WO2014075372A1

WO2014075372A1 - 永磁电机启动方法、装置及系统

Info

Publication number: WO2014075372A1
Application number: PCT/CN2012/087658
Authority: WO
Inventors: 刘建; 王铭; 张奎
Original assignee: 海尔集团公司; 青岛海尔股份有限公司
Priority date: 2012-11-14
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-05-22
Also published as: CN103138664A

Abstract

提供了一种永磁电机启动方法、装置及系统。该方法包括：S1、在自定的转子旋转坐标系的d ^r ^̂轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号；S2、检测自定的转子旋转坐标系的q ^r ^̂轴上的高频响应电流信号；S3、将该高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；S4、通过PID调节器调节该误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；S5、根据该转子位置计算出转子初始角速度。该方法、装置及系统可将永磁电机的转子从静止状态直接进入闭环控制，在转子运转前无需通一个额外的连续直流电流，避免了电机的额外发热与晃动，避免了零部件产生的额外磨损，提高了电机能效，降低了电机噪声。

Description

电机启动方法、装置及系统

^申清要求了申清日为 ₂₀₁₂年 u月 14日，申请号为 201210456187.7 , 发明名称为' '永磁电 Δ动方法、装置及系统 "的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在衣申请中。技术领域

本发明涉及一种永磁电机启动方法，装置及系统，尤其是指一种无传感器的永磁电机启动方法、装置及系统，

背景技术

¾电机由于 Λ冇功率密度大，效率高等优点，在很多场合中得到广泛应用，例如冰葙的压 ¾机，水磁电机控制系统在实际应用场合中 ,通常需要在电机上安装价格比较昂贵的绝对式编码器或旋转变压器等位置传感器，用于获取转子的绝对位置信息。随着永磁电机控制技的 T、断发展. 为 7进一步降低永磁电机驱动系统的成本，希望采用比较廉价的增量式编码 S表检测位置 ί言息，或者采用元位置传感器技术. 然后, 这两种方案都需要解决一个重要的问题. 即必 ^在电机运行之前对转子的初始位置进行准确定位，只有得到比较准确的转子 w始 ' 置信息之后，才能有效第控制电机启动运行。

现冇地，一般是在电机绕组上施加一定幅值的电流矢量，让电流矢量保持一段时间，使得电机转子转动并 ¾位到预先设置的方向。然而，预先施加的电流矢量会造成电机额外发热 ¾ 动，导 it电机磨损，并产生噪音。

发明内容

为解决上述技问题，本明的目的在于提供一种水磁电机启动方法，

的另一目的在于提供一种永磁电机启动装置。

明的又一目的在于提供一种永磁电机启动系统。

相应 H 本发明的一种实施方式的永磁电机启动方法' 包^^

S 1 , 在自定的传子旋转坐标系的^^#轴上的永磁电机的 ¾子绕组中';主入高频电 £信号：

S2、检测自定的转子旋转坐标系的

高频响应电流信号：

S3、将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号;

54. 通过 PID调节调节所述误差 ί 号趋于零后' 计算出转子初始位置；

55 , 根据所述转子位置计算出转子初始角速度。

作为发明的进一歩改进，所述 ¾频电压信号为脉振髙频电 ^Λ信号，

作为本明的进一步改进' 所述 S2步骤后还包括：

替换页（细则第 26条) 将 W'i- i ¾ ¾响 £i电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标。

汴为本; 1 °)]的进一步改进，在所述 "将所迷高频响应电流 ί言号从三相坐标变 4灸为两项旋转 i^†" 步¾ ^ , 还包括：

'■t所迷高频响应电流信号进行带通滤波：

将带通滤波后的高频响应电流信号进行故大.

