CN107070345B - 电励磁同步电机转子初始位置的估测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电励磁同步电机转子初始位置的估测方法，包括步骤：定子绕组不通入交流电的条件下，向转子绕组通入励磁阶跃电流信号；当电励磁同步电机因励磁阶跃电流信号产生磁场后，通过电压传感器检测出三相定子绕组的感应电动势，通过3/2坐标变换将三相定子绕组的感应电动势变换为αβ坐标系下的定子反电动势分量后输入电压模型，获得气隙磁链的位置角，气隙磁链的位置角即被认为是转子位置角，从而估测出转子的初始位置。本发明不借助位置传感器实现，简单实用，可精确估测出转子的初始位置，适用于各类电励磁同步电机。

Description

电励磁同步电机转子初始位置的估测方法

技术领域

本发明涉及一种不借助位置传感器来对电励磁同步电机的转子初始位置进行估测的方法，属于同步电机技术领域。

背景技术

相比于异步电机，在功率较大或转速较低的情况下，电励磁同步电机的变频调速在技术和经济上是可行的，功率增大，优势更明显。而且电励磁同步电机在功率因数、控制精度、弱磁比、过载能力等方面也有其自身的优势，适用于大功率传动场合。在国际上，工业应用中的大容量空气压缩机、水泵、矿井提升机和轧钢机等都趋向于使用电励磁同步电机驱动。近几年来，随着国内工业生产能力的扩大，大功率电励磁同步电机传动系统已逐渐在越来越多的工矿企业中使用。

磁场定向矢量控制是根据交流电机动态模型推导出的控制策略，其具有良好的转矩响应，精确的速度控制，零速时可实现全负载，从而可获得与直流电机相媲美的动、静态调速性能。

电励磁同步电机磁场定向矢量控制的基本原理是将M-T正交坐标系的M轴定向于气隙磁场方向，T轴超前M轴90°，定子电流矢量分解为励磁电流和转矩电流。励磁电流与气隙磁链的方向及相位均相同，产生磁通。转矩电流垂直于气隙磁链，产生转矩。通过对定子电流的幅值和相位控制，可以得到期望的励磁电流和转矩电流，进而实现磁场和转矩的各自独立控制。

在实现电励磁同步电机矢量控制时，为了能够对同步电机实现解耦控制，同步电机启动时需要准确的检测出其转子的初始位置，以便在转子初始位置的基础上，配合无位置传感器矢量控制技术，实现磁场定向矢量控制。由此可见，转子初始位置角估计得正确与否是磁场定向矢量控制成功的基础，其直接影响着同步电机能否顺利启动、启动转矩的大小，以及矢量解耦控制的成败。

目前常用的转子初始位置的估测方法主要有两种：一种是采用旋转变压器或绝对式光电编码器来检出转子的初始位置；另一种是采用高频注入或观测器等复杂算法来实现无位置传感器条件下的转子初始位置估计。但是从实际实施中可以发现，旋转变压器、绝对式光电编码器这些机械式传感器的使用增加了同步电机与控制系统间的电缆连接和接口电路，传感器信号及控制系统易受到干扰，从而会降低系统可靠性。而高频注入或观测器的算法过于复杂且结果依赖于同步电机参数或算法自身精度，因而估计结果的精准度无法保障。

发明内容

本发明的目的在于提供一种不借助位置传感器实现的电励磁同步电机转子初始位置的估测方法，其简单实用，可精确估测出转子的初始位置，误差小于3°(电角度)，适用于高/低压、大/小功率的各类电励磁同步电机。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电励磁同步电机转子初始位置的估测方法，其特征在于，它包括步骤：

1)定子绕组不通入交流电的条件下，向转子绕组通入励磁阶跃电流信号；

2)当转子因励磁阶跃电流信号产生磁场后，通过电压传感器检测出三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C，通过3/2坐标变换将三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C变换为αβ坐标系下的定子反电动势分量e_α和e_β后输入磁链观测电压模型，获得气隙磁链的位置角，气隙磁链的位置角被认为是转子位置角，从而估测出转子的初始位置。

