RU2594358C1 - Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами - Google Patents
Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами Download PDFInfo
- Publication number
- RU2594358C1 RU2594358C1 RU2015120204/07A RU2015120204A RU2594358C1 RU 2594358 C1 RU2594358 C1 RU 2594358C1 RU 2015120204/07 A RU2015120204/07 A RU 2015120204/07A RU 2015120204 A RU2015120204 A RU 2015120204A RU 2594358 C1 RU2594358 C1 RU 2594358C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- rotor
- phase
- electric motor
- initial position
- currents
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Изобретение относится к области электротехники и предназначено для применения в системах управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами в зависимости от положения ротора без использования датчика положения ротора, конструктивно связанного с электродвигателем. Техническим результатом является упрощение, снижение стоимости и повышение надежности, В способе бездатчикового определения начального положение ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами для определения начального положения ротора электродвигателя осуществляют его пробный кратковременный пуск, т.е. подключение напряжения питания, приводящее к малому угловому перемещению ротора в произвольном направлении; на основе измерения мгновенных значений фазных токов и напряжений в течение этого перемещения вычисляют положение ротора. Числовое значение положения ротора используют для последующего рабочего пуска электродвигателя с бездатчиковым способом управления движением. 2 ил.
Description
Изобретение относится к электротехнике и предназначено для применения в системах управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами в зависимости от положения ротора без использования датчика положения ротора, конструктивно связанного с электродвигателем.
Известен способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами.
(WO 2001045247 A1, опубл. 21.06.2001;
US 5854548 А, опубл. 29.12.1998;
US 5841252 А, опубл. 24.11.1998;
Initial Rotor Angle Detection of a Non-Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Machine / P.B. Schmidt, M.L. Gasperi, G. Ray, A.H. Wijenayake // Industry Applications Conference, 1997. Thirty-Second IAS Annual Meeting, IAS ′97, Conference Record of the 1997 IEEE, Vol. 1, pp. 459-463;
Schroedl M. Detection of the Rotor Position of a Permanent Magnet Synchronous Machine at Standstill // Proceedings of International Conference in Electrical Machines, ICEM ′88, Pisa, Italy, 1988, pp. 195-197), заключающийся в использовании несимметричности магнитной системы электродвигателя и зависимости индуктивностей обмоток статора от положения ротора путем введения в систему управления электроприводом дополнительных специальных сигналов, подаваемых на обмотки статора, и последующего измерения параметров этих сигналов, содержащих информацию о положении ротора электродвигателя.
К недостаткам этого известного способа следует отнести существенное техническое и алгоритмическое усложнение электропривода, необходимое для формирования дополнительных специальных сигналов и анализа их параметров, что увеличивает стоимость и снижает надежность электропривода.
Также известен способ бездатчикового определения углового положения ротора многофазного электродвигателя с постоянными магнитами (патент RU №2262181, опубл. 10.10.2005), согласно которому подают первый переменный сигнал определенной частоты на вход, по меньшей мере, одной из обмоток статора и снимают сигнал измерения на выходе этой обмотки, сигнал измерения обрабатывают средствами электронной обработки с обеспечением извлечения информации о периодическом изменении эффективной индуктивности обмотки статора. Это изменение является функцией углового положения ротора. Осуществляя попеременно такие измерения на обмотках статора, получают три периодических кривых, определяющих зигзагообразную кривую, позволяющую точно определить угловое положение ротора.
К недостаткам этого известного способа следует отнести высокую сложность его аппаратной реализации, ухудшающие показатели надежности электропривода.
В качестве ближайшего аналога выбран способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами (Initial Rotor Position Detection in PMSM based on Low Frequency Harmonic Current Injection / D. Basic, F. Malrait, P. Rouchon // European Power Electronics, 14th International Power Electronics and Motion Control Conference, EPE/PEMC, Ohrid, Sep. 2010, Vol. 4, pp. 916-922), заключающийся в инжекции низкочастотных токов в обмотки статора электродвигателя и возбуждении малых колебаний его ротора с последующим анализом гармонических составляющих тока инжекции и спектрального разложения, приложенного к обмоткам статора напряжения, дающим информацию о положении ротора.
К недостаткам ближайшего аналога следует отнести усложнение электропривода из-за введения в его состав дополнительных устройств для формирования и ввода низкочастотных колебаний и устройств спектрального анализа измеряемых токов и напряжений, снижающих надежность электропривода.
Задачей изобретения является повышение надежности и снижение стоимости системы управления синхронным электродвигателем без датчиков, конструктивно связанных с электродвигателем.
