CN105406774A - 一种永磁同步电机功角的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机功角的检测装置及检测方法，所述装置由直流电压源、三相全桥逆变器、高阻值电阻及永磁同步电机构成，其中直流电压源中点接地，永磁同步电机的中性点通过高阻值电阻接地。所述方法是：检测得到高阻值电阻两端的电压作为永磁同步电机中性点电压；确定永磁同步电机端电压，用端电压减去中性点电压，得到相电压；计算得到三相相反电势；对三相相反电势积分得到三相永磁磁链，将三相永磁磁链矢量合成，得到永磁磁链；采用三相永磁磁链和相电流计算得到三相定子磁链，将三相定子磁链矢量合成，得到定子磁链；采用永磁磁链和定子磁链计算得到永磁同步电机功角。本发明解决了永磁同步电机闭环控制中电机功角难以实时准确检测的问题。

Description

一种永磁同步电机功角的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机，尤其涉及一种永磁同步电机功角的检测装置及检测方法，属于永磁同步电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、控制简单等诸多优点。近年来，永磁同步电机在高性能调速系统和伺服控制系统等工业领域中得到了日益广泛的应用。

功角的准确检测是永磁同步电机控制系统的重要环节。功角影响着空间电压矢量的选择，即可能由于观测误差无法准确控制定子磁链和电磁转矩。所以，功角的准确检测,对于提高永磁同步电机控制性能有着重要的意义。目前，公知的现有技术，是通过各种观测器方法观测永磁同步电机功角，但这种方法算法往往非常复杂，难以实际应用。

因此，现有技术的功角检测效果难以满足永磁同步电机高性能控制要求。如何实时准确检测永磁同步电机功角，是现有技术有待解决的问题。

发明内容

技术问题：本发明的目的是为了解决永磁同步电机闭环控制中电机功角难以实时准确检测的问题，而提出一种永磁同步电机功角的检测装置及检测方法。

技术方案：为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种永磁同步电机功角的检测装置，用于检测永磁同步电机的功角；其特征在于：包括直流电压源、三相全桥逆变器和高阻值电阻，其中，所述直流电压源为三相全桥逆变器提供电源，且直流电压源的中点接地；所述三相全桥逆变器连接永磁同步电机，而永磁同步电机的中性点经由高阻值电阻接地。

上述所述三相全桥逆变器由三条支路并联而成，各条支路均包含相互串联的两个MOS管，且各MOS管均连接有反并联二极管，所述三相全桥逆变器的三条支路分别连接永磁同步电机的A、B、C三相。

上述所述高阻值电阻是指电阻值大于100MΩ的电阻器件。

为达到上述目的，本发明采用的另一技术方案是：

一种永磁同步电机功角的检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而永磁同步电机中性点的电压为0；

(2)确定永磁同步电机A、B、C三相端电压和相电压；

(3)检测永磁同步电机A、B、C三相相电流，结合步骤(2)相电压，计算永磁同步电机A、B、C三相相反电势；

(4)对所述永磁同步电机A、B、C三相相反电势积分得到三相永磁磁链，再通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链；

(5)利用三相永磁磁链和相电流，计算得到三相定子磁链，再通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链；

(6)采用永磁同步电机永磁磁链和永磁同步电机定子磁链计算得到永磁同步电机功角。

所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相端电压的确定方法是：首先判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程，当工作在导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；当工作在续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；其中，所述判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程的方法是：检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断，当三相全桥逆变器功率管不是全部关断时，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程。

上述所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相相电压的确定方法是：将永磁同步电机A、B、C三相端电压减去中性点的电压，得到永磁同步电机相电压，由于中性点的电压为0，故相电压与端电压相同。

上述所述步骤(3)的详细内容是：利用电流传感器检测永磁同步电机A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，再结合步骤(2)中的A、B、C三相相电压u_a、u_b、u_c，根据下式永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到永磁同步电机三相相反电势e_a、e_b、e_c：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_b-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_c-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

其中，R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感。

上述所述步骤(4)的详细内容是：对步骤(3)得到的永磁同步电机三相相反电势利用下式进行积分，得到三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

再利用下式，通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{ra}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right..$

