永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置及方法与流程

本发明涉及永磁同步电机的控制技术领域，更具体地说，本发明涉及一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置及方法。

背景技术：

近年来，随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机得以迅速的推广应用。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机,特别是稀土永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而它是近几年研究较多并在各个领域中应用越来越广泛的一种电动机。

而通过逆变器对永磁同步电机的定子绕组进行控制时，在定子绕组换向过程中，会产生发电动势能，对永磁同步电机的控制造成影响，为了消除这一影响，需要测量出该反电动势，并根据反电动势大小对定子绕组的控制做进一步调整，以保证对永磁同步电机的控制精度。

技术实现要素：

本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。

本发明还有一个目的是提供一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置及方法，本发明有效解决了对永磁同步电机在定子绕组换向过程中，反向电动势不可直接观测的技术问题。

为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置及方法，包括：

逆变电路，其由三对上下桥臂组成，每个所述桥臂上设置有一反接二极管，所述逆变电路的输出端连接至永磁同步电机的三相定子绕组；

吸收电路，其第一端连接对应相定子绕组，所述吸收电路的第二端连接在每个对桥臂之间，所述吸收电路两端设置有一反接开关，所述吸收电路包括第一开关td、第二开关tk、第一电容c1、第三开关tc、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第二电容c2；所述第二开关tk和第一电容c1构成第一串联支路，所述第三电阻r3和第二电容c2并联构成第一并联支路，所述第三开关tc、第一并联支路和第二电阻r2依次串联构成第二串联支路，所述第一串联支路和第二串联支路并联构成第二并联支路，所述第一开关td、第一电阻r1和第二并联支路依次串联；

拖动电机，其与永磁同步电机的转子轴选择性连接；

电压采集器，其分别采集三相定子绕组上的电压。

优选的，还包括一电压比较器，其同相输入端连接所述第三电阻r3两端电压，所述电压比较器的反相输入端连接所述第二电容c2两端电压，所述电压比较器的输出端与所述第二开关tk的控制端连接。

优选的，所述吸收电路还包括第一二极管d1，其阳极连接在所述第二并联支路的输出端。

优选的，所述第一开关td的输入端通过一第五开关连接对应相定子绕组，所述第一开关td的输出端经过所述第一电阻r1连接所述第二并联支路的输入端，所述第一二极管d1的阴极通过第六开关连接在每个对桥臂之间，所述第五开关和第六开关同步动作。

优选的，所述吸收电路还包括第二二极管d2，其与所述第二电容c2串联，所述第三开关tc的输入端与所述第一电阻r1连接，所述第三开关tc的输出端分别连接所述第三电阻r3第一端和所述第二二极管d2的阳极端，所述第三电阻r3第二端与所述第二电阻r2第一端连接，所述第二二极管d2的阴极端经过所述第二电容c2与所述第二电阻r2第一端连接。

优选的，所述第一电容c1两端并联一第三串联支路，所述第三串联支路包括相互串联的第四电阻r4和第四开关tp，所述第二开关tk的输入端与所述第一电阻r1连接，所述第二开关tk的输出端与经过所述第一电容c1与所述第一二极管d1的阳极端连接；所述第四电阻r4的第一端与所述第二开关tk的输出端连接，所述第四电阻r4的第二端与所述第四开关tp的输入端连接，所述第四开关tp的输出端与所述第一二极管d1的阳极端连接。

优选的，所述吸收电路还包括第三二极管d3，其串联在所述第二二极管d2和第四电阻r4之间，所述第三二极管d3的阳极与所述第二二极管d2的阴极连接，所述第三二极管d3的阴极与所述第四电阻r4的第一端连接。

一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试方法，包括以下步骤：

步骤一、断开永磁同步电机定子绕组上的电源，通过拖动电机将永磁同步电机拖动至稳定转速后，通过电压采集器至少采集一个完整旋转周期内各相定子绕组上的电压v1；

步骤二、闭合第五开关和第六开关，闭合反向开关，对永磁同步电机定子绕组施加电源驱动，将永磁同步电机运行到步骤一中的稳定转速，通过电压采集器至少采集一个完整旋转周期内各相定子绕组上的电压v2；

