CN109802605B - 用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置，是在永磁电机长线驱动电路中的变压器后加入耦合电路，将三种不同频率的高频检测信号分别通过耦合电路中的三个变压器耦合进入电机电源线和绕组中，再通过带通滤波器得到三个变压器原边上的高频电压分量，根据高频电压分量的有效值大小关系得到位置信号，控制器根据位置信号实现电机的无位置传感器控制。本发明克服了反电势法在低速和零速时控制效果较差和传统电感法在长线驱动电机中无法使用的缺陷，扩大了电机调速范围，也提高了转子位置检测精度；本发明有利于对永磁电机的运动进行更精确的控制，避免了电压传感器的使用，不仅降低了系统成本，也减少了系统体积。

Description

用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置
技术领域
本发明涉及一种永磁电机的驱动。特别是涉及一种用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置。
背景技术
永磁电机因其功率密度高，输出转矩大，效率高，在工业上得到广泛应用。石油工业的一个趋势就是用永磁电机代替异步电机，以提高效率，降低能耗，并在相同功率水平下降低电机整体尺寸。石油工业采油时用到的电动潜油泵的核心就是长线驱动的永磁电机，长线驱动电机的特点是线压降很大，电源电压经过长线传输到电机端口时已达不到电机额定工作电压的要求，所以在长线传输之前会有升压变压器对电源输出的电压进行升压。传统的永磁电机的控制需要位置传感器提供转子的位置信号，但位置传感器不仅增大了系统的体积，对安装精度要求较高，且在恶劣工况下，位置传感器的灵敏度也会变差。电动潜油泵上的永磁电机因其工作环境恶劣，通常不能装配位置传感器，此时就需要通过检测永磁电机的一些电量信号或反应得到永磁电机的位置信号，在这种控制方式下，永磁电机具有较高可靠性和抗干扰能力，也克服了位置传感器不准确安装带来的位置检测误差和转矩脉动。
反电势法是目前最成熟、应用最广泛的一种无位置传感器控制方法，但是其在低速和零速时性能较差，而电感法不依赖转子磁场运动就可以获得转子位置，在转子低速和零速时性能较好，其基本原理是转子位置的改变会引起绕组电感的变化，在绕组中施加检测电压信号，根据测得的电流幅值比较后即可得到电感差异，再根据电感与转子位置之间的关系得到位置信号。
传统电感法中的高频检测信号由功率开关产生，但在永磁电机长线驱动中，由功率开关产生的高频检测信号在通过线路中的升压变压器时被大幅度抑制，信号能量大部分转变为热能消耗，作用不到电机绕组上，也就得不到转子的位置信号。
频分复用技术是通信工程中常用的技术之一，它将传输信息的信道划分为若干个互相不重叠的子信道，每路信号占用其中一个频段，在接收端采用合适的带通滤波器将多路信号分开，从而恢复所需要的信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够扩大电机调速范围，提高位置检测精度的用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置。
本发明所采用的技术方案是：一种用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法，是在永磁电机长线驱动电路中的变压器后加入耦合电路，将三种不同频率的高频检测信号分别通过耦合电路中的三个变压器耦合进入电机电源线和绕组中，再通过带通滤波器得到三个变压器原边上的高频电压分量，根据高频电压分量的有效值大小关系得到位置信号，控制器根据位置信号实现电机的无位置传感器控制。
所述的高频检测信号是由独立的信号源产生，高频检测信号与主功率回路分频复用永磁电机的电源线和绕组。
所述变压器与高频检测信号注入点之间有高频信号阻波器，从而避免了部分高频信号通过变压器进入电网和逆变器，使各相端电压高频电压分量的差异不受电网和逆变器的影响。
一种实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，包括有依次串联连接的逆变器、正弦波滤波器、变压器、长线电缆和永磁电机，所述逆变器的信号输入端连接用于提供驱动指令的控制器，所述逆变器的电源输入端连接电源，其特征在于，所述变压器副边的三相输出和长线电缆的三相输入之间连接有用于向永磁电机提供高频检测信号和获取变压器副边的三相所输出的高频电压分量的耦合电路，所述耦合电路的输入端通过信号源连接控制器获取高频检测信号的频率指令，所述耦合电路的输出端通过带通滤波器连接控制器向控制器提供变压器副边的三相所输出的高频电压分量。
