一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)公開一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，屬于發(fā)電、變電或配電的技術(shù)領(lǐng)域。針對基于模型參考自適應(yīng)的HSPMSM無位置控制系統(tǒng)的帶速啟動。首先判斷帶速電機所處的轉(zhuǎn)速區(qū)間，在中高速時，采用短路電流矢量法求解出電機的初始轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角，將上述轉(zhuǎn)速和角度作為初始值帶入無位置算法中，完成電機的飛啟。在較低速時，采用反電勢解耦法實現(xiàn)電機的低速飛啟。而在極低轉(zhuǎn)速甚至零速時，采用恒流頻比控制，將電機拖至一定轉(zhuǎn)速，再切換至無位置控制。本發(fā)明專利技術(shù)提出的飛啟方法能可靠地啟動帶速電機，有效抑制電機起動過程中出現(xiàn)的沖擊電流，實現(xiàn)帶速電機的全速域飛啟，無需附加任何傳感器且容易實現(xiàn)，具備良好的經(jīng)濟(jì)性與實用性。性。性。

【技術(shù)實現(xiàn)步驟摘要】
一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法


[0001]本專利技術(shù)涉及電機帶速重投控制技術(shù)，具體公開一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，屬于發(fā)電、變電或配電的


技術(shù)介紹

[0002]高速永磁同步電機(High
?
Speed Permanent Magnet Synchronous Machine，HSPMSM)具有體積小、效率高、功率密度高、調(diào)速范圍寬等優(yōu)點。在航空航天、新能源汽車、高檔家電等領(lǐng)域，HSPMSM正逐漸成為研究和應(yīng)用的熱點。傳統(tǒng)矢量控制方法較為成熟且容易實現(xiàn)，在HSPMSM的控制系統(tǒng)中多采用矢量控制的策略。進(jìn)一步地，為了提高HSPMSM矢量控制系統(tǒng)的可靠性，減少控制系統(tǒng)的成本，并減小電機的體積，HSPMSM的矢量控制系統(tǒng)中多采用無位置傳感器控制策略。
[0003]在HSPMSM無位置傳感器控制系統(tǒng)中，電機的啟動大多數(shù)都是從零轉(zhuǎn)速開始啟動。而在某些特殊的應(yīng)用場合中，例如帶初始轉(zhuǎn)速的風(fēng)機、抽水機的啟動，電車惰行再啟動，大慣量電機再啟動、位置傳感器的容錯控制等，電機的初始速度都不為零，在HSPMSM無位置傳感器控制中，啟動帶初始轉(zhuǎn)速的電機稱為HSPMSM的飛啟(Flying
?
Start)。
[0004]矢量控制的核心問題在于獲得電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置角度，使得定子電流產(chǎn)生的磁場矢量垂直于轉(zhuǎn)子磁場矢量，以此產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩。在HSPMSM的無位置傳感器控制系統(tǒng)飛啟前，逆變器處于斷開狀態(tài)，電機定子繞組不存在電流，無法直接使用無位置算法啟動帶速電機，同時帶速電機的反電勢存在與逆變器初始輸出電壓不匹配的問題，直接啟動帶速電機導(dǎo)致沖擊電流及電機失步。
[0005]傳統(tǒng)的永磁同步電機帶速重投技術(shù)可以分為兩大類：第一類為使用電壓傳感器測量旋轉(zhuǎn)電機定子繞組中的感應(yīng)電動勢，解算感應(yīng)動電勢即可以得到實現(xiàn)電機飛啟的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置，增加額外的電壓傳感器，增加控制系統(tǒng)的成本，降低無位置控制系統(tǒng)的可靠性；
[0006]第二類為高頻信號注入的方法，通過求解電流響應(yīng)可以估算出電機的初始轉(zhuǎn)速和初始位置，在零低速時具有優(yōu)異的控制性能，然而高頻信號注入只能在凸極電機中使用，解算高頻電流響應(yīng)所需要的濾波器和觀測器設(shè)計復(fù)雜，同時逆變器輸出電壓存在的限幅進(jìn)一步限制了高頻信號注入方法在初始轉(zhuǎn)速較高的電機飛啟中的應(yīng)用。
[0007]為了克服需要額外機械傳感器的永磁同步電機帶速重投技術(shù)增加系統(tǒng)成本且降低無位置控制系統(tǒng)可靠性的缺陷，相關(guān)學(xué)者使用兩次短路電流矢量法與基于有效磁鏈法的無位置控制實現(xiàn)電機的帶速重投，然而為了解決有效磁鏈法的積分器重啟問題，需要設(shè)置一段飛啟過渡時期，也就是說，在完成短路操作后，無法立即啟動帶速電機，因此不適用于電機需要快速啟動的場合。更重要地，兩次短路電流矢量法十分依賴于電流采樣和計算的準(zhǔn)確性，電流采樣存在誤差時，電機轉(zhuǎn)速和角度計算誤差會很大，從而導(dǎo)致飛啟過程中轉(zhuǎn)速的波動，甚至飛啟失敗。為實現(xiàn)永磁同步電機全速域的飛啟，相關(guān)學(xué)者提出基于復(fù)合控制策略的無位置傳感器控制技術(shù)實現(xiàn)永磁同步電機全速域范圍內(nèi)的控制，例如，在靜止時檢測電機初始位置，在低速區(qū)采用高頻脈振方波注入的方法辨識電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置；在零速
和低速取采用高頻脈振信號注入法，在中速過渡區(qū)采用高頻脈振注入與模型參考自適應(yīng)相結(jié)合的方法，在高速區(qū)采用模型參考自適應(yīng)方法。然而，對于表貼式的永磁同步電機或者凸極率較小的永磁同步電機來說，高頻脈振方波注入的方法并不適用，需要設(shè)計切換過程以使不同速域的控制方法平滑切換，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全速域內(nèi)的控制但不能滿足電機快速啟動的應(yīng)用需求。
[0008]本專利技術(shù)旨在提出一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，在不增加額外電流與電壓傳感器的情況下實現(xiàn)全速域的飛啟。

