CN104167971B - 一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述检测装置包括三相电压源型逆变器（1）、可控整流器（2）、电励磁同步电机（3）、DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）、电流传感器（51）和电流传感器（52），三相交流电源通过可控整流器（2）与电励磁同步电机（3）的励磁绕组连接，所述电流传感器（51）设置在可控整流器（2）与电励磁同步电机（3）之间的励磁绕组电气连接线上，其中电流传感器（51）的信号输出端与DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）的输入端相连，所述电流传感器（51）采集电励磁同步电机（3）的励磁绕组电流反馈值至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4），DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）输出触发脉冲至可控整流器（2），实现对可控整流器（2）的控制。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体地说是一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置，属于电励磁同步电动机位置检测技术领域。
背景技术
电励磁同步电机高性能控制系统中，转子初始位置检测关系到电机的顺利启动。在电励磁同步电机矢量控制系统中，启动时，转子初始位置不准确会直接影响定子磁链观测的准确精度，从而降低系统的启动性能，严重时会导致系统启动失败。
电励磁同步电动机以其高效率、功率因数可调等优点，广泛应用于大功率工业生产机械传动中。通常电励磁同步电动机转子位置检测多通过检测定子绕组电压实现，具体实现方法为定子绕组不通电，转子绕组施加直流励磁，在转子电流从零增大到稳态值过程中，检测定子绕组电压，通过纯积分电压模型获得磁链的幅值与相位。由于转子初始位置检测期间，定子绕组不通电，故通过纯积分电压模型获得的磁链为转子磁链，其磁链相位即为转子初始位置。该方法通过检测定子绕组电压计算磁链的相位得到转子初始位置，方法较为简单，但定子绕组感应电压衰减较快，同时纯积分器的引入会来带积分初始值及直流偏移量等问题，其检测精度不高。其改进的方法为，采用新型电压模型，该模型虽然能消除积分初始值问题，但直流偏移量问题仍然存在。近年来，出现了采用离散傅立叶分析（DFT）对电压模型获得的磁链进行基波信息提取，进行获得转子初始位置的方法，该方法可有效避免直流偏移量及噪声干扰等问题，但算法较为复杂，计算量较大，对微处理器的性能要求较高，现有技术中也有相关的检测装置，有的需要增加额外的设备，成本较高，有的方法计算量大，耗时长，不容易实现，并且精度不容易控制。鉴于现有技术中存在的技术问题，因此，迫切的需要一种新的检测装置解决上述技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置及检测方法，该装置整体结构设计巧妙，成本较低，检测方法耗时短，精度高，易于实现。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述检测装置包括三相电压源型逆变器、可控整流器、电励磁同步电机、DSP+FPGA/CPLD控制系统、转子侧电流传感器和定子侧电流传感器，三相交流电源通过可控整流器与电励磁同步电机的励磁绕组连接，所述转子侧电流传感器设置在可控整流器与电励磁同步电机之间的励磁绕组电气连接线上，其中转子侧电流传感器 的信号输出端与DSP+FPGA/CPLD控制系统的输入端相连，所述转子侧电流传感器采集电励磁同步电机的励磁绕组电流反馈值至DSP+FPGA/CPLD控制系统，DSP+FPGA/CPLD控制系统输出触发脉冲至可控整流器，实现对可控整流器的控制；三相电压源型逆变器的输出端与电励磁同步电机的定子绕组相连，在三相电压源型逆变器与电励磁同步电机的定子绕组之间的电气连接线上有定子侧电流传感器，定子侧电流传感器采集电励磁同步电机的定子绕组电流输送至DSP+FPGA/CPLD控制系统；转子初始位置观测前，DSP+FPGA/CPLD控制系统输出功率器件（IGBT）控制信号至三相电压源型逆变器，保持三相电压源型逆变器中的相关功率器件开通或关断。
作为本发明的一种改进，所述三相电压源型逆变器为三相二极管箝位式三电平逆变器。
作为本发明的一种改进，所述可控整流器为SCR整流桥；所述DSP+FPGA/CPLD控制系统采用多板卡多总线架构，多IO板扩展的数字信号控制系统。为支持多数字信号处理器扩展，数字信号处理器可选用TI公司的TMS320F2812或TMS320F28335，结合Xilinx公司的Spartan系列可编程逻辑器件与XC95144XL，脉冲触发单元以FPGA为核心，负责完成脉冲规划、IGBT的工作状态检查以及故障诊断等功能；所述电流传感器51数量是1个，采用ABB公司的型号为ESC500-9661霍尔电流传感器，所述电流传感器52的数量是两个，采用ESC1000C霍尔电流传感器。
一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下，
1）控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；
2）给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量，经励磁绕组电流传感器采集励磁电流I f 反馈至控制系统，经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压；