上述所述步骤(5)的详细内容是：利用步骤(4)计算得到的三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc和步骤(3)测得的相电流i_a、i_b、i_c，利用下式计算得到三相定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

其中，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感；

再利用下式通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right..$

上述所述步骤(6)的详细内容是：利用步骤(4)得到的永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ和步骤(5)得到的永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，利用下式计算得到永磁同步电机功角δ：

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right).$

有益效果：本发明的优点和有益效果主要是：

1、本发明的用于检测永磁同步电机功角装置，结构简单，检测精度高，实时性好。

2、本发明的永磁同步电机功角的检测方法，所需的电机参数少，计算量小，解决了永磁同步电机闭环控制中电机功角难以实时准确检测的问题。

附图说明

图1为永磁同步电机功角的检测装置结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明的一种永磁同步电机功角的检测装置，包括直流电压源、三相全桥逆变器和高阻值电阻，用于检测永磁同步电机的相反电势，其中，直流电压源连接三相全桥逆变器，为三相全桥逆变器提供电源，且所述直流电压源的中点接地；所述三相全桥逆变器由三条支路并联而成，各条支路均包含相互串联的两个MOS管，且各MOS管均连接有反并联二极管，所述三相全桥逆变器的三条支路分别连接永磁同步电机的A、B、C三相，而永磁同步电机的中性点经由高阻值电阻接地，其中，所述高阻值电阻是指电阻值大于100MΩ的电阻器件。

基于以上所述的检测装置，本发明的一种永磁同步电机功角的检测装置的检测方法，包括下列步骤：

步骤1：确定永磁同步电机中性点电压

将直流电压源中点接地，将永磁同步电机中性点通过高阻值电阻接地，检测得到高阻值电阻两端的电压，将所述高阻值电阻两端的电压作为永磁同步电机中性点电压；

步骤2：确定永磁同步电机A、B、C三相端电压和相电压

永磁同步电机端电压的确定，可分三相全桥逆变器导通过程和续流过程两种情况分别考虑，三相全桥逆变器导通过程和续流过程通过检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断来判断：当三相全桥逆变器功率管不是全部关断，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程；

三相全桥逆变器导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；

三相全桥逆变器续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：由于续流过程三相全桥逆变器功率管全部关断，永磁同步电机A、B、C各相通过各自所连接的三相全桥逆变器桥臂上唯一开通的续流二极管续流，若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；

将上述永磁同步电机端电压减去上述永磁同步电机中性点电压，得到永磁同步电机相电压。

步骤3：计算永磁同步电机A、B、C三相相反电势

采用上述永磁同步电机A、B、C三相相电压u_a、u_b、u_c以及通过电流传感器检测得到的A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，根据永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到A、B、C三相相反电势：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_b-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_c-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相的相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相的相电感。

步骤4：计算永磁同步电机永磁磁链

对上述永磁同步电机A、B、C三相相反电势积分得到三相永磁磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{ra}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right.$

步骤5：计算永磁同步电机定子磁链

采用上述三相永磁磁链和上述永磁同步电机相电流计算得到三相定子磁链：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

通过CLARK变换，将三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right.$

步骤6：计算永磁同步电机功角

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right).$

以上仅为本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机功角的检测装置，用于检测永磁同步电机的功角；其特征在于：包括直流电压源、三相全桥逆变器和高阻值电阻，其中，所述直流电压源为三相全桥逆变器提供电源，且直流电压源的中点接地；所述三相全桥逆变器连接永磁同步电机，而永磁同步电机的中性点经由高阻值电阻接地。

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的检测装置，其特征在于：所述三相全桥逆变器由三条支路并联而成，各条支路均包含相互串联的两个MOS管，且各MOS管均连接有反并联二极管，所述三相全桥逆变器的三条支路分别连接永磁同步电机的A、B、C三相。

3.如权利要求1所述的一种永磁同步电机功角的检测装置，其特征在于：所述高阻值电阻是指电阻值大于100MΩ的电阻器件。

4.一种如权利要求1所述的永磁同步电机功角的检测装置的检测方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)将永磁同步电机中性点与直流电压源中点接地，从而永磁同步电机中性点的电压为0；

