一种多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动调试方法与流程

本发明涉及一种多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动调试方法，属于航空航天或工业领域用无机械传感器永磁同步电机与无传感器矢量控制电源的匹配试验技术领域。

背景技术：

与鼠笼型式异步启动永磁同步电机相比，无机械传感器永磁同步电机转子不需要启动绕组；与直流电机相比，省去了机械式换向器和电刷；与常规有传感器永磁同步电机相比，取消了转速或位置传感器。因此，无传感器永磁同步电机结构最为简单，重量、体积及温升大幅度减小，电机具有更高的功率因数、效率及功率密度，由于取消了机械传感器，电机结构简单，易维护或免维护，具有更高的可靠性。此外，在某些特殊环境下，如高温、潮湿、腐蚀性强等恶劣状况下，消除了机械传感器失效的风险。

近年来，随着社会对节能高效和低碳减排要求的日益提高，以及无传感器驱动永磁同步电机技术应用将越来越广泛，特别适用于风机系统、电动车动力驱动系统及军事领域。例如，我国航天运载火箭电液伺服机构已采用基于无传感器矢量控制的永磁同步电机。电机驱动液压泵负载，为伺服机构提供动力能源，电机调速范围为0～12000rpm，功率可达7.5kW，供电电压为380V，工作频率可达500Hz。与常规工业领域中短距离传输电缆的伺服系统不同，运载火箭用伺服电机与控制电源之间的电缆长度可达150m，并采用多芯结构，因此长电缆各相序间耦合关系复杂，电缆参数对电源控制性能的影响不可忽略。另外，伺服机构工作时需多台启动，高频信号冲击下，各电源系统之间相互干扰不可避免，电磁环境极为复杂。因此，电压和电流波形中含有丰富的谐波，畸变效果明显，影响电源对电机重要参数的准确识别和计算，进而对无传感器矢量控制算法造成干扰，影响控制效果，甚至造成电机起动异常。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动调试方法。

本发明的技术解决方案是：

一种多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动调试方法，步骤如下：

(1)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机基本参数测试；

所述步骤(1)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机基本参数测试，具体为：

(1.1)使用LCR表测量电机的线电阻和电感、电缆电阻，用原动机拖动被测电机，测量空载线反电势有效值；

(1.2)按照如下公式计算总电阻：

R＝R0+R1；

其中：R为总电阻；R0为电机线电阻；R1为电缆电阻。

(1.3)按照如下公式计算额定电压：

Un＝E0+R1*In；

其中：Un为额定电压；E0为空载线反电势；R1为电缆电阻；In为额定电流；

(1.4)将电机的极对数、额定参数、启动参数、开关频率以及电流环/速度环PI参数作为初始设置值输入于电机对应的控制电源的参数列表中。

所述额定参数是指额定电压、额定电流、额定功率、额定转速；其中额定电流、额定功率、额定转速按照设计值设置；

所述启动参数是指启动电流、频率限制值、磁场形成时间、加速度；启动电流与额定电流值相同，频率限制值对应的转速设置在400转/分～500转/分之间，磁场形成时间不超过1s，加速度按照设计值设置。

(2)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机空载测试；

(2.1)搭建电机空载测试平台，空载测试平台包括模拟负载、联轴器、工装、电机、电缆、控制电源和台架；

模拟负载固定于台架上，模拟负载通过联轴器和工装连接和固定电机，控制电源通过电缆对电机进行供电和控制；

(2.2)将模拟负载的转矩设为零，启动控制电源，令电机空载工作；

(2.3)判断电机的转速是否在预设的空载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(2.4)，否则调整额定参数，之后返回步骤(2.2)；

(2.4)判断电机的电流是否在预设的空载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(3)开始电机负载试验，否则调整额定参数、启动参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(2.2)；

(3)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机负载测试；

(3.1)搭建电机负载测试平台，负载测试平台包括模拟负载、联轴器、工装、电机、电缆、控制电源和台架；

模拟负载固定与台架上，模拟负载通过联轴器和工装连接和固定电机，控制电源通过电缆对电机进行供电和控制；

(3.2)将模拟负载的转矩设为负载需求值，启动控制电源，令电机(4)工作；

(3.3)判断电机的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(3.2)；若未出现异常，则进入步骤(3.4)；

