永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统，由拖车速度获得PMSM的反电势。将反电势与逆变器侧的电压进行比较，如果反电势高于逆变器侧的电压则不允许PMSM带速重投，反之允许PMSM带速重投。PMSM带速重投即将隔离接触器闭合，禁止PMSM带速重投即将隔离接触器断开。因此，本发明根据ωe的大小，分为低速和中高度两个工况来计算转子位置角，不同工况对应不同的转子位置角，由转子位置角启动PMSM。从系统角度出发提出了全面控制方法，在PMSM高速段禁止带速重投，中高速段采用一次短路法计算转子位置角来确定重投点位置，低速段采用INFORM法计算转子位置角来确定重投点的位置。
【专利说明】永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及永磁同步电机控制【技术领域】，特别涉及一种永磁同步电机带速重新投入的控制方法、装置及系统。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机(PMSM,Permanent Magnet Synchronous Motor)传动系统是指以PMSM为控制对象，通过调频调压方式控制永磁同步电机的转速和转矩的一种新型传动系统。相对于传动的以异步电机为控制系统的交流传动系统而言，PMSM传动系统有着结构简单、功率密度大，低速输出扭矩大，效率高，维护方便等一系列交流电机无法媲美的优势，正逐渐取代异步电机交流传动系统，成为未来的主流。
[0003]参见图1，该图为现有技术中的PMSM传动系统示意图。
[0004]轨道交通永磁牵引系统主要可以包括控制单元100、逆变器200、隔离接触器300和永磁同步电机400。
[0005]其中，控制单元100主要用于控制逆变器200的运行，发送PWM脉冲信号以控制逆变器200中各个管子的开关状态，使逆变器200输出需要的电压为永磁同步电机400提供电源；
[0006]其中隔离接触器300连接于逆变器200和永磁同步电机400之间；控制单元100还用于控制隔离接触器的开关状态，以控制逆变器200和永磁同步电机400之间的连接关
系O
[0007]PMSM400采用永磁体励磁，PMSM400只要旋转就会在电机端产生反电势，利用公式表示如下:
[0008]E0=CoeVf (I)
[0009]其中，Etl为PMSM400反电动势；ωε为PMSM400转子电角速度；Vf为永磁体磁链。
[0010]从公式(I)可以看出反动势Etl幅值与转子转速成严格的正比关系。
[0011]因此，当PMSM400高速旋转时反电动势将有可能比逆变器200直流侧电压还要高，如果PMSM400空转且在PMSM400端与逆变器400之间没有隔离接触器300断开而是直接导通，则逆变器400的电容将全部承受PMSM400旋转产生的超高反电动势，给逆变器400的电容带来损坏风险。
[0012]当逆变器400有故障发生时，如果逆变器400依然被连接到带电压的PMSM400端，则有可能给逆变器400带来二次损害。所以在轨道交通及其他的一些工业应用领域都会在PMSM400与逆变器400之间加装隔离接触器300。
[0013]带速度重新投入指的是在PMSM400带速运转的情况下，将逆变器400投入，即隔离接触器300闭合，将逆变器400与PMSM400进行连接。
[0014]永磁同步电机的矢量控制一般通过检测或估计电机转子磁通的位置及幅值来控制定子电流或电压，它的转子磁通位置与转子机械位置相同，故通过检测转子电流的实际位置就可以得出转子的磁通位置，相比异步电机的矢量控制简单一些，在目前对转子位置的测量中，一般采用机械位置传感器，但是该方法成本高，增大了电机的体积，使得电机的抗干扰性降低，同时受温度，振动等环境条件的限制较大，不利于电机的广泛应用，因此对于无位置传感器的研究成了永磁同步电机传动系统的一个热点。对于无位置传感器的研究一般采用直接计算、观测器基础上的估算方法、模型参考自适应、人工智能等方法。
[0015]无论上面的哪种方法都是在电机正常运转起来之后即闭环控制建立起来之后的某种位置估算方案。而带速度重新投入的关键是在电机稳定闭环控制还没有建立起来之前就必须检测或计算出投入点的永磁同步电机转子位置与速度，这样才能保证电机投入后闭环控制系统能迅速、稳定的建立起来。
[0016]并且，以上所有方法没有一个是从系统角度考虑问题，也没有考虑重投时隔离接触器的投入逻辑。无法保证永磁同步电机投入后闭合控制系统的稳定运行。
【发明内容】
[0017]本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机带速重新投入的控制方法，能够保证永磁同步电机投入后闭合控制系统的稳定运行。
[0018]本发明实施例提供一种永磁同步电机带速重新投入的控制方法，包括以下步骤:
[0019]判断永磁同步电机的反电势是否大于逆变器侧的电压；
[0020]如果永磁同步电机的反电势大于逆变器侧的电压，则控制隔离接触器断开，禁止重投操作；
[0021]如果永磁同步电机的反电势小于或等于逆变器侧的电压，则继续判断永磁同步电机的转子转速是否大于预定转速；