(2)确定永磁同步电机A、B、C三相端电压和相电压；

(3)检测永磁同步电机A、B、C三相相电流，结合步骤(2)相电压，计算永磁同步电机A、B、C三相相反电势；

(4)对所述永磁同步电机A、B、C三相相反电势积分得到三相永磁磁链，再通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链；

(5)利用三相永磁磁链和相电流，计算得到三相定子磁链，再通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链；

(6)采用永磁同步电机永磁磁链和永磁同步电机定子磁链计算得到永磁同步电机功角。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相端电压的确定方法是：首先判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程，当工作在导通过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过功率管的状态确定：若某相的上桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂功率管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；当工作在续流过程，永磁同步电机A、B、C三相端电压通过续流二极管的状态确定：若某相的上桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为正，若某相的下桥臂续流二极管开通，则该相端电压数值为直流电压源幅值的1/2、极性为负；其中，所述判断三相全桥逆变器工作在导通过程还是续流过程的方法是：检测三相全桥逆变器功率管是否全部关断，当三相全桥逆变器功率管不是全部关断时，则表明三相全桥逆变器处于导通过程；当三相全桥逆变器功率管全部关断，则表明三相全桥逆变器处于续流过程。

6.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(2)中，永磁同步电机A、B、C三相相电压的确定方法是：将永磁同步电机A、B、C三相端电压减去中性点的电压，得到永磁同步电机相电压，由于中性点的电压为0，故相电压与端电压相同。

7.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(3)的详细内容是：利用电流传感器检测永磁同步电机A、B、C三相相电流i_a、i_b、i_c，再结合步骤(2)中的A、B、C三相相电压u_a、u_b、u_c，根据下式永磁同步电机相电压平衡方程，计算得到永磁同步电机三相相反电势e_a、e_b、e_c：

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=u_a-i_a{R}_a-L_a\frac{{\mathrm{di}}_a}{dt}\\ e_b=u_b-i_b{R}_b-L_b\frac{{\mathrm{di}}_b}{dt}\\ e_c=u_c-i_c{R}_c-L_c\frac{{\mathrm{di}}_c}{dt}\end{array}\right.$

其中，R_a、R_b、R_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电阻，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感。

8.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(4)的详细内容是：对步骤(3)得到的永磁同步电机三相相反电势利用下式进行积分，得到三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{ra}=\∫e_{a}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rb}=\∫e_{b}dt\\ {\mathrm{\ψ}}_{rc}=\∫e_{c}dt\end{array}\right.$

再利用下式，通过CLARK变换，将所述三相永磁磁链矢量合成，得到永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{ra}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{rc}\end{array}\right..$

9.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(5)的详细内容是：利用步骤(4)计算得到的三相永磁磁链ψ_ra、ψ_rb、ψ_rc和步骤(3)测得的相电流i_a、i_b、i_c，利用下式计算得到三相定子磁链ψ_sa、ψ_sb、ψ_sc：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{sa}={\mathrm{\ψ}}_{ra}+L_a{i}_a\\ {\mathrm{\ψ}}_{sb}={\mathrm{\ψ}}_{rb}+L_b{i}_b\\ {\mathrm{\ψ}}_{sc}={\mathrm{\ψ}}_{rc}+L_c{i}_c\end{array}\right.$

其中，L_a、L_b、L_c分别为永磁同步电机A、B、C三相相电感；

再利用下式通过CLARK变换，将前述三相定子磁链矢量合成，得到永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}=\frac{2}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sa}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{1}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\\ {\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}=\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sb}-\frac{\sqrt{3}}{3}{\mathrm{\ψ}}_{sc}\end{array}\right..$

10.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于：所述步骤(6)的详细内容是：利用步骤(4)得到的永磁同步电机永磁磁链ψ_rα、ψ_rβ和步骤(5)得到的永磁同步电机定子磁链ψ_sα、ψ_sβ，利用下式计算得到永磁同步电机功角δ：

$\mathrm{\δ}=arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{s\mathrm{\α}}}\right)-arctan\left(\frac{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\β}}}{{\mathrm{\ψ}}_{r\mathrm{\α}}}\right).$