CN103825523B - 多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统和方法，系统包括多相永磁同步电机、逆变器、控制器和位置传感器；所述多相永磁同步电机包括至少4相；所述逆变器通过其内部的多个功率开关分别连接所述多相永磁同步电机的各相，所述控制器的输出分别连接所述多个功率开关，用于根据电压矢量控制原理分别控制所述多个功率开关的关断状态、进而使所述逆变器向所述多相永磁同步电机提供设定的电压矢量；所述位置传感器用于检测所述多相永磁同步电机的转子N极的绝对位置角，并通过模数转换装置将该绝对位置角传给所述控制器。本发明能够简单准确地检测电机相序及其转子初始角，且系统简单。
Description
技术领域
本发明涉及相序检测领域，特别涉及一种多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统和方法。
背景技术
随着电力电子技术的进步，交流电机相数不再受到供电电源相数限制。最近十年来，多相电机研究吸引越来越多专家学者注意。与传统三相电机系统相比，多相电机在大功率高可靠性场合有更加突出的优势：(1)可以用较小容量器件实现大功率；(2)多相电机系统可以实现冗余控制，大大提高系统可靠性；(3)减小转矩脉动；(4)减小直流母线电流谐波。永磁同步电动机相比交流感应电机具有体积小、惯性低、功率因数高、转矩密度大和动态响应特性好等突出优点，因此，多相永磁同步电机在舰船推进、电力机车等中低压大功率、高性能和高可靠性的场合中得到广泛应用。而在工程中，电机相序检测和初始角定位准确与否是影响该电机能否正常控制运行的关键因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，提供一种多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统和方法，能够简单准确地检测出多相永磁同步电机的相序及其转子初始角。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一为：多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，包括多相永磁同步电机、逆变器、控制器和位置传感器；所述多相永磁同步电机包括至少4相；所述逆变器通过其内部的多个功率开关分别连接所述多相永磁同步电机的各相，所述控制器的输出分别连接所述多个功率开关，用于根据电压矢量控制原理分别控制所述多个功率开关的关断状态、进而使所述逆变器向所述多相永磁同步电机提供设定的电压矢量；所述位置传感器用于检测所述多相永磁同步电机的转子N极的绝对位置角，并通过模数转换装置将该绝对位置角传给所述控制器；
通过将所述多相永磁同步电机的转子沿逆时针方向转动，并检测所述多相永磁同步电机的各相反电动势，确定所述多相永磁同步电机的相序；
所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，使所述逆变器向所述多相永磁同步电机给定一个方向与该多相永磁同步电机的反电动势相位最超前的相的方向相同的电压矢量，则该多相永磁同步电机的转子N极转到初始位置角，由所述位置传感器检测该初始位置角，并传给所述控制器存储。
一实施例中：所述位置传感器包括旋转变压器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二为：多相永磁同步电机相序检测方法，包括如上所述的多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，其中，所述多相永磁同步电机为双Y移30度永磁同步电机，所述双Y移30度永磁同步电机的定子设有第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组，所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组的各中性节点之间不连接，且所述第一三相Y形绕组反电动势相位最超前的相与所述第二三相Y形绕组反电动势相位最超前的相之间方向相差30度；设定所述双Y移30度永磁同步电机的转子沿逆时针方向旋转为正转、沿顺时针方向旋转为反转，将所述双Y移30度永磁同步电机的六相按相序先后依次记为a、b、c、d、e、f，则所述相序检测方法包括如下步骤：
A1通过外力使所述双Y移30度永磁同步电机的转子正转；
A2用示波器检测其中一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a1，被a1超前120度电角度的记为b1，被b1超前120度电角度的记为c1；
A3用示波器检测另一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a2，被a2超前120度电角度的记为b2，被b2超前120度电角度的记为c2；
A4用示波器检测a1相和a2相的反电动势，并根据该反电动势波形，作如下判定：
若a1相的反电动势相位超前a2相30度电度角，则此时a1为电机的a相，a2为电机的b相，b1为电机的c相，b2为电机的d相，c1为电机的e相，c2为电机的f相；
若a2相的反电动势相位超前a1相30度电角度，则此时a2为电机的a相，a1为电机的b相，b2为电机的c相，b1为电机的d相，c2为电机的e相，c1为电机的f相。
一实施例中：步骤A1中，通过手动使所述双Y移30度永磁同步电机的转子正转。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案之三为：多相永磁同步电机转子初始角定位方法，包括如下步骤：
B1采用如上所述的多相永磁同步电机相序检测方法，检测出所述双Y移30度永磁同步电机的相序；
B2所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关的关断状态，使所述逆变器向所述双Y移30度永磁同步电机给定一个方向与该双Y移30度永磁同步电机的反电动势相位最超前的相的方向相同的第一电压矢量；
