本發(fā)明屬于交流永磁同步電機(jī)控制領(lǐng)域，具體涉及一種交流永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制裝置及其啟動(dòng)方法。

背景技術(shù)：

交流永磁同步電機(jī)具有高功率密度、高轉(zhuǎn)矩/慣量比、可維護(hù)性好等優(yōu)點(diǎn)，在伺服系統(tǒng)、航空航天、軍事裝備等諸多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明以表貼式永磁同步電機(jī)為研究對(duì)象，表貼式永磁同步電機(jī)一般采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制，可實(shí)現(xiàn)電機(jī)定子電流轉(zhuǎn)矩分量與勵(lì)磁分量的解耦，因而電機(jī)產(chǎn)生的電磁力矩平穩(wěn)，具有良好的過載能力和啟、制動(dòng)性能。采用矢量控制技術(shù)時(shí)需要實(shí)時(shí)獲得電機(jī)磁極的位置和速度等信息，這些信息一般通過位置傳感器獲得，然而位置傳感器增加了電機(jī)成本和安裝難度，降低了系統(tǒng)可靠性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題而提出，其目的是提供一種交流永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制裝置及其啟動(dòng)方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種交流永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制裝置，包括提供直流電的直流電源，直流電源與三相逆變橋相連，三相逆變橋的輸出端與永磁同步電機(jī)相連，所述三相逆變橋、永磁同步電機(jī)還與采集電流、電壓信號(hào)，調(diào)制PWM信號(hào)的DSP控制板相連，所述DSP控制板與顯示永磁同步電機(jī)參數(shù)和調(diào)節(jié)功能的觸摸屏相連。

所述DSP控制板中集成了通訊電路、驅(qū)動(dòng)電路、AD電路、電源電路、控制電路、保護(hù)電路。

所述三相逆變橋包括可控硅Q1、可控硅Q2、可控硅Q3、可控硅Q4、可控硅Q5、可控硅Q6，直流電源正極與可控硅Q1、可控硅Q3、可控硅Q5的集電極連接，直流電源的負(fù)極與可控硅Q2、可控硅Q4、可控硅Q6的發(fā)射極連接，可控硅Q1的發(fā)射極與可控硅Q2的集電極連接，可控硅Q3的發(fā)射極與可控硅Q4的集電極連接，可控硅Q5的發(fā)射極與可控硅Q6的集電極連接。

永磁同步電機(jī)的A相與可控硅Q1的發(fā)射極、可控硅Q2的集電極連接，永磁同步電機(jī)的B相與可控硅Q3的發(fā)射極、可控硅Q4的集電極連接，永磁同步電機(jī)的C相與可控硅Q5的發(fā)射極、可控硅Q6的集電極連接。

根據(jù)上述的任意一種交流永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制裝置的啟動(dòng)方法，包括以下步驟：

(ⅰ)開始

程序開始，從主程序進(jìn)入。

(ⅱ)初始化

進(jìn)行DSP控制板中的DSP初始化，完成DSP外設(shè)時(shí)鐘、看門狗、IO口以及中斷向量表的初始化工作。

(ⅲ)配置寄存器

配置DSP控制板中DSP定時(shí)器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中斷寄存器的參數(shù)，并使能相關(guān)中斷功能。

(ⅳ)配置軟件參數(shù)

配置PWM占空比、延時(shí)時(shí)間、RS232通訊軟件等相關(guān)參數(shù)。

(ⅴ)循環(huán)等待

進(jìn)入主循環(huán)，等待DSP控制板中DSP定時(shí)器的中斷發(fā)生。

(ⅵ)執(zhí)行中斷程序并返回

執(zhí)行定時(shí)器中斷子程序，完成后返回主程序，循環(huán)等待。

步驟(ⅵ)中所述定時(shí)器中斷子程序包括以下步驟：

(ⅶ)中斷開始

發(fā)生定時(shí)中斷，進(jìn)入定時(shí)器中斷程序。

(ⅷ)是否已啟動(dòng)

判斷永磁同步電機(jī)是否啟動(dòng)，若永磁同步電機(jī)已經(jīng)啟動(dòng)，進(jìn)入步驟(ⅹⅱ)，若永磁同步電機(jī)未啟動(dòng)進(jìn)入步驟(ⅸ)。

(ⅸ)電機(jī)預(yù)定位

進(jìn)入永磁同步電機(jī)啟動(dòng)程序，對(duì)永磁同步電機(jī)定子繞組瞬間通一個(gè)足夠大的直流電流，使轉(zhuǎn)子定位到給定初始位置，完成電機(jī)的預(yù)定位。

(ⅹ)電機(jī)啟動(dòng)

電機(jī)啟動(dòng)階段，采用I-F電流閉環(huán)矢量控制方式啟動(dòng)，給定電流I，將電機(jī)帶到設(shè)定轉(zhuǎn)速。

(ⅹⅰ)切換控制

達(dá)到步驟(ⅹ)設(shè)定轉(zhuǎn)速后，采用切換方法使切換前磁極位置的模擬角度逐漸接近磁極位置的實(shí)際角度，并調(diào)整啟動(dòng)電流的大小保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)滿足切換條件后，切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式。

(ⅹⅱ)電機(jī)雙閉環(huán)運(yùn)行

采集電機(jī)電流、電壓等信號(hào)，執(zhí)行轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制算法，保證電機(jī)切換后或正常運(yùn)行時(shí)都處于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式下。

(ⅹⅲ)中斷完成返回主程序

完成電機(jī)的啟動(dòng)或運(yùn)行控制，中斷完成返回主程序。

本發(fā)明中永磁同步電機(jī)通過I-F矢量控制方式能夠快速啟動(dòng)，解決了永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)中，在帶載或重載情況下電機(jī)難以啟動(dòng)的問題，并避免了傳統(tǒng)V/F啟動(dòng)方式容易出現(xiàn)的過流情況，同時(shí)采用切換方法使電機(jī)順利切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式，切換過程平滑無電流沖擊。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中控制裝置的連接示意圖；

圖2是本發(fā)明中啟動(dòng)方法的主流程圖；

圖3是圖2中定時(shí)器中斷子程序的方法流程圖；

其中：

1 直流電源 2 三相逆變橋

3 永磁同步電機(jī) 4 DSP控制板

5 觸摸屏 6 通訊電路

7 驅(qū)動(dòng)電路 8 AD電路

9 電源電路 10 控制電路

11 保護(hù)電路。

具體實(shí)施方式

以下，參照附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明：

如圖1所示，一種交流永磁同步電機(jī)無位置傳感器的控制裝置，包括提供直流電的直流電源1，直流電源1與三相逆變橋2相連，三相逆變橋2的輸出端與永磁同步電機(jī)3相連，所述三相逆變橋2、永磁同步電機(jī)3還與采集電流、電壓信號(hào)，調(diào)制PWM信號(hào)的DSP控制板4相連，所述DSP控制板4與顯示永磁同步電機(jī)參數(shù)和調(diào)節(jié)功能的觸摸屏5相連。

所述DSP控制板4中集成了通訊電路6、驅(qū)動(dòng)電路7、AD電路8、電源電路9、控制電路10、保護(hù)電路11。

所述三相逆變橋2包括可控硅Q1、可控硅Q2、可控硅Q3、可控硅Q4、可控硅Q5、可控硅Q6，直流電源1正極與可控硅Q1、可控硅Q3、可控硅Q5的集電極連接，直流電源1的負(fù)極與可控硅Q2、可控硅Q4、可控硅Q6的發(fā)射極連接，可控硅Q1的發(fā)射極與可控硅Q2的集電極連接，可控硅Q3的發(fā)射極與可控硅Q4的集電極連接，可控硅Q5的發(fā)射極與可控硅Q6的集電極連接。

永磁同步電機(jī)3的A相與可控硅Q1的發(fā)射極、可控硅Q2的集電極連接，永磁同步電機(jī)3的B相與可控硅Q3的發(fā)射極、可控硅Q4的集電極連接，永磁同步電機(jī)3的C相與可控硅Q5的發(fā)射極、可控硅Q6的集電極連接。

所述DSP控制板4采用DSP芯片TMS320F28335做為控制核心。

如圖2所示，上述的任意一種交流永磁同步電機(jī)的控制裝置無位置傳感器的啟動(dòng)方法，包括以下步驟：

(ⅰ)開始

程序開始，從主程序進(jìn)入S1。

(ⅱ)初始化

進(jìn)行DSP控制板4中的DSP初始化，完成DSP外設(shè)時(shí)鐘、看門狗、IO口以及中斷向量表的初始化工作S2。

(ⅲ)配置寄存器

配置DSP控制板4中的DSP定時(shí)器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中斷寄存器參數(shù)，并使能相關(guān)中斷功能S3。

(ⅳ)配置軟件參數(shù)

配置PWM占空比、延時(shí)時(shí)間、RS232通訊軟件等相關(guān)參數(shù)S4。

(ⅴ)循環(huán)等待

進(jìn)入主循環(huán)，等待DSP控制板4中DSP定時(shí)器的中斷發(fā)生S5。

(ⅵ)執(zhí)行中斷程序并返回

執(zhí)行定時(shí)器中斷子程序，完成后返回主程序，循環(huán)等待，S6。

如圖3所示，步驟(ⅵ)中所述定時(shí)器中斷子程序包括以下步驟：

(ⅶ)中斷開始

發(fā)生定時(shí)中斷，進(jìn)入定時(shí)器中斷程序S7。

(ⅷ)是否已啟動(dòng)

判斷永磁同步電機(jī)3是否啟動(dòng)，若永磁同步電機(jī)3已經(jīng)啟動(dòng)，進(jìn)入步驟(ⅹⅱ)，若永磁同步電機(jī)3未啟動(dòng)進(jìn)入步驟(ⅸ)S8。

(ⅸ)電機(jī)預(yù)定位

進(jìn)入永磁同步電機(jī)3啟動(dòng)程序，對(duì)永磁同步電機(jī)3定子繞組瞬間通一個(gè)足夠大的直流電流，使轉(zhuǎn)子定位到給定初始位置，完成電機(jī)的預(yù)定位S9。

(ⅹ)電機(jī)啟動(dòng)

電機(jī)啟動(dòng)階段，采用I-F電流閉環(huán)矢量控制方式啟動(dòng)，給定電流I，將電機(jī)帶到設(shè)定轉(zhuǎn)速S10。

(ⅹⅰ)切換控制

達(dá)到步驟(ⅹ)設(shè)定轉(zhuǎn)速后，采用切換方法使切換前磁極位置的模擬角度逐漸接近磁極位置的實(shí)際角度，并調(diào)整啟動(dòng)電流的大小保證電機(jī)轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)滿足切換條件后，切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式S11。

(ⅹⅱ)電機(jī)雙閉環(huán)運(yùn)行

采集電機(jī)電流、電壓等信號(hào)，執(zhí)行轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制算法，保證電機(jī)切換后或正常運(yùn)行時(shí)都處于轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式下S12。

(ⅹⅲ)中斷完成返回主程序

完成電機(jī)的啟動(dòng)或運(yùn)行控制，中斷完成返回主程序S13。

步驟(ⅹⅰ)中的切換方法如下：

假定切換后電機(jī)磁極位置實(shí)際角度為θ^*，電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流為矢量控制將電流分解為定子轉(zhuǎn)矩分量I_q與勵(lì)磁分量I_d，對(duì)表貼式永磁同步電機(jī)，只有電流轉(zhuǎn)矩分量I_q產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，因此矢量控制中勵(lì)磁分量I_d為0，切換前的電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：

式中T----電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩；

λ----電機(jī)永磁體磁鏈幅值；

p----電機(jī)的極對(duì)數(shù)；

----磁極位置的實(shí)際角度θ^*與模擬角度的差值。

切換后角度差值為零，因此電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為：

為了實(shí)現(xiàn)切換過程平滑過渡，在切換區(qū)域[ω₁,ω₂]內(nèi)利用函數(shù)θ_M實(shí)現(xiàn)模擬角度逐漸逼近實(shí)際磁極位置所處角度θ^*，切換過程中矢量控制所需角度θ按照函數(shù)θ_M改變：

函數(shù)θ_M的表達(dá)式如下，式中ω為電機(jī)轉(zhuǎn)速：

切換過程中，模擬角度逐漸逼近實(shí)際角度θ^*，其差值逐漸減小至零。

為保證切換前后電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流為I_q也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的變化。假設(shè)在第n個(gè)電流調(diào)節(jié)周期中，利用函數(shù)θ_M計(jì)算出的角度為θ(n)，電機(jī)磁極位置所處實(shí)際角度為θ^*(n)，角度偏差此時(shí)的轉(zhuǎn)矩電流應(yīng)滿足：

上式中，I_q(n-1)為上一個(gè)周期的轉(zhuǎn)矩電流，為上一個(gè)周期的角度偏差。

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到切換區(qū)域上限ω₂時(shí)，模擬角度與實(shí)際角度θ^*的角度偏差減小為零，轉(zhuǎn)矩電流I_q逼近切換后的電流此時(shí)再將電機(jī)切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制模式。

永磁同步電機(jī)3的啟動(dòng)階段：首先給電機(jī)定子繞組瞬間通一足夠大的直流電流，使轉(zhuǎn)子定位到初始位置，完成轉(zhuǎn)子的預(yù)定位后，永磁同步電機(jī)采用I-F的矢量控制方式啟動(dòng)，由于電流進(jìn)行閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以有效控制電流大小，同時(shí)采用矢量控制方式電流完全用于產(chǎn)生電機(jī)轉(zhuǎn)矩，可保證電機(jī)在帶負(fù)載或重載情況下能夠啟動(dòng)。永磁同步電機(jī)在啟動(dòng)階段的磁極位置角度由軟件模擬產(chǎn)生。假定啟動(dòng)階段給定電流為I，模擬產(chǎn)生的角度為

永磁同步電機(jī)3的切換階段：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到設(shè)定轉(zhuǎn)速ω₁后，進(jìn)入切換階段，設(shè)定的切換區(qū)域?yàn)閇ω₁,ω₂]，其中ω₁、ω₂為電機(jī)轉(zhuǎn)速且ω₂＞ω₁。在切換區(qū)域內(nèi)，本發(fā)明采用平滑過渡的切換方法，實(shí)現(xiàn)磁極位置由模擬角度逐漸逼近實(shí)際角度θ^*的過渡，同時(shí)為保證切換前后電機(jī)轉(zhuǎn)矩保持不變，電機(jī)轉(zhuǎn)矩電流由啟動(dòng)階段給定的電流I逐漸減小至實(shí)際角度θ^*所對(duì)應(yīng)的電流。當(dāng)模擬角度與實(shí)際角度θ^*差值為零時(shí)，切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式中。

本發(fā)明中永磁同步電機(jī)通過I-F矢量控制方式能夠快速啟動(dòng)，解決了永磁同步電機(jī)無傳感器控制技術(shù)中，在帶載或重載情況下電機(jī)難以啟動(dòng)的問題，并避免了傳統(tǒng)V/F啟動(dòng)方式容易出現(xiàn)的過流情況，同時(shí)采用切換方法使電機(jī)順利切換至轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的矢量控制方式，切換過程平滑無電流沖擊。