CN103762913A - 深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，所述活塞泵由直流无刷电动机驱动，该启动方法包括以下步骤：S1、基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置，按该位置对应的控制策略控制逆变器；S2、重复步骤S1直至转速达到第一阈值；S3、基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器；S4、重复步骤S3直至转速达到第二阈值，第二阈值大于所述第一阈值；S5、基于反电动势过零点检测确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器。上述启动方法能够用于高扬程光伏扬水系统。本启动方法能够提高系统启动成功率。

Description

深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法及应用

技术领域

本发明涉及基于直流无刷电动机的深井活塞泵系统启动方法，更具体地说，涉及一种深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，以及将该启动方法用于高扬程光伏扬水系统的应用，属于电气传动控制技术领域。

背景技术

光伏扬水是太阳能利用的重要形式，能够高效地解决偏远地区的生活生产用水问题，产生良好的经济和社会效益，具有广阔的应用前景。

如图1所示，光伏扬水系统由光伏阵列1、逆变控制器（简称逆变器）2和水泵3构成。光伏阵列1将太阳辐射能转化为电能，作为系统的直流电源，逆变控制器2根据太阳辐射强度的变化对水泵3实施调速控制，实现逆变和最大功率点跟踪。在小功率系统中采用由直流无刷电动机驱动的活塞泵能够显著提高系统运行效率、降低系统建设成本。首先，由于直流无刷电动机采用高效永磁体转子，无需励磁电流，功率因数和运行效率高。其次，活塞泵为高扬程容积泵，低转速时仍能提水，有效调速范围宽，系统全天有效运行时间长。

但是，活塞泵呈现恒转矩负载特性，高扬程系统启动时，必须输出足够高的启动转矩，克服扬水管道中积水所产生的压力，因此对电动机及控制器的启动和低速运行特性要求高。具体需要解决以下两个问题：第一，在确保提供足够高启动转矩的前提下尽可能减小启动电流，防止短时过流对控制器及电机永磁体造成损伤；第二，光伏扬水系统早晨启动时，光伏阵列的入射太阳辐射强度弱，能够提供的电能有限，若启动功率过大，光伏阵列输出电压将跌落，导致启动失败。

逆变控制器采用经典的三相逆变电路，如图2所示。使用两两导通驱动方案（三相六态法），即每一种状态下仅两个开关器件参与脉宽调制，每隔60电角度换向一次，每次换向切换一个开关器件，每个开关器件在120电角度时段内进行调制，由此依次形成互相间隔60电角度的磁场矢量，驱动转子旋转，对应的定子电流与反电动势如图3所示。

根据永磁体转子的磁极位置，施加对应的电压矢量，是实现直流无刷电动机稳定高效运行的关键，基于反电动势过零点检测就是一个成熟的定位与驱动方法。由于A、B、C相中总存在着某一相是不导通相，在此不导通相端口上可以检测到反电动势，若能成功确认其过零点，只需延时30电角度便是换向的时刻，相当于确定了转子的位置并实现精准的电机控制。但是，当电机静止或低速运行时，反电动势太小，难以得到相应的过零点信号及换向时刻，所以在启动过程中还需要其它辅助手段。

为了提高启动的成功率，有一种传统的三段式启动方法，即转子预定位→开环加速→闭环加速。此方法简单易行，但需要通过实验确定启动电压及换向加速时间等参数，每一组参数只对对应的电机有效，轻载时效果较好，启动过程中电流较大。于是，在前两段的控制中又有几项改进措施。如短时脉冲法、升频限流法、定子电流斜率阈值判断法等，但仍存在带载能力低、控制切换不够精准的问题，在高扬程光伏扬水系统的应用中效果不够理想，需要进一步改进。

发明内容

本发明的目的是提供一种深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，以提高启动成功率。

本发明的技术方案如下：

一种深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，所述活塞泵由直流无刷电动机驱动，该启动方法包括以下步骤：

