永磁同步電機啟動電路及啟動方法技術

本發明專利技術公開了一種永磁同步電機啟動電路及啟動方法，包括逆變器電路、3個電流傳感器、電動機和主控板；所述逆變器電路包括3組IGBT模塊，3組IGBT模塊分別通過3條導線與電動機電連接，3個電流傳感器分別位于3條導線上；所述主控板包括轉速控制模塊、啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊、轉速估算單元、積分器單元、位置信號切換單元、IPARK單元、CLARK單元、PARK單元、SVPWM單元；本發明專利技術具有能夠加快啟動過程，并縮小給定旋轉坐標系與實際旋轉坐標系之間的角度差，確保平滑地從轉速開環啟動切換到轉速電流雙閉環無傳感矢量控制運行的特點。

【技術實現步驟摘要】
永磁同步電機啟動電路及啟動方法
本專利技術總體來說涉及到電機控制
，具體是指一種可實現無傳感啟動及平滑切換的永磁同步電機啟動電路及啟動方法。
技術介紹
永磁同步電機具有體積小、功率密度高、響應快等固有優點，近年來隨著永磁體材料、電力電子集成化、高性能微處理器的發展，基于矢量控制技術的永磁同步電機驅動系統在家用電器、數控機床、工業機器人、電動汽車等領域得到了廣泛應用。近年來，提出了多種無位置傳感器的轉子位置和速度估算方法。在永磁同步電機的無位置傳感器工業應用中，簡單易行的反電勢方法仍是主流。這些方法根據電機的電壓電流信號，基于電機的反電動勢來估算轉子位置和速度。該方法的主要問題在于電機在零速或低速時，由于反電動勢較小，很難進行檢測。因此，永磁同步電機在無位置轉速信息的條件下如何順利啟動、并平穩切換到雙閉環模式成為無傳感矢量控制的一大挑戰。單電流閉環啟動是永磁同步電機無傳感啟動的一種簡單高效的實現方式。傳統的單電流閉環啟動分為三個過程：初始定位、同步啟動和開閉環切換。在同步啟動階段，給定電流控制器指令電流矢量相位固定。這種情況下，啟動過程中給定旋轉坐標系d*q*和實際旋轉坐標系dq之間存在角度差Δθ，如圖1所示。Δθ大小不定，由給定啟動電流幅值和負載特性決定。直接進行切換時，由于角度差Δθ的存在，會引起電流控制量和變換角θ的跳變，產生電流脈動及轉速抖動。針對傳統單電流環啟動存在的切換抖動問題，已經提出了一些改進方案，如基于電流幅值變化的切換過渡方案。通過逐步減小電流幅值的方式來調整角度差Δθ的大小，使Δθ逐步縮小到0。該方案能夠實現控制方式的切換，但是由于該方案在切換的時刻會將系統的運行狀態置于“轉矩一功角自平衡”區域的邊緣狀態，電機會有失步的風險。另外，這種方法為了保持電機運行在“準穩態”，需要較長的電流調節過程，可靠性和工程實用性不強。中國專利授權公開號：CN102969946A，授權公開日2013年3月13日，公開了一種高負載電機啟動方法，包括輔助驅動電機和主驅動電機，所述輔助驅動電機為高速電機，所述主驅動電機為低速電機，將所述輔助驅動電機和所述主驅動電機之間通過磁變速器進行隔離連接，首先啟動所述輔助驅動電機，此時主驅動電機處于空載零速啟動狀態，然后由所述輔助驅動電機通過磁變速器帶動主驅動電機進行運轉，當主驅動電機的轉速達到工作轉速的一半時，啟動所述主驅動電機。該專利技術的不足之處是，功能單一，無法用于永磁同步電機啟動。
技術實現思路
本專利技術的專利技術目的是為了克服現有技術中的永磁同步電機在無傳感條件下帶載啟動困難、開閉環切換不平滑的不足，提供了一種可實現無傳感啟動及平滑切換的永磁同步電機啟動電路及啟動方法。為了實現上述目的，本專利技術采用以下技術方案：一種永磁同步電機啟動電路，包括逆變器電路、3個電流傳感器、電動機和主控板；所述逆變器電路包括3組IGBT模塊，3組IGBT模塊分別通過3條導線與電動機電連接，3個電流傳感器分別位于3條導線上；所述主控板包括轉速控制模塊、啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊、轉速估算單元、積分器單元、位置信號切換單元、IPARK單元、CLARK單元、PARK單元、SVPWM單元；轉速控制模塊分別與啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊和積分器單元連接，啟動電流指令發生模塊與電流控制模塊連接，轉速估算單元、積分器單元、位置信號切換單元依次連接，電流控制模塊、IPARK單元、SVPWM單元依次連接，CLARK單元和PARK單元連接，PARK單元和電流控制模塊連接，IPARK單元、CLARK單元分別和轉速估算單元連接；SVPWM單元分別與3組IGBT模塊電連接，3個電流傳感器均與CLARK單元電連接。