CN105281618B - 一种永磁同步电机变频软启动及并网控制方法 - Google Patents

一种永磁同步电机变频软启动及并网控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，首先，电压电流采样模块采样电机电流和电网三相电压，生成电网三相电压的幅值、相位、频率信息；电机转速位置采样模块采样电机位置和转速，给定转速和转速经过速度PI调节器模块，电机电流信号经过坐标变换模块、电流PI调节器模块、电压前馈模块、电压幅角变换模块得到模值和角度，得到初始位置、占空比和频率信息，并发送到FPGA中发出SVPWM脉冲电信号，转换成光信号后驱动变频器IGBT，永磁同步电机旋转实现变频软启动；最后DSP实时监测判定变频器和电网三相电压的幅值、相位、频率是否达到并网切换条件；解决了永磁同步电机软启动，以及永磁同步电机由变频到工频切换时大冲击电流问题。

Description

一种永磁同步电机变频软启动及并网控制方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机软启动及同步切换领域，具体涉及一种永磁同步电机变频软启动及并网控制方法。
背景技术
工农业生产中有大量的生产机械，要求连续以不变的速度单方向运行，这类机械以往大多采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机效率低、功率因数低、损耗大，而且在启动过程中机械特性较软，因此在生产中浪费了大量的能量。在当下能源日趋紧张、环境污染严重的情况下，节能减排显得尤为重要。我国电动机装机容量达到5.8亿千瓦以上，年用电量超过22000亿千瓦时，占全国用电量的65％以上，占工业用电量的75％以上；因此电机的节能技术成为我国重点发展的工程项目。
随着电力电子技术、微电子技术、新型电机控制理论和稀土永磁材料的快速发展，永磁同步电动机调速系统得以迅速推广应用。与异步电动机相比，永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度。
永磁同步电机没有转子具体位置信息时启动十分困难，为了克服该问题，需要使用变频器对永磁同步电机实施变频软启动，同时变频启动可以有效控制电动机启动电流冲击，保护电机，减小电动机启动过程对电网的冲击。
为了满足电机连续地以不变速度单方向运行，需要永磁同步电机在变频器的带动下运行到一定转速，由变频状态直接同步切换到工频电网状态运行。由于大功率永磁同步电机在变频驱动下切换到工频会时产生很大冲击电流，对永磁同步电机产生很大损坏，所以迫切需要减小切换瞬时冲击电流。
发明内容
本发明为了解决永磁同步电机直接启动困难，以及永磁同步由变频到工频同步切换产生大冲击电流的问题，提出一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法。
具体步骤如下：
步骤一、设定永磁同步电机的给定转速ωr*；等待定时器中断，启动中断程序，对永磁同步电机转子初始位置进行定位；
步骤二、电压电流采样模块对永磁同步电机的三相进线电流信号和电网三相电压信号进行采样；
步骤三、将电网三相电压信号传输到DSP中的单同步坐标锁相环控制SPLL锁相环环节；
SPLL锁相环环节包括三相电压坐标变换模块、PI调节器模块和I调节器模块，电网三相电压信号经过三相电压坐标变换模块生成q轴电压分量，q轴电压分量经过PI调节器模块及I调节器模块后得到电网的幅值、频率和相位。
步骤四、电机转速位置采样模块对永磁同步电机的速度和位置进行采样，得到电机实际速度ωr；
步骤五、将永磁同步电机的给定转速ωr*和电机实际速度ωr的差值送入速度PI调节器模块中，得到q轴给定电流分量isq*；
步骤六、对电机的三相进线电流进行电流坐标变换，分别经过电流PI调节器模块得到d轴和q轴给定电压变换量的分量；
