专利名称：一种永磁同步电机自抗扰启动方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁同步电机自抗扰启动方法，属于电机驱动技术领域。
背景技术：
永磁同步电机是用稀土永磁体代替励磁绕组所构成的一种新型同步电机。它结构简单、体积小、重量轻、效率高、功率因数高，转子无发热问题，有大的过载能力，小的转动惯量和小的转矩脉动等优点。永磁同步电机的运动控制需要精确的转子位置和速度信号去实现磁场定向。在传统的运动控制系统中，通常采用旋转变压器或光电编码器来检测转子的位置和速度。然而，这些额外的传感器、连接器、电缆等增加了系统的成本，并且降低了系统的可靠性。因此，消除这些装置可以提高系统的可靠性并降低成本。 无位置传感器的永磁同步电机控制系统需要通过算法估计转子的位置，尤其是转子的初始位置是一个很重要的量，如果初始位置估算的不准确，则可能在电机起动时发生反转或者导致电机起动失败，并影响系统起动后的运行性能。已有的永磁同步电机控制系统框图如图I所示。
发明内容
本发明的目的是提出一种永磁同步电机自抗扰启动方法，针对PMSM的启动设计一个自抗扰启动的软件模块，以直接用于开环启动或高频注入等启动模式，实现电机软启动功能，有效控制电机运行。本发明提出的永磁同步电机自抗扰启动方法，包括以下步骤(I)在磁场定向坐标上，将电机的电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量i,，并使励磁电流分量id和转矩电流分量i,互相垂直；(2)设永磁同步电机为三相定子绕组方式，其中A，B，C为角度互差120°的三相定子绕组，设ua，Ub, U。为三相定子绕组的相电压，则有
Ua = Um sin at
<Ub - Um sin(o)t -120s)
Uc=Um si咖/ + 120°)三相定子电压的合成矢量为Us，合成矢量Us的轨迹为一个圆，即Us=Ua+a*Ub+a2*Uc=Umsin co t_jUmcos co t=Ume_Jut其中，Um为三相定子绕组的相电压幅值，《为电机转子角频率；(3)实时检测永磁同步电机的转子角速度、和角位置9，并实时检测永磁同步电机的任意两相定子的相电流1和ib，并对相电流进行矢量变换，得到矢量变换后的id和iq，对id和iQ分别通过比例积分调节器，得到永磁同步电机三相定子的交直流轴电压值Ud和Uq,该电压值Ud和Uq经过坐标变换后,得到永磁同步电机三相定子的电压值Ua和U e ,利用空间矢量占空比控制方法对电压值Ua和110进行处理后，得到用于驱动永磁同步电机的六路脉冲逆变器控制信号；(4)上述六路脉冲逆变器控制信号驱动开关管，使永磁同步电机启动，检测永磁同步电机逆变器的母线电流ibus和反电动势，对母线电流ibus和反电动势进行判断，若母线电流ibus及反电动势的值同时不为零，则使永磁同步电机逆变器执行等待或强制停止命令，即向永磁同步电机发出一组设定的参考电压矢量，强制转子停止或定位，参考电压矢量的取值为占空比不变的轴向矢量，若母线电流ibus及反电动势的值同时为零，则使永磁同步电机逆变器进入预启动模式；(5)当步骤(4)的预启动失败时,设置一个间隔启动时间1^和重新启动次数w,使永磁同步电机每隔时间Tn重新启动一次，共启动小于等于w次，若启动失败，向永磁同步电机逆变器发送故障信息； (6)在矢量变换后的坐标系下，三相定子电压方程的矩阵形式为
~udl \R + pLd -o)L IprfI「O "=Tp丄 r-+
L 」L mLd A+PzU L哗/_对三相定子电压方程的矩阵进行矢量变换，即将同步旋转的矢量坐标系转换到与定子相对静止的矢量坐标系
ual FcosOr -sin6* ITzzrf= , a
Up SinOr cos0r _ uq则永磁同步电机的角位置e的余弦由下式计算得到cos A <9 f / ) = cos A <9 (/ -1) + — 11-’,. (/ -!)- R(" — I) — L ( 1—-- i-