S1、基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置，按该位置对应的控制策略控制逆变器；

S2、重复步骤S1直至转速达到第一阈值；

S3、基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器；

S4、重复步骤S3直至转速达到第二阈值，第二阈值大于所述第一阈值；

S5、基于反电动势过零点检测确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，步骤S1中，基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置的方法包括以下步骤：依次对电机的三相施加短时脉冲和检测响应电流；比较检测到的三个响应电流的大小获得电流关系；获取转子对应所述电流关系的两个可能位置；将所述两个可能位置与上一次确定的转子位置比较，选取其中一个作为转子当前位置。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，所述短时脉冲的脉宽为200-400微秒。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，所述步骤S1还包括：判断本次确定的转子当前位置和上一次确定的转子位置是否相同，若相同则增大驱动电压。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，步骤S3中，基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻的方法包括以下步骤：获取在当前扇区中系统处于PWM导通时段时的定子电流斜率；计算当前扇区的换向阈值；当定子电流斜率经过最低点逐渐增至当前扇区的换向阈值时，即为换向时刻。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，获取系统处于PWM导通时段时的定子电流斜率的方法包括以下步骤：分别采样刚导通后和即将关断前的电流，计算其电流差；用所述电流差除以两次采样的时间间隔，将所得结果作为定子电流斜率。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，计算当前扇区的换向阈值的方法为：计算在上一个扇区中的最后一个定子电流斜率和在当前扇区中的第一个定子电流斜率的平均值，将该平均值作为当前扇区的换向阈值。

在上述深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法中，优选地，确定转速的方法为：计算前六次控制策略后转子位置序号的总增量，将算得的总增量作为转速。

上述任意一种启动方法能够用于高扬程光伏扬水系统。

本发明深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法能够提高系统启动成功率，尤其是对于高扬程光伏扬水系统能提高光照较弱时系统启动的成功率。

附图说明

图1为光伏扬水系统的框图；

图2为三相逆变器的原理图；

图3为三相六态法的电流与反电动势的波形；

图4为转子位置与扇区序号图；

图5为定子电流斜率的影响因素及变化趋势图；

图6为一些实施例中PWM控制的电流采样方法示意图；

图7为一些实施例中启动第一阶段的流程图；

图8为启动电流波形对照，其中，(a)为常规开环启动方法在40m扬程下的启动电流波形，(b)(c)分别为本发明一些实施例启动方法在40m和100m扬程下的启动电流波形；

图9为本发明一些实施例启动方法不同阶段切换时刻的电压电流波形，其中(a)为第一、第二阶段切换时刻的波形，（b）为第二、三阶段切换时刻的波形。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法分三个阶段进行，下面分别说明。

第一阶段：基于短时脉冲检测定位的自适应驱动。该阶段通过先施加短时脉冲，检测转子位置，然后逐渐加大对应最佳方向上的电压矢量，使电机从静止启动并加速。

第一阶段包括：步骤S1、基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置，按该位置对应的控制策略控制逆变器。步骤S2、重复步骤S1直至转速达到第一阈值。

对于步骤S1，由于转子的凸极效应，定子电感量与转子位置相关。定子电压空间矢量与转子磁极平行时电感最小，两者垂直时电感最大。只要依次施加3个互差120电角度的脉冲，比较响应电流的大小关系，就可以分辨出转子位置（序号增大对应转子旋转正向），如图4所示。

首先，依次对电机的三相施加短时脉冲和检测响应电流。参照图2，依次施加的三个短时脉冲和检测的响应电流为：A高BC低（S₁、S₂和S₆导通），检测电流I_A；B高AC低（S₂、S₃和S₄导通），检测电流I_B；C高AB低（S₄、S₅和S₆导通），检测电流I_C。短时脉冲的脉宽应保证施加该短时脉冲后不会引起转子位置变化，同时又能获得足够大响应电流。短时脉冲的较佳脉宽可以为200-400微秒，优选在脉冲关断前2微秒检测响应电流。在一些实施例中，单个脉冲持续333μs以获得足够大响应电流，关断333μs以消除电感残留电流（即短时脉冲的脉宽为333μs），脉冲关断前2μs进行电流采样。

然后比较检测到的三个响应电流I_A、I_B、I_C的大小获得电流关系。

根据表1所示的电流关系与转子空间位置的对应关系，可以判断出转子磁极的轴向位置（即可以得到转子的两个可能位置）。

表1基于电流比较的转子空间位置判断

将得到的转子的两个可能位置与上一次确定的转子位置比较，选取其中一个作为转子当前位置。一种方法为，在上一次确定的转子位置的基础上，按照图4顺时针寻找所述的两个可能位置，找到的第一个作为转子的当前位置。即：在转子位置序号图中，比较两个可能位置的序号与参考序号（上一次确定的转子位置的序号），取其中接近参考序号右侧的作为转子当前位置；其中，转子位置序号图（见图4）包括1至12共12个序号，它们从小到大按顺时针方向排成一圈。假设：电流关系为I_A>I_B>I_C，上一次确定的转子位置的序号为5，由表1知电流关系I_A>I_B>I_C对应的两个可能位置的序号为6和12，而在图4中序号6比序号12接近参考序号5，所以转子当前位置的序号为6。