[0022]如果永磁同步电机的转子转速大于预定转速，则控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α _β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与静止坐标系的电流角度的差为转子位置角；由该转子位置角启动永磁同步电机；
[0023]如果永磁同步电机的转子转速小于或等于预定转速，则给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，由永磁同步电机的三相电流来获得转子位置角，由该转子位置角启动永磁同步电机。
[0024]优选地，所述控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α-β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与α-β静止坐标系的电流角度的差为转子位置角，具体为:
[0025]施加零电压矢量，使永磁同步电机处于短路状态；
[0026]由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流:
【权利要求】
1.一种永磁同步电机带速重新投入的控制方法，其特征在于，包括以下步骤: 判断永磁同步电机的反电势是否大于逆变器侧的电压； 如果永磁同步电机的反电势大于逆变器侧的电压，则控制隔离接触器断开，禁止重投操作； 如果永磁同步电机的反电势小于或等于逆变器侧的电压，则继续判断永磁同步电机的转子转速是否大于预定转速； 如果永磁同步电机的转子转速大于预定转速，则控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α-β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与α-β静止坐标系的电流角度的差为转子位置角；由该转子位置角启动永磁同步电机； 如果永磁同步电机的转子转速小于或等于预定转速，则给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，由永磁同步电机的三相电流来获得转子位直角，由该转子位直角启动永磁冋步电机。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机带速重新投入的控制方法，其特征在于，所述控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α-β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与α-β静止坐标系的电流角度的差为转子位置角，具体为: 施加零电压矢量，使永磁同步电机处于短路状态； 由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流: 其中，Tsh为永磁同步电机处于 短路状态的持续时间；Ld、Lq分别为直轴同步电感和交轴同步电感；Ctf为永磁体磁链；id、iq分别是定子电流在d轴和q轴上的分量，分别称为直轴电流和交轴电流； 将所述三相电流最高幅值在α - β静止坐标系下分解为ia、U，定义Aafi为\,在α - β静止坐标系的角度； 所述三相电流最高幅值在dq坐标系的角度为~所述转子位置角为
3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机带速重新投入的控制方法，其特征在于，所述给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，具体为: 依次不间断地施加电压空间矢量UpS54各预定时间段，获得永磁同步电机的A相电流； 封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒；N为预定整数； 依次不间断地施加电压空间矢量七2和<5各预定时间段，获得永磁同步电机的B相电流； 封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒； 依次不间断地施加电压空间矢量G和R6各预定时间段，获得永磁同步电机的C相电流； 其中，1、、^3、圮4、I和圮6依次为逆时针方向依次相差60度的空间矢量。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机带速重新投入的控制方法，其特征在于，所述由永磁同步电机的三相电流来获得转子位置角，具体为:
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机带速重新投入的控制方法，其特征在于，所述永磁同步电机的反电势由以下公式计算:
E0= ? e V f 其中，Etl为永磁同步电机反电动势；0^为永磁同步电机转子电角速度；UTf为永磁体磁链。