电流坐标变换后分别得到d轴的电流分量isd和q轴的电流分量isq；d轴电流分量送入d轴电流PI调节器模块中，得到d轴给定电压变换量的分量Δusd；同时，q给定电流分量isq*与q轴的电流分量isq之间的差值送入q轴电流PI调节器模块中，得到q轴给定电压变换量的分量Δusq；
步骤七、电流坐标变换后得到的d轴电流分量isd和q轴的电流分量isq送入电压前馈程序模块中，得到d轴给定电压分量usd*和q轴给定电压分量usq*。
步骤八、d轴和q轴给定电压变换量的分量分别与d轴和q轴给定电压分量作差，差值送入电压幅角变换模块中得到模值m和角度θm。
把d轴给定电压变换量的分量Δusd与d轴给定电压分量usd*之间的差值，q轴给定电压变换量的分量Δusd与q轴给定电压分量usq*之间的差值分别送入电压幅角变换模块中得到一个模值m和一个角度θm。
步骤九、模值m和角度θm送入SVPWM模块中得到SVPWM脉冲波所需的初始位置、占空比和频率信息，并通过DSP的GPIO口发送到FPGA中；
步骤十、FPGA发出SVPWM脉冲电信号，经过电/光转换模块转换成光信号后，驱动变频器中电力电子器件IGBT的开关，使变频器输出三相阶梯波电压，进而驱动永磁同步电机旋转，实现永磁同步电机的变频软启动；
步骤十一、DSP实时监测判定变频器和电网三相电压的幅值、相位、频率的差值是否达到并网切换条件，如果是，DSP发出并网控制切换指令，中断返回；否则返回步骤二；
通过变频器比较输出的三相电压的幅值、相位、频率和SPLL锁相环环节输出的电网的幅值、相位、频率：当两者的幅值相等，相位之差在-10度到10度之间，频率在-0.5Hz到0.5Hz之间时，DSP发出切换控制信号，切换控制信号通过电/光转换模块和光/电转换模块后送入继电器驱动模块，点亮继电器驱动三相交流接触器的闭合和关断，实现永磁同步电机变频状态到电网工频状态的同步切换。
本发明的优点在于：
1、一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，采用SPLL锁相环技术可以在电网幅值低落、频率突变及电网相位突变时快速地跟踪电网相位，并且不需要任何辅助电路，完全可以通过软件实现锁相。降低了控制系统的成本，使控制板运行更加可靠。
2、一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，通过软件程序判断切换条件并实现自动并网切换，可以使并网更加顺利，并网冲击电流控制在1.5倍额定电流以下。
3、一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，采用通过人机界面可以实现参数的在线可调，避免了参数修改时对调试电机的影响，使调试更加便捷、快速。
附图说明
图1为永磁同步电机变频软起动及并网方法中断程序流程示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
一种永磁同步电机变频软启动及并网控制方法，在永磁同步电机变频启动运行到给定转速，通过SPLL锁相环环节锁定电机电压幅值、相位、频率与变频器输出的电压幅值、相位、频率在一定范围之内时，控制板发出切换控制命令，通过三相交流接触器最终实现电机变频到工频小冲击电流的同步切换。
该方法包括以下部分：永磁同步电机转子初始位置定位环节、永磁同步电机变频软启动环节、SPLL锁相环环环节、永磁同步电机变频到工频并网环节和人机交互环节。所有环节是通过TI公司TMS320F28335DSP和ALTER公司的EP2C8Q20818N FPGA作为主要控制芯片的控制板实现。
如图1所示，具体步骤如下：
步骤一、设定永磁同步电机的给定转速ωr*；等待定时器中断，启动中断，进入中断程序后对永磁同步电机转子初始位置进行定位；
初始化包括系统初始化和外设初始化；系统初始化包括：初始化看门狗、时钟及中断向量表等；外设初始化包括初始化SCI、eQEP和事件管理器等；
设置定时器T1中断，定时器T1中断信息到来时，进入中断程序，对永磁同步电机转子初始位置进行定位，即永磁同步电机转子旋转到初始位置，得到永磁同步电机转子的初始位置角信息。永磁同步电机转子初始位置定位是通过对永磁同步电机定子通一定大小的直流电压实现电机初始位置定位。