所述变压器副边的三相输出分别设置一个用于使各相端电压高频电压分量的差异不受电网和功率开关影响的高频信号阻波器。
每个所述的高频信号阻波器都是由电感和第四电容并联构成，并联后的一端连接所述变压器副边的三相输出中的一相输出，另一端连接长线电缆输入端的一相，以及连接耦合电路。
所述耦合电路包括有三组变压器电路，其中，第一组变压器电路包括有第一变压器，所述第一变压器副边的一端连接三相电压的A相，另一端通过第一电容连接三相电压的B相；第二组变压器电路包括有第二变压器，所述第二变压器副边的一端连接三相电压的C相，另一端通过第二电容连接三相电压的A相；第三组变压器电路包括有第三变压器，所述第三变压器副边的一端连接三相电压的B相，另一端通过第三电容连接三相电压的C相；所述信号源包括有连接在所述第一变压器原边的第一信号源，连接在所述第二变压器原边的第二信号源，以及连接在所述第三变压器原边的第三信号源；所述带通滤波器包括有分别连接在所述第一变压器原边的第一带通滤波器和第二带通滤波器，分别连接在所述第二变压器原边的第三带通滤波器和第四带通滤波器，以及分别连接在所述第三变压器原边的第五带通滤波器和第六带通滤波器。
所述第一带通滤波器与所述第六带通滤波器通频带相等均为Δf2，第二带通滤波器与第四带通滤波器通频带相等均为Δf3，所述第三带通滤波器与所述第五带通滤波器通频带相等均为Δf1，且Δf1、Δf2和Δf3互不交叉。
本发明的用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置，具如下有益效果：
1、本发明克服了反电势法在低速和零速时控制效果较差和传统电感法在长线驱动电机中无法使用的缺陷，扩大了电机调速范围，也提高了转子位置检测精度。
2、本发明可以将三种频率的高频信号同时耦合进入电路，通过带通滤波器实时得到每相端电压中不同频率的高频电压分量，经过比较可以实时得到永磁电机的转子位置，有利于对永磁电机的运动进行更精确的控制。
3、本发明的耦合电路既是高频检测信号进入电机电源线的通道，也是电机端电压高频分量进入带通滤波器的通道，避免了电压传感器的使用，不仅降低了系统成本，也减少了系统体积。
附图说明
图1是本发明实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法装置的构成框图；
图2是本发明装置中高频信号阻波器的电路原理图；
图3是本发明装置中耦合电路、信号源和带通滤波器的构成示意图；
图4是本发明装置中信号源的电路原理图；
图5a是A相与B相绕组电感大小比较示意图，
图5b是B相与C相绕组电感大小比较示意图；
图5c是C相与A相绕组电感大小比较示意图；
图6是三相绕组差异与转子位置之间的对应关系图。
图中
1：逆变器 2：正弦波滤波器
3：变压器 4：高频信号阻波器
5：长线电缆 6：永磁电机
7：耦合电路 8：控制器
9：信号源 91：第一信号源
92：第二信号源 93：第三信号源
10：带通滤波器 101：第一带通滤波器
102：第二带通滤波器 103：第三带通滤波器
104：第四带通滤波器 105：第五带通滤波器
106：第六带通滤波器 11：电源
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法及装置做出详细说明。
本发明的用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法，是在永磁电机长线驱动电路中的变压器后加入耦合电路，将三种不同频率的高频检测信号分别通过耦合电路中的三个变压器耦合进入电机电源线和绕组中，再通过带通滤波器得到三个变压器原边上的高频电压分量，根据高频电压分量的有效值大小关系得到位置信号，控制器根据位置信号实现电机的无位置传感器控制。
所述的高频检测信号是由独立的信号源产生，高频检测信号与主功率回路分频复用永磁电机的电源线和绕组。
所述变压器与高频检测信号注入点之间有高频信号阻波器，从而避免了部分高频信号通过变压器进入电网和功率开关，使各相端电压高频电压分量的差异不受电网和功率开关的影响。