本專利技術能夠克服傳統單電流閉環啟動方法由于給定旋轉坐標系與實際旋轉坐標系之間的角度差造成的切換抖動問題，能夠實現從空載到滿載條件下永磁同步電機的順利無傳感啟動。在同步啟動階段一，電流相位線性增加，能夠縮短啟動時間，加快永磁同步電機的同步啟動過程；同步啟動階段二，電流相位自調整，能夠使給定旋轉坐標系與實際旋轉坐標系之間的角度差逐步逼近于零，從而確保平滑地從轉速開環啟動切換到轉速電流雙閉環無傳感矢量控制運行。轉速估算的準確性是實現無傳感矢量控制的必要前提，本專利技術中提出通過計算轉速估算方差來判斷估算的準確性與穩定性，能夠簡單、高效地判斷轉速估算性能。因此，本專利技術具有能夠實現永磁同步電機在帶載情況下的無傳感啟動；能夠加快啟動過程，并縮小給定旋轉坐標系與實際旋轉坐標系之間的角度差，確保平滑地從轉速開環啟動切換到轉速電流雙閉環無傳感矢量控制運行的特點。作為優選，所述轉速控制模塊包括依次連接的轉速指令發生單元、轉速變化率限制單元、轉速控制單元；轉速變化率限制單元分別與啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊以及積分器單元連接，轉速控制模塊和電流控制模塊連接。作為優選，所述電流控制模塊包括相互連接的電流指令切換單元和電流控制單元；電流指令切換單元分別與轉速控制模塊和啟動電流指令發生模塊連接，電流控制單元與IPARK單元連接。作為優選，所述啟動電流指令發生模塊包括第一電流相位發生單元、第二電流相位發生單元、電流相位切換單元和電流指令發生單元；第一電流相位發生單元和第二電流相位發生單元并聯，第一電流相位發生單元的輸入端與轉速控制模塊連接，第二電流相位發生單元的輸入端與轉速控制模塊和電流控制模塊連接，第一電流相位發生單元和第二電流相位發生單元的輸出端依次與電流相位切換單元和電流指令發生單元連接，電流指令發生單元與電流控制模塊連接。一種永磁同步電機啟動電路的啟動方法，包括如下步驟：(5-1)初始定位：SVPWM單元輸出6路PWM信號，使電動機轉子定位于電角度θ0的位置；(5-2)同步啟動階段一：(5-2-1)啟動電流指令發生模塊根據工況預估負載轉矩Tl，計算負載電流Il；設置啟動電流幅值為計算期望負載角θl0；(5-2-2)轉速控制模塊輸出設定的轉速目標值ω*、加速度限制參數a*和速度參考值給啟動電流指令發生模塊，啟動電流指令發生模塊根據θl0、ω*和a*計算出電流相位線性增加斜率ωs；(5-2-3)啟動電流指令發生模塊輸出電流指令相位θsyncl＝ωst，根據θsync1和θl0的大小關系，設定θsync的值；啟動電流指令發生模塊利用公式計算出電流指令和(5-2-4)電流控制模塊計算給定旋轉坐標系和實際旋轉坐標系之間的角度差Δθ；根據與0.05ωn之間的大小關系、Δθ和θth的大小關系、轉速估算方差S和sth之間的大小關系，設定或其中，ωn為電動機的額定轉速，θth為設定的角度差判斷閾值，sth為設定的轉速估算方差閾值，為設定的d軸電流指令值，為轉速控制模塊輸出的q軸電流指令值；(5-2-5)電流控制模塊根據輸入指令和反饋指令Id、Iq，采用PI控制器計算并輸出控制電壓和將輸入到積分器單元，積分器單元輸出θ1，位置信號切換單元根據與0.05ωn之間的大小關系、Δθ和θth的大小關系、轉速估算方差S和sth之間的大小關系，確定θ的值；(5-2-6)IPARK單元計算得到αβ坐標系內的Uα、Uβ，Uα、Uβ輸入到SVPWM單元，生成相應的PWM波輸出到3組IGBT模塊，控制IGBT通斷；(5-2-7)3個電流傳感器檢本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種永磁同步電機啟動電路，其特征是，包括逆變器電路(1)、3個電流傳感器(2)、電動機(3)和主控板(4)；所述逆變器電路包括3組IGBT模塊(5)，3組IGBT模塊分別通過3條導線與電動機電連接，3個電流傳感器分別位于3條導線上；所述主控板包括轉速控制模塊(420)、啟動電流指令發生模塊(421)、電流控制模塊(422)、轉速估算單元(410)、積分器單元(411)、位置信號切換單元(412)、IPARK單元(413)、CLARK單元(414)、PARK單元(415)、SVPWM單元(416)；轉速控制模塊分別與啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊和積分器單元連接，啟動電流指令發生模塊與電流控制模塊連接，轉速估算單元、積分器單元、位置信號切換單元依次連接，電流控制模塊、IPARK單元、SVPWM單元依次連接，CLARK單元和PARK單元連接，PARK單元和電流控制模塊連接，IPARK單元、CLARK單元分別和轉速估算單元連接；SVPWM單元分別與3組IGBT模塊電連接，3個電流傳感器均與CLARK單元電連接。