永磁同步电机初始定位模块中，DSP上电初始化以后，给定SVPWM模块一个模值大小为0.2，角度为0的电压，借助电磁力把随机的永磁同步电机转子旋转到初始位置，在DSP的eQEP模块中得到永磁同步电机转子的初始位置角信息。
步骤二、电压电流采样模块对永磁同步电机的三相进线电流信号和电网三相电压信号进行采样；
步骤三、将电网三相电压信号传输到DSP中的SPLL锁相环环节；
所述的SPLL锁相环环节作用是能够快速、准确地跟踪电网相位，并在电网突变时也能跟随。锁相环锁定角度的准确性是决定切换小冲击电流的关键。
运用SPLL(单同步坐标锁相环控制)环节，包括三相电压坐标变换模块、PI(比例积分)调节器模块、I(积分)调节器模块等，采集的电网三相电压信号送入DSP中，经过三相电压坐标变换模块生成q轴电压分量，q轴电压分量经过PI调节器模块及I调节器模块后得到电网的幅值、频率、相位信息；实现对电网电压的幅值、相位、频率的锁定，为永磁同步电机并网切换做好准备。
步骤四、电机转速位置采样模块对永磁同步电机的速度和位置进行采样，得到电机实际采样转速ωr；
步骤五、将永磁同步电机的给定转速ωr*和电机实际速度ωr的差值送入速度PI调节器模块中，得到q给定电流分量isq*；
步骤六、对电机的三相进线电流进行电流坐标变换，分别经过电流PI调节器模块得到d轴和q轴给定电压变换量的分量；
电流坐标变换后分别得到d轴的电流分量isd和q轴的电流分量isq；d轴电流分量送入d轴电流PI调节器模块中，得到d轴给定电压变换量的分量Δusd；同时，q给定电流分量isq*与q轴的电流分量isq之间的差值送入q轴电流PI调节器模块中，得到q轴给定电压变换量的分量Δusq；
步骤七、电流坐标变换后得到的d轴电流分量isd和q轴的电流分量isq送入电压前馈程序模块中，得到d轴给定电压分量usd*和q轴给定电压分量usq*。
步骤八、d轴和q轴给定电压变换量的分量分别与d轴和q轴给定电压分量作差，差值送入电压幅角变换模块中得到模值m和角度θm。
把d轴给定电压变换量的分量Δusd与d轴给定电压分量usd*之间的差值，q轴给定电压变换量的分量Δusd与q轴给定电压分量usq*之间的差值送入电压幅角变换模块中得到模值m和角度θm；
步骤九、模值m和角度θm送入SVPWM模块中得到SVPWM脉冲波所需的初始位置、占空比和频率信息，并通过DSP的GPIO口发送到FPGA中；
步骤十、FPGA发出SVPWM脉冲电信号，经过电/光转换模块转换成光信号后，驱动变频器中电力电子器件IGBT的开关，使变频器输出三相阶梯波电压，进而驱动永磁同步电机旋转，实现永磁同步电机的变频软启动；
得到永磁同步电机转子初始位置值以后，可以实施对永磁同步电机的变频软启动闭环矢量控制，所述的永磁同步电机变频软启动环节包括斜坡函数模块，速度PI调节器模块、d轴电流PI调节器模块、q轴电流PI调节器模块、电压反变换及幅角变换模块、SVPWM(脉冲宽度调制技术)模块，通过这些模块实现对永磁同步电机的矢量闭环控制，实现永磁同步电机缓慢启动，达到永磁同步电机变频软启动，避免直接启动带来的大冲击电流。
步骤十一、DSP实时监测判定变频器和电网三相电压的幅值、相位、频率的差值是否达到并网切换条件，如果是，DSP发出并网控制切换指令，中断返回；否则返回步骤二继续判断；
在电机加速运转到给定转速ωr*以后，通过比较变频器输出的三相电压的幅值、相位、频率和SPLL锁相环环节输出的电网的幅值、相位、频率：当两者的幅值相等，相位之差在-10度到10度之间，频率在-0.5Hz到0.5Hz之间时，符合切换条件，DSP通过GPIO口发出切换控制信号，切换控制信号通过电/光转换模块和光/电转换模块后送入继电器驱动模块，点亮继电器驱动三相交流接触器的闭合和关断，实现永磁同步电机变频状态到电网工频状态的同步切换。