Поставленная задача решается тем, что в способе бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, заключающемся в подаче на электродвигатель пробного воздействия и последующем вычислении положения ротора на основе измеренных мгновенных значений фазных токов и напряжений, в качестве указанного воздействия используют кратковременный пуск электродвигателя, приводящий к повороту ротора в произвольном направлении; в течение времени поворота ротора измеряют указанные мгновенные значения фазных токов и напряжений, вычисляют значения напряжений и токов в двухфазной ортогональной системе координат αβ по формулам:
вычисляют приращения проекций потокосцеплений на оси координат α и β:
и вычисляют значение начального положения ротора:
где:
αβ - неподвижная двухфазная система ортогональных координат, причем ось α связана с осью одной из фазных обмоток электродвигателя;
UA(t), UB(t) - мгновенные фазные напряжения фаз А и В в трехфазной системе координат ABC;
Uα(t:), Uβ(t) - напряжения в двухфазной системе координат αβ;
iA(t), iB(t), - мгновенные фазные токи фаз А и В в трехфазной системе координат ABC;
iα(t), iβ(t) - токи в двухфазной системе координат αβ;
R и L - активное сопротивление и индуктивность фазной обмотки;
τ - время поворота ротора;
Δψα и Δψβ - приращения проекций потокосцеплений на оси координат α и β;
Изобретение пояснено чертежами, где на фиг. 1 представлена векторная диаграмма потокосцепления, а на фиг. 2 временная диаграмма, поясняющие способ определения начального положения ротора по результатам пробного пуска электродвигателя.
На чертежах представлены:
αβ - неподвижная двухфазная система ортогональных координат, причем ось α связана с осью одной из фазных обмоток электродвигателя;
φ0 - начальное положение ротора электродвигателя;
Δφ - угловое перемещение ротора в результате пробного пуска;
φ(t) - изменение положения ротора во времени в течение пробного движения;
φ1 - новое начальное положение ротора электродвигателя;
ε1 - ошибка определения нового начального положения.
ψ0 - вектор потокосцепления, создаваемого в фазной обмотке электродвигателя постоянными магнитами ротора в начальном угловом положении φ0;
ψ1 - вектор потокосцепления в положении φ1 после пробного пуска;
ψα0, ψα1, ψβ0, ψβ1 _ проекции векторов ψ0 и ψ1 на оси α и β.
Сущность предложенного способа заключается в том, что для определения начального положения ротора электродвигателя осуществляется его пробный кратковременный пуск, т.е. подключение напряжения питания, приводящее к малому угловому перемещению ротора в произвольном направлении, и на основе измерения мгновенных значений фазных токов и напряжений в течение этого перемещения вычисляется положение ротора. Числовое значение положения ротора используется для последующего рабочего пуска электродвигателя с бездатчиковым способом управления движением.
Теоретическое обоснование предложенного способа определения начального положения ротора в результате пробного пуска поясняется с помощью фиг.1, на которой вектор потокосцепления ψ0, создаваемый постоянным магнитом в фазной обмотке неподвижного электродвигателя, находится в некотором произвольном начальном угловом положении φ0 и имеет проекции ψα0 и ψβ0 на неподвижные оси координат α и β.
Допустим теперь, что в результате малого перемещения ротора на угол Δφ вектор потокосцепления принял положение ψ1. Соответственно изменятся его проекции: ψα1 и ψβ1. Определим приращения этих проекций в виде:
и найдем предел отношения этих приращений при Δφ→0:
Для этого воспользуемся фиг. 1 и получим Δψα и Δψβ из тригонометрических соотношений соответствующих треугольников:
где ψm - модуль вектора потокосцепления.
Далее, после подстановки (3) в (2):
Из (4) вычисляем искомое начальное положение φ0 ротора:
Предложенный способ определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами осуществляется следующим образом.
Выполняется кратковременный пробный пуск электродвигателя (рекомендации по длительности этого пуска даны ниже при обсуждении погрешностей способа). В результате пробного пуска двигатель, находившийся в некотором начальном положении φ0, за время τ повернется в произвольном направлении на малый угол Δφ и перейдет в новое начальное положение φ1.
В течение пробного движения ротора в фазах А и В трехфазного электродвигателя измеряются мгновенные фазные напряжения UA(t), UB(t) и токи iA(t), iB(t), которые пересчитываются в значения напряжений Uα(t), Uβ(t) и токов iα(t), iβ(t) двухфазной системы координат αβ:
На основании уравнений Кирхгофа для двухфазной модели электродвигателя:
в которой Uα,β(t), iα,β(t) - напряжения и токи фаз α и β, R и L - активное сопротивление и индуктивность фазной обмотки, вычисляют приращения Δψα и Δψβ проекций потокосцеплений на оси координат α и β:
где τ - длительность пробного движения ротора.
