一种永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机，所述系统包括反电动势检测单元、转速位置运算单元以及驱动单元，其中，所述反电动势检测单元用于检测所述永磁同步电机的反电动势，所述转速位置运算单元用于根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置；所述驱动单元根据所述转子的转速及所述转子的磁场位置产生用于启动所述永磁同步电机的输出电压；其中，所述反电动势检测单元包括市电同步检测单元。使用本发明的永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机，能有效避免开环矢量控制模式下，由于冲击电流过大对电机及驱动单元的损耗，保证电机的正常运行。
【专利说明】—种永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机
【技术领域】
[0001]本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机。
【背景技术】
[0002]永磁同步电机(PMSM)的输出涵盖了微、小及中型电机的功率范围，且延伸至大功率领域。且依托用永磁材料的高能积、小尺寸及轻量化的特点，永磁同步电机还具有电极电磁转矩波动小、转速平稳、动态响应快、过载能力强、高效能、低功耗、低速时具有大转矩输出的特点，因此，永磁同步电机具有广泛的应用范围。
[0003]永磁同步电机由励磁三相同步电机发展而来，由定子和转子两部分构成，其转子材料为永磁体替代了同步电机的电励磁系统，因而省去了励磁绕组、集电环和电刷的结构。现有的永磁同步电机主要有FVC (闭环矢量控制)和SVC (开环矢量控制)两种控制模式。
[0004]闭环矢量控制模式FVC由于有编码器位置反馈，可借助编码器获取永磁同步电机的磁场位置，因此在闭环矢量控制模式下，永磁同步电机启动和运行都比较容易。
[0005]然而在SVC开环矢量控制模式下，由于没有编码器位置反馈，因此必须借助具体的算法来获得永磁同步电机的磁场位置，比如通过检测电压和电流的变化来估算永磁同步电机的速度和磁场位置，或者状态观测器法及扩展卡尔曼滤波法等等。由于定子侧的物理量都是交流量，其空间矢量在空间以同步转速旋转，因此调节、控制和计算都不方便。需借助复杂的坐标变换进行矢量控制，而且对电动机参数的依赖性很大，难以保证完全解耦，使控制效果大打折扣。
[0006]特定的应用场合中，有可能需要在SVC开环矢量控制模式下对尚未停稳的永磁同步电机进行启动，因为此时驱动器处于停机状态下，驱动器输出的电压和电流都是关闭的，但此时的永磁同步电机内存在很大的冲击电流，不可能估算永磁同步电机的转速和磁场位置,加上永磁同步电机没有停稳,在转动时有反电动势存在，启动时输出电压和反电动势不匹配，就会产生很大的电流，对驱动器和电机都有很大的影响，同时永磁同步机在启动时速度也会存在波动，影响用户的使用。
【发明内容】
[0007]本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的在开环矢量控制模式中，永磁同步电机未停稳的状态下，由于永磁同步电机内的反电动势造成的启动波动对驱动器和电机产生影响的缺陷，提供一种永磁同步电机启动系统及方法。
[0008]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种永磁同步电机启动系统，所述永磁同步电机包括转子与定子，所述永磁同步电机启动系统包括反电动势检测单元、转速位置运算单元以及驱动单元，其中:所述反电动势检测单元用于检测所述永磁同步电机的反电动势；所述转速位置运算单元用于根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置；所述驱动单元根据所述转子的转速及所述转子的磁场位置产生用于启动所述永磁同步电机的输出电压；
[0009]所述反电动势检测单元包括市电同步检测单元,且该市电同步检测单元用于对所述永磁同步电机进行三相电压采样以获得所述反电动势并对采样结果等比例转化以适应所述转速位置运算单元。
[0010]在本发明所述的永磁同步电机启动系统中，所述市电同步检测单元进一步包括:
[0011]电压米样单兀，用于获取所述永磁同步电机的三相电压米样压差Uvu、uvw ；
[0012]转化单元，用于对所述三相电压采样压差进行等比例转化获得适用于所述转速位置运算单元的三相电压标准压差USE、Ust ;所述三相电压标准压差与所述三相电压采样压差之间的关系为:
[0013]Use=KXUvu ；
[0014]Ust=KXUvw ；
[0015]其中，所述系数K为常数，所述系数K由所述市电同步检测单元的硬件放大系数确定。
[0016]在本发明所述的永磁同步电机启动系统中，所述转速位置运算单元包括数字处理器芯片，所述数字处理器芯片进一步包括:
[0017]坐标运算单元，基于三相平衡原理根据以下公式计算获得三相静止坐标系的三相电压标准分量:
[0018]Uet=Ust-Use ；
[0019]Ue= (Uet-Use)/3;
[0020]Us= (UET+USE) /3;
[0021]Ut=-Ue-Us ;
[0022]坐标变换单元，用于根据以下公式将所述三相静止坐标系转换为两相静止坐标系:
[0023]Uq=Ue;
[0024]Ilg= (US-UT)/V3；
[0025]以及矢量合成单元；用于依据以下公式基于上述两相静止坐标系计算所述转子的磁场位置0并依据所述磁场位置计算所述转子的转速《:
[0026]9 =arctan ((-U0) /U a )；
[0027]co=d9/dt。