所述异常是指电机的转速不能按照设定的加速度稳定上升；

(3.4)判断电机的转速稳定上升后是否在预设的负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(3.5)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(3.2)；

(3.5)判断电机的电流是否在预设的负载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(4)开始伺服机构运行试验，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(3.2)；

(4)对每一台无传感器永磁同步电机均进行伺服机构运行试验；

(4.1)搭建伺服机构运行试验平台，伺服机构运行试验平台包括电机、电缆、控制电源和伺服机构；电机装配在伺服机构中，控制电源通过电缆对电机进行供电和控制；

(4.2)启动控制电源，令电机工作，进而带动伺服机构工作；

(4.3)判断电机的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(4.2)；若未出现异常，则进入步骤(4.4)；

(4.4)判断电机的转速稳定上升后是否在所述负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(4.5)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(4.2)；

(4.5)判断电机的电流是否在预设的负载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(5)开始多台伺服机构联合运行试验，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(4.2)；

(5)进行多台伺服机构联合运行试验，从而完成多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动的调试；

(5.1)搭建多台伺服机构联合运行试验平台，多台伺服机构联合运行试验平台包括电机、伺服机构、复合电源和长电缆；电机装配在伺服机构中，伺服机构与复合电源之间通过长电缆进行连接，复合电源内部装有多台控制电源，每台控制电源控制一台伺服机构；

(5.2)测量长电缆的直流电阻，调整控制电源参数列表中的直流电阻，通过预设的负载电流计算长电缆产生的压降，来调整控制电源额定参数列表中的额定电压；

(5.3)启动复合电源，令所有控制电源同时或分步启动，进而同时或分步带动伺服机构工作；

(5.4)判断电机的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(5.3)；若未出现异常，则进入步骤(5.5)；

(5.5)判断电机的转速稳定上升后是否在所述负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(5.6)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(5.3)；

(5.6)判断电机的电流是否在所述负载电流范围内，如果在范围内，则完成多台无传感器永磁同步电机的同时或分步启动调试，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(5.3)。

所述电缆不超过50米。

所述长电缆大于100米。

所述令所有控制电源分步启动具体为：通过设置定时器，使各台伺服机构依次延迟不小于1s，降低多台电源之间的相互干扰。

所述预设的空载转速范围和预设的负载转速范围相同，均为电机额定转速正负50转/分范围内。

所述预设的空载电流范围为0～1A，所述预设的负载电流范围为电机的额定电流的正负3A范围内。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)针对伺服机构工作中电磁环境的复杂性，本发明根据不同测试环境分别对电源参数进行匹配，提供了一套全流程测试方案，可全面、高效地测试电机性能。

(2)本发明实现了电源、电机和电缆之间的精准匹配，综合考虑了系统各个环节的影响因素，通过参数最优匹配可充分发挥电机最优性能，实现了电机功耗低、转速平稳的目标。

(3)本发明针对不同负载工况，提供了一套简便的操作模式，可覆盖恒定负载、变负载等多种工况需求。

(4)针对伺服机构用电缆长度较长、芯数较多(每相芯数1～8)所引起的谐波干扰问题，本发明通过调整参数的方式满足伺服机构运行需求，解决了电缆引起的干扰问题。

(5)针对多台伺服机构同时工作时相互干扰的问题，本发明通过设置延时参数，采用短时分步启动方式，降低了多台电源之间的相互干扰，解决了多台伺服机构同时启动容易发生异常的问题，进一步提升了系统工作可靠性。

(6)由于空间要求，电机端无法安装抗干扰装置，本发明提供的方法操作简单，简化了系统结构，降低了系统连接的复杂性，可方便、高效地对电机和伺服机构进行测试。

(7)通过调节控制电源启动参数，能够方便、快捷地实现电机以不同加速度启动或以不同减速度停转的模式。

(8)本发明所述方法测试覆盖性强，可适用于多种结构形式的电机，如转子结构不同的永磁同步电机、有/无传感器永磁同步电机、异步电机。

附图说明

图1本发明流程图

图2电机空载/负载试验示意图

图3单台伺服机构运行试验示意图

图4多台伺服机构联合运行试验示意图

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提供了一种多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动调试方法，其特征在于步骤如下：

