CN111953244A - 一种永磁同步电机的带速重投方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机的带速重投方法，包括：通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；根据感应电动势信号计算永磁同步电机的电机转速和转子位置；利用转子位置和电机转速执行带速重投操作。在实际应用中，采用本申请的方案，仅需设置一个电压传感器，通过该电压传感器采集到的永磁同步电机定子线上随永磁同步电机转动所产生的感应电动势信号，即可分析出永磁同步电机在任意时刻的转子位置和电机转速，实现永磁同步电机在任意转速点无位置传感器的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性。本申请还公开了一种永磁同步电机的带速重投系统及装置，具有上述有益效果。

Description

一种永磁同步电机的带速重投方法、系统及装置

技术领域

本申请涉及永磁同步电机领域，特别是涉及一种永磁同步电机的带速重投方法、系统及装置。

背景技术

永磁同步电机以其效率高、功率密度大、启动转矩大和调速范围宽等优点广泛应用于轨道交通车辆的牵引传动系统。对于电力机车一类的以电机惰行工况为常规工况的应用场合，需要通过带速重投实现永磁同步电机从惰行工况到电动工况的切换。为保证永磁同步电机在任意转速下的带速重投成功，在重投前就需要知道永磁同步电机的转子位置及电机转速。

考虑到在轨道交通车辆的牵引传动系统中，位置传感器容易受到电磁干扰，在进行带速重投时一般采用无位置传感器的方案，如申请号为CN201811188488.X的专利申请所提供的方案，在变流器和电机端安装两个电压传感器来采集电机的三相端电压，通过端电压幅值来估计电机转速和转子位置，设置两个电压传感器增加了系统的成本，增加了变流器空间，降低了系统鲁棒性。

因此，如何提供一种解决上述技术问题的方案是本领域技术人员目前需要解决的问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种永磁同步电机的带速重投方法，仅需设置一个电压传感器，即可实现永磁同步电机在任意转速点无位置传感器的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性；本申请的另一目的是提供一种永磁同步电机的带速重投系统及装置。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种永磁同步电机的带速重投方法，包括：

通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置；

利用所述转子位置和所述电机转速执行带速重投操作。

优选的，所述根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置的过程具体为：

按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测，获取所述感应电动势信号的过零点穿越时刻，并计算相邻两次过零点穿越时刻的时间间隔；

通过所述时间间隔计算所述感应电动势信号的角速度；

当所述感应电动势信号处于所述过零点穿越时刻，根据预设相位值确定所述感应电动势信号的相位，当所述感应电动势信号处于其他时刻，根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位；

将所述相位按预设对应关系转换为转子位置，并将所述角速度转换为电机转速。

优选的，所述通过所述时间间隔计算所述感应电动势信号的角速度的过程具体为：

根据角速度关系式计算所述感应电动势信号的角速度，其中，所述角速度关系式为ω_e＝π/Ts，ω_e为所述角速度，Ts为所述时间间隔。

优选的，所述根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位的过程具体为：

按计算周期根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位。

优选的，所述按计算周期根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位的过程具体为：

根据相位关系式计算所述感应电动势信号的相位，其中，所述相位关系式为θ＝θ₀+ω_e×Tc，θ为当前计算周期的相位，θ₀为上一计算周期的相位，Tc为计算周期。

优选的，所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测之前，该带速重投方法还包括：

判断所述感应电动势信号的有效值是否大于预设电压值；

若是，则执行所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测的操作。

优选的，所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测的过程具体为：

对所述感应电动势信号进行过零点检测获取到过零点穿越时刻之后，通过滞环处理延迟预设时间，再对所述感应电动势信号重新进行所述过零点检测，以获取所述感应电动势信号的下一过零点穿越时刻。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种永磁同步电机的带速重投系统，包括：

获取模块，用于通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

处理模块，用于根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置；

重投模块，用于利用所述转子位置和所述电机转速执行带速重投操作。

为解决上述技术问题，本申请还提供了一种永磁同步电机的带速重投装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

