專(zhuān)利名稱(chēng)：電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法及控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種同步電動(dòng)機(jī)的測(cè)量方法及控制裝置，特別是一種電勵(lì)磁同步電動(dòng) 機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法及控制裝置。
背景技術(shù)：
在高性能的同步電動(dòng)機(jī)矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置和速度的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)必不可 少。基于速度傳感器的控制系統(tǒng)，采用光電碼盤(pán)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等機(jī)械速度傳感器來(lái)進(jìn)行電機(jī) 速度檢測(cè)，并反饋轉(zhuǎn)速信號(hào)。這些系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)能力較差，同時(shí)機(jī)械速度傳感器存 在安裝問(wèn)題，并且增加了系統(tǒng)的維護(hù)工作量。目前的無(wú)速度傳感器控制系統(tǒng)，利用檢測(cè)電機(jī)定子電壓、電流等物理量，結(jié)合轉(zhuǎn)子 磁路的不對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行位置和速度估計(jì)以取代機(jī)械傳感器。該系統(tǒng)解決了機(jī)械速度傳感器帶 來(lái)的問(wèn)題，降低了系統(tǒng)成本，但是目前的估算方法對(duì)電機(jī)參數(shù)的依賴(lài)性強(qiáng)，而且計(jì)算和控制 比有傳感器系統(tǒng)復(fù)雜，響應(yīng)較慢，低速動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較差。因此，良好的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法和裝置是提高同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)控制系統(tǒng)可 靠性和準(zhǔn)確性的技術(shù)保障。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是要提供一種電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法及控 制裝置，解決同步電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)提高控制系統(tǒng)的可 靠性和準(zhǔn)確性。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的解決本發(fā)明電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè) 量的技術(shù)方案有測(cè)量方法和控制裝置測(cè)量方法為a、系統(tǒng)控制器控制定子功率變換器，定子功率變換器一方面輸出三相交流電壓為 同步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，另一方面在定子繞組U相的交流電壓中疊加一個(gè)頻率為fH的高 頻電壓信號(hào)；b、在同步電動(dòng)機(jī)定子繞組U相中注入頻率為fH的高頻勵(lì)磁信號(hào)，從同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子角度θ成余弦關(guān)系的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)；C、信號(hào)濾波器提取電壓互感器檢測(cè)出的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)，系統(tǒng)控制器計(jì) 算出同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，利用轉(zhuǎn)子角度θ對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子速度I^;d、系統(tǒng)控制器依據(jù)信號(hào)設(shè)置設(shè)備的輸入信號(hào)和檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)對(duì)定子功 率變換器和轉(zhuǎn)子直流電源進(jìn)行控制；e、定子功率變換器和轉(zhuǎn)子直流電源依據(jù)系統(tǒng)控制器所發(fā)出的控制信號(hào)改變輸出， 從而快速準(zhǔn)確地控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。控制裝置為同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組連接至轉(zhuǎn)子直流電源；同步電動(dòng)機(jī)定子繞組與定子功率變換器相連接，定子功率變換器通過(guò)三相電源開(kāi)關(guān)連接至定子三相交流電源；電壓互感器 的兩個(gè)測(cè)量端分別連接至同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組兩端，電壓互感器的輸出端經(jīng)信號(hào)濾波 器連接至系統(tǒng)控制器；信號(hào)設(shè)置設(shè)備與系統(tǒng)控制器連接；系統(tǒng)控制器同時(shí)與定子功率變換 器和轉(zhuǎn)子直流電源相連接。