加了环境适应能力，保证装置可以在室外恶劣环境下可靠运 行。3、驱动器采用空间矢量脉宽调制技术可以方便的改变输出电压和频率，从而大范 围的提高电动机装置驱动性能。4、采用智能功率因数校正技术解决了不控整流带来的对电网的干扰，尤其是电流 中的高次谐波成分，增加了装置的无功损耗，使得装置的功率因数达到0. 95以上。
图1为本发明的节能型无位置传感器永磁同步电动机直驱装置组成图；图2为无位置传感器控制运行说明图原理图；图3为节能型无位置传感器永磁同步电动机直驱装置的TMS320F2808最小系统电 路图；图4为多功能网络化数字轴角变换装置的轴角变换部分的功放电路图。
具体实施例方式下面结合附图举例对本发明做更详细地描述结合图1，节能型无位置传感器永磁同步电动机直驱装置主要由功率放大单元、主 控制单元、操作控制单元及永磁同步电动机组成。功率放大单元由可控整流电路2、逆变电 路3及检测电路5组成。主控制单元由接口处理电路7和数字控制器8构成，操作控制单 元主要由外部操作控制面板6实现。其中永磁同步电动机包含电动机定子4和转子构成， 转子通常为中空或实心结构两种结构。
系统运行时，合上外部操作控制面板6的空气开关，通过三相交流电源1给可控整流电路2供电，调整外部操作控制面板6的转速给定按钮，按需要设置转速，具体设定值可 以参看控制面板6设定速度显示，设置的转速通过总线传到数字控制器8形成转速指令。按 下外部操作控制面板6的起动按钮，启动指令传到数字控制器8，数字控制器8通过接口处 理电路7，使得可控整流电路2、逆变电路3开始工作，给永磁同步电动机定子4提供可变频 率和电压幅值的三相电，永磁同步电动机按一定加速时间加速到设定转速。当需要停电机 时，按下外部操作控制面板6的停止按钮，停机指令传到数字控制器8，数字控制器8通过接 口处理电路7，使得可控整流电路2、逆变电路3工作，减少给永磁同步电动机定子4的幅值 和频率，永磁同步电动机减速，当检测电路5检测信息经过数字控制器8的运算分析到达一 定频率时，数字控制器8给可控整流电路2、逆变电路3停止发脉冲信号，逆变电路3不再给 永磁同步电动机定子4供电，永磁同步电动机停止运行。在系统运行过程中，检测电路5实时的将逆变电路3的电压电流信息通过接口处 理电路7发送到数字控制器8，数字控制器8根据如图2所示的无位置传感器控制运行策略 形成空间矢量脉冲信号，经接口处理电路7给逆变电路3，逆变电路3进行信号放大输出到 永磁同步电动机定子4。同时检测电路5实时的可控整流电路2的前端电压电流信息通过 接口处理电路7发送到数字控制器8，数字控制器8根据功率因数校正算法形成脉冲信号， 经接口处理电路7给可控整流电路2，可控整流电路2进行信号放大控制整流电路的电压和 电流保证接近整功率因数运行。结合图2，永磁同步电动机控制采用三段式运行策略运行策略主要包括转子定 位9、开环加速10和闭环运行11三个阶段。转子定位9 给永磁同步电动机定子4通入六 个脉冲，根据获取的电流信息得到一个初步粗略位置，能够保证开环加速时有足够启动力 矩。开环起动10，在定位9完成后，开始启动时，速度控制开环和电流控制闭环，由控制器给 出一个旋转电压矢量，进而产生旋转磁场，带动电机转起来。待电机以一定转速运行并可以 准确估算到转子位置之后，再切换到闭环工作模式11，输出转速随给定转速变化。闭环运 行11 在此控制阶段为了满足工作可靠实现简便的要求，采用一种基于观测器的电机无位 置传感器控制方案，通过观测器获取磁极位置和转速信息，实现了基于转子磁场定向的矢 量控制方式。