По найденным значениям приращений Δψα и Δψβ проекций потокосцеплений вычисляется оценка 
начального положения φ0 ротора:
Ошибка ε0 определения начального положения φ0 ротора находится из выражения:
или, после подстановки (3) в (8):
Поскольку в результате пробного движения ротор переходит в новое начальное положение φ1, то фактическая ошибка ε1 составит:
Таким образом, ошибка предложенного способа определения начального положения ротора является систематической и ее значение вдвое меньше пробного перемещения Δφ ротора. При практической реализации предложенного способа ошибка определения начального положения ротора может быть заранее задана выбором соответствующего значения малого пробного перемещения Δφ ротора.
На фиг. 2 показан полученный на модели электропривода результат определения начального положения φ0=100 электрических градусов ротора в течение пробного пуска продолжительностью 0,2 мс. Длительность τ пробного движения ротора составила около 3 мс, в течение которого ротор переместился на угол Δφ=0,4 электрических градусов. Полученная оценка 
электрических градусов отличается от истинного положения φ1=100,4 электрических градусов ротора на значение ошибки 
электрических градусов.
В результате, для определения начального положения φ0 ротора синхронного электродвигателя предложенным способом не требуется введения в электропривод дополнительных устройств для формирования и анализа специальных сигналов, что позволяет упростить электропривод и повысить его надежность.
Claims (1)
- Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами, заключающийся в подаче на электродвигатель пробного воздействия и последующем вычислении положения ротора на основе измеренных мгновенных значений фазных токов и напряжений, отличающийся тем, что в качестве указанного воздействия используют кратковременный пуск электродвигателя, приводящий к повороту ротора в произвольном направлении; в течение времени поворота ротора измеряют указанные мгновенные значения фазных токов и напряжений, вычисляют значения напряжений и токов в двухфазной ортогональной системе координат αβ по формулам:
вычисляют приращения проекций потокосцеплений на оси координат α и β:
и вычисляют значение начального положения ротора:
где
αβ - неподвижная двухфазная система ортогональных координат, причем ось α связана с осью одной из фазных обмоток электродвигателя;
UA(t), UB(t) - мгновенные фазные напряжения фаз A и B в трехфазной системе координат ABC;
Uα(t), Uβ(t) - напряжения в двухфазной системе координат αβ;
iA(Х), iB(t), - мгновенные фазные токи фаз A и B в трехфазной системе координат ABC;
iα(t), iβ(t) - токи в двухфазной системе координат αβ;
R и L - активное сопротивление и индуктивность фазной обмотки;
τ - время поворота ротора;
Δψα и Δψβ - приращения проекций потокосцеплений на оси координат α и β;
- вычисленное значение начального положения ротора электродвигателя.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015120204/07A RU2594358C1 (ru) | 2015-05-27 | 2015-05-27 | Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2015120204/07A RU2594358C1 (ru) | 2015-05-27 | 2015-05-27 | Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2594358C1 true RU2594358C1 (ru) | 2016-08-20 |
Family
ID=56697048
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2015120204/07A RU2594358C1 (ru) | 2015-05-27 | 2015-05-27 | Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2594358C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715213C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2020-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НПФ ВЕКТОР" | Способ определения углового положения ротора электродвигателей класса синхронных машин с обмоткой возбуждения |
| RU2746795C1 (ru) * | 2020-07-07 | 2021-04-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Способ частотного управления электроприводом с синхронным двигателем без датчика положения ротора |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2697696A1 (fr) * | 1992-11-04 | 1994-05-06 | Valeo Systemes Dessuyage | Procédé pour autopilotage sans capteur direct de position un moteur à reluctance variable et dispositif pour sa mise en Óoeuvre. |
| RU2182743C1 (ru) * | 2000-09-27 | 2002-05-20 | Московский энергетический институт (Технический университет) | Способ управления вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления |
| JP3381509B2 (ja) * | 1996-02-29 | 2003-03-04 | トヨタ自動車株式会社 | 電気角検出装置および同期モータの駆動装置 |
| RU2262181C2 (ru) * | 1999-12-15 | 2005-10-10 | Бьен-Эр С.А. | Способ и устройство для определения углового положения ротора многофазного электродвигателя с постоянным магнитом |
| RU2277289C1 (ru) * | 2004-11-23 | 2006-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Вега-ГАЗ" | Способ квазичастотного мягкого пуска синхронного двигателя и устройство для его осуществления |
| EP2493066A1 (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-29 | ABB Oy | Method and apparatus for estimating rotor angle and rotor speed of synchronous reluctance motor at start-up |
| GB2505488A (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-05 | Melexis Technologies Nv | Driving a sensorless brushless DC motor |