B3判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流，若是，则减小所述第一电压矢量的幅值，若否，则转到步骤B4；
B4在所述第一电压矢量的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机的转子N极转到一个绝对位置角度，则该绝对位置角度为所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角；
B5采用所述位置传感器检测出该初始位置角，并将该初始位置角信息传给所述控制器的eeprom存储器存储。
一实施例中：还包括如下步骤：
B6所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关的关断状态，使所述逆变器向所述双Y移30度永磁同步电机给定一个方向与所述第一电压矢量的方向相差90度的第二电压矢量；
B7判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流，若是，则减小所述第二电压矢量的幅值，若否，则转到步骤B8；
B8在所述第二电压矢量的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机的转子N极转到另一个绝对位置角度，采用所述位置传感器检测出该绝对位置角，并将该绝对位置角信息传给所述控制器的eeprom存储器存储；
B9所述控制器将该绝对位置角与所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角相减，得到它们的角度差值，并判定该角度差值是否为90度，若是，则所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角被判定为准确的初始位置角，检测结束；若否，则所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角测量有误，回到步骤B2。
由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明通过上述方法获得的初始位置角信息存入eeprom存储器，可以不用每次上电都启动检测初始位置角程序。在确定之前检测过该多相永磁同步电机的初始位置角的情况下，只需去读eeprom的初始位置角信息即可，这样可以增强在工程中的实用性。同时，本发明还具有系统结构简单和检测方法快速准确等优点。
附图说明
图1为本发明实施例的一种多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统示意图；
图2为本发明实施例的一种逆变器与多相永磁同步电机的连接示意图；
图3为本发明实施例中在所述多相永磁同步电机上建立的静止坐标系示意图；
图4为本发明实施例中在所述多相永磁同步电机转子上建立的旋转坐标系示意图；
图5为本发明实施例中所述多相永磁同步电机的转子根据电磁原理旋转示意图；
图6为本发明实施例的一种双Y移30度永磁同步电机示意图；
图7为本发明实施例中其中一套三相Y形绕组的三相反动电势波形；
图8为本发明实施例中另一套三相Y形绕组的三相反动电势波形；
图9为本发明实施例中a1相和a2相的反电动势波形；
图10为本发明实施例中给定所述第一电压矢量时转子的N极与α′轴重合示意图；
图11为本发明实施例中给定所述第二电压矢量时转子的N极与β′轴重合示意图；
图12为本发明实施例中检测双y移30度永磁同步电机的转子初始位置角的子函数软件流程图；
图13为本发明实施例中控制器上电后选择调用检测初始位置角子函数或者从eeprom读取初始位置角的程序流程图。
具体实施方式
实施例，
如图1和图2所示，本发明提供了一种多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，包括多相永磁同步电机1、控制器2、逆变器3和位置传感器；所述多相永磁同步电机1包括至少4相；所述逆变器3通过其内部的多个功率开关31分别连接所述多相永磁同步电机1的各相，如图2所示，所述控制器2的输出分别连接所述多个功率开关31，用于根据电压矢量控制原理分别控制所述多个功率开关31的关断状态、进而使所述逆变器3向所述多相永磁同步电机1提供设定的电压矢量；所述位置传感器用于检测所述多相永磁同步电机1的转子11的N极的绝对位置角，并通过模数转换装置(未图示)将该绝对位置角传给所述控制器2；
基于以上系统，通过将所述多相永磁同步电机1的转子11沿逆时针方向转动，并检测所述多相永磁同步电机1的各相反电动势，即可确定所述多相永磁同步电机1的相序；
建立所述多相永磁同步电机1的两相α、β静止坐标系，其中，α轴与所述多相永磁同步电机1的反电动势相位最超前的相的绕线轴重合，β轴超前α轴90度，如图3所示；
建立所述多相永磁同步电机1转子11的两相d、q旋转坐标系，其中d轴与所述多相永磁同步电机1的转子11的N极方向一致，q轴超前d轴90度，如图4所示；
若对所述多相永磁同步电机1的绕组同时施加α轴和β轴方向的电压矢量，并分别记为uα和uβ，同时，令uα和uβ的合成矢量为us，则当us一定时，根据电磁原理，所述多相永磁同步电机1转子11的N极(d轴)与us方向重合，如图5所示；
因此，基于以上系统及理论，所述控制器2通过控制所述多个功率开关31的关断状态，使所述逆变器3向所述多相永磁同步电机1给定一个方向与α轴重合的电压矢量，即给定uα，则所述转子11的N极将转到初始位置角，记为θ0，由所述位置传感器检测该初始位置角(θ0)，并传给所述控制器2存储。本实施例中，所述位置传感器包括旋转变压器4，如图1所示。