结合图3，最小系统板硬件电路主要为TMS320F2808的接口电路，包括数字、模拟 及通信接口。TMS320F2808负责处理采集到的数据和发送控制命令，DSP产生合适占空比 的PWM控制信号驱动IPM，再由IPM直接驱动电机旋转；DSP经A/D 口采集电机的相电流信 号，完成电机的电流闭环控制和电机的过流保护等。TMS320F2808芯片配有串行通信接口 SCI模块。SCI接收器和发送器是双缓冲的，通过一个16位的波特率选择寄存器，数据的 传输速度可以被编程为65535种不同的方式，该电路采用了符合RS-232标准的驱动芯片 MAX232进行串行通信，实现PC机与多功能网络化数字轴角变换装置之间的异步通信。采 用TMS320F2808处理器实现CAN总线的节点，需要在CAN总线与处理器之间增加变换器电 路，以便能够实现兼容的电平转换，系统采用SN65HVD230转换器(符合IS011898)实现高 速CAN总线网络。SN65HVD230是3. 3V的CAN收发器，适用于较高通讯速率、良好抗干扰能 力和高可靠性的CAN总线的串行通信。它具有差分收发能力，最高速率可达IMb/s ；低电流 等待模式，典型电流370 μ A。
结合图4，功率放大电路包括两部分，可控整流和逆变，其中可控整流电路与逆变电路结构一样。可控整流的最大优点是可以控制功率因数，通过改变导通关系，减少高次谐 波成分。采用IGBT门驱动光电耦合器HCPL-315J，对上、下桥臂的两个IGBT提供隔离和驱 动。驱动侧的12路隔离直流电源，由两个6路输出且相互隔离的小变压器经整流后提供。 IGBT模块采用IKW20N60T，霍尔电流传感器KA 50A/P,电压互感器HPT205NB等。
权利要求
一种无位置传感器永磁同步电动机直驱装置，其特征是主要由功率放大单元、主控制单元、操作控制单元及永磁同步电动机组成；功率放大单元由可控整流电路、逆变电路及检测电路组成；主控制单元由接口处理电路和数字控制器构成；操作控制单元主要由外部操作控制面板实现；永磁同步电动机包含电动机定子和转子。
2.一种无位置传感器永磁同步电动机驱动方法，其特征是采用转子定位、开环加速 和闭环运行三段式运行策略；转子定位给永磁同步电动机定子通入六个脉冲；开环起动 在转子定位完成后，开始启动时，速度控制开环和电流控制闭环，由控制器给出一个旋转电 压矢量，进而产生旋转磁场，带动电机转起来，待电机以一定转速运行并可以准确估算到转 子位置之后，再切换到闭环工作模式，输出转速随给定转速变化；闭环运行在此控制阶段 采用一种基于观测器的电机无位置传感器控制方案，通过观测器获取磁极位置和转速信 息，实现了基于转子磁场定向的矢量控制方式。
全文摘要
本发明提供的是无位置传感器永磁同步电动机直驱装置及驱动方法。主要由功率放大单元、主控制单元、操作控制单元及永磁同步电动机组成；功率放大单元由可控整流电路、逆变电路及检测电路组成；主控制单元由接口处理电路和数字控制器构成；操作控制单元主要由外部操作控制面板实现；永磁同步电动机包含电动机定子和转子。本发明取代异步机+减速机方案，采用永磁同步电动机，能够提高装置效率；采用无位置传感器方案可以提高运行可靠性及环境适应能力，增加输入功率因数校正及滤波环节，减少对电网的干扰及进线损耗，达到了装置绿色节能的目的。
文档编号H02P27/08GK101814882SQ20101014905
公开日2010年8月25日 申请日期2010年4月19日 优先权日2010年4月19日
发明者李冰, 杜春洋, 王宇超 申请人:哈尔滨工程大学