最后，按该位置对应的控制策略控制逆变器（即扇区驱动阶段）。转子位置与控制策略的对应关系见表2，其中的A、B、C以及S₁至S₆见图2。

表2基于转子位置的控制策略

由于用短时脉冲第一次检测处于静止状态的转子位置时，无法确定转子的极性方向，此时可选取两个可能位置序号中的一个，根据表2所定的规则，施加一段时间对应相序电压，保持产生与转子磁链相垂直的定子磁场，驱动转子旋转。若下一次位置检测得到的位置序号按正转方向递增时，表明磁极方向选取正确。否则，表明磁极方向取反，从而能够确定磁极的实际位置，即能够确定转子的当前位置。因此，在最坏的情况下，第一次可能反转30°，随后的控制不会再有反转的情况，对于活塞泵，是完全能接受的。

对于步骤S2，可以通过以下方法确定转速：计算前六次控制策略后转子位置序号的总增量，将算得的总增量作为转速。

实测结果表明，在第一阶段，可使得电机从静止启动到4Hz左右。一些实施例中，第一阈值为4Hz。

为了方便不同转矩的电机使用，步骤S1还包括：判断本次确定的转子当前位置和上一次确定的转子当前位置是否相同，若相同则增大驱动电压。每次的增加量可以设置为0.5V。采用该方法后不需再针对不同转矩的电机设置不同的参数，因此对于不同负载转矩的启动具有良好的自适应性。

第二阶段：基于脉宽调制定子电流斜率阈值改进判断的定位与驱动。

随着转速的增加，第一阶段所用的判断转子位置方法会产生偏差，导致扇区驱动阶段电流增大，甚至失速，故当逆变控制器输出频率达到第一阈值（如4Hz）时，切至第二阶段。

第二阶段包括：S3、基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器。S4、重复步骤S3直至转速达到第二阈值，第二阈值大于所述第一阈值。

对于步骤S3，同样基于由转子凸极效应产生的电感变化原理，根据定子电流的斜率di/dt，判断电压矢量切换时机。更具体地说，基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻的方法包括：获取在当前扇区中系统处于PWM导通时段时的定子电流斜率di/dt；计算当前扇区的换向阈值；当定子电流斜率经过最低点逐渐增至当前扇区的换向阈值时，即为换向时刻。

假设当前电机运行到扇区I，转子位置角在150-210°之间。依据表2中的换向逻辑，由S₂和S₃控制电压矢量。导通产生的定子电流将会产生一个与转子垂直的磁链，使转子向前转动。使用S₃脉宽调制、S₂恒通的模式。当系统处于PWM导通（S₃导通）时段时，有：

$U_d-i(r_B+r_C)-(L_B+L_C)\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}-(e_B-e_C)=0---\left(1\right)$

式中，U_d是直流母线电压，r和L分别是定子电阻和电感，e是反电动势。即

$\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}=\frac{U_d-i(r_B+r_C)-(e_B-e_C)}{L_B+L_C}---\left(2\right)$

在一个扇区中，式(2)中分子的各项基本保持不变，而依据转子对称性，(L_B+L_C)的最大值出现在扇区I中间位置，扇区两侧对称递减，由此可知di/dt呈现中间小、两侧大的变化规律，如图5所示。因此一些实施例中利用此特征计算定子电流斜率di/dt，更具体地说，首先，在每次PWM控制的导通时段进行两次电流采样，一次在刚导通后，一次在即将关断前，如图6所示。两次采样的电流差计作△i，时间间隔计作△t，作近似计算di/dt≈△i/△t。然后通过比较其大小和变化趋势，确定换向时刻。

若换向准确，一个扇区中di/dt的采样值应该左右对称。因此一些实施例中，利用此特性来计算当前扇区的换向阈值。更具体地说，选取两个定子电流斜率di/dt采样值作为参考值，一个是上一个扇区的最后一个di/dt采样值，另一个是当前扇区的第一个di/dt采样值，取其平均值作为当前扇区的换向阈值。当di/dt的采样值经过最低点而逐渐增至该换向阈值时，切换电压矢量。该方法由于能够动态跟踪扇区中di/dt采样值的两个端点并使之趋向一致，从而保证了换向控制的动态和稳态特性。同时，不需要根据电机参数设置相关的控制参数，具有良好的通用性。