作为本发明的进一步改进，所述 S5步骤真体为：

对所述转子初始位置进行微分, 获得所述转子初始 i¾速度。

相应地，衣发明的一种实施方式的永磁电机启动裝置，包括：在自定的转子旋转坐标系的 d^f轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号：

¾测自定的转子旋转坐标系的 q^e轴上的高频响应电流信号；

将述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；

调节述误差信号趋于零^，计算出转子初始位置:

据所述转子位置计算出转子初始角速度。

ΐ为本发明的进步改进 , 所述高频电压信号为脉根高频电压信号。

作 ·々本 ^明的进一步改进，所述装置还用于将所述高顿响应电流信号从三相坐标变换为 ^項旋转坐标 .，

作为本发明的进一步改进，所述装置还用于：

ή所 ' *高 η响应电流 α号进行带通滤波：

^带通滤波后的高频响应电流信号进行故大.

为本？ t明的进一步改逬，所迷观测器为龙伯格观测器，用于对所述转子初始位置进 ί亍 - . ¾埒所转子初始/ ¾速度

• H .£i地. 冬明的一种实施方式的永磁电机启动系统. 包括：

电源单 i , 与所述电源单元电性连接的控制单元和逆变单元，所迷电源单元为所述控 *·! 元和所 i逆 ¾单元提供电力：

r,\ 逆 ¾单元电性连接永磁电机，并由所述控制单元控制 , 驱动所迷永磁电机： -中，所控制单元包括：

^于在 έ]定的转子旋转坐标系的上的水磁电机的定子绕组中 '主入高频电压信号的电路：

替换页（细则第 26条) ^于检测 έι定的转子旋转坐标系的 q轴上的高频响应电流信号的电路;

ί : ¾波器 , 用于将所述高频响应电流 ί言号进行低通滤波处理为误差信号:

P1D调节器，用于调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；

¾ »ι Β . - τ·根据所迷转子位置计算出转子初始角速度，

^ - 本明的进一步改进，所述高频电 a信号为脉振高频电压 ίΐ号，

'泎为本发明的进一步改进，所述控制电源还包括：

■'ί']于将所述髙频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标的电路.

作.力本发明的进一步改进，所述控制电源还包括：

带通； ffi波器，用于对所述高频响应电流信号进行带通滤波；

乘法 , 用于将带通滤波后的高频响应电流信号进行故大,

作为本发明的进一步改进，所述观测器为龙伯格观测器. 用于对所述转子初始位置进行；- - 伃所迻4 子初始角迷度。

i 为本明的进一步改进，所述电源单元包括：

流滤 ¾电路，用于生成高压直流电，并与所述逆变单电性连接；

ff-关电源电路，用于降所迷高压直流电，并与所迷逆变单元的高压驱动芯电性连接： DC-DC 电路. 用于对所迷开关电源电路输出的直 '流电进行降压，并与所述控制单元电 ' 连接

与现冇技术相比，通过本发明的水磁电机启动方法、装 i及系统，可将永磁电机的转子 .'. iU 下直接进入闭环控制 , 其运转前无需通一个额卟的连续直流电流，从而避免 Ϊ电 ^发与¾动. 避免了 '冬部忏产生的额汁麿损 ,, 提 s了电机能玖，降低了电^ n 附图说明

!¾ ： ^ 发明一实施方式中水磁电机^动系统的系统架构图。

¾ 1 ^发明一实施方式中永磁电机启动方法的流程 ffl。

！ ¾ ？, ¾ ^ 明一实方式中水磁电机启动装置的模块图。

具体实施方式

； ,下将^ ^附图所示的^实拖方式对^发明进行详细描述.但这些实施方式并不限制叫, ψ_领城的普通技 ^人员恨据这 *实沲方式所做出的结构、方法' 或功能上的变换均包 ■fr在 ^ ^明的保护范围内。

冬明一实^方式中' ¾水磁电机启动方法，装置及系统应用在水箱压缩机中' 其可在

替换页（细则第 26条) 压缩机未工作之前，通过控制单元控制逆变单元向压缩机内的永磁电机发送一定数量的高频电压脉沖信号，这些高频电压脉沖信号在压缩机内永磁电机三相线图内通过时和永磁电机的永体的转子磁场相互作用，使得电流的幅度发生变化，通过检测回路上水磁电机的高频响应电流，再经过一定的处理，即可得到转子的位置倌息，从而使压缩机水磁电机启动时就可以实现闭环效果，