本发明又提供了一种多相永磁同步电机相序检测方法，包括如上所述的多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，其中，所述多相永磁同步电机1为双Y移30度永磁同步电机1′，所述双Y移30度永磁同步电机1′的定子设有第一三相Y形绕组(包括a、c、e三相绕组)和第二三相Y形绕组(包括b、d、f三相绕组)，如图6所示，所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组的各中性节点之间不连接，且所述第一三相Y形绕组反电动势相位最超前的相(a相)与所述第二三相Y形绕组反电动势相位最超前的相(b相)方向相差30度；设定所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′沿逆时针方向旋转为正转、沿顺时针方向旋转为反转，将所述双Y移30度永磁同步电机1′的六相按相序先后依次记为a、b、c、d、e、f，则所述相序检测方法包括如下步骤：
A1通过外力使所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′正转；
A2用示波器检测其中一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a1，被a1超前120度电角度的记为b1，被b1超前120度电角度的记为c1，如图7所示；
A3用示波器检测另一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a2，被a2超前120度电角度的记为b2，被b2超前120度电角度的记为c2，如图8所示；
A4用示波器检测a1相和a2相的反电动势，如图9所示，并根据该反电动势波形，作如下判定：
若a1相的反电动势相位超前a2相30度电度角，则此时a1为电机的a相，a2为电机的b相，b1为电机的c相，b2为电机的d相，c1为电机的e相，c2为电机的f相；
若a2相的反电动势相位超前a1相30度电角度，则此时a2为电机的a相，a1为电机的b相，b2为电机的c相，b1为电机的d相，c2为电机的e相，c1为电机的f相。
作为一种优选实施，步骤A1中，可以通过手动的方式使所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′正转。
本发明还提供了一种多相永磁同步电机转子初始角定位方法，包括如下步骤：
B1采用如上所述的多相永磁同步电机相序检测方法，检测出所述双Y移30度永磁同步电机1′的相序；
B2所述控制器2根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关31的关断状态，使所述逆变器3向所述双Y移30度永磁同步电机1′给定一个方向与该双Y移30度永磁同步电机1′的反电动势相位最超前的相(a相)方向相同的第一电压矢量，记为uα′；
B3判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流(本实施例中指判断如图1所示的是否过流)，若是，则减小uα′的幅值，若否，则转到步骤B4；
B4在uα′的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的N极转到一个绝对位置角度(记为θα′)如图10所示，则该绝对位置角度(θα′)为所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的初始位置角，记为θ0′，即θ0′=θ0′；
B5采用所述位置传感器检测出该初始位置角(θ0′)，并将该初始位置角(θ0′)信息传给所述控制器2的eeprom存储器存储。
作为一种优选实施，还包括如下步骤：
B6所述控制器2根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关31的关断状态，使所述逆变器3向所述双Y移30度永磁同步电机1′给定一个方向与uα′的方向相差90度的第二电压矢量，记为uβ′；
B7判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流，若是，则减小uβ′的幅值，若否，则转到步骤B8；
B8在uβ′的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的N极转到另一个绝对位置角度(记为θβ′)如图11所示，采用所述位置传感器检测出该绝对位置角(θβ′)，并将该绝对位置角(θβ′)信息传给所述控制器2的eeprom存储器存储；
B9所述控制器2将该绝对位置角(θβ′)与所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的初始位置角(θ0′)相减，得到它们的角度差值，并判定该角度差值是否为90度，若是，则所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的初始位置角(θ0′)被判定为准确的初始位置角，检测结束；若否，则所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′的初始位置角(θ0′)测量有误，回到步骤B2。
基于以上转子初始角测量方法，当所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′正转时，所述位置传感器检测到的转子11′的绝对位置角信号从小到大(从0度到360度)变化，令所述转子11′的绝对位置角为θ′，则θ′=ωt-θ0′。
当所述双Y移30度永磁同步电机1′的转子11′反转时，所述位置传感器检测到的转子11′的绝对位置角信号从大到小(从360度到0度)变化，此时，θ′=360°-(ωt-θ0′)。
通过上述方法获得的初始位置角信息存入硬件的eeprom芯片，可以不用每次上电都启动检测初始位置角程序。在确定之前检测过该多相永磁同步电机1的转子11初始位置角的情况下，只需去读eeprom存储器的初始位置角信息即可，这样可以增强在工程中的实用性。以上所述检测双y移30度永磁同步电机1′的转子11′初始位置角的子函数软件流程图如图12所示。图13为控制器2上电后选择调用检测初始位置角子函数或者从eeprom读取初始位置角的程序流程图。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种多相永磁同步电机的相序检测方法，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (6)