有益效果由于采用了上述方案，在轉(zhuǎn)子位置和速度測(cè)量的方法和裝置中不采用 機(jī)械速度傳感器裝置，利用電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)本身的機(jī)械結(jié)構(gòu)和其中的電磁關(guān)系，使用定 子側(cè)注入高頻信號(hào)的方法，測(cè)量出轉(zhuǎn)子位置和速度，達(dá)到了良好的控制效果。該方法對(duì)隱極 式電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和凸極式電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)都適用。對(duì)于電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán) 控制系統(tǒng)省略了機(jī)械速度傳感器，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，提高了速度控制 的精度。解決了同步電動(dòng)機(jī)速度閉環(huán)控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問(wèn)題，提高了控制系統(tǒng)的可 靠性和準(zhǔn)確性，達(dá)到了本發(fā)明的目的。優(yōu)點(diǎn)該方法適用于隱極式電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)和凸極式電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)；該裝 置沒(méi)有機(jī)械速度傳感器，利用同步電機(jī)本身的電磁結(jié)構(gòu)，采用定子一相注入高頻信號(hào)的方 法直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組成，提高了系統(tǒng)的可靠性以及速度控制的精度。


圖1為電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量原理圖；圖2為電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度的測(cè)量及控制系統(tǒng)圖。圖中1、定子三相交流電源；2、三相電源開(kāi)關(guān)；3、定子功率變換器；4、信號(hào)設(shè)置設(shè) 備；5、系統(tǒng)控制器；6、信號(hào)濾波器；7、電壓互感器；8、轉(zhuǎn)子直流電源；9、同步電動(dòng)機(jī)定子繞 組；10、同步電動(dòng)機(jī)定子；11、同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子；12、同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 對(duì)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量的測(cè)量方法為a、系統(tǒng)控制器5控制定子功率變換器3，定子功率變換器3 —方面輸出三相交流電 壓為同步電動(dòng)機(jī)定子繞組9供電，另一方面在定子繞組U相的交流電壓中疊加一個(gè)頻率為 fH的高頻電壓信號(hào)；b、在同步電動(dòng)機(jī)定子繞組U相中注入頻率為fH的高頻勵(lì)磁信號(hào)，從同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子勵(lì)磁繞組12中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子角度θ成余弦關(guān)系的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)；C、信號(hào)濾波器6提取電壓互感器7檢測(cè)出的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)，系統(tǒng)控制 器5計(jì)算出同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，利用轉(zhuǎn)子角度θ對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子速度I^;d、系統(tǒng)控制器5依據(jù)信號(hào)設(shè)置設(shè)備4的輸入信號(hào)和檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)對(duì)定子 功率變換器3和轉(zhuǎn)子直流電源8進(jìn)行控制；e、定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子直流電源8依據(jù)系統(tǒng)控制器5所發(fā)出的控制信號(hào)改變 輸出，從而快速準(zhǔn)確地控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法的控制裝置為同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 子勵(lì)磁繞組12連接至轉(zhuǎn)子直流電源8 ；同步電動(dòng)機(jī)定子繞組9與定子功率變換器3相連接， 定子功率變換器3通過(guò)三相電源開(kāi)關(guān)2連接至定子三相交流電源1，定子功率變換器3采用常規(guī)的功率變換器；電壓互感器7的兩個(gè)測(cè)量端分別連接至同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組12兩 端，電壓互感器7的輸出端經(jīng)信號(hào)濾波器6連接至系統(tǒng)控制器5，信號(hào)濾波器6采用目前常 規(guī)的信號(hào)濾波器；信號(hào)設(shè)置設(shè)備4與系統(tǒng)控制器5連接，信號(hào)設(shè)置設(shè)備4為常規(guī)電路，系統(tǒng) 控制器5采用常規(guī)的控制器；系統(tǒng)控制器5同時(shí)與定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子直流電源8相 連接。