技術(shù)實現(xiàn)思路

[0009]本專利技術(shù)的專利技術(shù)目的是針對上述
技術(shù)介紹
的不足，提供一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，根據(jù)短路測試脈沖產(chǎn)生的所有短路電流矢量的幅值將電機全速域分為中高速區(qū)間、低速區(qū)間、零低速區(qū)，根據(jù)短路測試脈沖產(chǎn)生的實時短路電流矢量幅值判斷電機所處的速度區(qū)間，對于中高速區(qū)間的電機進(jìn)行基于短路電流矢量法的無位置控制，對于低速區(qū)間的電機進(jìn)行基于反電勢解耦法的無位置控制，對于零低速區(qū)間的電機進(jìn)行基于恒流頻比啟動的無位置控制，采用各速度區(qū)間對應(yīng)的控制策略實現(xiàn)HSPMSM的全速域飛啟，解決現(xiàn)有永磁同步電機帶速重投方法需要增加額外電壓傳感器、高頻信號注入法不適于初始轉(zhuǎn)速較高的電機飛啟以及基于兩次短路電流矢量法無位置控制存在計算誤差且在短路電流操作后無法立即啟動帶速電機的技術(shù)問題。
[0010]本專利技術(shù)為實現(xiàn)上述專利技術(shù)目的采用如下技術(shù)方案：一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，向電機定子繞組注入測試短路脈沖，采集短路電流并計算短路電流矢量的幅值，根據(jù)短路電流矢量的幅值判定帶速電機的初始轉(zhuǎn)速所處的轉(zhuǎn)速區(qū)間，并根據(jù)初始轉(zhuǎn)速所處的區(qū)間選擇對應(yīng)的飛啟方法。
[0011]進(jìn)一步地，根據(jù)初始轉(zhuǎn)速所處的區(qū)間選擇對應(yīng)的飛啟方法，具體為：若短路電流矢量的幅值大于額定電流的40％時，則判定帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于中高速區(qū)間，采用短路電流矢量法估計無位置算法的初始轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子初始位置角后，對帶速電機進(jìn)行基于模型參考自適應(yīng)的無位置傳感器的控制；若短路電流矢量的幅值小于額定電流的40％且大于額定電流的3％，則判定帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于低速區(qū)間，對觀測得到的反電勢前饋解耦得到矢量控制的指令電壓，逆變器在矢量控制的作用下工作，帶速電機定子繞組產(chǎn)生電流后，采用基于模型參考自適應(yīng)的無位置控制算法實現(xiàn)低速區(qū)間電機的飛啟；若短路電流矢量的幅值小于額定電流的3％，則判定帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于零低速區(qū)間，采用恒流頻比控制方法將帶速電機拖至給定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行后再切換至基于模型參考自適應(yīng)的無位置控制方法。
[0012]進(jìn)一步地，中高速區(qū)間和低速區(qū)間的分界轉(zhuǎn)速值ω
ec
為ω
ec
＝0.4I
N
L
q
/T
test
ψ
f
。
[0013]進(jìn)一步地，帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于中高速區(qū)間時，采用短路電流矢量法估計帶速電機的初始轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子初始位置角的具體方法為：首先，將逆變器上橋臂全部關(guān)閉而下橋臂全部打開，由此產(chǎn)生短路電流矢量，重復(fù)四次上述短路操作并由電流傳感器對短路電流進(jìn)行采樣，電流傳感器頻率設(shè)置為系統(tǒng)運行頻率的10倍，且采集短路電流的最大值；其次，由于短路操作時間極短，一般為幾百微秒，因此認(rèn)為電機轉(zhuǎn)速近似不變。在電機參數(shù)不發(fā)生改變的情況下，四次短路電流矢量幅值相同，而短路電流矢量的空間位置隨著電機的旋轉(zhuǎn)而改變，因此兩個短路電流矢量在空間上的角度差即為電機在相隔的短路操作中旋轉(zhuǎn)
過的電角度，此角度差除以兩次短路操作的時間即為電機的初始轉(zhuǎn)速，四次短路操作得到三組電機轉(zhuǎn)速，各組轉(zhuǎn)速之間的誤差均小于5％時，將各轉(zhuǎn)速的平均值作為電機初始轉(zhuǎn)速；帶入電機初始轉(zhuǎn)速，采用拉普拉斯變換求解出短路電流在d
?
q坐標(biāo)系下的值，依此求解出最后一次短路電流矢量在d
...