所述的永磁同步电机变频状态到工频状态并网切换环节，主要包括：电网电压幅值、相位、频率与变频器输出电压幅值、相位、频率范围判断单元，切换顺序控制指令模块等；通过模块判断出切换条件并自动切换，实现永磁同步电机由变频到工频同步切换并网，并使冲击电流在电机额定电流1.5倍以下。
所述的人机交互环节主要包括控制信号的传输和反馈模块，通过人机界面实现相关控制信号的传输和相关参数的在线修改。利用DSP内部的SCI(串行通信模块)模块实现DSP与触摸屏之间的双端通信，实现DSP程序内部参数在线可调的目的。
永磁同步电机变频软启动及并网控制方法对于电压型两电平变频器和电压型三电平变频器都是可行的。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤一、设定永磁同步电机的给定转速ωr *；等待定时器中断，启动并进入中断程序后对永磁同步电机转子初始位置进行定位；
步骤二、电压电流采样模块对永磁同步电机的三相进线电流信号和电网三相电压信号进行采样；
步骤三、将电网三相电压信号传输到DSP中的单同步坐标锁相环控制SPLL锁相环环节；
所述SPLL锁相环环节包括三相电压坐标变换模块、PI调节器模块和I调节器模块，电网三相电压信号经过三相电压坐标变换模块生成q轴电压分量，q轴电压分量经过PI调节器模块及I调节器模块后得到电网的幅值、频率和相位；
步骤四、电机转速位置采样模块对永磁同步电机的速度和位置进行采样，得到电机实际速度ωr；
步骤五、将永磁同步电机的给定转速ωr *和电机实际速度ωr的差值送入速度PI调节器模块中，得到q轴给定电流分量isq *；
步骤六、对电机的三相进线电流进行电流坐标变换，分别经过电流PI调节器模块得到d轴和q轴给定电压变换量的分量；
电流坐标变换后分别得到d轴的电流分量isd和q轴的电流分量isq；d轴电流分量送入d轴电流PI调节器模块中，得到d轴给定电压变换量的分量Δusd；同时，q给定电流分量isq *与q轴的电流分量isq之间的差值送入q轴电流PI调节器模块中，得到q轴给定电压变换量的分量Δusq；
步骤七、电流坐标变换后得到的d轴电流分量isd和q轴的电流分量isq送入电压前馈程序模块中，得到d轴给定电压分量usd *和q轴给定电压分量usq *；
步骤八、d轴和q轴给定电压变换量的分量分别与d轴和q轴给定电压分量作差，差值送入电压幅角变换模块中分别得到模值m和角度θm；
把d轴给定电压变换量的分量Δusd与d轴给定电压分量usd *之间的差值，q轴给定电压变换量的分量Δusd与q轴给定电压分量usq *之间的差值分别送入电压幅角变换模块中，分别得到一个模值m和一个角度θm；
步骤九、模值m和角度θm送入SVPWM模块中得到SVPWM脉冲波所需的初始位置、占空比和频率信息，并通过DSP的GPIO口发送到FPGA中；
步骤十、FPGA发出SVPWM脉冲电信号，经过电/光转换模块转换成光信号后，驱动变频器中电力电子器件IGBT的开关，变频器输出三相阶梯波电压，驱动永磁同步电机旋转，实现永磁同步电机的变频软启动；
步骤十一、DSP实时监测判定变频器和电网三相电压的幅值、相位、频率的差值当达到并网切换条件时，DSP发出并网控制切换指令，中断返回，否则返回步骤二；
达到并网切换条件后，DSP发出切换控制信号，切换控制信号通过电/光转换模块和光/电转换模块后送入继电器驱动模块，点亮继电器驱动三相交流接触器的闭合和关断，实现永磁同步电机变频状态到电网工频状态的同步切换。
2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机变频软启动以及并网控制方法，其特征在于，所述的并网切换环节并网切换条件为：通过变频器比较输出的三相电压的幅值、相位、频率和SPLL锁相环环节输出的电网的幅值、相位、频率：当两者的幅值相等，相位之差在-10度到10度之间，频率在-0.5Hz到0.5Hz之间时，DSP发出切换控制信号。
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