所述励磁阶跃电流信号为矩形脉冲波，在所述励磁阶跃电流信号的第二个脉冲峰开始施加于所述转子绕组并延时转子时间常数后，对所述三相定子绕组的感应电动势进行采样。

较佳地，增大所述电压传感器内的电压检测回路中采样电阻的阻值来对所述A、B、C相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样。

当分别对所述三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样时，对于每相定子绕组的感应电动势的采样：采用阈值去毛刺滤波算法对各采样值进行毛刺滤波处理，而后对毛刺滤波处理后的所有采样值积分。

所述磁链观测电压模型为：

上式中：e_α、e_β为αβ坐标系下的定子反电动势分量，ψ_sα、ψ_sβ为αβ坐标系下的气隙磁链分量；

所述气隙磁链的位置角θ_ψ通过反正切函数得到。

本发明的优点是：

本发明方法无需位置传感器，通过励磁器向转子绕组施加励磁阶跃电流信号，检测出定子侧的感应电动势来计算并估测出转子的初始位置，该方法完全由软件实现，不需要增加额外的硬件设备，无硬件信号干扰问题，算法简单实用，不需要复杂的数据检测处理算法或观测器算法，估测精度到达了国际先进水平，试验验证，转子初始位置的估测误差小于3°(电角度)。

本发明方法为电励磁同步电机实现矢量控制奠定了坚实的基础，极大拓展了同步电机系列产品的应用范围，比如球磨机、大功率同步电机的软启动等场合的应用。

附图说明

图1是电励磁同步电机的结构示意图。

图2是本发明的实现流程图。

图3是励磁阶跃电流信号的施加波形示例图。

具体实施方式

本发明估测方法针对各类电励磁同步电机设计，图1示例性地给出了一台三相两极电励磁同步电机的结构图。因电励磁同步电机为本领域的公知设备，故在这里不做详述，仅略做介绍。如图1，电励磁同步电机包括定子10和转子20，定子绕组包括A相定子绕组11、B相定子绕组12和C相定子绕组13，其与异步电机的三相定子绕组相同，转子20上设有通入直流电流(励磁电流)的转子绕组21(励磁绕组)，直流电流通过静态整流器经由滑环、电刷，或者通过无刷励磁方式通入转子20。另外转子20上还可设有阻尼绕组(图中未示出)。转子绕组21在定子10与转子20之间的气隙中产生磁链，定子10感应的旋转磁场带动转子20一起旋转。由于转子20总是相对于定子10以同步转速旋转，因此，在转子20上定义dq坐标系，如图1，相对于磁场方向，即对应于N极的方向为d轴，与d轴垂直的方向为q轴，如图1。从而，在本发明中，对转子20初始位置的估测也就是在电励磁同步电机启动前确定d轴与定子10上的A相定子绕组11之间的夹角γ，以使得电励磁同步电机能够具有较好的启动特性，并提供出矢量控制的基础。

