CN107317526A - 无传感永磁同步电机的启动方法以及无传感永磁同步电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无传感永磁同步电机的启动方法以及无传感永磁同步电机，无传感永磁同步电机连接驱动控制器，其特征在于，启动方法包括如下步骤：S10)、驱动控制器开启电机绕组短路制动模式，降低电机转速；S20)、通过驱动控制器的采样模块检测电机感应电流；S30)、判断电机感应电流是否小于预先设定值，若是，进入步骤S40),若不是，进入步骤S10)；S40)、开环启动控制；本发明实现了单电阻采样条件下的可靠启动，有效降低了驱动控制器的成本和体积；同时本发明既能满足无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠启动，同时单在算法层面既可实现，无需添加额外的硬件结构。

Description

无传感永磁同步电机的启动方法以及无传感永磁同步电机

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体涉及一种无传感永磁同步电机的启动方法，本发明还涉及应用该无传感永磁同步电机的启动方法的无传感永磁同步电机，本发明尤其适合用于各类风机系统中。

背景技术

永磁同步电机无传感控制技术具有实现简单、成本低、可靠性高等优点，因此被广泛应用于各类风机系统中。

由于永磁同步电机零速或低速条件下反电势很小，因此现有的无传感控制的永磁同步电机在启动时通常采用开环启动控制，待电机转子牵至同步并达到一定转速后再切换至闭环FOC控制(即为矢量控制)。

顺逆风启动是大多数室外风机系统必需满足的基本功能。在逆风情况下，永磁同步电机会反转，且反转速度与风速成正比关系。对于带传感器的驱动控制器而言，由于能实时测得转子位置，因此可通过闭环控制直接将风机拉回正转正常启动；但对无传感器的永磁同步电机驱动控制器而言，启动时转子位置信息很难获取，如不采取措施预先抑制电机反转，则开环启动阶段难以产生足够的启动力矩将永磁同步电机拉回正转并牵至同步，从而导致电机在逆风条件下无法可靠启动；顺风启动情况与逆风启动相似，必需先通过控制抑制电机转速，才能进入正常启动流程。

请参见图1所示的现有永磁同步电机无位置传感驱动控制器的三个采样电阻Ra、Rb和Rc采样的结构示意图，其启动方法是：首先驱动下桥臂实现电机绕组短路来产生制动力矩，然后待电机PMSM转速度降低到接近零速之后再进入开环启动；该技术采用驱动控制器测量各桥臂采样电阻上短路电流的大小来判断电机PMSM当前的速度，从而决定制动时间长短以及何时开环启动。

众所周知，单电阻采样可降低电机驱动控制器的成本和体积，然而以上方法并不能直接用于单电阻采样方案，这是由于下桥臂短路制动时短路电流不会流过采样单电阻，因此驱动控制器难以直接判定电机的转动状况。

另一方面，从能耗以及效率的角度来看，在正常无风启动时，要求驱动控制器在确保可靠启动电机的前提下开环启动电流越小越好以及开环启动时间越短越好。然而在恶劣的条件下，特别是逆风启动时，电机受外界施加的转矩较高，短路制动可能只能将电机减至一个较低转速而无法完全将其刹停(即将电机转速度降低到零)，因此在这种情况下，现有单靠电机绕组短路制动的启动方法可能会导致开环启动失败。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种无传感永磁同步电机的启动方法以及无传感永磁同步电机，实现单电阻采样条件下的可靠启动，有效降低驱动控制器的成本和体积；

本发明的另一目的在于提出一种无传感永磁同步电机的启动方法，既能满足无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠启动，同时单在算法层面既可实现，无需添加额外的硬件结构。

本发明采用的技术方案如下：

一种无传感永磁同步电机的启动方法，所述的无传感永磁同步电机连接驱动控制器，其中，所述的启动方法包括如下步骤：

S10)、驱动控制器开启电机绕组短路制动模式，降低电机转速；

S20)、通过驱动控制器的采样模块检测电机感应电流；

S30)、判断电机感应电流是否小于预先设定值，若是，进入步骤S40),若不是，进入步骤S10)；

S40)、开环启动控制。

优选地，所述的采样模块包括单电阻，所述的单电阻安装连接在直流母线的负极上，在所述的步骤S20)中，所述的单电阻通过续流模式检测所述电机感应电流。

优选地，在续流模式期间，驱动控制器对流过单电阻的续流电流进行多次采样并计算平均采样电流，取该平均采样电流值作为检测得到的电机感应电流。

优选地，所述的单个续流模式的时间约为0.01-1ms。

优选地，直流母线的正极与负极之间设有接入电机绕组的桥臂开关器件，所述的桥臂开关器件的开关管上反向并联续流二极管，其中，在所述的步骤S20)中，通过驱动控制器闭锁桥臂开关器件的开关管，所述电机感应电流通过单电阻和续流二极管从直流母线负极流向直流母线正极，驱动控制器通过对流过单电阻的续流电流进行采样检测得到电机感应电流。