(1)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机基本参数测试；初设参数时，电阻参数应包含电机4阻值和短电缆5的阻值之和，额定电压通过电机4的空载反电势线电压和短电缆5通入额定电流时的压降叠加而得，额定电流、额定频率、额定转速、额定功率按照设计值设定。启动参数初始值可与额定电流相同，频率限制值可设置为400转/分～500转/分对应的频率，磁场形成时间不超过1s，加速度按照设计要求设置。其它参数可按电源6出厂初始值设置。

总结为执行步骤，具体为：

(1.1)使用LCR表测量电机的线电阻和电感、电缆电阻，用原动机拖动被测电机，测量空载线反电势有效值；

(1.2)按照如下公式计算总电阻：

R＝R0+R1；

其中：R为总电阻；R0为电机线电阻；R1为电缆电阻。

(1.3)按照如下公式计算额定电压：

Un＝E0+R1*In；

其中：Un为额定电压；E0为空载线反电势；R1为电缆电阻；In为额定电流；

(1.4)将电机的极对数、额定参数、启动参数、开关频率以及电流环/速度环PI参数作为初始设置值输入于电机对应的控制电源的参数列表中。

额定参数是指额定电压、额定电流、额定功率、额定转速；其中额定电流、额定功率、额定转速按照设计值设置；

启动参数是指启动电流、频率限制值、磁场形成时间、加速度；启动电流与额定电流值相同，频率限制值对应的转速设置在400转/分～500转/分之间，磁场形成时间不超过1s，加速度按照设计值设置。

(2)完成第(1)步，基本参数测试合格后，按照图2所示搭建试验系统，对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机空载测试；启动控制电源6，转速稳定上升至设定值，然后通过观测电流值来调整额定参数和电流环/速度环PI参数，使得电流值最小，波动最小。通过观测转速(频率)曲线，调整电流环/速度环PI参数，使得频率波动最小。

综合成执行步骤如下：

(2.1)如图2所示，搭建电机空载测试平台，空载测试平台包括模拟负载1、联轴器2、工装3、电机4、电缆5、控制电源6和台架7；

模拟负载1固定于台架7上，模拟负载1通过联轴器2和工装3连接和固定电机4，控制电源6通过电缆5对电机4进行供电和控制；电缆5一般为短电缆，不超过50米。

(2.2)将模拟负载1的转矩设为零(相当于没有负载)，启动控制电源6，令电机4空载工作；也可不在模拟负载1上进行该项试验。

(2.3)判断电机4的转速是否在预设的空载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(2.4)，否则调整额定参数，之后返回步骤(2.2)；

(2.4)判断电机4的电流是否在预设的空载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(3)开始电机负载试验，否则调整额定参数、启动参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(2.2)；

(3)对每一台无传感器永磁同步电机均进行电机负载测试；

完成第(2)步测试后，按照图2所示搭建试验系统，进行负载性能试验，通过模拟负载1设置负载要求值，检测电机4电压、电流、转速等性能参数是否在设计范围内。其中，在零速或低速运行区控制电源6采用开环启动法，通过微调电机4启动参数，观测电流、转速曲线，使得频率曲线沿加速度的斜率平稳上升，电流曲线波动最小。电机4进入同步速(即达到设定频率)后，通过调节电流环/速度环PI参数使频率和电流波动最小。试验前后需对电机4进行绝缘性能测试。电机4单机空载和负载试验可采用短电缆5(不超过50米)进行。

综合成执行步骤如下：

(3.1)如图2所示，搭建电机负载测试平台，负载测试平台包括模拟负载1、联轴器2、工装3、电机4、电缆5、控制电源6和台架7；

模拟负载1固定与台架7上，模拟负载1通过联轴器2和工装3连接和固定电机4，控制电源6通过电缆5对电机4进行供电和控制；

(3.2)将模拟负载1的转矩设为负载需求值，启动控制电源6，令电机4工作；

(3.3)判断电机4的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(3.2)；若未出现异常，则进入步骤(3.4)；

所述异常是指电机4的转速不能按照设定的加速度稳定上升；

(3.4)判断电机4的转速稳定上升后是否在预设的负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(3.5)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(3.2)；

