CN105281617A - 一种静止变频器双重转子位置计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种静止变频器双重转子位置计算方法，(1)电机启动前施加阶跃励磁电压，实时采样机端三相感应电压，并对采样信号进行如下两种处理：数字滤波处理、以电压模型法求定子磁通；(2)依据滤波后线电压与定子磁通观测值，分别计算电机初始转子位置、选择机桥初次触发阀组号，通过对比两阀组号的异同，来判定转子初始位置计算是否成功。本发明采用两种不同的信号处理方法提取转子初始位置，并对两方法的计算结果相互校核，可有效避免机组启动时出现的反向转动，提高了大型同步电机启动的安全性。本算法不依赖于额外的硬件电路，整定参数较少，易于工程应用。

Description

一种静止变频器双重转子位置计算方法

技术领域

本发明涉及一种静止变频器的转子位置计算方法，尤其涉及一种静止变频器的双重转子位置计算方法。

背景技术

静止变频器是一种电流源型同步电机自控式驱动系统，准确的电机转子位置检测，直接影响静止变频器能否正常驱动电机启动。随着测量技术、控制技术的不断发展，越来越多的静止变频器产品开始使用无传感器的转子位置检测方法。这有效减少了用户的维护工作量，也降低了产品成本。无传感器的转子位置检测算法是现代静止变频器的关键技术之一，也是一个技术难点，特别是转子初始位置的检测。

为了检测电机的转子初始位置，控制系统通常采用如下方法：给电机转子绕组施加阶跃的励磁电流指令，并从测量到的机端感应电压中提取电机初始转子位置。然而，此机端感应电压信噪比很低，需要进行专门的信号处理，以提取转子位置信息。

此外，由静止变频器的工作原理知，定子电流形成的磁场有6个可能的电气位置，如图1中的S1～S6所示。为了保证初次加速转矩足够大，需要根据初始转子位置，合理选择初次触发的机桥阀组号(VT1～VT6)，使得定子电流形成的磁场超前于转子磁场且二者有合适的夹角。

如图1所示，错误的转子初始位置判断，会导致机组启动失败，甚至反向转动。某些特殊应用场合(如大型燃气轮机机组启动)，这有可能造成机械结构的损坏(如盘车齿轮机构)，应避免出现。然而，常见的无传感器转子位置检测方法，存在计算方法单一、无多种算法相互校验等问题。

“ZL201010539868.0”提出了一种同步电机转子静止位置检测方法，未涉及磁通观测方法和双重转子位置计算方法。

发明内容

本发明的目的是：采用改进磁通观测器和线电压直接滤波两种算法，处理低信噪比的机端感应电压，提取电机初始转子位置。通过确保两次初次触发阀组号相同，防止转子初始位置误判导致的机组启动反转。

本发明采取的技术方案是：静止变频器双重转子位置计算方法，采用如下两种方法从低信噪比的机端感应电压中辨识转子位置。

方法一，如图2所示，对原始机端感应线电压信号进行数字滤波及相位补偿，以常用公式①得到电机初始转子位置θ₁。根据启动转矩最大原则，选定初次施加的定子绕组磁场位置为机桥初次触发阀组号为VT_n1、VT_m1，(n＝1,3,5m＝2,4,6)，如图4所示。

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{\sqrt{3}*u_{BC}}{u_{CA}-u_{AB}}\right)$ ①

式①中，u_BC、u_CA、u_AB为滤波处理后的机端线电压值。

方法二，对原始机端感应电压信号进行积分，计算定子磁通。为抑制零漂导致的积分偏置，采用式②所示算法，算法框图如图3所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\α}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\λ}}_{\lim }sin\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\β}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\λ}}_{\lim }cos\mathrm{\θ}\end{array}\right.$ ②

其中u_α、u_β为αβ轴机端感应电压分量, $cos\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2},sin\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}.$ λ_max根据励磁电流阶跃值整定。根据常用公式③计算得到电机初始转子位置θ₂，以启动转矩最大原则选择定子绕组磁场位置为机桥初次触发阀组号为VT_n2、VT_m2，(n＝1,3,5m＝2,4,6)

${\mathrm{\θ}}_2=arctan\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}$ ③

若VT_n1、VT_m1和VT_n2、VT_m2相同，则判定转子位置计算成功，解锁系统，并启动机桥初次触发，如图4(a)所示。否则，判定为转子位置计算失败，终止本次启动，如图4(b)、4(c)所示。

本发明的有益效果是：采用两种不同的信号处理方法提取转子初始位置，并对两方法的计算结果相互校核，可有效避免机组启动时出现的反向转动，提高了大型同步电机启动的安全性。本算法不依赖于额外的硬件电路，整定参数较少，易于工程应用。

附图说明

图1是静止变频器初次触发示意图；

图2是静止变频器转子位置检测原理示意图；

图3是电压积分的磁通算法框图；

图4是双重转子初始位置判定规则示意图。

图1中：

CLS为网桥变流器，6脉波晶闸管变流器；

CMS为机桥变流器，6脉波晶闸管变流器；

i_d为回路直流电流；

VT₁～VT₆为机桥晶闸管编号。

图2中：

u_CA、u_BC、u_AB为发电机端感应电压，已滤波处理；

图3中：

u_α、u_β为三相机端感应电压在αβ轴上的分解量；

ψ_α、ψ_β为定子磁通在αβ轴上的分解量；

ω_c为一阶低通滤波器截止频率。

图4中：

S1、S2、S3、S4、S5、S6为空间上，定子电流形成的磁场轴线的可能方向；

θ₁、θ₂为两种方法分别计算出的转子位置与A相绕组轴线的夹角；

为两种方法判别出的，初始定子绕组磁场施加的位置。

具体实施方式

实施例1

本静止变频器双重转子位置计算方法，包括以下步骤:

(1)当静止变频器接收到启动命令，给机组励磁系统施加阶跃指令，并通过机桥电压传感器实时测量机端电压。

(2)对低信噪比的三相机端感应电压，采用以下两种方进行处理，并从中辨识转子位置。

方法一，对该三相线电压信号进行数字滤波，滤波器传递函数为G(z)＝F₁(z)F₂(z)。其中F₁(z)为低通滤波器，F₂(z)具有相位超前特性，确保G(z)对极低频段的相位延迟较小。将滤波后的线电压代入常用公式①，计算电机初始转子位置θ₁。根据启动转矩最大原则，选定初次施加的定子绕组磁场位置为机桥初次触发阀组号为VT_n1、VT_m1，(n＝1,3,5m＝2,4,6)，如图4所示。

${\mathrm{\θ}}_1=arctan\left(\frac{\sqrt{3}*u_{BC}}{u_{CA}-u_{AB}}\right)$ ①

式①中，u_BC、u_CA、u_AB为滤波处理后的机端线电压值。

方法二，根据式②对原始三相电压采样值进行abc-αβ变换，得到αβ轴的机端感应电压分量u_α、u_β。

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}}\\ u_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_a\\ u_b\\ u_c\end{array}\right]$ ②

然后，以电压模型法进行定子磁通计算，由于电机启动前定子电流为零，可以直接对机端电压采样信号进行积分，如式③所示。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\∫u_{\mathrm{\α}}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\∫u_{\mathrm{\β}}dt\end{array}\right.$ ③

为了抑制直接积分导致零漂导致的积分偏置，并考虑到存在式④所示的关系，可采用式⑤所示算法，如图3所示。

$y=\frac{1}{s}x=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}x+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}y$ ④

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\α}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\λ}}_{\lim }+sin\mathrm{\θ}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\β}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\λ}}_{\lim }cos\mathrm{\θ}\end{array}\right.$ ⑤

其中 ${\mathrm{\λ}}_{\lim }=\min \{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2},{\mathrm{\λ}}_{max}\},cos\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2},sin\mathrm{\θ}={\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}/\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}.$ λ_max根据励磁电流阶跃值整定，在计算转子初始位置时ω_c取60rad/s。根据常用公式⑥计算得到电机初始转子位置θ₂，以初始启动转矩最大原则选择定子绕组磁场位置为机桥初次触发阀组号为VT_n2、VT_m2，(n＝1,3,5m＝2,4,6)

${\mathrm{\θ}}_2=arctan\frac{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}}$ ⑥

(3)对上述两种计算结果进行校验。若θ₁与θ₂存在偏差，而VT_n1、VT_m1和VT_n2、VT_m2相同，表示初次施加的定子绕组磁场位置相同，可判定转子位置计算成功，解锁整流桥，并启动机桥初始触发，如图4(a)所示。

若VT_n1、VT_m1和VT_n2、VT_m2不同(如θ₁、θ₂的值偏差较大)，为防止第一次施加的加速转矩过小或反向，应判定为转子位置计算失败，并终止本次启动，如图4(b)、4(c)所示。

本发明的有益效果是：采用两种不同的信号处理方法提取转子初始位置，并对两方法的计算结果相互校核，可有效避免机组启动时出现的反向转动，提高了大型同步电机启动的安全性。本算法不依赖于额外的硬件电路，整定参数较少，易于工程应用。

Claims (3)

1.一种静止变频器双重转子位置计算方法，其特征是：

(1)电机启动前施加阶跃励磁电压，实时采样机端三相感应电压，并对采样信号进行如下两种处理：数字滤波处理、以电压模型法求定子磁通；

(2)依据滤波后线电压与定子磁通观测值，分别计算电机初始转子位置、选择机桥初次触发阀组号，通过对比两阀组号的异同，来判定转子初始位置计算是否成功。

2.根据权利要求1所述的静止变频器双重转子位置计算方法，其特征是：采用如式②所示方法对电压进行积分，得到定子磁通的αβ轴分量ψ_α和ψ_β：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\α}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{lim}\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\α}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}}\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}=\frac{1}{s+{\mathrm{\ω}}_c}{u}_{\mathrm{\β}}+\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{s+{\mathrm{\ω}}_c}\·\frac{{\mathrm{\λ}}_{\lim }\·{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{\β}}}{\sqrt{{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\α}}^2+{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{\β}}^2}}\end{array}\right.$ ②

其中u_α、u_β为αβ轴机端电压分量，λ_max为幅值上限，ω_c为一阶低通滤波器截止频率。

3.根据权利要求1所述的静止变频器双重转子位置计算方法，其特征是：根据计算得到的两个转子位置，分别确定机桥初次触发阀组号。若两者相同，认为转子初始位置计算成功；否则判定为计算异常，中止机组启动过程。