如图1所示，本发明的实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，包括有依次串联连接的逆变器1、正弦波滤波器2、变压器3、长线电缆5和永磁电机6，所述逆变器1的信号输入端连接用于提供驱动指令的控制器8，所述逆变器1的电源输入端连接电源11，所述变压器3副边的三相输出和长线电缆5的三相输入之间连接有用于向永磁电机6提供高频检测信号和获取变压器3副边的三相所输出的高频电压分量的耦合电路7，所述耦合电路7的输入端通过高频信号源9连接控制器8获取高频检测信号的频率指令，所述耦合电路7的输出端通过带通滤波器10连接控制器8向控制器8提供变压器3副边的三相所输出的高频电压分量。
所述变压器3副边的三相输出分别设置一个用于使各相端电压高频电压分量的差异不受电网和逆变器影响的高频信号阻波器4。
如图2所示，每个所述的高频信号阻波器4都是由电感L和第四电容C4并联构成，并联后的一端连接所述变压器3副边的三相输出中的一相输出，另一端连接长线电缆5输入端的一相，以及连接耦合电路7。
如图3所示，所述耦合电路7包括有三组变压器电路，其中，第一组变压器电路包括有第一变压器T1，所述第一变压器T1副边的一端连接三相电压的A相，另一端通过第一电容C1连接三相电压的B相；第二组变压器电路包括有第二变压器T2，所述第二变压器T2副边的一端连接三相电压的C相，另一端通过第二电容C2连接三相电压的A相；第三组变压器电路包括有第三变压器T3，所述第三变压器T3副边的一端连接三相电压的B相，另一端通过第三电容C3连接三相电压的C相；所述信号源9包括有连接在所述第一变压器T1原边的第一信号源91，连接在所述第二变压器T2原边的第二信号源92，以及连接在所述第三变压器T3原边的第三信号源93；所述带通滤波器10包括有分别连接在所述第一变压器T1原边的第一带通滤波器101和第二带通滤波器102，分别连接在所述第二变压器T2原边的第三带通滤波器103和第四带通滤波器104，以及分别连接在所述第三变压器T3原边的第五带通滤波器105和第六带通滤波器106。。
所述第一带通滤波器101与所述第六带通滤波器106通频带相等均为Δf2，第二带通滤波器102与第四带通滤波器104通频带相等均为Δf3，所述第三带通滤波器103与所述第五带通滤波器105通频带相等均为Δf1，Δf1、Δf2和Δf3互不交叉。
所述的高频信号源9可以采用型号为AD9834或AD9951或AD9951的芯片。图4是高频信号源9的一种电路结构。
所述的第一～第六带通滤波器101～106可以采用型号为CF61A4801C或CF61A8001C或CF61A8701的芯片。
如图1所示。其中电机是长线驱动的永磁电机。从图中可见，在电源传输线上的变压器3的输出侧存在一套独立的高频检测信号注入机构，其中高频检测信号注入系统由高频信号源9和耦合电路7构成，高频检测信号以固定频率形式由高频信号源9产生，高频信号源9产生的高频信号通过耦合电路7直接传递到永磁电机的电源线上。由于高频检测信号注入点和逆变器1之间有高频信号阻波器4和变压器3，故高频检测信号进不到逆变器1和电网中，避免了由于逆变器1和电网的电感差异带来的检测误差。
耦合电路将高频检测信号传递到永磁电机的电源线上，并避免低频信号进入高频信号源9，图2示出了一种耦合电路，三种高频检测信号经过耦合电路中的三个变压器进入电源线中，同时电源线中的端电压高频分量也通过耦合电路中的三个变压器的副边原边进入到带通滤波器中。图2示出了一种高频信号阻波器，该高频信号阻波器由电感线圈、电容组成。图4示出了一种高频信号源电路，该电路可以产生一个固定的高频信号，其输出频率f＝1/[1.278(R2+RP)C1]，可见其高频信号的频率取决于电阻R2、RP和电容C1的选择。
以正弦波永磁电机为例，如图2所示，高频信号源9同时分别将三种频率的高频检测信号通过耦合电路7注入到永磁电机的三相电源线上，由于工频的反电势经过带通滤波器10可被滤除，而且根据感抗的计算公式XL＝2πfL，当信号频率很高时，感抗很大，绕组电阻分压也可以被忽略，所以图5a即为永磁电机在通频带Δf1下的高频等效电路图，在AB相之间注入频率为f1的高频检测信号UABf1，此时A相和B相绕组电感根据电感值大小对高频电压分量UABf1进行分压，并且由于C相没有频率为f1的高频检测信号，在永磁电机的高频等效电路中被视为短路，所以AC相和BC相两端的电压即为A相和B相端电压，检测AC相和BC相两端的电压UACf1和UBCf1并进行比较即可得到LA与LB的大小关系；同理，如图5b所示，在BC相之间注入频率为f2的高频检测信号，通过比较UBAf2和UCAf2的大小可得到LB与LC的大小关系；如图5c所示，在CA相之间注入频率为f3的高频检测信号，比较UABf3和UCBf3得到LA与LC的大小关系。如此，即可实时判断三相电感之间的大小关系，根据图6所示的三相绕组与转子位置之间的关系得到转子的绝对位置，然后控制器8根据转子的绝对位置信号控制电机稳定运行。