(3.5)判断电机4的电流是否在预设的负载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(4)开始伺服机构运行试验，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(3.2)；

预设的空载转速范围和预设的负载转速范围相同，均为电机4额定转速正负50转/分范围内；预设的空载电流范围为0～1A，预设的负载电流范围为电机4的额定电流的正负3A范围内。

(4)对每一台无传感器永磁同步电机均进行伺服机构运行试验；

完成第上一步测试后，将电机4装配于伺服机构8中，如图3所示。通过压力和流量大小或其它负载方式确定电机4转矩，观察电机4的电压、电流、转速等性能参数。与步骤3)类似，调整参数使电机4转速平稳，电流波动最小。

综合成执行步骤如下：

(4.1)如图3所示，搭建伺服机构运行试验平台，伺服机构运行试验平台包括电机4、电缆5、控制电源6和伺服机构8；电机4装配在伺服机构8中，控制电源6通过电缆5对电机4进行供电和控制；

(4.2)启动控制电源(6)，令电机(4)工作，进而带动伺服机构(8)工作；

(4.3)判断电机4的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(4.2)；若未出现异常，则进入步骤(4.4)；

(4.4)判断电机4的转速稳定上升后是否在所述负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(4.5)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(4.2)；

(4.5)判断电机4的电流是否在预设的负载电流范围内，如果在范围内，则进入步骤(5)开始多台伺服机构联合运行试验，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(4.2)；

(5)进行多台伺服机构联合运行试验，从而完成多台无传感器永磁同步电机同时或分步启动的调试；

进行本试验前测量长电缆10的电阻，按照图4连接试验系统，采用长电缆10连接伺服机构8与复合电源9。复合电源9内部装有多台控制电源6，每台电源6控制一台伺服机构8，通过计算长电缆10电阻产生的压降来设置额定电压，根据长电缆10的电阻重新设置总电阻。按照步骤3)中参数设置方法调节启动参数，使电机4平稳启动，通过调节电流环/速度环PI参数使电机4在同步速区域平稳运行。另外，通过设置定时器，使各台伺服机构8依次延迟不小于1s，降低多台电源6之间的相互干扰。解决了距离较长、芯数较多的长电缆10连接及多台电源6同时工作所引起的电磁干扰情况下伺服机构8无法正常启动的问题。同时，通过调节电源参数的方式，取消了在电机输入端安装抗干扰装置的方式，最大程度减小了系统体积和重量。

综合成执行步骤如下：

(5.1)如图4所示，搭建多台伺服机构联合运行试验平台，多台伺服机构联合运行试验平台包括电机4、伺服机构8、复合电源9和长电缆10；电机4装配在伺服机构8中，伺服机构8与复合电源9之间通过长电缆10进行连接，复合电源9内部装有多台控制电源6，每台控制电源6控制一台伺服机构8；长电缆10一般大于100米。

(5.2)测量长电缆10的直流电阻，调整控制电源6参数列表中的直流电阻，通过预设的负载电流计算长电缆10产生的压降，来调整控制电源6额定参数列表中的额定电压；

(5.3)启动复合电源9，令所有控制电源6同时或分步启动，进而同时或分步带动伺服机构8工作；令所有控制电源6分步启动具体为：通过设置定时器，使各台伺服机构8依次延迟不小于1s，降低多台电源6之间的相互干扰。

(5.4)判断电机4的转速是否按照设定的加速度稳定上升，若出现异常，则调整启动参数，返回步骤(5.3)；若未出现异常，则进入步骤(5.5)；

(5.5)判断电机4的转速稳定上升后是否在所述负载转速范围内，如果在范围内，则进入步骤(5.6)，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(5.3)；

(5.6)判断电机4的电流是否在所述负载电流范围内，如果在范围内，则完成多台无传感器永磁同步电机的同时或分步启动调试，否则调整额定参数和电流环/速度环PI参数，之后返回步骤(5.3)。

实施例：

对四台安装有7.5kW的无传感器永磁同步电机的伺服机构进行运行试验。电机额定转速为7000rpm，额定电流为18A，线反电势为310V。将电机额定参数及计算后的总电阻输入电源参数列表中，不同试验步骤中参数设置对比情况如下表所示。按照每个步骤设置的参数启动电源，电机或伺服机构均正常工作。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。