步骤三、控制对应的上桥臂导通和下桥臂关断过程中，断开第五开关和第六开关，闭合反向开关，计算下桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻之间的间隔时间t1，同时对该下桥臂对应的吸收电路进行以下操作：分别闭合第一开关td、第二开关tk和第三开关tc，实时监测第三电阻r3和第二电容c2两端电压，当第二电容c2两端电压大于第三电阻r3两端电压时，则控制第二开关tk断开；经过t1时间后，分别断开第一开关td和第三开关tc，同时闭合第五开关和第六开关，闭合反向开关，将所述吸收电路从下桥臂连接线路上切除，同时闭合所述第四开关tp，将第一电容c1和第二电容c2中的电能释放，在下桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻过程中，通过电压采集器采集对应相定子绕组上的电压v3；永磁同步电机在上桥臂导通和下桥臂关断换向过程中各单相上的反电动势为：va＝v3-v2+v1；

步骤四、控制对应的上桥臂关断和下桥臂导通过程中，闭合第五开关和第六开关，断开反向开关，计算上桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻之间的间隔时间t2，同时对该上桥臂对应的吸收电路进行以下操作：分别闭合第一开关td、第二开关tk和第三开关tc，实时监测第三电阻r3和第二电容c2两端电压，当第二电容c2两端电压大于第三电阻r3两端电压时，则控制第二开关tk断开；经过t2时间后，分别断开第一开关td和第三开关tc，同时闭合第五开关和第六开关，闭合反向开关，将所述吸收电路从上桥臂连接线路上切除，同时闭合所述第四开关tp，将第一电容c1和第二电容c2中的电能释放；在上桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻过程中，通过电压采集器采集对应相定子绕组上的电压v4；永磁同步电机在上桥臂关断和下桥臂导通换向过程中各单相上的反电动势为：vb＝v4-v2+v1。

本发明至少包括以下有益效果：

1、本发明中，实现了对定子绕组反电动势的测量，优化反馈控制系数；

2、同时通过吸收电路有效消耗了定子绕组流向切换瞬间对应定子绕组上产生的反电动势，避免绕组上的反电动势反馈至逆变器中，对逆变器的控制造成干扰，从而进一步提高了对永磁同步电机的控制精度。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明系统的整体结构示意图；

图2为吸收电路的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。

如图1-2所示，本发明提供了一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试装置，包括：逆变电路、吸收电路、拖动电机和控制器。

逆变电路由三对上下桥臂组成，逆变电路是三相全桥逆变器，每个所述桥臂上设置有一反接二极管d，所述逆变电路的输出端连接至永磁同步电机的三相定子绕组；

吸收电路第一端连接对应相定子绕组，所述吸收电路的第二端连接在对应上下桥臂之间，每个桥臂上设置有一个igbt，每个所述吸收电路两端设置有一反接开关。

本实施例中，如图1所示，吸收电路1的输入端通过第五开关t14与所述a相定子绕组连接，第一对桥臂之间通过第六开关t13与吸收电路1的输出端连接，吸收电路1两端连接一反接开关t15，反接开关t15的第一路连接a相定子绕组和吸收电路1的输出端，反接开关t15的第二路连接第一对桥臂之间和吸收电路1的输入端。

同样的方式，吸收电路2通过第五开关t24、第六开关t23连接在b相定子绕组和第二对桥臂之间，吸收电路2两端连接一反向开关t25；吸收电路3通过第五开关t34、第六开关t33连接在c相定子绕组和第三对桥臂之间，吸收电路3两端连接一反向开关t35。

各个吸收电路的结构相同，如图2所示，所述吸收电路包括第一开关td、第二开关tk、第一电容c1、第三开关tc、第一电阻r1、第二电阻r2、第三电阻r3和第二电容c2；所述第二开关tk和第一电容c1构成第一串联支路，所述第三电阻r3和第二电容c2并联构成第一并联支路，所述第三开关tc、第一并联支路和第二电阻r2依次串联构成第二串联支路，所述第一串联支路和第二串联支路并联构成第二并联支路，所述第一开关td、第一电阻r1和第二并联支路依次串联。

所述吸收电路还包括第一二极管d1，其阳极连接在所述第二并联支路的输出端，第一二极管d1用于避免电流从吸收电路的输出端流入。

上述技术方案中，以第一对桥臂和a相定子为例进行说明，所述第一开关td的输入端通过一第五开关t14连接对应a相定子绕组，所述第一开关td的输出端经过所述第一电阻r1连接所述第二并联支路的输入端，所述第一二极管d1的阴极通过第六开关t13连接在对应第一对上下桥臂之间，所述第五开关t14和第六开关t13同步动作。

