CN101789746B - 同步电动机转子位置测量与速度测控方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种同步电动机转子位置测量与速度测控方法及装置，采用控制器控制定子功率变换器，同时控制转子功率变换器输出直流电压U_fz，并叠加一个高频电压u_fH，检测定子绕组中含有高频成分的电压信号，得到转子的位置与转速信号；系统控制器接受转速反馈信号，与给定信号进行比较，同时对定子功率变换器和转子功率变换器进行控制，改变其输出电压，实现快速准确地控制同步电动机的转速。与现有技术相比，方法简单，结构省略了速度传感器，大大简化了系统结构，增强了系统的可靠性，速度控制精度高，低速动态响应特性好，易于实施，操作方便，减轻了系统的维护工作量，具有广泛的实用性。

Description

同步电动机转子位置测量与速度测控方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电动机转子位置测量与速度测控技术，尤其是一种适用于电励磁式的同步电动机转子位置测量与速度测控方法及装置。

背景技术

在高性能的同步电动机矢量控制系统中，转子位置和速度的闭环控制环节一般是必不可少的。公知的异步电动机测速方法有两种：一种是采用光电码盘、测速发电机等机械速度传感器来进行电机速度检测，并反馈转速信号。这种系统对转子位置的检测能力较差，同时机械速度传感器存在安装问题，系统维护工作量较大；第二种是利用检测电机定子电压、电流等物理量，结合转子磁路的不对称性进行位置和速度估计以取代机械传感器的无速度传感器的测速装置；该系统虽然解决了机械速度传感器带来的问题，降低了系统成本，但是目前的估算方法对电机参数的依赖性强，而且计算和控制比有传感器系统复杂，响应较慢，低速动态响应特性较差，因此，急需一种良好的转子位置与速度测量方法以及相应的控制装置来提高同步电动机拖动控制系统的可靠性和准确性。

发明内容

本发明的目的是克服已有技术中的不足之处，提供一种响应速度快，简单可靠且精度高的同步电动机转子位置测量与速度测控方法及装置。

本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控方法：

a.采用控制器控制定子功率变换器为同步电动机输出三相电压，同时控制转子功率变换器输出直流电压U_fz，转子功率变换器在输出直流电压的同时，叠加一个高频电压u_fH；

b.采用电压互感器检测同步电动机定子绕组中含有高频成分的电压信号，将该电压信号通过信号滤波器进行滤波处理，得到同步电动机转子的位置信号与转速信号；

c.系统控制器接受从信号滤波器传来的转速反馈信号，将其与来自速度信号给定装置的信号进行比较后，发出控制信号，同时对定子功率变换器和转子功率变换器进行控制，两个功率变换器依据系统控制器发出的控制信号改变其输出电压，实现快速准确控制同步电动机的转速。

本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控装置：包括接线柜，接线柜内设有与三相电源开关相连接的定子功率变换器，定子功率变换器的三条输出端分别与同步电动机定子绕组的三相U、V、W相连接，定子功率变换器与同步电动机定子绕组相连的U相和V相连接有电压互感器，电压互感器的输出端经信号滤波器连接有系统控制器，系统控制器的输出端上分别连接有定子功率变换器和转子功率变换器，其输入端上连接有速度给定信号装置；转子功率变换器的输出端与同步电动机转子绕组相连接，转子功率变换器通过单相电源开关连接转子单相交流电源；定子功率变换器通过三相电源开关连接三相电源；所述的系统控制器上连有电机转速显示器。

本发明的有益效果：利用同步机本身的机械结构和其中的电磁关系，在同步电动机转子绕组中注入高频励磁信号，由于电动机转子所处的位置不同，高频脉振磁势在定子绕组中感应的高频电势信号也随之改变，利用电压互感器获取高频信号，检测高频信号即可确定转子的位置及同步机的转速。将测出的转子位置和转速信号反馈给控制器，控制器根据给定信号就可以对同步电动机的速度进行准确地控制。适用于隐极式转子和凸极式转子的同步电动机的测控。与现有技术相比，省略了速度传感器，大大简化了系统结构，增强了系统的可靠性，速度控制精度高，低速动态响应特性好，易于实施，操作方便，减轻了系统的维护工作量，具有广泛的实用性。

附图说明

图1本发明的控制装置结构示意图；

图2是本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控原理图；

图3是本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控装置工作原理图。

图中：1-定子三相交流电源；2-三相电源开关；3-定子功率变换器；4-电机转速显示器；5-速度信号给定装置；6-系统控制器；7-电压互感器；8-信号滤波器；9-转子单相交流电源；10-单相电源开关；11-转子功率变换器；12-定子绕组；13-同步电动机定子；14-同步电动机转子；15-同步电动机转子绕组；接线柜-A。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的描述：

本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控方法：首先采用控制器6控制定子功率变换器3为同步电动机输出三相电压，同时控制转子功率变换器11输出直流电压U_fz，转子功率变换器11在输出直流电压的同时，叠加一个高频电压u_fH，即在同步电动机转子绕组15上注入了一个高频电压励磁信号，以检测转子位置和速度；采用电压互感器7检测同步电动机定子绕组12中含有高频成分的电压信号，将该电压信号通过信号滤波器8进行滤波处理，即可得到同步电动机转子的位置信号与转速信号；将其送至系统控制器6，系统控制器6采用DSP控制器，系统控制器6接受从信号滤波器8传来的转速反馈信号，将其与来自速度信号给定装置5的信号进行比较后，发出控制信号，同时对定子功率变换器3和转子功率变换器11进行控制，这两个功率变换器依据系统控制器6发出的控制信号改变其输出电压，从而实现快速准确地控制同步电动机的转速。