如图 1 所示，在本发明一实施方式中，该永磁电机启动系统包括：电源单元 10，与所迷电源单元 10电性连接的控制单元 20和逆变单元 30，该电源羊元 10为该控制单元 20和该逆变单元 30提供电力。该逆变单元 30电性连接永磁电机 40， .并可由所述控制单元 20控制，以驱动所迷永磁电机 40工作。

Λ中，所述电源单元 10包括：整流滤波电路 101，开关电源电路 102 , 以及 DC-DC电路 103.

所述整流滤波电路 101 电性连接逆变单元 30。在整流滤波电路 101 中， 220V交流电经过整流桥后生成高压直流电，并经过电容滤波后向所述的逆变单元提供稳定的直流高压电. 所述开关电源电路 102电性连接所述逆变单元 30中的高压驱动芯片 301、 302. 303. 直流高压电经过开关电源电路 102降压后，生成 +15V直流电为所述的逆变单元中的高压驱动芯片 301 , 302、 303提供工作电源，

所迷 DC-DC电路 103电性连接所迷控制单元 20. 开关电源电路 102生成的 + 15V直流电输出至 DC-DC电路 103，降压为 3.3V后，为控制单元 20供电。

所述控制单元包括 PWM模块，信号采样模块，低通滤波器， PID调节器，观测器. 具体将结合图 3进行介绍。

所迷逆变单元包括三个高压驱动芯片，以及三组共六个 IGBT管。每两个 IGBT管分为一组，其中， IGBT1 , IGBT2为一组， IGBT3 , IGBT4为一组， IGBT5, IGBT6为一组，其柵极分别与控制单元的三相 P WM模块对应连接.每一组的第一个 IGBT管，如 IGBT 1 , IGBT3， IGBT5 的漏极分别连接所述整流滤波电路 101 输出的直流高压电，源极一方面连接三相永磁电机 40的其中一相输入端（U,V,W ), 而永磁电机 40的另一相与每一组的第二个 IGBT 的漏极对应连接，如 IGBT2 ' IGBT4, IGBT6,每一组的第二个 IGBT(IGBT2 ' IGBT4, IGBT6) 的源极经电 t¹且 50连接控制单元的信号才洋模块，对永磁电机的高频响应电流信号进行采样. 三个高压驱动芯片 301、 302. 303的输入端与控制单元的三相 PWM模块对应相连接，榆出端分别连接三组 IGBT的柵极，如高压驱动芯片 301连接 IGBT1 ' IGBT2 , 髙压驱动芯片 302连接 IGBT3、 IGBT4, 高压驱动芯片 303连接 IGBT5 , IGBT6.

替换页（细则第 26条) 如图 2所示，在本发明一实施方式中，所述永磁电机启动方法，包括： si . 在自定的转子旋转坐标系的 d^f轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号；其中，所述高频电压信号为脉振高频电压信号. 优选地，该脉振高频电压信号为：

S2 , 检测自定的转子旋转坐标系的 q轴上的髙频响应电流信号；优选地，在所述步骤后，还包括将所迷高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标。所述高频响应电流信号为： ' ^ζ雌'

Ο一

= _zr C- sm 2ΔΘ_Γ - _Zdiff)

^Zdl ^Zql ，式中， Zdiff为高频阻抗差异， 2_{¾为£1轴的阻抗， ^z q^F轴的阻抗。因高频电阻相对于高频感抗来可忽略不计，故^^轴和 q¹"轴的高频阻抗可以简化为：

z5l = RqL + jW_lL_¾l ¾f J&i_lL_{ll

这里定一 ~ 2 ~ ^{i L}*^ff 2 。从而， q¹—轴上的高频响应电流信号可以写为： i

优选地，在所述步骤后，还包括：

对所述高频响应电流信号进行带通滤波；

将带通滤波后的高频 ^应电流信号进行放大' 其中' 对高频响应电流信号进行故大' 是将该

替换页（细则第 26条) ^s

53. 将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；优选地，经过低通滤波处理后：

，这里的 ^ 即是误差信号，

54.通过 PID调节器调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；优选地，当 ^ΔΘΓ 很小时，可以认为ⁱΔβ 和&θr成正比关系，可通过 pro 调节器调节参数，使该误差信号趋于零，优选地，可调节该误差信号等于零。这样，即可将收敛于真实值，得到转子初始位置，