本發(fā)明的電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量的原理在圖1中，利用系統(tǒng)控制器5，控制定子功率變換器3輸出三相交流電壓uu，uv，uw， 為同步電動(dòng)機(jī)定子繞組9供電。為了檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置和速度，需要在同步電動(dòng)機(jī)定子繞組U 相中注入頻率為fH的高頻電壓信號(hào)，因此定子功率變換器3在輸出三相交流電壓的同時(shí)， 還要在定子繞組U相中疊加一個(gè)頻率為fH的高頻單相交流電壓uH輸出。定義同步電動(dòng)機(jī)定子U相繞組的相軸為U軸，轉(zhuǎn)子磁極N的軸線(xiàn)(即轉(zhuǎn)子直流勵(lì) 磁繞組軸線(xiàn))為d軸，二者的空間夾角的電角度為θ。如果同步電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)為P，則U軸 與d軸夾角的機(jī)械角度θ ^與電角度為θ的關(guān)系為Θ =ΡΧΘγ(ι)當(dāng)同步電動(dòng)機(jī)定子U相繞組中施加頻率為fH的高頻電壓信號(hào)時(shí)，會(huì)在U軸位置產(chǎn) 生頻率為fH的高頻脈振磁場(chǎng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到d軸與定子U相繞組相軸(即U軸)的空間 夾角的電角度為θ時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組感應(yīng)出的頻率為fH的高頻變壓器電勢(shì)Eril大小為Era = Eh cos θ(2)式中，Eh為轉(zhuǎn)子d軸與U軸的空間夾角的電角度為0時(shí)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組感應(yīng)出的 頻率為fH的高頻變壓器電勢(shì)。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)的頻率為fH的高頻電勢(shì)與轉(zhuǎn)子位 置的電角度θ成余弦關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中頻率為fH的高頻電勢(shì)，就可以利用式 (2)計(jì)算出轉(zhuǎn)子位置的電角度θ。將測(cè)出的轉(zhuǎn)子位置角θ進(jìn)行對(duì)時(shí)間t的導(dǎo)數(shù)計(jì)算，并結(jié)合式(1)，就可以計(jì)算出轉(zhuǎn)
子的速度~為
9.55 θ
nr =-χ——(3)
‘P dt將測(cè)出的轉(zhuǎn)子位置和速度信號(hào)反饋給系統(tǒng)控制器5，就構(gòu)成了同步電動(dòng)機(jī)的速度 閉環(huán)控制系統(tǒng)，可以對(duì)同步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確的控制。圖2為電勵(lì)磁同步電 動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度的測(cè)量及控制系統(tǒng)圖。本發(fā)明電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量 方法及控制裝置由電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)及其測(cè)量控制系統(tǒng)組成，同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組12 連接至轉(zhuǎn)子直流電源8 ；同步電動(dòng)機(jī)定子繞組9與定子功率變換器3相連接，定子功率變換 器3通過(guò)三相電源開(kāi)關(guān)2連接至定子三相交流電源1 ；電壓互感器7的兩個(gè)測(cè)量端分別連 接至同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組12的兩端，電壓互感器7的輸出端經(jīng)信號(hào)濾波器6連接至系 統(tǒng)控制器5 ；系統(tǒng)控制器5同時(shí)與定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子直流電源8相連接，系統(tǒng)控制器 5依據(jù)信號(hào)設(shè)置設(shè)備4的輸入信號(hào)和檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)對(duì)定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子直 流電源8進(jìn)行控制。本發(fā)明電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置與速度的測(cè)量及控制的一個(gè)具體方法為在同步電動(dòng)機(jī)的定子繞組U相中注入一個(gè)頻率為1000Hz的高頻電壓信號(hào)，其將