如图2，本发明估测方法在电励磁同步电机未启动前实施，包括如下步骤：

1)不向定子绕组通入交流电的条件下，电励磁同步电机不启动但定子侧的电压传感器可进行电压检测，此时借由励磁器向转子绕组21(励磁绕组)通入励磁阶跃电流信号。

2)当电励磁同步电机的转子因励磁阶跃电流信号产生磁场后，通过电压传感器检测出A、B、C三相定子绕组11、12、13的感应电动势e_A、e_B和e_C，通过试验证实，转子20所处空间位置不同，三相定子绕组的感应电动势的大小和方向也不同，然后通过3/2坐标变换(公知变换法则)将三相定子绕组11、12、13的感应电动势e_A、e_B和e_C变换为αβ坐标系下的定子反电动势分量e_α和e_β后输入磁链观测电压模型，通过磁链观测电压模型对定子反电动势分量e_α和e_β积分后获得转子产生的气隙磁链分量以及气隙磁链的位置角。由于上述过程中定子绕组不通电且转子20静止，因此转子产生的气隙磁链与图1示出的d轴重合，气隙磁链的位置角与转子位置角一致，气隙磁链的位置角可真实反映转子位置角，即气隙磁链的位置角可被认为是转子位置角，从而根据气隙磁链的位置角估测出转子20的初始位置。换句话说，转子位置角即为d轴与定子10上的A相定子绕组11之间的夹角γ，通过夹角γ的确定即可获得转子的初始位置。

在实际实施中，励磁阶跃电流信号为矩形脉冲波，矩形脉冲波的各个脉冲峰值可相等或不等。

在实际检测定子绕组的感应电动势时，根据电磁感应定律，只有转子产生磁场变化时，定子侧才能感应出电动势，因此，电压采样应在励磁电流稳定之前进行。又由于电励磁同步电机的转子励磁电流响应特性近似为一阶系统，时间常数为转子时间常数，因此，电压采样的时刻应在励磁阶跃电流信号的第二个脉冲峰开始施加并延时转子时间常数后进行。举例，转子时间常数为60ms，因此电压采样时刻为第二个脉冲峰开始施加并延时60ms后进行。也就是说，在本发明中，在励磁阶跃电流信号的第二个脉冲峰开始施加于转子绕组21并延时转子时间常数后，转子产生磁场时，再对三相定子绕组11、12、13的感应电动势进行采样。采样结束后便可停止励磁阶跃电流信号的施加，等待同步电机启动。

具体来说，通过试验证实，在检测定子绕组上产生的感应电动势的时候，由于电励磁同步电机的齿槽效应及定子侧的剩磁作用，当励磁阶跃电流信号的第一个脉冲峰施加时，转子20会发生快速抖动，此时电励磁同步电机定子侧的感应电动势为振荡的电压，含有大量的谐波成份，不适合用来计算转子20的初始位置。因此针对以上现象，本发明在励磁阶跃电流信号的第二个脉冲峰开始施加于转子绕组21并延时转子时间常数后再检测三相定子绕组11、12、13的感应电动势，电励磁同步电机的转子20基于励磁阶跃电流信号的施加产生磁场，此时检测出的定子绕组的感应电动势是更准确的。换句话说，第一个脉冲峰的施加目的是在转子20振动后使定子10与转子20的齿槽对应，同时使定子10的剩磁与转子20的磁场相一致。这样，第二个脉冲峰施加并延时一定时间后便消除了同步电机的齿槽效应及定子侧的剩磁作用，从而可得到较为平滑的机端感应电动势。

图3示例性地示出了一个励磁阶跃电流信号的波形图。如图3，励磁阶跃电流信号的第一个脉冲峰为持续t₁时间、峰值为I₁的电流值，第二个脉冲峰为持续(t₃-t₂)时间、峰值为I₁的电流值。在本发明中，采取在施加(t₃-t₂)时间的第二个脉冲峰这一时间段开始后延时转子时间常数Tz后进行定子绕组的感应电动势采样。

在实际实施时，由于定子侧感应的电压幅值并不是很大，为了获得更大的感应电动势，用于电压采样的励磁阶跃电流信号的幅值应尽可能大，在本发明中，设定第二个脉冲峰的峰值为额定励磁电流值。

另外，电压传感器内的电压检测回路存在易受外界噪声、干扰信号干扰的问题，于是本发明还采取了增大电压传感器内的电压检测回路中采样电阻阻值的做法来对A、B、C相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样。换句话说，与电压传感器内的电压检测回路中原有采样电阻相比，增大的采样电阻的阻值应远大于原有采样电阻的阻值。