第三阶段：基于反电动势过零点检测的驱动。

经过第二阶段的加速，电机转速达到第二阈值（如10Hz左右），此时可以基于反电动势过零点检测准确确定换向时刻，因此转入第三阶段。

第三阶段包括：步骤S5、基于反电动势过零点检测确定换向时刻（实时监测不导通相电压，检测到过零点即延时上一个扇区之一半时间进行换向），在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器。基于反电动势过零点检测是本领域公知的一个成熟的定位与驱动方法，其本身不属于本发明的发明内容，在此不再赘述。说明书中未详细说明的内容均为本领域的公知常识。

将按本发明方法的软件功能模块加入现有高扬程光伏扬水系统中的变频控制器中，能提高光照较弱时系统启动的成功率。

实验：用可编程光伏阵列模拟电源、2kW活塞泵及压力罐搭建了实验系统，其中压力罐可提供压力以模拟高扬程工况。水泵最高运行转速3600rpm，最高模拟扬程100m。

启动第一阶段流程图如图7所示，开关频率3kHz。

实验表明，采用传统开环启动方法时，扬程升至50m后，开始出现启动失败的现象，而且即使能够成功启动，启动电流也远远大于稳态运行电流。图8(a)为采用传统开环启动方法在40m模拟扬程下的启动电流波形。启动阶段电流幅值大，最大值约为稳态运行电流的2倍，最大功率超过400W。图8(b)和(c)为采用本发明启动方法在40m、100m模拟扬程下的启动电流波形。启动阶段与稳定运行阶段的电流幅值差异不大，图中难以分辨出二者切换点。放大图像后，可以观察到在4秒左右进行了第一、二段的切换，6秒左右进行了第二、三段的切换。启动阶段功率稳步上升，切换至闭环过程功率无明显变化，分别在160W和500W左右，可提高光照较弱时系统启动的成功率。

图9为不同阶段切换时刻的电压电流波形，其中(a)图中第一段为短时脉冲检测阶段，此时一个位置区间有时会对应数个驱动扇区。(b)图中第二、三段间的波形已无明显差别。

Claims (9)

1.一种深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，所述活塞泵由直流无刷电动机驱动，其特征在于，该启动方法包括以下步骤：

S1、基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置，按该位置对应的控制策略控制逆变器；

S2、重复步骤S1直至转速达到第一阈值；

S3、基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器；

S4、重复步骤S3直至转速达到第二阈值，第二阈值大于所述第一阈值；

S5、基于反电动势过零点检测确定换向时刻，在该换向时刻用下一扇区的控制策略控制逆变器。

2.根据权利要求1所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，步骤S1中，基于短时脉冲检测定位确定转子当前位置的方法包括以下步骤：

依次对电机的三相施加短时脉冲和检测响应电流；

比较检测到的三个响应电流的大小获得电流关系；

获取转子对应所述电流关系的两个可能位置；

将所述两个可能位置与上一次确定的转子位置比较，选取其中一个作为转子当前位置。

3.根据权利要求2所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，所述短时脉冲的脉宽为200-400微秒。

4.根据权利要求1所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，所述步骤S1还包括：判断本次确定的转子当前位置和上一次确定的转子位置是否相同，若相同则增大驱动电压。

5.根据权利要求1所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，步骤S3中，基于脉宽调制定子电流斜率确定换向时刻的方法包括以下步骤：

获取在当前扇区中系统处于PWM导通时段时的定子电流斜率；

计算当前扇区的换向阈值；

当定子电流斜率经过最低点逐渐增至当前扇区的换向阈值时，即为换向时刻。

6.根据权利要求5所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，获取系统处于PWM导通时段时的定子电流斜率的方法包括以下步骤：

分别采样刚导通后和即将关断前的电流，计算其电流差；

用所述电流差除以两次采样的时间间隔，将所得结果作为定子电流斜率。

7.根据权利要求5所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，计算当前扇区的换向阈值的方法为：计算在上一个扇区中的最后一个定子电流斜率和在当前扇区中的第一个定子电流斜率的平均值，将该平均值作为当前扇区的换向阈值。

8.根据权利要求1所述的深井活塞泵无位置传感器三段式启动方法，其特征在于，确定转速的方法为：计算前六次控制策略后转子位置序号的总增量，将算得的总增量作为转速。

9.权利要求1至8任意一项所述启动方法用于高扬程光伏扬水系统。

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