3）通过定子电流传感器检测定子绕组的感应电流；
4）采集的定子电流经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电流信号，经离散等效积分模型得到定子等效感应电压；
5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压进行电压角度计算，将得到的电压角度进行归一化处理；
6）将归一化的电压角度转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角。
作为本发明的一种改进，所述步骤1具体过程如下：1）控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；转子初始位置观测时，DSP+FPGA/CPLD控制系统输出功率器件（IGBT）控制信号，控制三相电压源型逆变器中功率开关器件Sa3-Sa4、Sb3-Sb4、Sc3-Sc4开通，同时保持Sa1-Sa2、Sb1-Sb2、Sc1-Sc2处于关断状态，实现电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态。
作为本发明的一种改进，所述步骤2具体过程如下，2）在DSP+FPGA/CPLD控制系统中，转子励磁电流采用励磁电流闭环控制，给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量i f_ref ，经励磁绕组电流传感器（51）采集励磁电流i f 反馈至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4），经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压。
作为本发明的一种改进，所述步骤3具体过程如下，3）定子绕组处于Y型连接状态，转子励磁电流产生的磁链耦合到定子绕组，定子绕组中有电流，电机三相绕组对称，通过2个定子电流传感器（52）检测定子绕组的三相感应电流i a 、i b 。
作为本发明的一种改进，所述步骤4具体过程如下，采集的定子电流i a 、i b 经静止变换矩阵变换为两相静止坐标系下的电流信号i α 、i β ，；
经离散等效积分模型得到定子等效感应电压U α 、U β ；具体如下：
U α (n) = U α (n-1) + K*Ts*I α (n-1)；
U β (n) = U β (n-1) + K*Ts*I β (n-1)；
系统采样计算周期为Ts=1/10000s；I α (n-1)、I β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电流，U α (n-1)、U β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电压，U α (n)、U β (n)分别为第n步采样时刻的电压，n≥1；K为前向输入增益，K＞0，现取K=1，具体取值可依实际控制系统而定。采用离散等效积分模型，降低了计算耗时，提高了观测响应性能，同时避免了纯积分模型带来的直流偏移量及初始值影响问题。
作为本发明的一种改进，所述步骤5具体过程如下，5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压U α 、U β 进行电压角度θ u 计算，考虑到通过反正切函数得到的电压角度的范围为-0.5Pi~0.5Pi,后续角度计算及应用时不够方便，为此将得到的电压角度进行归一化处理；所述归一化处理具体如下，
θ u =artan(U β / U α )；
θ 1 =Rem((θ u +2*Pi)，2*Pi)；
θ 11 =θ 1 *360/(2*Pi)。
作为本发明的一种改进，所述步骤6具体过程如下，6）将归一化的电压角度θ 11 转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角θ r ，
θ r =θ 11 -90°。
相对于现有技术，本发明的优点如下，1）整体检测装置简单，该技术方案中仅仅通过三相电压源型逆变器、可控整流器、电励磁同步电机、DSP+FPGA/CPLD控制系统、以及两个电流传感器实现了较高的测量精度，并且整个技术方案结构简单，成本较低；2）该技术方案所述的方法通过变频短接定子绕组，给定直流励磁，采用定子电流直接进行角度计算，整个方法计算量小，耗时短，易于实现，同时保证了较高的测量精度；3）该技术方案中转子初始位置观测时，DSP+FPGA/CPLD控制系统输出功率器件（IGBT）控制信号，控制三相电压源型逆变器中功率开关器件Sa3-Sa4、Sb3-Sb4、Sc3-Sc4开通，同时保持Sa1-Sa2、Sb1-Sb2、Sc1-Sc2处于关断状态，实现电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；4）该技术方案中，由于定子绕组处于Y型连接状态，由于转子励磁电流产生的磁链耦合到定子绕组，因此定子绕组中有电流，电机三相绕组对称，通过2个定子电流传感器检测定子绕组的三相感应电流i a 、i b ，进而得到定子等效感应电压，通过对电压角度进行归一化处理，得到精度较高的电压角度。
附图说明
图1是本发明主电路结构框图；
图2是本发明方法的简化流程图；
图3是转子励磁电流波形；
图4是定子三相电流波形；
图5是检测到的转子初始位置角。
图中：1、三相电压源型逆变器；2、可控整流器；3、电励磁同步电机；4、DSP+FPGA/CPLD控制系统；51、转子电流传感器；52、定子电流传感器。
具体实施方式
为了加深对本发明的理解和认识，下面结合附图对本发明作进一步描述和介绍。