优选地，所述的桥臂开关器件包括串联连接的上桥臂开关器件和下桥臂开关器件，所述的上桥臂开关器件和下桥臂开关器件之间的连接点接入所述的电机绕组，其中，在所述的步骤S10)中，驱动控制器闭锁上桥臂开关器件，并导通下桥臂开关器件以开启电机绕组短路制动模式。

优选地，所述的单个电机绕组短路制动模式的时间为10-100ms。

优选地，在所述的步骤S40)之前还包括步骤S40a)，所述的步骤S40a)为：计算步骤S30)返回步骤S10)的次数，根据返回次数调整补偿开环启动电流和/或开环启动时间。

优选地，调整补偿开环启动电流的计算公式为：I＝I₀+I_OFFSET，其中，I_OFFSET＝nXK_i；调整补偿开环启动时间的计算公式为：T＝T₀+T_OFFSET，其中，T_OFFSET＝nXK_T；其中，I为开环启动电流，I₀为开环启动电流的初始化值，I_OFFSET为开环启动电流的补偿值，K_i为开环启动电流的补偿系数，T为开环启动时间，T₀为开环启动时间的初始化值，T_OFFSET为开环启动时间的补偿值，K_T为开环启动时间的补偿系数，n为所述的返回次数。

优选地，一种无传感永磁同步电机，其中，采用如上所述的启动方法进行启动。

本发明的优点：

1、本发明采用单电阻通过续流模式检测所述电机感应电流，进而本发明实现了单电阻采样条件下的顺逆风可靠启动，有效降低驱动控制器的成本和体积；

2、在上述第1点的基础上，本发明进一步提出通过闭锁上桥臂开关器件，并导通下桥臂开关器件以开启电机绕组短路制动模式，降低电机的转速；另一方面，通过闭锁桥臂开关器件的开关管，电机感应电流通过单电阻R和续流二极管从直流母线负极DC-流向直流母线正极DC+，驱动控制器通过对流过单电阻R的续流电流进行采样检测得到电机感应电流；通过对电机感应电流大小的判断，决定是否可以进入开环启动控制，结构简单，成本低，算法简单，易于实现；

3、本发明通过步骤S30)返回步骤S10)次数(也就是当电机感应电流小于预先设定值不成立时，需要返回开启电机绕组短路制动模式的次数)调整补偿开环启动电流和/或开环启动时间，这样既能保证无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠启动，同时单在算法层面既可实现，无需添加额外的硬件结构。

附图说明

附图1是现有永磁同步电机无位置传感驱动控制器的三电阻采样的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式单电阻采样的结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式处于电机绕组短路制动状态的工作示意图；

附图4是本发明具体实施方式处于续流模式状态的工作示意图；

附图5是本发明具体实施方式的启动方法步骤流程图。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种无传感永磁同步电机的启动方法，无传感永磁同步电机连接驱动控制器，其中，启动方法包括如下步骤：S10)、驱动控制器开启电机绕组短路制动模式，降低电机转速；S20)、通过驱动控制器的采样模块检测电机感应电流；S30)、判断电机感应电流是否小于预先设定值，若是，进入步骤S40),若不是，进入步骤S10)；S40)、开环启动控制。

本发明实施例采用单电阻通过续流模式检测电机感应电流，进而本发明实施例实现了单电阻采样条件下的可靠启动，有效降低驱动控制器的成本和体积；同时本发明实施例通过步骤S30)返回步骤S10)的次数调整补偿开环启动电流和/或开环启动时间，这样既能保证无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠启动，同时单在算法层面既可实现，无需添加额外的硬件结构。