所述吸收电路还包括第二二极管d2，其与所述第二电容c2串联，所述第三开关tc的输入端与所述第一电阻r1连接，所述第三开关tc的输出端分别连接所述第三电阻r3第一端和所述第二二极管d2的阳极端，所述第三电阻r3第二端与所述第二电阻r2第一端连接，所述第二二极管d2的阴极端经过所述第二电容c2与所述第二电阻r2第一端连接。第二二极管d2用于防止第二电容c2中的电量逆流到第三电阻r3，使得第二电容c2两端电压能够保持最高位，当反电动势在第三电阻r3上的分压小于第二电容c2两端内部电压时，即可检测出第二电容c2两端电压与第三电阻r3两端电压之间差异。

上述技术方案中，所述第一电容c1两端并联一第三串联支路，所述第三串联支路包括相互串联的第四电阻r4和第四开关tp，所述第二开关tk的输入端与所述第一电阻r1连接，所述第二开关tk的输出端与经过所述第一电容c1与所述第一二极管d1的阳极端连接；所述第四电阻r4的第一端与所述第二开关tk的输出端连接，所述第四电阻r4的第二端与所述第四开关tp的输入端连接，所述第四开关tp的输出端与所述第一二极管d1的阳极端连接。

上述技术方案中，所述吸收电路还包括第三二极管d3，其串联在所述第二二极管d2和第四电阻r4之间，所述第三二极管d3的阳极与所述第二二极管d2的阴极连接，所述第三二极管d3的阴极与所述第四电阻r4的第一端连接，第三二极管d3用于防止第一电容c1和第二电容c2之间发生电量流动。

各个开关为可控开关，各个可控开关以及igbt的控制端与控制器连接，其中，所述第二开关tk为一常闭可控开关。对各个电容的容量的击穿电压不小于电机额定电压的5倍，对各个电阻的阻值根据电机容量来选定，电机容量越大，则电阻的阻值选取越大，以保证电阻在逆变电路中上、下桥臂切换动作周期内，能够吸收完全吸收定子绕组上产生的反电动势能量。其中，所述第二电阻r2的阻值是第三电阻r3阻值的7倍。

拖动电机与永磁同步电机的转子轴选择性连接，用于拖动永磁同步电机运转，电压采集器分别采集三相定子绕组上的电压；电压比较器选用市场上通用电压比较器即可，电压比较器同相输入端连接所述第三电阻r3两端电压，所述电压比较器的反相输入端连接所述第二电容c2两端电压，所述电压比较器的输出端与所述第二开关tk的控制端连接。电压比较器用于比较第三电阻r3和第二电容c2两端上的电压值，输出比较结果传送至控制器中，控制器根据该比较结果来控制第二开关tk的通断。

逆变电路中各对上下桥臂的切换过程分为两种，第一种是上桥臂导通和下桥臂关断过程，第二种是上桥臂关断和下桥臂导通过程。具体控制方法如下：

一种永磁同步电机换向过程中反电动势测试方法，包括以下步骤：

步骤一、断开永磁同步电机定子绕组上的电源，通过拖动电机将永磁同步电机拖动至稳定转速后，比如电机额定转速的一半，通过电压采集器至少采集一个完整旋转周期内各相定子绕组上的电压v1；

步骤二、闭合第五开关t14和第六开关t13，闭合反向开关，将吸收电路短路，对永磁同步电机定子绕组施加电源驱动，启动电机，控制永磁同步电机运行到步骤一中的稳定转速，通过电压采集器至少采集一个完整旋转周期内各相定子绕组上的电压v2；

步骤三、控制对应的上桥臂导通和下桥臂关断过程中，以a相定子绕组和对应的第一对桥臂进行说明，断开第五开关t14和第六开关t13，闭合反向开关，使得第一对桥臂之间连接吸收电路1的输入端，吸收电路1的输出端连接a相定子绕组，计算下桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻之间的间隔时间t1，触发下桥臂断开时刻的同时，对该下桥臂对应的吸收电路1进行以下操作：分别闭合第一开关td、第二开关tk和第三开关tc，实时监测第三电阻r3和第二电容c2两端电压，从下桥臂触发断开时刻开始，对应定子绕组上开始产生反电动势，反电动势从第一开关td输入端进入到吸收电路1中，通过第一电容c1、第三电阻r3、第二电阻r2、第二电容c2和第一电阻r1同时吸收，提高瞬间吸收能力，避免反电动势反馈至逆变器中，对逆变器的控制造成干扰，影响对电机的控制精确控制。