| WO2014130601A2 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-28 | Microchip Technology Incorporated | Method and system for determining the position of a synchronous motor's rotor |
-
2015
- 2015-05-27 RU RU2015120204/07A patent/RU2594358C1/ru active
Patent Citations (9)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| FR2697696A1 (fr) * | 1992-11-04 | 1994-05-06 | Valeo Systemes Dessuyage | Procédé pour autopilotage sans capteur direct de position un moteur à reluctance variable et dispositif pour sa mise en Óoeuvre. |
| JP3381509B2 (ja) * | 1996-02-29 | 2003-03-04 | トヨタ自動車株式会社 | 電気角検出装置および同期モータの駆動装置 |
| DE69726776T2 (de) * | 1996-02-29 | 2004-10-07 | Toyota Motor Co Ltd | Vorrichtung zur Feststellung des elektrischen Winkels und Steuerungsvorrichtung für einen Synchronmotor |
| RU2262181C2 (ru) * | 1999-12-15 | 2005-10-10 | Бьен-Эр С.А. | Способ и устройство для определения углового положения ротора многофазного электродвигателя с постоянным магнитом |
| RU2182743C1 (ru) * | 2000-09-27 | 2002-05-20 | Московский энергетический институт (Технический университет) | Способ управления вентильно-индукторным электроприводом и устройство для его осуществления |
| RU2277289C1 (ru) * | 2004-11-23 | 2006-05-27 | Общество с ограниченной ответственностью "Вега-ГАЗ" | Способ квазичастотного мягкого пуска синхронного двигателя и устройство для его осуществления |
| EP2493066A1 (en) * | 2011-02-22 | 2012-08-29 | ABB Oy | Method and apparatus for estimating rotor angle and rotor speed of synchronous reluctance motor at start-up |
| GB2505488A (en) * | 2012-08-31 | 2014-03-05 | Melexis Technologies Nv | Driving a sensorless brushless DC motor |
| WO2014130601A2 (en) * | 2013-02-20 | 2014-08-28 | Microchip Technology Incorporated | Method and system for determining the position of a synchronous motor's rotor |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2715213C1 (ru) * | 2018-12-03 | 2020-02-26 | Общество с ограниченной ответственностью "НПФ ВЕКТОР" | Способ определения углового положения ротора электродвигателей класса синхронных машин с обмоткой возбуждения |
| RU2746795C1 (ru) * | 2020-07-07 | 2021-04-21 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Крыловский государственный научный центр" | Способ частотного управления электроприводом с синхронным двигателем без датчика положения ротора |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Haque et al. | A sensorless initial rotor position estimation scheme for a direct torque controlled interior permanent magnet synchronous motor drive | |
| CN105141213B (zh) | 用于确定多相电机的转子的位置的方法 | |
| Dutta et al. | A comparative analysis of two test methods of measuring $ d $-and $ q $-axes inductances of interior permanent-magnet machine | |
| Singh et al. | Various techniques of sensorless speed control of PMSM: A review | |
| CN107769633B (zh) | 确定无铁pmsm电机的转子的取向的方法和电机系统 | |
| Antonello et al. | Benefits of direct phase voltage measurement in the rotor initial position detection for permanent-magnet motor drives | |
| Schroedl | Sensorless control of permanent magnet synchronous motors | |
| EP1181766B1 (en) | Starting procedure of open-loop vector control in synchronous machine | |
| RU2594358C1 (ru) | Способ бездатчикового определения начального положения ротора синхронного электродвигателя с постоянными магнитами | |
| Chatterjee | A simple leakage inductance identification technique for three-phase induction machines under variable flux condition | |
| CN108233780A (zh) | 用于检测同步机转子的永磁体存在的方法和装置 | |
| Schrodl et al. | Sensorless control of PM synchronous motors using a predictive current controller with integrated INFORM and EMF evaluation | |
| Song et al. | Sensorless control of surface permanent magnet synchronous motor using a new method | |
| Jacob et al. | Self-commissioning identification of permanent magnet flux-linkage magnitude in sensorless drives for PMSM at quasi stand-still | |
| Kuai et al. | Sensorless control of three phase switched reluctance motor drives using an approximate inductance model | |
| JP2019033582A (ja) | 制御装置及び制御方法 | |
| Schubert et al. | On the torque accuracy of stator flux observer based induction machine control | |
| Szalay et al. | Modeling of slotless surface-mounted PM synchronous motor for sensorless applications | |
| Lu et al. | Detrimental effect elimination of current sensor accuracy uncertainty for high-precision position sensorless control of interior permanent magnet synchronous motor drives | |
| US7067997B2 (en) | Method for determining rotor position angle of synchronous machine | |
| Zeng et al. | A new flux/current method for SRM rotor position estimation | |
| Consoli et al. | Sensorless control of AC motors at zero speed | |
| Lashkevich et al. | Self-sensing control capability of synchronous homopolar motor in traction applications | |
| Coman et al. | V/f control strategy with constant power factor for SPMSM drives, with experiments | |
| He et al. | Speed and position sensorless control for dual-three-phase PMSM drives |