【技術特征摘要】
1.一種永磁同步電機啟動電路，其特征是，包括逆變器電路(1)、3個電流傳感器(2)、電動機(3)和主控板(4)；所述逆變器電路包括3組IGBT模塊(5)，3組IGBT模塊分別通過3條導線與電動機電連接，3個電流傳感器分別位于3條導線上；所述主控板包括轉速控制模塊(420)、啟動電流指令發生模塊(421)、電流控制模塊(422)、轉速估算單元(410)、積分器單元(411)、位置信號切換單元(412)、IPARK單元(413)、CLARK單元(414)、PARK單元(415)、SVPWM單元(416)；轉速控制模塊分別與啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊和積分器單元連接，啟動電流指令發生模塊與電流控制模塊連接，轉速估算單元、積分器單元、位置信號切換單元依次連接，電流控制模塊、IPARK單元、SVPWM單元依次連接，CLARK單元和PARK單元連接，PARK單元和電流控制模塊連接，IPARK單元、CLARK單元分別和轉速估算單元連接；SVPWM單元分別與3組IGBT模塊電連接，3個電流傳感器均與CLARK單元電連接；所述轉速控制模塊包括依次連接的轉速指令發生單元(41)、轉速變化率限制單元(42)、轉速控制單元(43)；轉速變化率限制單元分別與啟動電流指令發生模塊、電流控制模塊以及積分器單元連接，轉速控制單元和電流控制模塊連接。2.根據權利要求1所述的永磁同步電機啟動電路，其特征是，所述電流控制模塊包括相互連接的電流指令切換單元(48)和電流控制單元(49)；電流指令切換單元分別與轉速控制模塊和啟動電流指令發生模塊連接，電流控制單元與IPARK單元連接。3.根據權利要求1或2所述的永磁同步電機啟動電路，其特征是，所述啟動電流指令發生模塊包括第一電流相位發生單元(44)、第二電流相位發生單元(45)、電流相位切換單元(46)和電流指令發生單元(47)；第一電流相位發生單元和第二電流相位發生單元并聯，第一電流相位發生單元的輸入端與轉速控制模塊連接，第二電流相位發生單元的輸入端與轉速控制模塊和電流控制模塊連接，第一電流相位發生單元和第二電流相位發生單元的輸出端依次與電流相位切換單元和電流指令發生單元連接，電流指令發生單元與電流控制模塊連接。4.一種適用于權利要求1所述的永磁同步電機啟動電路的啟動方法，其特征是，包括如下步驟：(4-1)初始定位：SVPWM單元輸出6路PWM信號，使電動機轉子定位于電角度θ0的位置；(4-2)同步啟動階段一：(4-2-1)啟動電流指令發生模塊根據工況預估負載轉矩Tl，計算負載電流Il；設置啟動電流幅值為計算期望負載角θl0；(4-2-2)轉速控制模塊輸出設定的轉速目標值ω*、加速度限制參數a*和速度參考值給啟動電流指令發生模塊，啟動電流指令發生模塊根據θl0、ω*和a*計算出電流相位線性增加斜率ωs；(4-2-3)啟動電流指令發生模塊輸出電流指令相位θsync1＝ωst，根據θsync1和θl0的大小關系，設定θsync的值；啟動電流指令發生模塊利用公式計算出電流指令和(4-2-4)電流控制模塊計算給定旋轉坐標系和實際旋轉坐標系之間的角度差Δθ；根據與0.05ωn之間的大小關系、Δθ和θth的大小關系、轉速估算方差S和sth之間的大小關系，設定或其中，ωn為電動機的額定轉速，θth為設定的角度差判斷閾值，sth為設定的轉速估算方差閾值，為設定的d軸電流指令值，為轉速控制模塊輸出的q軸電流指令值；(4-2-5)電流控制模塊根據輸入指令和反饋指令Id、Iq，采用PI控制器計算并輸出控制電壓和將輸入到積分器單元，積分器單元輸出θ1，位置信號切換單元根據與0.05ωn之間的大小關系、Δθ和θth的大小關系、轉速估算方差S和sth之間的大小關系，確定θ的值；(4-2-6)IPARK單元計算得到αβ坐標系內的Uα、Uβ，Uα、Uβ輸入到SVPWM單元，生成相應的PWM波輸出到3組IGBT模塊，控制IGBT通斷；(4-2-7)3個電流...

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉硯，祝閩，曲強，徐敏珍，郝兆禮，白政巧，
申請(專利權)人：杭州娃哈哈精密機械有限公司，
類型：發明
國別省市：浙江;33