工作原理：设定电动机定子U相绕组的相轴为U轴，转子磁极N的轴线(即转子绕组轴线)为d轴，二者的空间夹角的电角度为θ。如果电机极对数为P，则U轴与d轴夹角的机械角度θ_r与电角度为θ的关系为：

θ＝P×θ_r    (1)

当转子绕组加高频励磁信号时，会在d轴产生高频脉振磁场，其幅值位置会随转子位置变化而移动，与定子U相绕组相轴(即U轴)的空间夹角的电角度为θ。d轴高频脉振磁场会在定子三相绕组(U相、V相和W相)中感应高频变压器电势(E_UH、E_VH和E_WH)，它们的大小为：

E_VH为V相高频电势E_WH为W相高频电势E_VWH为V相和W相输出的高频线电势。

当定子绕组采用星型连接时，V相和W相输出的高频线电势E_VWH的大小为：

$E_{\mathrm{VWH}}=E_{\mathrm{VH}}-E_{\mathrm{WH}}=\sqrt{3}{E}_H\sin \mathrm{\θ}---\left(3\right)$

由此可见，定子相绕组12中感应的高频电势与转子空间角度θ成余弦关系，通过检测定子绕组12的高频电势，就可以直接测出转子位置角θ。定子绕组12采用三角型连接时，测量U相高频电势，采用公式(2)计算出转子位置角θ；定子绕组12采用星型连接时，测量V相和W相的高频线电势，利用公式(3)计算出转子位置角θ。

将测出的转子位置角θ进行对时间t的导数计算，并结合式(1)，就可以计算出转子的速度n_r为：

$n_r=\frac{9.55}{P}\×\frac{\mathrm{d\θ}}{\mathrm{dt}}---\left(4\right)$

将测出的转子位置和速度信号反馈给控制器6，就构成同步机的速度闭环控制系统，可以对同步电动机拖动系统的速度进行准确控制。

本发明的同步电动机转子位置测量与速度测控装置，包括一个接线柜A，接线柜A内集中装有定子功率变换器3、电机转速显示器4、速度给定信号装置5、系统控制器6、电压互感器7，信号滤波器8、转子功率变换器11。定子功率变换器3与三相电源开关2相连接，定子功率变换器3的三个输出端分别与同步电动机定子绕组12的三相U、V、W相连接，定子功率变换器3与电压互感器7相连，电压互感器7的输出端与信号滤波器8相连接，信号滤波器8连接系统控制器6，系统控制器6的输出端分别连接定子功率变换器3和转子功率变换器11，速度给定信号装置5和电机转速显示器4分别与系统控制器6相连；转子功率变换器11的输出端与同步电动机转子绕组15相连接，转子功率变换器11通过单相电源开关10连接转子单相交流电源9；定子功率变换器3通过三相电源开关2连接三相电源1。

Claims (3)

1.一种同步电动机转子位置测量与速度测控方法，其特征在于：

a.采用控制器(6)控制定子功率变换器(3)为同步电动机输出三相电压，同时控制转子功率变换器(11)输出直流电压U_fz，转子功率变换器(11)在输出直流电压的同时，叠加一个高频电压u_fH；

b.用电压互感器(7)检测同步电动机定子绕组(12)中含有高频成分的电压信号，将该电压信号通过信号滤波器(8)进行滤波处理得到转速反馈信号；

c.系统控制器(6)接受从信号滤波器(8)传来的转速反馈信号，将其与来自速度信号给定装置(5)的信号进行比较后，发出控制信号，同时对定子功率变换器(3)和转子功率变换器(11)进行控制，两个功率变换器依据系统控制器(6)发出的控制信号改变其输出电压，控制同步电动机的转速。

2.一种实现权利要求1所述方法的同步电动机转子位置测量与速度测控装置，其特征在于：它包括接线柜(A)，接线柜(A)内设有与三相电源开关(2)相连接的定子功率变换器(3)，定子功率变换器(3)的三条输出端分别与同步电动机定子绕组(12)的三相U、V、W相连接，定子功率变换器(3)与同步电动机定子绕组(12)相连的U相和V相连接有电压互感器(7)，电压互感器(7)的输出端经信号滤波器(8)连接有系统控制器(6)，系统控制器(6)的输出端上分别连接有定子功率变换器(3)和转子功率变换器(11)，其输入端上连接有速度给定信号装置(5)；转子功率变换器(11)的输出端与同步电动机转子绕组(15)相连接，转子功率变换器(11)通过单相电源开关(10)连接转子单相交流电源(9)；定子功率变换器(3)通过三相电源开关(2)连接三相电源(1)。

3.根据权利要求2所述的同步电动机转子位置测量与速度测控装置，其特征在于，所述的系统控制器(6)上连有电机转速显示器(4)。

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