1.多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，其特征在于，包括多相永磁同步电机、逆变器、控制器和位置传感器；所述多相永磁同步电机包括至少4相；所述逆变器通过其内部的多个功率开关分别连接所述多相永磁同步电机的各相，所述控制器的输出分别连接所述多个功率开关，用于根据电压矢量控制原理分别控制所述多个功率开关的关断状态、进而使所述逆变器向所述多相永磁同步电机提供设定的电压矢量；所述位置传感器用于检测所述多相永磁同步电机的转子N极的绝对位置角，并通过模数转换装置将该绝对位置角传给所述控制器；
通过将所述多相永磁同步电机的转子沿逆时针方向转动，并检测所述多相永磁同步电机的各相反电动势，并且根据各相反电动势的电角度之间的超前或滞后，来确定所述多相永磁同步电机的相序；
所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，使所述逆变器向所述多相永磁同步电机给定一个方向与该多相永磁同步电机的反电动势相位最超前的相的方向相同的电压矢量，并通过判断绕组电流以确定给定电压矢量，则该多相永磁同步电机的转子N极转到初始位置角，由所述位置传感器检测该初始位置角，并传给所述控制器存储。
2.如权利要求1所述的多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，其特征在于，所述位置传感器包括旋转变压器。
3.多相永磁同步电机相序检测方法，其特征在于，包括如权利要求1或2所述的多相永磁同步电机相序检测及转子初始角定位系统，其中，所述多相永磁同步电机为双Y移30度永磁同步电机，所述双Y移30度永磁同步电机的定子设有第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组，所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组的各中性节点之间不连接，且所述第一三相Y形绕组反电动势相位最超前的相与所述第二三相Y形绕组反电动势相位最超前的相之间方向相差30度；设定所述双Y移30度永磁同步电机的转子沿逆时针方向旋转为正转、沿顺时针方向旋转为反转，将所述双Y移30度永磁同步电机的六相按相序先后依次记为a、b、c、d、e、f，则所述相序检测方法包括如下步骤：
A1通过外力使所述双Y移30度永磁同步电机的转子正转；
A2用示波器检测其中一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a1，被a1超前120度电角度的记为b1，被b1超前120度电角度的记为c1；
A3用示波器检测另一套三相Y形绕组的三相的反动电势，并根据该反电动势波形，将反电动势相位最超前的一相记为a2，被a2超前120度电角度的记为b2，被b2超前120度电角度的记为c2；
A4用示波器检测a1相和a2相的反电动势，并根据该反电动势波形，作如下判定：
若a1相的反电动势相位超前a2相30度电度角，则此时a1为电机的a相，a2为电机的b相，b1为电机的c相，b2为电机的d相，c1为电机的e相，c2为电机的f相；
若a2相的反电动势相位超前a1相30度电角度，则此时a2为电机的a相，a1为电机的b相，b2为电机的c相，b1为电机的d相，c2为电机的e相，c1为电机的f相。
4.如权利要求3所述的多相永磁同步电机相序检测方法，其特征在于，步骤A1中，通过手动使所述双Y移30度永磁同步电机的转子正转。
5.多相永磁同步电机转子初始角定位方法，其特征在于，包括如下步骤：
B1采用如权利要求3或4所述的多相永磁同步电机相序检测方法，检测出所述双Y移30度永磁同步电机的相序；
B2所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关的关断状态，使所述逆变器向所述双Y移30度永磁同步电机给定一个方向与该双Y移30度永磁同步电机的反电动势相位最超前的相的方向相同的第一电压矢量；
B3判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流，若是，则减小所述第一电压矢量的幅值，若否，则转到步骤B4；
B4在所述第一电压矢量的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机的转子N极转到一个绝对位置角度，则该绝对位置角度为所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角；
B5采用所述位置传感器检测出该初始位置角，并将该初始位置角信息传给所述控制器的eeprom存储器存储。
6.如权利要求5所述的多相永磁同步电机转子初始角定位方法，其特征在于，还包括如下步骤：
B6所述控制器根据检测出的相序及电压矢量控制原理，分别控制所述多个功率开关的关断状态，使所述逆变器向所述双Y移30度永磁同步电机给定一个方向与所述第一电压矢量的方向相差90度的第二电压矢量；
B7判断所述第一三相Y形绕组和第二三相Y形绕组是否超过预设的最大电流，若是，则减小所述第二电压矢量的幅值，若否，则转到步骤B8；
B8在所述第二电压矢量的作用下，所述双Y移30度永磁同步电机的转子N极转到另一个绝对位置角度，采用所述位置传感器检测出该绝对位置角，并将该绝对位置角信息传给所述控制器的eeprom存储器存储；
B9所述控制器将该绝对位置角与所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角相减，得到它们的角度差值，并判定该角度差值是否为90度，若是，则所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角被判定为准确的初始位置角，检测结束；若否，则所述双Y移30度永磁同步电机的转子初始位置角测量有误，回到步骤B2。
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