5在同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組12上感應(yīng)出一個(gè)與轉(zhuǎn)子位置電角度θ成余弦關(guān)系的頻率為 1000Hz的高頻電壓信號(hào)，利用電壓互感器7測(cè)量同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組12上包含頻率為 IOOOHz高頻分量的交流電壓信號(hào)，將該信號(hào)通過(guò)信號(hào)濾波器6，提取出頻率為1000Hz的高 頻分量，系統(tǒng)控制器5計(jì)算出同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度與轉(zhuǎn)速，并將其與給定信號(hào)進(jìn)行 比較，從而發(fā)出適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子直流電源8分別與系統(tǒng)控制器 5連接，兩者分別依據(jù)系統(tǒng)控制器5所發(fā)出的控制信號(hào)改變其輸出，從而快速準(zhǔn)確地控制同 步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。
權(quán)利要求
一種電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法，其特征是測(cè)量方法為a、系統(tǒng)控制器控制定子功率變換器，定子功率變換器一方面輸出三相交流電壓為同步電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，另一方面在定子繞組U相的交流電壓中疊加一個(gè)頻率為fH的高頻電壓信號(hào)；b、在同步電動(dòng)機(jī)定子繞組U相中注入頻率為fH的高頻勵(lì)磁信號(hào)，從同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組中感應(yīng)出與轉(zhuǎn)子角度θ成余弦關(guān)系的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)；c、信號(hào)濾波器提取電壓互感器檢測(cè)出的頻率為fH的高頻電勢(shì)信號(hào)，系統(tǒng)控制器計(jì)算出同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角度，利用轉(zhuǎn)子角度θ對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)子速度nr；d、系統(tǒng)控制器依據(jù)信號(hào)設(shè)置設(shè)備的輸入信號(hào)和檢測(cè)出的轉(zhuǎn)子速度信號(hào)對(duì)定子功率變換器和轉(zhuǎn)子直流電源進(jìn)行控制；e、定子功率變換器和轉(zhuǎn)子直流電源依據(jù)系統(tǒng)控制器所發(fā)出的控制信號(hào)改變輸出，從而快速準(zhǔn)確地控制同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。
2.一種實(shí)現(xiàn)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法的控制裝置，其特征是控 制裝置為同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組連接至轉(zhuǎn)子直流電源；同步電動(dòng)機(jī)定子繞組與定子功率變換 器相連接，定子功率變換器通過(guò)三相電源開(kāi)關(guān)連接至定子三相交流電源；電壓互感器的兩 個(gè)測(cè)量端分別連接至同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁繞組兩端，電壓互感器的輸出端經(jīng)信號(hào)濾波器連 接至系統(tǒng)控制器；信號(hào)設(shè)置設(shè)備與系統(tǒng)控制器連接；系統(tǒng)控制器同時(shí)與定子功率變換器和 轉(zhuǎn)子直流電源相連接。全文摘要
一種電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置與速度測(cè)量方法及控制裝置，屬于同步電動(dòng)機(jī)的測(cè)量方法及控制裝置。方法為在電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)定子U相注入高頻電壓信號(hào)，該高頻電壓信號(hào)產(chǎn)生高頻脈振磁場(chǎng)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置改變，高頻脈振磁場(chǎng)在轉(zhuǎn)子繞組中感應(yīng)的高頻電勢(shì)信號(hào)也隨之改變，電壓互感器獲取該信號(hào)，確定轉(zhuǎn)子的位置及同步機(jī)的轉(zhuǎn)速；將測(cè)出的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號(hào)反饋給控制器，控制器根據(jù)給定信號(hào)就可以對(duì)電勵(lì)磁同步電動(dòng)機(jī)的速度進(jìn)行準(zhǔn)確地控制。優(yōu)點(diǎn)該裝置沒(méi)有機(jī)械速度傳感器，利用同步電機(jī)本身的電磁結(jié)構(gòu)，采用定子一相注入高頻信號(hào)的方法直接測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的組成，提高了系統(tǒng)的可靠性以及速度控制的精度。
文檔編號(hào)H02P6/08GK101977000SQ20101029096
公開(kāi)日2011年2月16日 申請(qǐng)日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月21日
發(fā)明者何鳳有, 張曉 , 王磊, 譚國(guó)俊, 鄧先明 申請(qǐng)人:中國(guó)礦業(yè)大學(xué);徐州中礦大傳動(dòng)與自動(dòng)化有限公司