I'Ts J用于控制永磁同步电机的角位置e ffle通过下式计算得到0 Me (n) = 0 Me (n) +tan-1 {sin A 0 (n)/cos A 0 (n)}其中，n是系统对永磁同步电机电流的采样次序，Ts是采样时间，R是永磁同步电机三相定子的电阻，L是永磁同步电机三相定子的电感，Wf是永磁同步电机的转子磁通，q>是永磁同步电机的定子磁通，Vx是逆变器向永磁同步电机施加的激励电压，ix是逆变器向永磁同步电机施加的激励电流，9 ffle是用于控制永磁同步电机的角位置。本发明提出的永磁同步电机自抗扰启动方法，采用针对永磁同步电机，设计一个自抗扰启动的软件模块，以直接用于开环启动或高频注入等启动模式，实现电机软启动功能，有效控制电机运行。本发明提出的永磁同步电机自抗扰启动方法，提高了永磁同步电机启动的可靠性，减少了控制器频繁启动对电机造成的损害，同时增加了无传感器控制的角度控制精度，提高了电机控制系统性能。
图I是已有的永磁同步电机控制系统框图。图2是本发明提出的永磁同步电机自抗扰启动方法的流程框图。图3是永磁同步电机定子电压空间矢量图。图4是由逆变器产生的用于转子初始位置的电压脉冲矢量。图5和图6分别是使用本发明启动方法时电机启动的电流波形和速度曲线。
具体实施例方式本发明提出的永磁同步电机自抗扰启动方法，其流程框图如图2所示，包括以下步骤 在磁场定向坐标上，将永磁同步电机的电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量i,，并使励磁电流分量id和转矩电流分量i,互相垂直；图3是永磁同步电机定子电压空间矢量图。矢量控制中所用的坐标系有两种,一种是静止坐标系，一种是旋转坐标系。基于三相定子的三相绕组构成的三相定子A-B-C坐标系和由固定在A轴上的a轴和与之垂直的0轴所组成的两相定子a-0坐标系均为静止坐标系。而d轴固定在转子轴线上的d-q垂直坐标系为旋转坐标系。通过坐标变换，使得各个物理量从静止坐标系转换到转子同步旋转坐标系。在同步旋转坐标系上使电动机的各个空间矢量都变成了静止矢量，电流电压都成了直流量，实时计算出转矩控制所需要的被控矢量的各个分量值进行控制，就可以达到直流电动机的控制性能。由于这些直流给定量在物理上是是虚构的，因此，还必须再经过坐标的逆变换过程，从旋转坐标系回到静止坐标系，把上述的直流给定量变换成实际的交流给定量，在三相定子坐标系上对交流量进行控制，使其实际值等于给定值。设永磁同步电机为三相定子绕组方式，其中A，B，C为角度互差120°的三相定子绕组，设ua，Ub, U。为三相定子绕组的相电压，则有
U = Um sin wt
<(I,, =U1., sin(ft>/-120 )
Uc^Umsm(rnt + \20a)三相定子电压的合成矢量为Us,合成矢量Us的轨迹为一个圆，即Us=Ua+a*Ub+a2*Uc=Umsin co t_jUmcos co t=Ume_Jut其中，Um为三相定子绕组的相电压幅值，《为电机转子角频率；实时检测永磁同步电机的转子角速度Wr和角位置0，并实时检测永磁同步电机的任意两相定子的相电流1和ib，并对相电流进行矢量变换，得到矢量变换后的id和，对id和i,分别通过比例积分调节器，得到永磁同步电机三相定子的交直流轴电压值Ud和U,，该电压值Ud和u,经过坐标变换后，得到永磁同步电机三相定子的电压值Ua和U0，利用空间矢量占空比控制方法对电压值Ua和110进行处理后，得到用于驱动永磁同步电机的六路脉冲逆变器控制信号；六路脉冲逆变器控制信号启动永磁同步电机，电机工作后检测永磁同步电机逆变器的母线电流ibus和反电动势，对母线电流ibus和反电动势进行判断，若母线电流ibus及反电动势的值同时不为零，则使永磁同步电机逆变器执行等待或强制停止命令，即向永磁同步电机发出一组设定的参考电压矢量，强制转子停止或定位，参考电压矢量的取值为占空比不变的轴向矢量，若母线电流ibus及反电动势的值同时为零，则使永磁同步电机逆变器进入预启动模式；