包括处理器及开关器件的变流器，所述处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上文任意一项所述永磁同步电机的带速重投方法的步骤；

电压传感器，用于获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号。

本申请提供了一种永磁同步电机的带速重投方法，包括：通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；根据感应电动势信号计算永磁同步电机的电机转速和转子位置；利用转子位置和电机转速执行带速重投操作。在实际应用中，采用本申请的方案，仅需设置一个电压传感器，通过该电压传感器采集到的永磁同步电机定子线上随永磁同步电机转动所产生的感应电动势信号，即可分析出永磁同步电机在任意时刻的转子位置和电机转速，实现永磁同步电机在任意转速点无位置传感器的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性。本申请还提供了一种永磁同步电机的带速重投系统及装置，具有和上述带速重投方法相同的有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例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申请的一些实施例，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。

图1为本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投方法的步骤流程图；

图2为本申请所提供的一种永磁同步电机定子线上产生正弦的感应电动势信号的波形图；

图3为本申请所提供的一种永磁同步电机的电机转速和转子位置计算方法的步骤流程图；

图4为本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投系统的结构示意图。

具体实施方式

本申请的核心是提供一种永磁同步电机的带速重投方法，仅需设置一个电压传感器，即可实现永磁同步电机在任意转速点无位置传感器的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性；本申请的另一核心是提供一种永磁同步电机的带速重投系统及装置。

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

请参照图1，图1为本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投方法的步骤流程图，包括：

步骤1：通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

可以理解的是，永磁同步电机转动，就会在电机定子线上产生正弦的感应电动势信号，该感应电动势信号的波形参照图2所示。

步骤2：根据感应电动势信号计算永磁同步电机的电机转速和转子位置；

步骤3：利用转子位置和电机转速执行带速重投操作。

具体的，感应电动势信号的信息(相位、频率及角速度)和永磁同步电机的电机转速和转子位置存在对应关系，根据感应电动势信号的信息可以反向计算出永磁同步电机的电机转速和转子位置。由于本申请只采用了一个电压传感器，且该感应电动势信号属于频率变化范围比较大的信号，无法像单相锁相环那样锁住信号的相位和频率信息，因此，本申请可以通过过零点穿越检测的方法来提取感应电动势信号的相位和频率信息，具体方法请参照图3，图3为本申请所提供的一种永磁同步电机的电机转速和转子位置计算方法的步骤流程图，包括：

步骤21：按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测，获取感应电动势信号的过零点穿越时刻，并计算相邻两次过零点穿越时刻的时间间隔；

作为一种优选的实施例，按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测之前，该带速重投方法还包括：

判断感应电动势信号的有效值是否大于预设电压值；

若是，则执行按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测的操作。

具体的，当采集到的感应电动势信号由负数变为正数时定义为正穿越，相应的，图2上的A点为正穿越对应的的一个过零点，此时感应电动势信号的相位为零度，当感应电动势信号由正数变为负数时定义为负穿越，相应的，图2上的B点为负穿越对应的一个过零点，此时感应电动势信号的相位为180度，A点对应的过零点穿越时刻t_A为0.1s，B点对应的过零点穿越时刻t_B为0.05s，那么时间间隔Ts应满足Ts＝t_A-t_B。

进一步的，为了确保获取的感应电动势信号的有效性，排除极低速时的噪声信号干扰，当采集到的信号有效值大于预设电压值时，再执行步骤21。

步骤22：通过时间间隔计算感应电动势信号的角速度；

具体的，根据相邻两次过零穿越的时间，即可求出当前角速度，具体的，可以根据角速度关系式计算感应电动势信号的角速度，其中，角速度关系式为ω_e＝π/Ts，ω_e为角速度，Ts为时间间隔。