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

请参见图2和图5所示，一种无传感永磁同步电机的启动方法，无传感永磁同步电机PMSM连接驱动控制器，驱动控制器的采样模块包括单电阻R，单电阻R安装连接在直流母线的负极DC-上，单电阻R通过续流模式检测电机感应电流；优选地，直流母线的正极DC+与负极DC-之间设有接入电机绕组的桥臂开关器件，具体地，桥臂开关器件包括串联连接的A相上桥臂开关器件、A相下桥臂开关器件，串联连接的B相上桥臂开关器件、B相下桥臂开关器件，和串联连接的C相上桥臂开关器件、C相下桥臂开关器件，其中，A相上桥臂开关器件、A相下桥臂开关器件之间的连接点接入永磁同步电机PMSM的A相绕组，B相上桥臂开关器件、B相下桥臂开关器件之间的连接点接入永磁同步电机PMSM的B相绕组,C相上桥臂开关器件、C相下桥臂开关器件之间的连接点接入永磁同步电机PMSM的C相绕组；其中，在本实施方式中，每个桥臂开关器件的开关管上反向并联续流二极管；

在介绍启动步骤之前解释下本发明实施例的工作原理：在永磁同步电机PMSM启动前，若电机受顺逆风作用处于旋转状态，则反电动势会产生感应电流，而感应电流大小取决于反电动势大小，又因为反电动势大小与电机转速成正比，因此，在电机启动前，电机感应电流的大小能有效反映启动当前电机的转速大小，也就是说可以通过检测电机感应电流的大小能有效反映启动当前电机的顺逆风状态。

在本发明背景技术中已提出：在正常无风启动时，要求驱动控制器在确保可靠启动电机的前提下开环启动电流越小越好以及开环启动时间越短越好。然而在恶劣的条件下，特别是逆风启动时，电机受外界施加的转矩较高，短路制动可能只能将电机减至一个较低转速而无法完全将其刹停，开环启动很可能失败；而此时则需要采用较大的开环启动电流并配合较长的开环启动时间，才能强行将电机拉回正转并牵至同步转速，然而开环启动很难获取转子位置信息因而无法做到根据环境的恶劣程度动态调整开环力矩，这也是本领域开环控制中的一大技术难点；在此背景下，本发明提出根据需要返回开启电机绕组短路制动模式的次数多少，来反映顺逆风环境的恶劣程序，返回次数越多，可表示顺逆风环境的越恶劣，然后根据返回次数按比例动态调整补偿开环启动电流和开环启动时间，这样既能保证无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠开环启动控制。

本实施例的启动方法包括如下步骤：

S10)、驱动控制器开启电机绕组短路制动模式，降低电机转速；具体优选地，请进一步参见图3所示，驱动控制器闭锁上桥臂开关器件，并导通下桥臂开关器件以开启电机绕组短路制动模式降低电机转速，具体优选地，在本步骤S10)中，单个电机绕组短路制动模式的时间t1为10-100ms，为了实现电机在无风时的快速、小电流的高效启动，单个电机绕组短路制动模式的时间t1应当是较短的，本发明实施例只是提供了优选的t1时间，在本发明其他实施例中，t1的具体数值同样可以根据具体需求来设置；

S20)、通过驱动控制器的采样模块检测电机感应电流，优选地，在本步骤S20)中，单电阻R通过续流模式检测电机感应电流，具体优选地，请进一步参见图4所示，在本步骤S20)中，通过驱动控制器闭锁所有桥臂开关器件的开关管，电机感应电流通过单电阻R和续流二极管从直流母线负极DC-流向直流母线正极DC+，驱动控制器通过对续流流过单电阻R的电流进行采样检测得到电机感应电流；进一步优选地，在续流模式期间，驱动控制器对续流流过单电阻R的电流进行多次采样并计算平均采样电流I_av，取该平均采样电流值I_av作为检测得到的电机感应电流，确保电机感应电流的采样精确度，当然地，在本发明其他实施例中，也可以采用单次采样；优选地，单个续流模式的时间t2为0.01-1ms，有效保证电机感应电流不会在续流模式期间发生突变，当然地，在本发明其他实施例中，本领域的技术人员可以根据实际需要来设定单个续流模式的时间t2；

S30)、判断电机感应电流是否小于预先设定值，若是，进入步骤S40),若不是，进入步骤S10)；具体地，在本实施方式中，预先设定值可以设置为0也可以是较小的电流值，在本发明其他实施例中，本领域的技术人员可根据具体实际需求来定义预先设定值；