当预启动失败时,设置一个间隔启动时间T1^P重新启动次数w,使永磁同步电机每隔时间Tn重新启动一次，共启动小于等于w次，若启动失败，向永磁同步电机逆变器发送故障信息；在矢量变换后的坐标系下，三相定子电压方程的矩阵形式为
权利要求
1.一种永磁同步电机自抗扰启动方法，其特征在于该方法包括以下步骤 (1)在磁场定向坐标上，将电机的电流矢量分解成为产生磁通的励磁电流分量id和产生转矩的转矩电流分量i,，并使励磁电流分量id和转矩电流分量i,互相垂直； (2)设永磁同步电机为三相定子绕组方式，其中A，B，C为角度互差120°的三相定子绕组，设Ua，Ub, U。为三相定子绕组的相电压，则有 三相定子电压的合成矢量为Us，合成矢量Us的轨迹为一个圆，即Us=Ua+a*Ub+a2*Uc=Umsin ω t_jUmcos ω t=Ume_Jwt 其中，Um为三相定子绕组的相电压幅值，ω为电机转子角频率； (3)实时检测永磁同步电机的转子角速度和角位置Θ，并实时检测永磁同步电机的任意两相定子的相电流ia和ib，并对相电流进行矢量变换，得到矢量变换后的id和，对id和i,分别通过比例积分调节器，得到永磁同步电机三相定子的交直流轴电压值Ud和U,，该电压值Ud和u,经过坐标变换后，得到永磁同步电机三相定子的电压值Ua和U0，利用空间矢量占空比控制方法对电压值Ua和U0进行处理后，得到用于驱动永磁同步电机的六路脉冲逆变器控制信号； (4)上述六路脉冲逆变器控制信号驱动开关管，使永磁同步电机启动，检测永磁同步电机逆变器的母线电流ibus和反电动势，对母线电流ibus和反电动势进行判断，若母线电流ibus及反电动势的值同时不为零，则使永磁同步电机逆变器执行等待或強制停止命令，即向永磁同步电机发出一组设定的參考电压矢量，强制转子停止或定位，參考电压矢量的取值为占空比不变的轴向矢量，若母线电流ibus及反电动势的值同时为零，则使永磁同步电机逆变器进入预启动模式； (5)当步骤(4)的预启动失败时，设置ー个间隔启动时间Tn和重新启动次数W，使永磁同步电机每隔时间Tn重新启动一次，共启动小于等于w次，若启动失败，向永磁同步电机逆变器发送故障信息； (6)在矢量变换后的坐标系下，三相定子电压方程的矩阵形式为 对三相定子电压方程的矩阵进行矢量变换，即将同步旋转的矢量坐标系转换到与定子相对静止的矢量坐标系 则永磁同步电机的角位置Θ的余弦由下式计算得到 用于控制永磁同步电机的角位置通过下式计算得到θ Me(n) = θ Me(n)+tar^isinA θ (η)/cos Δ θ (η)} 其中，η是系统对永磁同步电机电流的采样次序，Ts是采样时间，R是永磁同步电机三相定子的电阻，L是永磁同步电机三相定子的电感，Ψf是永磁同步电机的转子磁通，Φ是永磁同步电机的定子磁通，Vx是逆变器向永磁同步电机施加的激励电压，ix是逆变器向永磁同步电机施加的激励电流，Θ me是用于控制永磁同步电机的角位置。
全文摘要
本发明涉及一种永磁同步电机自抗扰启动方法，属于电机驱动技术领域。实时检测永磁同步电机逆变器的母线电流和反电动势，对其进行判断，使永磁同步电机逆变器执行等待、强制停止命令或进入预启动模式；设置一个间隔启动时间Tn和重新启动次数w，使永磁同步电机每隔时间Tn重新启动一次，共启动小于等于w次，若启动失败，向永磁同步电机逆变器发送故障信息；初始位置检测模块包括给定子绕组施加一系列大小相等方向不同的电压脉冲并检测其相应电流的方法来获得转子的初始位置。本发明启动方法，提高了永磁同步电机启动的可靠性，减少了控制器频繁启动对电机造成的损害，同时增加了无传感器控制的角度控制精度，提高了电机控制系统的性能。
文档编号H02P21/14GK102684595SQ20121018007
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月31日 优先权日2012年5月31日
发明者张岳, 高强 申请人:杭州万工科技有限公司