步骤23：当感应电动势信号处于过零点穿越时刻，根据预设相位值确定感应电动势信号的相位，当感应电动势信号处于其他时刻，根据角速度计算感应电动势信号的相位；

具体的，当感应电动势信号处于正穿越时，强制感应电动势信号在过零点穿越时刻的相位为0度，当感应电动势信号处于负穿越时，强制感应电动势信号在过零点穿越时刻的相位为180度，当感应电动势信号处于其他时刻时，该感应电动势信号的相位通过角速度的积分得到。进一步的，可以每隔预设的计算周期计算一次感应电动势信号的相位，具体可以根据相位关系式进行计算，其中，相位关系式为θ＝θ₀+ω_e×Tc，θ为当前计算周期的相位，θ₀为上一计算周期的相位，Tc为计算周期。

当然，计算周期需要根据实际工程需要确定，本申请在此不做限定。

步骤24：将相位按预设对应关系转换为转子位置，并将角速度转换为电机转速。

具体的，得到感应电动势信号的相位后，可以根据预设对应关系(感应电动势信号的相位和转子位置角的相位关系)得到转子的位置，进一步的，设感应电动势信号的相位超前于转子位置角的相位150度(正转)，二者的角速度是一样的，这样就可以计算出永磁同步电机在任意时刻的电机转速和转子位置，以便实现永磁同步电机在任意转速下无位置传感器控制的带速重投。

本申请提供了一种永磁同步电机的带速重投方法，包括：通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；根据感应电动势信号计算永磁同步电机的电机转速和转子位置；利用转子位置和电机转速执行带速重投操作。在实际应用中，采用本申请的方案，仅需设置一个电压传感器，通过该电压传感器采集到的永磁同步电机定子线上随永磁同步电机转动所产生的感应电动势信号，即可分析出永磁同步电机在任意时刻的转子位置和电机转速，实现永磁同步电机在任意转速点无位置传感器的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测的过程具体为：

对感应电动势信号进行过零点检测获取到过零点穿越时刻之后，通过滞环处理延迟预设时间，再对感应电动势信号重新进行过零点检测，以获取感应电动势信号的下一过零点穿越时刻。

具体的，为了排除采集信号的小干扰，本申请在过零点检测时增加了一个滞环处理环节，即在第一次过零点穿越后通过滞环处理延迟预设时间再进行下一次过零点检测，其中，预设时间可以根据信号的信噪比确定，本申请在此不做限定。

综上所述，本申请仅需安装一个电压传感器，通过线反电势来反向计算出位置和转速信息，以实现任意转速点无位置传感器控制的带速重投，降低了系统成本及变流器空间、提高了系统鲁棒性；使用过零点穿越同时加上滞环比较检测的方法来实时提取感应电动势信号的相位和频率信息，精度高；通过实时判断信号有效值的方法排除了极低速时的噪声信号干扰。

请参照图4，图4为本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投系统，包括：

获取模块1，用于通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

处理模块2，用于根据感应电动势信号计算永磁同步电机的电机转速和转子位置；

重投模块3，用于利用转子位置和电机转速执行带速重投操作。

作为一种优选的实施例，处理模块2具体包括：

过零点检测单元，用于按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测，获取感应电动势信号的过零点穿越时刻，并计算相邻两次过零点穿越时刻的时间间隔；