在实际实施时，电压传感器的电压检测回路中可设计有两组采样电阻，一组是原有采样电阻，另一组是增大的采样电阻，这两组可通过电子式继电器进行切换，试验证实，增大采样电阻阻值的做法可以大大提高抗干扰及抗噪声的能力。

在实际设计中，当分别对三相定子绕组11、12、13的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样时，对于每相定子绕组的感应电动势的采样可采取如下措施：

采用阈值去毛刺滤波算法(公知算法)对各采样值进行毛刺滤波(或称噪声滤波)处理，而后对采样并进行毛刺滤波处理后的所有采样值积分(公知积分算法)，从而来得到同步电机气隙磁链位置角，即转子位置角。试验证实，如果不对毛刺进行处理，则会很大程度上降低转子初始位置的估测精度。

在本发明中，采取的磁链观测电压模型为：

上式中：e_α、e_β为αβ坐标系下的定子反电动势分量，ψ_sα、ψ_sβ为αβ坐标系下的气隙磁链分量。

进一步地，气隙磁链的位置角θ_ψ通过反正切函数得到。

下表给出了本发明估测方法的试验结果：

从上表可以看出，采取本发明估测方法得到的转子初始位置结果的最大误差不超过3°(电角度)，从而进一步证实了本发明的估测精准性很高。

本发明的优点是：

本发明方法无需位置传感器，通过励磁器向转子绕组施加励磁阶跃电流信号，检测出定子侧的感应电动势来计算并估测出转子的初始位置，该方法完全由软件实现，不需要增加额外的硬件设备，无硬件信号干扰问题，算法简单实用，不需要复杂的数据检测处理算法或观测器算法，估测精度到达了国际先进水平，试验验证，转子初始位置的估测误差小于3°(电角度)。

本发明方法为电励磁同步电机实现矢量控制奠定了坚实的基础，极大拓展了同步电机系列产品的应用范围，比如球磨机、大功率同步电机的软启动等场合的应用。

以上所述是本发明较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电励磁同步电机转子初始位置的估测方法，在电励磁同步电机未启动前实施，电励磁同步电机包括定子和转子，定子绕组包括A、B和C相定子绕组，在转子上定义dq坐标系，相对于磁场方向，对应于N极的方向为d轴，其特征在于，包括步骤：

1)定子绕组不通入交流电的条件下，采用双脉冲电流激励方式向转子绕组通入励磁阶跃电流信号；

2)当转子因励磁阶跃电流信号产生磁场后，通过电压传感器检测出三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C，通过3/2坐标变换将三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C变换为αβ坐标系下的定子反电动势分量e_α和e_β后输入磁链观测电压模型，获得气隙磁链的位置角，气隙磁链的位置角被认为是转子位置角，从而估测出转子的初始位置，其中：

转子位置角为d轴与定子上的A相定子绕组之间的夹角γ，通过夹角γ的确定获得转子的初始位置；

所述励磁阶跃电流信号为具有双脉冲的矩形脉冲波，在所述励磁阶跃电流信号的第二个脉冲峰开始施加于所述转子绕组并延时转子时间常数后，对所述三相定子绕组的感应电动势进行采样，采样结束后停止所述励磁阶跃电流信号的施加，等待电励磁同步电机启动；

增大所述电压传感器内的电压检测回路中采样电阻的阻值来对所述A、B、C相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样；

所述磁链观测电压模型为：

上式中：e_α、e_β为αβ坐标系下的定子反电动势分量，ψ_sα、ψ_sβ为αβ坐标系下的气隙磁链分量；

所述气隙磁链的位置角θ_ψ通过反正切函数得到。

2.如权利要求1所述的电励磁同步电机转子初始位置的估测方法，其特征在于：

当分别对所述三相定子绕组的感应电动势e_A、e_B和e_C进行采样时，对于每相定子绕组的感应电动势的采样：采用阈值去毛刺滤波算法对各采样值进行毛刺滤波处理，而后对毛刺滤波处理后的所有采样值积分。