优选地，在本实施方式中，在步骤S40)之前还包括步骤S40a)，步骤S40a)为：计算步骤S30)返回步骤S10)的次数，根据返回次数调整补偿开环启动电流I和开环启动时间T；优选地，调整补偿开环启动电流的计算公式为：I＝I₀+I_OFFSET，其中，I_OFFSET＝nXK_i；调整补偿开环启动时间的计算公式为：T＝T₀+T_OFFSET，其中，T_OFFSET＝nXK_T；其中，I为开环启动电流，I₀为开环启动电流的初始化值，I_OFFSET为开环启动电流的补偿值，K_i为开环启动电流的补偿系数，T为开环启动时间，T₀为开环启动时间的初始化值，T_OFFSET为开环启动时间的补偿值，K_T为开环启动时间的补偿系数，n为返回次数；当然地，I₀、K_i、T₀、K_T和n在最初时就已完成初始化，其中，返回次数n初始化值等于0，步骤S30)每返回步骤S10)一次，n＝n+1，进一步优选地，在本发明的程序算法中设置计数器，负责计算步骤S30)返回步骤S10)的次数；

S40)、开环启动控制，具体优选地，在本实施方式中，可采用开环启动VF控制(即为变压变频控制)。进一步地，可待电机转子牵至同步并达到一定转速后再由开环启动VF控制切换至闭环FOC控制(即为矢量控制)。

优选地，本发明实施例还提供了一种无传感永磁同步电机，其中，采用如上实施例所述的启动方法进行启动。

需要说明的是，在本发明其他实施例中，可以采用现有技术(如背景技术图1示出的采用三电阻采样技术，或采用授权公告号为CN205123634U的中国实用新型专利公开的技术)或其他方法来执行步骤S20)实现对电机感应电流的采样检测，然后结合采用本发明实施例步骤S40a)的根据返回次数调整补偿开环启动电流I和开环启动时间T，这样既能保证无风时的快速、小电流的高效启动，又能保证恶劣顺逆风条件下的可靠启动，这些组合使用同样属于本发明的保护范围。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种无传感永磁同步电机的启动方法，所述的无传感永磁同步电机连接驱动控制器，其特征在于，所述的启动方法包括如下步骤：

S10)、驱动控制器开启电机绕组短路制动模式，降低电机转速；

S20)、通过驱动控制器的采样模块检测电机感应电流；

S30)、判断电机感应电流是否小于预先设定值，若是，进入步骤S40),若不是，进入步骤S10)；

S40)、开环启动控制。

2.如权利要求1所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，所述的采样模块包括单电阻，所述的单电阻安装连接在直流母线的负极上，在所述的步骤S20)中，所述的单电阻通过续流模式检测所述电机感应电流。

3.如权利要求2所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，在续流模式期间，驱动控制器对流过单电阻的续流电流进行多次采样并计算平均采样电流，取该平均采样电流值作为检测得到的电机感应电流。

4.如权利要求3所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，所述的单个续流模式的时间约为0.01-1ms。

5.如权利要求1或2或3或4所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，直流母线的正极与负极之间设有接入电机绕组的桥臂开关器件，所述的桥臂开关器件的开关管上反向并联续流二极管，其中，在所述的步骤S20)中，通过驱动控制器闭锁桥臂开关器件的开关管，所述电机感应电流通过单电阻和续流二极管从直流母线负极流向直流母线正极，驱动控制器通过对流过单电阻的续流电流进行采样检测得到电机感应电流。

6.如权利要求5所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，所述的桥臂开关器件包括串联连接的上桥臂开关器件和下桥臂开关器件，所述的上桥臂开关器件和下桥臂开关器件之间的连接点接入所述的电机绕组，其中，在所述的步骤S10)中，驱动控制器闭锁上桥臂开关器件，并导通下桥臂开关器件以开启电机绕组短路制动模式。

7.如权利要求6所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，所述的单个电机绕组短路制动模式的时间为10-100ms。

8.如权利要求1所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，在所述的步骤S40)之前还包括步骤S40a)，所述的步骤S40a)为：计算步骤S30)返回步骤S10)的次数，根据返回次数调整补偿开环启动电流和/或开环启动时间。

9.如权利要求8所述的无传感永磁同步电机的启动方法，其特征在于，调整补偿开环启动电流的计算公式为：I＝I₀+I_OFFSET，其中，I_OFFSET＝nⅩK_i；调整补偿开环启动时间的计算公式为：T＝T₀+T_OFFSET，其中，T_OFFSET＝nⅩK_T；其中，I为开环启动电流，I₀为开环启动电流的初始化值，I_OFFSET为开环启动电流的补偿值，K_i为开环启动电流的补偿系数，T为开环启动时间，T₀为开环启动时间的初始化值，T_OFFSET为开环启动时间的补偿值，K_T为开环启动时间的补偿系数，n为所述的返回次数。

10.一种无传感永磁同步电机，其特征在于，采用如权利要求1-9中任意一项所述的启动方法进行启动。