【技術(shù)保護(hù)點】

【技術(shù)特征摘要】
1.一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，控制逆變器向定子繞組側(cè)注入測試短路脈沖；采集定子繞組短路電流，并根據(jù)定子繞組短路電流矢量幅值判定帶速電機初始轉(zhuǎn)速所處的轉(zhuǎn)速區(qū)間；帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于中高速區(qū)間時，采用四次短路電流矢量法計算初始轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子初始位置角，依據(jù)計算得到的初始轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子初始位置角對電機進(jìn)行無位置控制；帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于低速區(qū)間時，采用反電勢解耦法獲取矢量控制指令信號，依據(jù)矢量控制的指令信號控制定子繞組側(cè)逆變器，在檢測到定子繞組產(chǎn)生電流后對電機進(jìn)行無位置控制；帶速電機的初始轉(zhuǎn)速處于零低速區(qū)間時，采用恒流頻比控制法將帶速電機拖動至給定轉(zhuǎn)速，依據(jù)給定轉(zhuǎn)速及其對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置角對電機進(jìn)行無位置控制。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，定子繞組短路電流矢量幅值大于額定電流的40％時，則判定帶速電機初始轉(zhuǎn)速處于中高速區(qū)間；定子繞組短路電流矢量幅值小于額定電流的40％且大于額定電流的3％時，則判定帶速電機初始轉(zhuǎn)速處于低速區(qū)間；定子繞組短路電流矢量幅值小于額定電流的3％時，則判定帶速電機初始轉(zhuǎn)速處于零低速區(qū)間。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，所述無位置控制通過基于電流型模型參考自適應(yīng)算法實現(xiàn)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，采用四次短路電流矢量法計算初始轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)子初始位置角的具體方法為：對電機電子繞組進(jìn)行四次短路操作，并采樣每次短路操作獲取的短路電流矢量，依據(jù)兩個短路電流矢量在空間上的角度差以及兩次短路操作的時間間隔確定帶速電機的初始轉(zhuǎn)速，根據(jù)四次短路操作獲取的短路電流矢量求得三組初始轉(zhuǎn)速，在各組初始轉(zhuǎn)速滿足閾值要求時，將各組初始轉(zhuǎn)速的均值作為初始轉(zhuǎn)速，依據(jù)初始轉(zhuǎn)速求解出最后一個短路電流矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的角度，依據(jù)最后一個短路電流矢量在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的角度與最后一個短路電流矢量在靜止坐標(biāo)系下的角度的差值求得轉(zhuǎn)子初始位置角。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，采用反電勢解耦法獲取矢量控制指令信號的具體方法為：將兩相靜止坐標(biāo)系下的給定電流以及電機角度均置為0，通過擾動觀測法獲取電機拓展反電勢的觀測值，對拓展反電勢的觀測值進(jìn)行前饋解耦得到矢量控制的指令信號。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種高速永磁同步電機全速域飛啟方法，其特征在于，所述給定轉(zhuǎn)速為以電流矢量旋轉(zhuǎn)加速度為斜率的斜坡信號，所述電流矢量旋轉(zhuǎn)加速度滿足如下約...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：程明，李林，花為，
申請(專利權(quán))人：東南大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：