实施例1：如图1，一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置，所述检测装置包括三相电压源型逆变器1、可控整流器2、电励磁同步电机3、DSP+FPGA/CPLD控制系统4、转子侧电流传感器51和定子侧电流传感器52，三相交流电源通过可控整流器2与电励磁同步电机3的励磁绕组连接，所述转子侧电流传感器51设置在可控整流器2与电励磁同步电机3之间的励磁绕组电气连接线上，其中转子侧电流传感器51 的信号输出端与DSP+FPGA/CPLD控制系统4的输入端相连，所述转子侧电流传感器51采集电励磁同步电机3的励磁绕组电流反馈值至DSP+FPGA/CPLD控制系统4，DSP+FPGA/CPLD控制系统4输出触发脉冲至可控整流器2，实现对可控整流器2的控制；三相电压源型逆变器1的输出端与电励磁同步电机3的定子绕组相连，在三相电压源型逆变器1与电励磁同步电机3的定子绕组之间的电气连接线上有定子侧电流传感器52，定子侧电流传感器52采集电励磁同步电机3的定子绕组电流输送至DSP+FPGA/CPLD控制系统4；转子初始位置观测前，DSP+FPGA/CPLD控制系统4输出功率器件（IGBT）控制信号至三相电压源型逆变器1，保持三相电压源型逆变器1中的相关功率器件开通或关断。
本实施例中，所述三相电压源型逆变器1为三相二极管箝位式三电平逆变器；所述可控整流器2为SCR整流桥；所述DSP+FPGA/CPLD控制系统4采用多板卡多总线架构，多IO板扩展的数字信号控制系统。为支持多数字信号处理器扩展，数字信号处理器可选用TI公司的TMS320F2812或TMS320F28335，结合Xilinx公司的Spartan系列可编程逻辑器件与XC95144XL，脉冲触发单元以FPGA为核心，负责完成脉冲规划、IGBT的工作状态检查以及故障诊断等功能；所述电流传感器51数量是1个，采用ABB公司的型号为ESC500-9661霍尔电流传感器，所述电流传感器52的数量是两个，采用ESC1000C霍尔电流传感器。
实施例2：参见图2，一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，所述方法具体步骤如下，
1）控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；
2）给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量，经励磁绕组电流传感器采集励磁电流I f 反馈至控制系统，经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压；
3）通过定子电流传感器检测定子绕组的感应电流；
4）采集的定子电流经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电流信号，经离散等效积分模型得到定子等效感应电压；
5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压进行电压角度计算，将得到的电压角度进行归一化处理；
6）将归一化的电压角度转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角。
作为本发明的一种改进，所述步骤1具体过程如下：1）控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；转子初始位置观测时，DSP+FPGA/CPLD控制系统输出功率器件（IGBT）控制信号，控制三相电压源型逆变器中功率开关器件Sa3-Sa4、Sb3-Sb4、Sc3-Sc4开通，同时保持Sa1-Sa2、Sb1-Sb2、Sc1-Sc2处于关断状态，实现电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态。
作为本发明的一种改进，所述步骤2具体过程如下，2）在DSP+FPGA/CPLD控制系统中，转子励磁电流采用励磁电流闭环控制，给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量i f_ref ，经励磁绕组电流传感器（51）采集励磁电流i f 反馈至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4），经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压。
作为本发明的一种改进，所述步骤3具体过程如下，3）定子绕组处于Y型连接状态，转子励磁电流产生的磁链耦合到定子绕组，定子绕组中有电流，电机三相绕组对称，通过2个定子电流传感器（52）检测定子绕组的三相感应电流i a 、i b 。
作为本发明的一种改进，所述步骤4具体过程如下，采集的定子电流i a 、i b 经静止变换矩阵变换为两相静止坐标系下的电流信号i α 、i β ， ；
经离散等效积分模型得到定子等效感应电压U α 、U β ；具体如下：
U α (n) = U α (n-1) + K*Ts*I α (n-1)；
U β (n) = U β (n-1) + K*Ts*I β (n-1)；
系统采样计算周期为Ts=1/10000s；I α (n-1)、I β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电流，U α (n-1)、U β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电压，U α (n)、U β (n)分别为第n步采样时刻的电压，n≥1；K为前向输入增益，K＞0，现取K=1，具体取值可依实际控制系统而定。采用离散等效积分模型，降低了计算耗时，提高了观测响应性能，同时避免了纯积分模型带来的直流偏移量及初始值影响问题。