55. 根据所迷转子位置计算出转子初始角速度。优选地，通过将取微分，就可茯得 ω -_Γ =— ^d U 2_t

转子初始角速度： .

如图 3所示，在本发明一实施方式中，该永磁电机启动装置为控制单元 20, 所述控制单元包括：用于在自定的转子旋转坐标系的 ^^轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号的电路：其中，所述高频电压 ί言号为脉振高频电压信号。优选地，该脉振高频电压信号为：

«L . = a_Bi C0sw_lt_;

.a

用于检测自定的转子旋转坐标系的 q轴上的高频响应电流信号的电路；优选地，所述控制单元还包括用于将所迷高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标的电路 203 - 所迷高频响应电流信号为：

(- sin ZA^ Zdiff u^)

— n ~~ - (- sm 2A - z ） .

2di ' Z i , 式中， Zdia为高频阻抗差异， ^z¾为 α轴的阻

替换页（细则第 26条) 抗，为 q¹"轴的阻抗。因高频电阻相对于髙频感抗来可忽略不计，故 d^f轴和 q¹"轴的高频阻抗可以简化为：

这里定义 ^diff _ 2 ' 2 。从而， q轴上的高频响应电流信号可以写为：

优选地，该控制单元还包括：

带通滤波器 204，用于对所述高频响应电流信号进行带通滤波：

乘法器 205 , 用于将带通滤波后的高频响应电流信号进行放大，其中，对高频^应电流信号进行放大，是将该髙频响应电流与高频信号相乘： i _s · (sta &¾ } =

sin 2ΔΘ-

= _{? 2t} ! ~ IRdiff * sin 2& ^十 tLdm ' (1十 cos 2&¾¾] 低通滤波器 206 ,用于将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；优选地，经过低通滤

，这里的即是误差 ί言号。

PID调节器 207 , 用于调节器调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；优选地，当很小时，可以认为，和 θ_τ成正比关系，可通过 PID 调节器调节参数，使该误差信号趋于零，优选地，可调节该误差 ί言号等于零。这样' 即可将 ^收敛于真实值 ^ ' 得到转子初始位置。

观测 ¾ 208，用于根据所迷转子位置计算出转子初始角速度' 优选地' 所迷观测器为龙

替换页（细则第 26条) 伯格观测器。通过将取微分，就可获得转子初始角速度： ^ Λί ^θ

综上所述，通过本发明的永磁电机启动方法、装置及系统，可将水磁电机的转于从静止状态下直接进入闭环控制，其运转前无需通一个额外的连续直流电流，从而避免了电机的额外发热与晃动，避免了零部件产生的额外磨损，提高了电机能效，降低了电机噪声，

为了描迷的方便，描迷以上装置时以功能分为各种单元分别描迷。当然，在实施本申请时可以把各羊元的功能在同一个或多个软件和 /或硬件中实现。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本申请可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，基于这样的理解，冬申请的枝术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如 ROM RAM , 磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，信息推送服务器，或者网络设备等）执行本申清各个实施方式或者实施方式的某些部分所述的方法。

以上所描迷的装置实施方式仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，怍为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施方式方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

本申请可用于众多通用或专用的计算系统环境或配置中. 例如：个人计算机，信息推送服务器计算机、手持设备或便携式设备，平板 ¾!设备、多处理器系统、基于微处理器的系统、置顶盒，可编程的消费电于设备、网络 PC , 小型计算机、大型计算机、包括以上任何系统或设备的分布式计算环境等等.

本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序，对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务，在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设务在内的本地和远程计算机存储介质中 .