6.一种永磁同步电机带速重新投入的控制装置，其特征在于，包括:电压判断单元、隔离接触器控制单元、转子转速判断单元、中高速时转子位置角获得单元和低速时转子位置角获得单元； 所述电压判断单元，用于判断永磁同步电机的反电势是否大于逆变器侧的电压；所述隔离接触器控制单元，当所述电压判断单元判断永磁同步电机的反电势大于逆变器侧的电压，则控制隔离接触器断开，禁止重投操作； 所述转子转速判断单元，当所述电压判断单元判断所述永磁同步电机的反电势小于或等于逆变器侧的电压，用于判断永磁同步电机的转子转速是否大于预定转速； 所述中高速时转子位置角获得单元，当所述转子转速判断单元判断永磁同步电机的转子转速大于预定转速时，用于控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α-β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与α-β静止坐标系的电流角度的差为转子位置角；由该转子位置角启动永磁同步电机； 所述低速时转子位置角获得单元，当所述转子转速判断单元判断永磁同步电机的转子转速小于或等于预定转速，用于给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，由永磁同步电机的三相电流来获得转子位置角，由该转子位置角启动永磁同步电机。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机带速重新投入的控制装置，其特征在于，所述中高速时转子位置角获得单元包括: 电机短路控制子单元，用于施加零电压矢量，使永磁同步电机处于短路状态； 电机短路电流在α-β静止坐标系的角度获得子单元，用于由以下公式获得电流在α_β静止坐标系的角度； 由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流:
8.根据权利要求6或7所述的永磁同步电机带速重新投入的控制装置，其特征在于，所述低速时转子位置角获得单元包括:电压空间矢量施加子单元、三相电流获得子单元和驱动脉冲封锁子单元； 所述电压空间矢量施加子单元，用于依次不间断地施加电压空间矢量US1和US4各预定时间段；所述三相电流获得子单元，用于获得永磁同步电机的A相电流；所述驱动脉冲封锁子单元，用于封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒；Ν为预定整数； 所述电压空间矢量施加子单元，用于依次不间断地施加电压空间矢量US3和US5各预定时间段，获得永磁同步电机的B相电流；所述驱动脉冲封锁子单元，用于封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒；N为预定整数； 所述电压空间矢量施加子单元，用于依次不间断地施加电压空间矢量A3和圮6各预定时间段，获得永磁同步电机的C相电流； 其中US1、US2、US3、US4、US5和US6队次为逆时针方向依次相差60度的空间矢量。
9.一种永磁同步电机带速重新投入的控制系统，其特征在于，包括:控制单元、永磁同步电机、逆变器和隔离接触器； 所述控制单元，用于控制隔离接触器的导通状态；所述隔离接触器连接在所述逆变器和所述永磁同步电机之间； 所述控制单元，还用于输出驱动脉冲，以控制逆变器中管子的开关状态； 所述控制单元，还用于判断永磁同步电机的反电势是否大于逆变器侧的电压；如果永磁同步电机的反电势大于逆变器侧的电压，则控制隔离接触器断开，禁止重投操作；如果永磁同步电机的反电势小于或等于逆变器侧的电压，则继续判断永磁同步电机的转子转速是否大于预定转速；如果永磁同步电机的转子转速大于预定转速，则控制永磁同步电机处于短路状态，由永磁同步电机短路状态的三相电流最高幅值获得α-β静止坐标系的电流角度，由永磁同步电机处于短路状态的持续时间计算dq坐标系的电流角度，dq坐标系的电流角度与α-β静止坐标系的电流角度的差为转子位置角；由该转子位置角启动永磁同步电机；如果永磁同步电机的转子转速小于或等于预定转速，则给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，由永磁同步电机的三相电流来获得转子位直角，由该转子位直角启动永磁冋步电机。
10.根据权利要求9所述的永磁同步电机带速重新投入的控制系统，其特征在于，所述控制单元给永磁同步电机施加不同方向的电压空间矢量，测量永磁同步电机的三相电流，具体为: 依次不间断地施加电压空间矢量US1和US4各预定时间段，获得永磁同步电机的A相电流； 封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒；Ν为预定整数； 依次不间断地施加电压空间矢量元US2和US5各预定时间段，获得永磁同步电机的B相电流；封锁逆变器的驱动脉冲N毫秒； 依次不间断地施加电压空间矢量〃和<6各预定时间段，获得永磁同步电机的C相电流； 其中，〃μsi、"_.c、I'。' 〃、4、"V和"依次为逆时针方向依次相差60度的空间矢量。
【文档编号】H02P21/00GK103516281SQ201310512095
【公开日】2014年1月15日 申请日期:2013年10月25日 优先权日:2013年10月25日
【发明者】冯江华, 刘可安, 许峻峰, 尚敬, 文宇良, 何亚屏, 张朝阳, 刘雄, 南永辉, 刘华东, 肖磊, 郑汉锋 申请人:南车株洲电力机车研究所有限公司