作为本发明的一种改进，所述步骤5具体过程如下，5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压U α 、U β 进行电压角度θ u 计算，将得到的电压角度进行归一化处理；所述归一化处理具体如下，
θ u =artan(U β / U α )；
θ 1 =Rem((θ u +2*pi)，2*Pi)；
θ 11 =θ 1 *360/(2*Pi)。
作为本发明的一种改进，所述步骤6具体过程如下，6）将归一化的电压角度θ 11 转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角θ r ，
θ r =θ 11 -90°。
设定电励磁同步电机转子初始位置角为120º，给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量i f_ref =50A，按照上述检测方法具体操作，采用本发明方法进行电励磁同步电机转子初始位置进行检测，经PID闭环调节后，测得转子励磁电流i f 如图3所示，在仿真中观测定子绕组的三相感应电流i a 、i b 、i c， 如图4所示，可见三相电流之和为零，本技术方案中采用2个电流传感器观测定子电流是有效的，节约了硬件成本，进而得到转子初始位置角θ r 的波形如图5所示，测得转子位置角为119.9993º,可见采用该方法具备较高的测量精度，同时响应迅速。
通过上述实施例可以看出，该技术方案整体结构简单，线路设计巧妙，大大节约了成本，其次该检测方法计算量小，耗时短、易于实现，同时保证了较高的测量精度，在仿真开始后2*10-4s即测得电励磁同步电机转子初始位置角，其误差为±0.0007º。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。
Claims (9)
1.一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述检测装置包括三相电压源型逆变器（1）、可控整流器（2）、电励磁同步电机（3）、DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）、转子侧电流传感器（51）和定子侧电流传感器（52），三相交流电源通过可控整流器（2）与电励磁同步电机（3）的励磁绕组连接，所述转子侧电流传感器（51）设置在可控整流器（2）与电励磁同步电机（3）之间的励磁绕组电气连接线上，其中转子侧电流传感器（51） 的信号输出端与DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）的输入端相连，所述转子侧电流传感器（51）采集电励磁同步电机（3）的励磁绕组电流反馈值至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4），DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）输出触发脉冲至可控整流器（2），实现对可控整流器（2）的控制；三相电压源型逆变器（1）的输出端与电励磁同步电机（3）的定子绕组相连，在三相电压源型逆变器（1）与电励磁同步电机（3）的定子绕组之间的电气连接线上有定子侧电流传感器（52），定子侧电流传感器（52）采集电励磁同步电机（3）的定子绕组电流输送至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）；转子初始位置观测前，DSP+FPGA/CPLD控制系统（4）输出功率器件（IGBT）控制信号至三相电压源型逆变器（1），保持三相电压源型逆变器（1）中的相关功率器件开通或关断，控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态，给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量，经励磁绕组电流传感器采集励磁电流I f 反馈至控制系统，经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压；将归一化的定子电压角度转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角。
2.如权利要求1所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述三相电压源型逆变器（1）为三相二极管箝位式三电平逆变器。
3.如权利要求2所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置，其特征在于，所述可控整流器（2）为SCR整流桥；所述DSP+FPGA/CPLD控制系统采用多板卡多总线架构，多IO板扩展的数字信号控制系统。
4.采用上述权利要求1-3任一项权利要求所述的一种电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述方法具体步骤如下，
1）控制电励磁同步电机定子绕组处于Y型短接状态；
2）给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量，经励磁绕组电流传感器采集励磁电流I f 反馈至控制系统，经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压；
3）通过定子电流传感器检测定子绕组的感应电流；
4）采集的定子电流经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电流信号，经离散等效积分模型得到定子等效感应电压；