应当理解，虽然^说明书按照实施方式加以描迷，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忟仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式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替换页（细则第 26条) 他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等故实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

替换页（细则第 26条)

Claims

权利要求书

1、一种永磁电机启动方法，其特征在于，所述永磁电机启动方法包括以下步骤： SI - 在自定的转子旋转坐标系的轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号；

52、检测自定的转子旋转坐标系的^!⁵"轴上的高频响应电流信号；

53、将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；

54、通过 PID调节器调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；

55、根据所述转子位置计算出转子初始角速度。

2、根据权利要求 1所述的永磁电机启动方法，其特征在于，所述高频电压信号为脉振高频电压信号。

3、根据权利要求 1所述的永磁电机启动方法，其特征在于，所述 S2步骤后还包括：将所述高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标。

4、根据权利要求 3所述的永磁电机启动方法，其特征在于，在所述 "将所述高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标" 步骤后，还包括：

对所述高频响应电流信号进行带通滤波；

将带通滤波后的高频响应电流信号进行放大。

5、根据权利要求 1所述的永磁电机启动方法，其特征在于，所述 S5步骤具体为：对所述转子初始位置进行微分，获得所述转子初始角速度。

6、一种永磁电机启动装置，其特征在于，所述装置用于：在自定的转子旋转坐标系的上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号；检测自定的转子旋转坐标系的 ³'轴上的高频响应电流信号；

将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；

调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；

根据所述转子位置计算出转子初始角速度。

7、根据权利要求 6所述的永磁电机启动装置，其特征在于，所述高频电压信号为脉振高频电压信号。

8、根据权利要求 6所述的永磁电机启动装置，其特征在于，所述装置还用于将所述高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标。

9、根据权利要求 8所述的永磁电机启动装置，其特征在于，所述装置还用于：对所述高频响应电流信号进行带通滤波；

将带通滤波后的高频响应电流信号进行放大。

10、根据权利要求 6所述的永磁电机启动装置，其特征在于，所述观测器为龙伯格观测器，用于对所述转子初始位置进行微分，获得所述转子初始角速度。

11、一种永磁电机启动系统，其特征在于，所述系统包括：

电源单元，与所述电源单元电性连接的控制单元和逆变单元，所述电源单元为所述控制单元和所述逆变单元提供电力；

所述逆变单元电性连接永磁电机，并由所述控制单元控制，驱动所述永磁电机；其中，所述控制单元包括：用于在自定的转子旋转坐标系的轴上的永磁电机的定子绕组中注入高频电压信号的电路；用于检测自定的转子旋转坐标系的 q轴上的高频响应电流信号的电路；

低通滤波器，用于将所述高频响应电流信号进行低通滤波处理为误差信号；

PID调节器，用于调节所述误差信号趋于零后，计算出转子初始位置；

观测器，用于根据所述转子位置计算出转子初始角速度。

12、根据权利要求 11所述的永磁电机启动系统，其特征在于，所述高频电压信号为脉振高频电压信号。

13、根据权利要求 11所述的永磁电机启动系统，其特征在于，所述控制电源还包括：用于将所述高频响应电流信号从三相坐标变换为两项旋转坐标的电路。

14、根据权利要求 13所述的永磁电机启动系统，其特征在于，所述控制电源还包括：带通滤波器，用于对所述高频响应电流信号进行带通滤波；

乘法器，用于将带通滤波后的高频响应电流信号进行放大。

15、根据权利要求 11所述的永磁电机启动系统，其特征在于，所述观测器为龙伯格观测器，用于对所述转子初始位置进行微分，获得所述转子初始角速度。

16、根据权利要求 11所述的永磁电机启动系统，其特征在于，所述电源单元包括：整流滤波电路，用于生成高压直流电，并与所述逆变单元电性连接；

开关电源电路，用于降压所述高压直流电，并与所述逆变单元的高压驱动芯片电性连接； DC-DC 电路，用于对所述开关电源电路输出的直流电进行降压，并与所述控制单元电性连接。申请提交时空白