在反电动势产生直到最大值之前，第二电容c2两端电压与第三电阻r3两端电压是一致的，且都处于上升阶段，当反电动势到达最大值后开始下降，第三电阻r3及第二电容c2两端电压也开始下降，但第二电容c2依旧处于充电过程中，随着充电的继续，第二电容c2内部两端电压持续上升，直到第三电阻r3两端电压小于第二电容c2内部两端电压为止，第二电容c2充电过程结束，由于第二二极管d2的作用，防止第二电容c2中的电量逆流到第三电阻r3，使得第二电容c2两端电压能够保持最高位。第二二极管d2同时防止第二电容c2将第三电阻r3第一端的电压抬升，影响反电动势流向第三电阻r3，使得反电动势无法在吸收电路中完全耗尽。

当电压比较器采集到第二电容c2两端电压大于第三电阻r3两端电压时，则说明反电动势的主峰已经过去，无需再使用第一电容c1来增加吸收容量，此时，控制第二开关tk断开；由电阻r1-r3来单独吸收剩余的反电动势能量。另一方面，如果不将第二开关tk断开，使得第一电容c1从吸收电路中切除，则随着反电动势的下降，第一电容c1两端电压大于反电动势，第一电容c1也无法继续吸收反电动势能量，反而会损坏第二开关tk，甚至第一电容c1中电压会反向抬升第一电阻r1第二端的电压，从而影响反电动势流向，使得反电动势无法在吸收电路中完全耗尽。

断开第二开关tk经过t1时间后，定子绕组过零，反电动势也被完全吸收，此时分别断开第一开关td和第三开关tc，同时闭合第五开关t14和第六开关t13，闭合反向开关，将所述吸收电路1从下桥臂连接线路上切除，同时闭合所述第四开关tp，从而形成两个内耗电路，第一条内耗电路是由第一电容c1、第四开关tp和第四电阻r4串联组成，第一电容c1内储存的电能完全耗尽在第四电阻r4上。第二条内耗电路是由第二电容c2、第三二极管d3、第四开关tp、第四电阻r4和第二电阻r2串联组成，第二电容c2内储存的电能完全耗尽在第四电阻r4和第二电阻r2上。从而将第一电容c1和第二电容c2中的电能释放，吸收电路等待下一次的工作过程。

在下桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻过程中，通过电压采集器采集对应相定子绕组上的电压v3；永磁同步电机在上桥臂导通和下桥臂关断换向过程中单相反电动势为：va＝v3-v2+v1；

步骤四、控制对应的上桥臂关断和下桥臂导通过程中，其控制过程与步骤三一致，区别点在于控制对象为上桥臂。具体的，闭合第五开关t14和第六开关t13，断开反向开关，使得第一对桥臂之间连接吸收电路1的输出端，吸收电路1的输入端连接a相定子绕组，计算上桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻之间的间隔时间t2，同时对该上桥臂对应的吸收电路进行以下操作：分别闭合第一开关td、第二开关tk和第三开关tc，实时监测第三电阻r3和第二电容c2两端电压，当第二电容c2两端电压大于第三电阻r3两端电压时，则控制第二开关tk断开；经过t2时间后，分别断开第一开关td和第三开关tc，同时闭合第五开关t14和第六开关t13，闭合反向开关，将所述吸收电路从上桥臂连接线路上切除，同时闭合所述第四开关tp，将第一电容c1和第二电容c2中的电能释放。

在上桥臂从触发断开时刻到对应定子绕组电流过零时刻过程中，通过电压采集器采集对应相定子绕组上的电压v4；永磁同步电机在上桥臂关断和下桥臂导通换向过程中单相反电动势为：vb＝v4-v2+v1。

从而测量计算得到a相绕组在对应下桥臂关断时的反电动势va；同时计算得到a相绕组在对应上桥臂关断时的反电动势vb。

以这样的方法计算出各相定子绕组在不同状态下的反电动势大小及方向。

由上所述，本发明中，实现了对定子绕组反电动势的测量，优化反馈控制系数；同时，同时通过吸收电路有效消耗了定子绕组流向切换瞬间对应定子绕组上产生的反电动势，避免绕组上的反电动势反馈至逆变器中，对逆变器的控制造成干扰，从而进一步提高了对永磁同步电机的控制精度。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。