该发明可以应用于永磁电机在任意运行状态下转子位置的检测。在不同转子位置下永磁电机各相绕组电感差异不依赖于电机转子的运动，转子静止时也可以得到各相绕组电感差异。在电机零速起动过程中，高频检测信号注入系统在起动过程中最先启动，在永磁电机的电源线上注入高频检测信号，得到三相绕组电感的大小关系，根据图6所示的永磁电机的各相绕组电感与转子位置关系查出转子的初始位置，然后控制器发出驱动脉冲指令进行起动加速，加速过程中即可根据高频检测信号得到的转子位置进行永磁电机的矢量控制或换相控制。

Claims (4)

1.一种实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，方法是在永磁电机长线驱动电路中的变压器后加入耦合电路，将三种不同频率的高频检测信号分别通过耦合电路中的三个变压器耦合进入电机电源线和绕组中，再通过带通滤波器得到三个变压器原边上的高频电压分量，根据高频电压分量的有效值大小关系得到位置信号，控制器根据位置信号实现电机的无位置传感器控制；装置包括有依次串联连接的逆变器（1）、正弦波滤波器（2）、变压器（3）、长线电缆（5）和永磁电机（6），所述逆变器（1）的信号输入端连接用于提供驱动指令的控制器（8），所述逆变器（1）的电源输入端连接电源（11），其特征在于，所述变压器（3）副边的三相输出和长线电缆（5）的三相输入之间连接有用于向永磁电机（6）提供高频检测信号和获取变压器（3）副边的三相所输出的高频电压分量的耦合电路（7），所述耦合电路（7）的输入端通过信号源（9）连接控制器（8）获取高频检测信号的频率指令，所述耦合电路（7）的输出端通过带通滤波器（10）连接控制器（8）向控制器（8）提供变压器（3）副边的三相所输出的高频电压分量；
所述耦合电路（7）包括有三组变压器电路，其中，第一组变压器电路包括有第一变压器（T1），所述第一变压器（T1）副边的一端连接三相电压的A相，另一端通过第一电容（C 1）连接三相电压的B相；第二组变压器电路包括有第二变压器（T2），所述第二变压器（T2）副边的一端连接三相电压的C相，另一端通过第二电容（C 2）连接三相电压的A相；第三组变压器电路包括有第三变压器（T3），所述第三变压器（T3）副边的一端连接三相电压的B相，另一端通过第三电容（C 3）连接三相电压的C相；所述信号源（9）包括有连接在所述第一变压器（T1）原边的第一信号源（91），连接在所述第二变压器（T2）原边的第二信号源（92），以及连接在所述第三变压器（T3）原边的第三信号源（93）；所述带通滤波器（10）包括有分别连接在所述第一变压器（T1）原边的第一带通滤波器（101）和第二带通滤波器（102），分别连接在所述第二变压器（T2）原边的第三带通滤波器（103）和第四带通滤波器（104），以及分别连接在所述第三变压器（T3）原边的第五带通滤波器（105）和第六带通滤波器（106）。
2.根据权利要求1所述的实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，其特征在于，所述变压器（3）副边的三相输出分别设置一个用于使各相端电压高频电压分量的差异不受电网和功率开关影响的高频信号阻波器（4）。
3.根据权利要求2所述的实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，其特征在于，每个所述的高频信号阻波器（4）都是由电感（L）和第四电容（C 4）并联构成，并联后的一端连接所述变压器（3）副边的三相输出中的一相输出，另一端连接长线电缆（5）输入端的一相，以及连接耦合电路（7）。
4.根据权利要求1所述的实现用于长线驱动永磁电机的无位置传感器控制方法的装置，其特征在于，所述第一带通滤波器（101）与所述第六带通滤波器（106）通频带相等均为Δf 2，第二带通滤波器（102）与第四带通滤波器（104）通频带相等均为Δf 3， 所述第三带通滤波器（103）与所述第五带通滤波器（105）通频带相等均为Δf 1，且Δf 1、Δf 2和Δf 3互不交叉。
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