第一计算单元，用于通过时间间隔计算感应电动势信号的角速度；

第二计算单元，用于当感应电动势信号处于过零点穿越时刻，根据预设相位值确定感应电动势信号的相位，当感应电动势信号处于其他时刻，根据角速度计算感应电动势信号的相位；

第三计算单元，用于将相位按预设对应关系转换为转子位置，并将角速度转换为电机转速。

作为一种优选的实施例，第一计算单元具体用于：

根据角速度关系式计算感应电动势信号的角速度，其中，角速度关系式为ω_e＝π/Ts，ω_e为角速度，Ts为时间间隔。

作为一种优选的实施例，根据角速度计算感应电动势信号的相位的过程具体为：

按计算周期根据角速度计算感应电动势信号的相位。

作为一种优选的实施例，按计算周期根据角速度计算感应电动势信号的相位的过程具体为：

根据相位关系式计算感应电动势信号的相位，其中，相位关系式为θ＝θ₀+ω_e×Tc，θ为当前计算周期的相位，θ₀为上一计算周期的相位，Tc为计算周期。

作为一种优选的实施例，处理模块2还包括：

有效值检测单元，用于判断感应电动势信号的有效值是否大于预设电压值；

若是，则触发过零点检测单元。

作为一种优选的实施例，按预设规则对感应电动势信号进行过零点检测的过程具体为：

对感应电动势信号进行过零点检测获取到过零点穿越时刻之后，通过滞环处理延迟预设时间，再对感应电动势信号重新进行过零点检测，以获取感应电动势信号的下一过零点穿越时刻。

对于本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投系统的介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。

本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投系统，具有和上述带速重投方法相同的有益效果。

相应的，本申请还提供了一种永磁同步电机的带速重投装置，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

包括处理器及开关器件的变流器，处理器，用于执行计算机程序时实现如上文任意一项永磁同步电机的带速重投方法的步骤；

电压传感器，用于获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号。

对于本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投装置的介绍请参照上述实施例，本申请在此不再赘述。

本申请所提供的一种永磁同步电机的带速重投装置，具有和上述带速重投方法相同的有益效果。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的带速重投方法，其特征在于，包括：

通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置；

利用所述转子位置和所述电机转速执行带速重投操作。

2.根据权利要求1所述的带速重投方法，其特征在于，所述根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置的过程具体为：

按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测，获取所述感应电动势信号的过零点穿越时刻，并计算相邻两次过零点穿越时刻的时间间隔；

通过所述时间间隔计算所述感应电动势信号的角速度；

当所述感应电动势信号处于所述过零点穿越时刻，根据预设相位值确定所述感应电动势信号的相位，当所述感应电动势信号处于其他时刻，根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位；

将所述相位按预设对应关系转换为转子位置，并将所述角速度转换为电机转速。

3.根据权利要求2所述的带速重投方法，其特征在于，所述通过所述时间间隔计算所述感应电动势信号的角速度的过程具体为：

根据角速度关系式计算所述感应电动势信号的角速度，其中，所述角速度关系式为ω_e＝π/Ts，ω_e为所述角速度，Ts为所述时间间隔。

4.根据权利要求3所述的带速重投方法，其特征在于，所述根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位的过程具体为：

按计算周期根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位。

5.根据权利要求4所述的带速重投方法，其特征在于，所述按计算周期根据所述角速度计算所述感应电动势信号的相位的过程具体为：

根据相位关系式计算所述感应电动势信号的相位，其中，所述相位关系式为θ＝θ₀+ω_e×Tc，θ为当前计算周期的相位，θ₀为上一计算周期的相位，Tc为计算周期。

6.根据权利要求2所述的带速重投方法，其特征在于，所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测之前，该带速重投方法还包括：

判断所述感应电动势信号的有效值是否大于预设电压值；

若是，则执行所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测的操作。

7.根据权利要求2-6任意一项所述的带速重投方法，其特征在于，所述按预设规则对所述感应电动势信号进行过零点检测的过程具体为：

对所述感应电动势信号进行过零点检测获取到过零点穿越时刻之后，通过滞环处理延迟预设时间，再对所述感应电动势信号重新进行所述过零点检测，以获取所述感应电动势信号的下一过零点穿越时刻。

8.一种永磁同步电机的带速重投系统，其特征在于，包括：

获取模块，用于通过电压传感器获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号；

处理模块，用于根据所述感应电动势信号计算所述永磁同步电机的电机转速和转子位置；

重投模块，用于利用所述转子位置和所述电机转速执行带速重投操作。

9.一种永磁同步电机的带速重投装置，其特征在于，包括：

存储器，用于存储计算机程序；

包括处理器及开关器件的变流器，所述处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任意一项所述永磁同步电机的带速重投方法的步骤；

电压传感器，用于获取永磁同步电机的定子线上产生的感应电动势信号。

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