5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压进行电压角度计算，将得到的电压角度进行归一化处理；
6）将归一化的电压角度转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角。
5.如权利要求4所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤2)具体过程如下，2）在DSP+FPGA/CPLD控制系统中，转子励磁电流采用励磁电流闭环控制，给定电励磁同步电机转子励磁电流为恒定的直流量i f_ref ，经励磁绕组转子侧电流传感器（51）采集励磁电流i f 反馈至DSP+FPGA/CPLD控制系统（4），经PID控制器输出励磁电压控制量V f ，进而控制可控整流器输出符合要求的励磁电压。
6.如权利要求5所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤3)具体过程如下，3）定子绕组处于Y型连接状态，转子励磁电流产生的磁链耦合到定子绕组，定子绕组中有电流，电机三相绕组对称，通过2个定子侧电流传感器（52）检测定子绕组的三相感应电流i a 、i b 。
7.如权利要求6所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤4)具体过程如下，采集的定子电流i a 、i b 经静止变换矩阵变换为两相静止坐标系下的电流信号i α 、i β ，；
经离散等效积分模型得到定子等效感应电压U α 、U β ；具体如下：
U α (n) = U α (n-1) + K*Ts*I α (n-1)；
U β (n) = U β (n-1) + K*Ts*I β (n-1)；
系统采样计算周期为Ts=1/10000s；I α (n-1)、I β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电流，U α (n-1)、U β (n-1)分别为第n-1步采样时刻的电压，U α (n)、U β (n)分别为第n步采样时刻的电压，n≥1；K为前向输入增益，K＞0，现取K=1，具体取值可依实际控制系统而定。
8.如权利要求7所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤5)具体过程如下，5）通过反正切对两相静止坐标系下的定子等效感应电压U α 、U β 进行电压角度θ u 计算，将得到的电压角度进行归一化处理；所述归一化处理具体如下，
θ u =artan(U β / U α )；
θ 1 =Rem((θ u +2*Pi)，2*Pi)；
θ 11 =θ 1 *360/(2*Pi)。
9.如权利要求8所述的电励磁同步电机转子初始位置检测装置的检测方法，其特征在于，所述步骤6)具体过程如下，6）将归一化的电压角度θ 11 转化到定子磁链角，即得到转子初始位置角θ r ，
θ r =θ 11 -90°。
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- 2014-08-22 CN CN201410416692.8A patent/CN104167971B/zh active Active
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| CN104167971A (zh) | 2014-11-26 |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Detection device and method of initial position of rotor of electrically excited synchronous motor Effective date of registration: 20200506 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Xuzhou Copper Mt branch Pledgor: CHINA MINING DRIVES & AUTOMATION Co.,Ltd. Registration number: Y2020320000142 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20210610 Granted publication date: 20170301 Pledgee: Bank of China Limited by Share Ltd. Xuzhou Copper Mt branch Pledgor: CHINA MINING DRIVES & AUTOMATION Co.,Ltd. Registration number: Y2020320000142 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 221116 No. second Zhujianglu Road Industrial Park, Xuzhou high tech Zone, Jiangsu 7 Patentee after: Jiangsu Guochuan Electric Co.,Ltd. Address before: 221116 No. second Zhujianglu Road Industrial Park, Xuzhou high tech Zone, Jiangsu 7 Patentee before: CHINA MINING DRIVES & AUTOMATION Co.,Ltd. |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |