CN107834936A - 一种六相电励磁同步电机起动方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种六相电励磁同步电机起动方法与装置，涉及电机启动控制技术领域，包括带有变频器控制单元的六相变频器和带有励磁单元的六相电励磁同步电动机，电源经六相变频器向六相电励磁同步电动机供电；所述变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速并控制六相变频器，这种六相电励磁同步电机起动方法与装置用于六相电励磁同步电机、通过控制调节输入电压按照静止坐标系中的电流矢量依次输入启动电机并实时进行采样和控制。

Description

一种六相电励磁同步电机起动方法与装置

技术领域

本发明涉及电机启动控制技术领域，特别涉及一种六相电励磁同步电机起动方法与装置。

背景技术

在大功率电机调速领域，六相电励磁同步电机矢量控制调速是一种较好的方案。采用增量式编码器的电励磁同步电动机调速系统，转子初始位置的检测非常重要，转子初始位置的检测精度直接影响电机的起动过程，如果初始位置检测不准确，会降低电机的起动性能，甚至会造成电机起动失败。

现有技术中，如公开号为CN1655437，公开时间为2005年8月17日，名称为“触屏式程控同步电机励磁装置及其程控方法”的中国发明专利文献，公开了提供一种触屏式程控同步电机励磁装置，它能准确判断电机各类失步，并具有不减载自动再整步功能，并具有很强的通讯功能。它设有主回路和控制回路，它是通过不断对电机定子电流、功率因数、励磁电压、励磁电流进行取样分析，与事先设定的参数、运行方式进行比较，通过增减直流励磁电流的方式闭环自动调节，以达到最佳启动和运行效果的一种电气设备。应用于同步电机领域，可供拖动空载、轻载起动的同步电机配套励磁用。但是现有技术中，带有零位脉冲Z信号的增量编码器，需要通过Z信号在每圈的零信号位置清零，重新开始脉冲计数，在电机起动之前，由于尚未产生Z信号对脉冲计数值进行清零，转子的位置角检测值是不准确的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于六相电励磁同步电机、通过控制调节输入电压安装静止坐标系中的电流矢量依次输入启动电机并实时进行采样和自我调整的电机起动方及装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立静止坐标系，定义参考轴α₁轴与电动机绕组的A₁相绕组轴线重合，参考轴α₂轴与绕组的A₂相绕组轴线重合，参考轴β₁轴滞后参考轴α₁轴90°，参考轴β₂轴滞后参考轴α₂轴90°，则静止坐标系的α轴为α₁轴与α₂轴矢量合成，β轴为β₁轴与β₂轴矢量合成；

步骤2，启动电机，为转子励磁绕组施加空载额定励磁电压，记录处于α轴的电流矢量I_α和处于β轴的电流矢量I_β，并根据电流矢量I_α和I_β计算得到静止坐标系上的电流矢量I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β；

步骤3，再次启动电机，将I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β作为启动电机的最大输入电流矢量，并且通过控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β的顺序；

步骤4，在步骤3的过程中，记录每个电流矢量作用后的转子位置，并与电流矢量位置理论值进行校对，将在误差范围内的若干个位置误差值求平均值，并通过调整输入电压对转子位置进行修正。

所述步骤3中，控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β顺序的方法为，通过PI闭环控制定子输入电压V_α与V_β实现对输入电流矢量的调节。

所述步骤3中，按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序向电机施加的电流矢量的次数至少为两次。

所述步骤4中，电流矢量位置理论值是指的电流矢量的位置的理论计算值，是根据步骤1所建立的静止坐标系得到的。

所述步骤4中，位置误差值是指每个电流矢量作用后的转子位置与电流矢量位置理论值之间的差值，所述误差范围不大于5%，记录过程中误差范围超过5%的全部舍去不计入平均值。

当电流矢量与转子轴不重合时，电机转子会被电磁转矩牵引至与电流矢量方向，采用不同角度的电流矢量依次牵引电机，使得转子以45°电角度为间隔，步进转动2圈，确保转子位置经过零位置产生Z脉冲信号，从而得到准确的转子位置，使得电机能够平稳的起动。

一种六相电励磁同步电动机起动装置，其特征在于：包括带有变频器控制单元的六相变频器和带有励磁单元的六相电励磁同步电动机，电源经六相变频器向六相电励磁同步电动机供电；所述变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速并控制六相变频器。

所述六相电励磁同步电动机包括两套绕组，第一套绕组三相分别为A₁、B₁、C₁，第二套绕组为A₂、B₂、C₂，且A₁与A₂间、B₁与B₂间、C₁与C₂间均相差30°，每套绕组的三相相间相差120°。

所述变频器控制单元包括测速编码器、启动控制器和控制输出器；所述测速编码器用于采样六相电励磁同步电动机转速；六相电励磁同步电动机转速和电压及电流采样值输入到启动控制器，启动控制器根据采样值控制励磁单元并通过控制输出器输出控制六相变频器。

所述测速编码器为增量式，包括A、B和Z三个通道的信号，A和B两个通道的信号是正交信号（即互差90°），Z是零脉冲信号，编码器每转一周发出一个Z脉冲信号，用于标示零位置。

本发明的有益效果如下：

一、本发明提供的一种六相电励磁同步电机起动方法，电机的控制通常都是采用变频控制，如SVPWM调制的方式，控制输入的时候均是按照静止坐标系为基础进行输入，因此，对六相电机建立静止坐标系有助于直接量化输入的电流电压，便于得到启动控制所需的指标，而六相电励磁同步电动机包括两套绕组，建立静止坐标系的时候需要将两组绕组都考虑进去才能实现精确控制，根据计算得到的最大启动电流矢量的理论值对电机再次启动即可获取实际启动中转子位置的误差，以便于再通过变频控制调整输入电压从而使电机启动保持在最佳输入电流矢量状态完美启动。

二、本发明提供的一种六相电励磁同步电机起动方法，按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β的顺序输入是为了保证启动过程符合步骤1所建立的静止坐标系的顺序，避免跳跃导致的采样不准确，保证后续计算误差值的准确度；按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序向电机施加的电流矢量的次数至少为两次保障能将转子转动经过零位置产生Z脉冲信号用于准确采样；误差范围不大于5%可以有效去除采样中的误差对控制的影响。

三、本发明提供的一种六相电励磁同步电机起动装置，其变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速，并以此为基础计算得到实时的启动控制信号，并通过SVPWM调制实时矫正输入以调整电机以最佳状态启动。

四、本发明提供的一种六相电励磁同步电机起动装置，两套绕组之间相应的相间角为30°协调性最好，启动顿挫也最小，不易产生波峰波谷，符合交流电输入的特性；测速编码器、启动控制器和控制输出器组成的控制系统便于实现实时调控，增量式编码器适合用于在动态采样中设计采样点。

附图说明

图1是本发明六相电机两套绕组关系图；

图2是本发明六相绕组与静止坐标系α、β轴示意图；

图3是本发明电流矢量控制框图；

图4是本发明六相电机电流矢量与静止坐标系α、β轴示意图；

图5是本发明六相电励磁同步电动机起动装置结构图；

具体实施方式

以下通过几个具体实施例来进一步说明实现本发明目的的技术方案，需要说明的是，本发明的技术方案包含但不限于以下实施例。

实施例1

如图1至5，一种六相电励磁同步电机起动方法，包括以下步骤：

步骤1，建立静止坐标系，定义参考轴α₁轴与电动机绕组的A₁相绕组轴线重合，参考轴α₂轴与绕组的A₂相绕组轴线重合，参考轴β₁轴滞后参考轴α₁轴90°，参考轴β₂轴滞后参考轴α₂轴90°，则静止坐标系的α轴为α₁轴与α₂轴矢量合成，β轴为β₁轴与β₂轴矢量合成；

步骤2，启动电机，为转子励磁绕组施加空载额定励磁电压，记录处于α轴的电流矢量I_α和处于β轴的电流矢量I_β，并根据电流矢量I_α和I_β计算得到静止坐标系上的电流矢量I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β；

步骤3，再次启动电机，将I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β作为启动电机的最大输入电流矢量，并且通过控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β的顺序；

步骤4，在步骤3的过程中，记录每个电流矢量作用后的转子位置，并与电流矢量位置理论值进行校对，将在误差范围内的若干个位置误差值求平均值，并通过调整输入电压对转子位置进行修正。

这是本发明一种六相电励磁同步电机起动方法一种最基本的实施方案。电机的控制通常都是采用变频控制，如SVPWM调制的方式，控制输入的时候均是按照静止坐标系为基础进行输入，因此，对六相电机建立静止坐标系有助于直接量化输入的电流电压，便于得到启动控制所需的指标，而六相电励磁同步电动机包括两套绕组，建立静止坐标系的时候需要将两组绕组都考虑进去才能实现精确控制，根据计算得到的最大启动电流矢量的理论值对电机再次启动即可获取实际启动中转子位置的误差，以便于再通过变频控制调整输入电压从而使电机启动保持在最佳输入电流矢量状态完美启动。

实施例2

如图1至5，一种六相电励磁同步电机起动方法，包括以下步骤：

步骤1，建立静止坐标系，定义参考轴α₁轴与电动机绕组的A₁相绕组轴线重合，参考轴α₂轴与绕组的A₂相绕组轴线重合，参考轴β₁轴滞后参考轴α₁轴90°，参考轴β₂轴滞后参考轴α₂轴90°，则静止坐标系的α轴为α₁轴与α₂轴矢量合成，β轴为β₁轴与β₂轴矢量合成；

步骤2，启动电机，为转子励磁绕组施加空载额定励磁电压，记录处于α轴的电流矢量I_α和处于β轴的电流矢量I_β，并根据电流矢量I_α和I_β计算得到静止坐标系上的电流矢量I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β；

步骤3，再次启动电机，将I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β作为启动电机的最大输入电流矢量，并且通过控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β的顺序；

步骤4，在步骤3的过程中，记录每个电流矢量作用后的转子位置，并与电流矢量位置理论值进行校对，将在误差范围内的若干个位置误差值求平均值，并通过调整输入电压对转子位置进行修正；

所述步骤3中，控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序的方法为，通过PI控制输入的定子电压V_α与V_β实现对输入电流矢量的调节；

所述步骤3中，按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序向电机施加的电流矢量的次数至少为两次；

所述步骤4中，电流矢量位置理论值是指的电流矢量的位置的理论计算值，是根据步骤1所建立的静止坐标系得到的；

所述步骤4中，位置误差值是指每个电流矢量作用后的转子位置与电流矢量位置理论值之间的差值，所述误差范围不大于5%，记录过程中误差范围超过5%的全部舍去不计入平均值；

当电流矢量与转子轴不重合时，电机转子会被电磁转矩牵引至与电流矢量方向，采用不同角度的电流矢量依次牵引电机，使得转子以45°电角度为间隔，步进转动2圈，确保转子位置经过零位置产生Z脉冲信号，从而得到准确的转子位置，使得电机能够平稳的起动。

这是本发明一种六相电励磁同步电机起动方法一种优选的实施方案。电机的控制通常都是采用变频控制，如SVPWM调制的方式，控制输入的时候均是按照静止坐标系为基础进行输入，因此，对六相电机建立静止坐标系有助于直接量化输入的电流电压，便于得到启动控制所需的指标，而六相电励磁同步电动机包括两套绕组，建立静止坐标系的时候需要将两组绕组都考虑进去才能实现精确控制，根据计算得到的最大启动电流矢量的理论值对电机再次启动即可获取实际启动中转子位置的误差，以便于再通过变频控制调整输入电压从而使电机启动保持在最佳输入电流矢量状态完美启动；按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β的顺序输入是为了保证启动过程符合步骤1所建立的静止坐标系的顺序，避免跳跃导致的采样不准确，保证后续计算误差值的准确度；按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序向电机施加的电流矢量的次数至少为两次保障能将转子转动经过零位置产生Z脉冲信号用于准确采样；误差范围不大于5%可以有效去除采样中的误差对控制的影响。

实施例3

如图1至5，一种六相电励磁同步电动机起动装置，包括带有变频器控制单元的六相变频器和带有励磁单元的六相电励磁同步电动机，电源经六相变频器向六相电励磁同步电动机供电；所述变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速并控制六相变频器。

这是本发明一种六相电励磁同步电动机起动装置一种最基本的实施方案。其变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速，并以此为基础计算得到实时的启动控制信号，并通过SVPWM调制实时矫正输入以调整电机以最佳状态启动。

实施例4

如图1至5，一种六相电励磁同步电动机起动装置，包括带有变频器控制单元的六相变频器和带有励磁单元的六相电励磁同步电动机，电源经六相变频器向六相电励磁同步电动机供电；所述变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速并控制六相变频器；

所述六相电励磁同步电动机包括两套绕组，第一套绕组三相分别为A₁、B₁、C₁，第二套绕组为A₂、B₂、C₂，且A₁与A₂间、B₁与B₂间、C₁与C₂间均相差30°，每套绕组的三相相间相差120°；

所述变频器控制单元包括测速编码器、启动控制器和控制输出器；所述测速编码器用于采样六相电励磁同步电动机转速；六相电励磁同步电动机转速和电压及电流采样值输入到启动控制器，启动控制器根据采样值控制励磁单元并通过控制输出器输出控制六相变频器；

所述测速编码器为增量式，包括A、B和Z三个通道的信号，A和B两个通道的信号是正交信号（即互差90°），Z是零脉冲信号，编码器每转一周发出一个Z脉冲信号，用于标示零位置。

这是本发明一种六相电励磁同步电动机起动装置一种最基本的实施方案。其变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速，并以此为基础计算得到实时的启动控制信号，并通过SVPWM调制实时矫正输入以调整电机以最佳状态启动；两套绕组之间相应的相间角为30°协调性最好，启动顿挫也最小，不易产生波峰波谷，符合交流电输入的特性；测速编码器、启动控制器和控制输出器组成的控制系统便于实现实时调控，增量式编码器适合用于在动态采样中设计采样点。

实施例5

如图1至5，一种六相电励磁同步电机起动方法，包括以下步骤：

（1）如图2所示，定义静止坐标系的α₁轴与A₁相绕组轴线重合，α₂轴与绕组的A₂相绕组轴线重合，静止坐标系β₁轴滞后α₁轴90°，β₂轴滞后α₂轴90°，α轴为α₁轴与α₂轴矢量合成，β轴为β₁轴与β₂轴矢量合成；

（2）为转子励磁绕组施加励磁电压，建立转子磁场；

（3）I_α为α轴向的电流矢量，如图4所示，施加I_α电流值为起动最大电流，通过PI控制器控制定子电压V_α实现电流的调节，如图3所示；

（4）I_α+β为α轴与β轴的电流矢量之和（α轴与β轴电流相等）施加I_α+β电流值为起动最大电流，同样通过PI控制定子电压V_α与V_β实现；

（5）再依次施加I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β电流矢量，同样通过PI控制定子电压V_α与V_β实现电流可调节。如图4所示，I_β为β轴向的电流矢量，I_β-α为α轴负方向与β轴向的电流矢量之和，I_-α为α轴负方向的电流矢量，I_-α-β为α轴负方向与β轴负方向的电流矢量之和，I_-β为β轴负方向的电流矢量，I_α-β为α轴向与β轴负方向的电流矢量之和；

（6）再依次施加8个电流矢量I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β，目的是避免在第一圈电流矢量作用时，前8个电流矢量没能将转子转动经过零位置产生Z脉冲信号；

（7）在第二圈电流矢量作用时，自动记录每个电流矢量作用后的转子位置，并与电流矢量位置理论值进行校对，将每个电流矢量作用后的转子位置与电流矢量位置理论值进行比较（太大则舍去），将在误差范围内的N个位置的误差值求平均值，对转子位置进行修正，以得到更精确的位置信息。

实施例6

如图1至5，一种六相电励磁同步电动机起动装置，有两套绕组，包括下面部分：

（1）一台六相电励磁同步电动机及励磁单元，六相电励磁同步电机有两套绕组，如图1所示，第一套绕组三相分别为A₁、B₁、C₁，第二套绕组为A₂、B₂、C₂，A₁与A₂相差30°，每套绕组的三相绕组ABC相之间相差120°。励磁单元负责给电动机转子进行励磁加压，励磁电压的指令通过硬接线连接至变频器控制单元；

（2）该起动装置包括一台六相变频器，变频器包括控制单元与功率单元；

（3）变频器控制单元负责采集定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速，进行控制后输出励磁控制信号与功率单元驱动信号，测量转速采用增量式编码器；

（4）变频器控制单元采用模拟量控制励磁单元从而对转子进行励磁控制，采用空间矢量调制对变频器功率单元进行脉冲驱动控制。

如图1所示，第一套绕组三相分别为A₁、B₁、C₁，第二套绕组为A₂、B₂、C₂，A₁与A₂相差30°，每套绕组的三相绕组ABC相之间相差120°。测量转速的编码器为增量式，包括ABZ三个信号，AB两个通道的信号是正交信号（即互差90°），Z是零脉冲信号，编码器每转一周发出一个Z脉冲信号，用于标示零位置。当电流矢量与转子轴不重合时，电机转子会被电磁转矩牵引至与电流矢量方向，采用不同角度的电流矢量依次牵引电机，使得转子以45°电角度为间隔，步进转动2圈，确保转子位置经过零位置产生Z脉冲信号，从而得到准确的转子位置，使得电机能够平稳的起动。

Claims (10)

1.一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立静止坐标系，定义参考轴α₁轴与电动机绕组的A₁相绕组轴线重合，参考轴α₂轴与绕组的A₂相绕组轴线重合，参考轴β₁轴滞后参考轴α₁轴90°，参考轴β₂轴滞后参考轴α₂轴90°，则静止坐标系的α轴为α₁轴与α₂轴矢量合成，β轴为β₁轴与β₂轴矢量合成；

步骤2，启动电机，为转子励磁绕组施加空载额定励磁电压，记处于α轴的电流矢量为I_α和处于β轴的电流矢量为I_β，并根据电流矢量I_α和I_β计算得到静止坐标系上的电流矢量I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β，通过PI闭环控制定子电压V_α与V_β依次实现此8个电流矢量；

步骤3，再次启动电机，将I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β作为启动电机的最大输入电流矢量，并且通过控制定子输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β的顺序；

步骤4，在步骤3的过程中，记录每个电流矢量作用后的转子位置，并与电流矢量位置理论值进行校对，将在误差范围内的若干个位置误差值求平均值，并通过调整输入电压对转子位置进行修正。

2.如权利要求1所述的一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于：所述步骤3中，控制输入电压使施加的电流矢量按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β和I_α-β顺序的方法为：通过PI闭环控制定子输入电压V_α与V_β实现对输入电流矢量的调节。

3.如权利要求1或2所述的一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于：所述步骤3中，按照I_α、I_α+β、I_β、I_β-α、I_-α、I_-α-β、I_-β、I_α-β顺序向电机施加的电流矢量的次数至少为两次。

4.如权利要求1所述的一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于：所述步骤4中，电流矢量位置理论值是指的电流矢量的位置的理论计算值，是根据步骤1所建立的静止坐标系得到的。

5.如权利要求1或4所述的一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于：所述步骤4中，位置误差值是指每个电流矢量作用后的转子位置与电流矢量位置理论值之间的差值，所述误差范围不大于5%，记录过程中误差范围超过5%的全部舍去不计入平均值。

6.如权利要求1或4所述的一种六相电励磁同步电机起动方法，其特征在于：当电流矢量与转子轴不重合时，电机转子会被电磁转矩牵引至与电流矢量方向，采用不同角度的电流矢量依次牵引电机，使得转子以45°电角度为间隔，步进转动2圈，确保转子位置经过零位置产生Z脉冲信号，从而得到准确的转子位置，使得电机能够平稳的起动。

7.一种六相电励磁同步电动机起动装置，其特征在于：包括带有变频器控制单元的六相变频器和带有励磁单元的六相电励磁同步电动机，电源经六相变频器向六相电励磁同步电动机供电；所述变频器控制单元采样六相电励磁同步电动机定子每套绕组的三相电压与电流以及转子转速并控制六相变频器。

8.如权利要求6所述的一种六相电励磁同步电动机起动装置，其特征在于：所述六相电励磁同步电动机包括两套绕组，第一套绕组三相分别为A₁、B₁、C₁，第二套绕组为A₂、B₂、C₂，且A₁与A₂间、B₁与B₂间、C₁与C₂间均相差30°，每套绕组的三相相间相差120°。

9.如权利要求6所述的一种六相电励磁同步电动机起动装置，其特征在于：所述变频器控制单元包括测速编码器、启动控制器和控制输出器；所述测速编码器用于采样六相电励磁同步电动机转速；六相电励磁同步电动机转速和电压及电流采样值输入到启动控制器，启动控制器根据采样值控制励磁单元并通过控制输出器输出控制六相变频器。

10.如权利要求6所述的一种六相电励磁同步电动机起动装置，其特征在于：所述测速编码器为增量式，包括A、B和Z三个通道的信号，A和B两个通道的信号是正交信号，Z是零脉冲信号，编码器每转一周发出一个Z脉冲信号，用于标示零位置。