[0028]本发明所述的永磁同步电机启动系统中，所述数字处理器芯片还包括:
[0029]PWM输出单元，用于根据所述磁场位置0以及所述转子的转速《输出与所述反电动势相匹配的PWM脉冲控制波至所述驱动单元，控制所述驱动单元输出与所述反电动势相适配的输出电压以启动所述永磁同步电机。
[0030]此外，本发明还提供一种永磁同步电机启动方法，包括:反电动势检测步骤、转速位置运算步骤以及驱动步骤，其中:
[0031]所述反电动势检测步骤检测所述永磁同步电机的反电动势；
[0032]所述转速位置运算步骤根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置；[0033]所述驱动步骤所述转子的转速及所述转子的磁场位置产生用于启动所述永磁同步电机的输出电压；
[0034]其中，所述反电动势检测步骤包括市电同步检测单元检测步骤:
[0035]利用市电同步检测单元对所述永磁同步电机进行三相电压采样以获得所述反电动势并对采样结果等比例转化以适应所述转速位置运算单元。
[0036]本发明所述的永磁同步电机启动方法中，所述市电同步检测单元检测步骤进一步包括:
[0037]电压采样步骤:获取所述永磁同步电机的三相电压采样压差Uvu、Uvff ；
[0038]以及转化步骤:对所述三相电压采样压差进行等比例转化获得适用于所述转速位置运算单元的三相电压标准压差USE、Ust ;所述三相电压标准压差与所述三相电压采样压差之间的关系为:
[0039]Use=KXUvu ；
[0040]Ust=KXUvw ；
[0041]其中，所述系数K为常数，所述系数K由所述市电同步检测单元的硬件放大系数确定。
[0042]本发明所述的永磁同步电机启动方法中，所述转速位置运算步骤包括:
[0043]坐标运算步骤:基于三相平衡原理根据以下公式计算获得三相静止坐标系的三相电压标准分量:
[0044]Uet=Ust-Use ；
[0045]Ue= (Uet-Use)/3;
[0046]Us= (UET+USE) /3;
[0047]Ut=-Ue-Us ;
[0048]坐标变换步骤:根据以下公式将所述三相静止坐标系转换为两相静止坐标系:
[0049]Uq=Ue;
[0050]Up= (US-UT)/V 3 ；
[0051]以及矢量合成步骤:依据以下公式基于上述两相静止坐标系计算所述转子的磁场位置0并依据所述磁场位置计算所述转子的转速《:
[0052]9 =arctan ((-U0) /U a )；
[0053]co=d9/dt。
[0054]本发明所述的永磁同步电机启动系统中，所述转速位置运算步骤还包括:
[0055]PWM输出步骤:根据所述磁场位置e以及所述转子的转速《输出与所述反电动势相匹配的PWM脉冲控制波至驱动单元，控制所述驱动单元输出与所述反电动势相适配的输出电压以启动所述永磁同步电机。
[0056]本发明还提供了一种永磁同步电机，包括如上所述的永磁同步电机启动系统。
[0057]实施本发明的永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机，具有以下有益效果:通过市电同步检测单元获取开环矢量控制模式下未停稳的永磁同步电机的反电动势并依据该反电动势获取转子转速及磁场位置，由此控制驱动单元输出与所述反电动势匹配的输出电压，有效避免产生过大的冲击电流对驱动单元及电机的影响。【专利附图】
【附图说明】
[0058]下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中:
[0059]图1是本发明的永磁同步电机启动系统的较佳实施例的结构示意图；
[0060]图2是图1所示永磁同步电机启动系统中的市电同步检测单元的结构示意图；
[0061]图3是图1所示永磁同步电机启动系统中转速位置运算单元的结构示意图；
[0062]图4是本发明的永磁同步电机启动方法的较佳实施例的流程示意图；
[0063]图5是图4所示永磁同步电机启动方法的步骤SI的具体流程图；
[0064]图6是图4所示永磁同步电机启动方法的步骤S2的具体流程图。
【具体实施方式】
[0065]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0066]本发明提供了 一种永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机，永磁同步电机包括转子与定子，相比于现有的通过卡尔曼滤波法或状态观测器法获得开环矢量控制模式下的永磁同步电机的启动方法而言，本申请通过设置一市电同步检测单元作为永磁同步电机的反电动势检测单元，获取开环矢量控制模式下尚未停稳的永磁同步电机的反电动势，本申请的永磁同步电机启动系统、方法及永磁同步电机利用该反电动势产生与所述永磁同步电机的转子转速及磁场位置相对应的输出电压控制永磁同步电机的启动，有效减小了尚未停稳的永磁同步电机由于反电动势造成的过大冲击电流对电机的损耗，同时计算复杂程度较卡尔曼滤波法更低，更利于保证永磁同步电机的正常使用。
[0067]参考图1，为本发明的永磁同步电机启动系统的优选实施例的结构示意图。如图1所示，所述永磁同步电机启动系统至少包括连接到永磁同步电机10的反电动势检测单元20、转速位置运算单元30以及驱动单元40。
[0068]以下对上述各模块的功能进行具体介绍，其中，本发明特别通过市电同步检测单元21对开环矢量控制模式中的永磁同步电机10的感应电动势进行检测，本发明的永磁同步电机启动系统根据所述感应电动势控制永磁同步电机10的启动。
[0069]反电动势检测单元20与永磁同步电机(PMSM) 10连接,用于检测所述永磁同步电机10的反电动势。具体地，由所述市电同步检测单元21对所述永磁同步电机10进行三相电压采样以获得所述反电动势并对采样结果等比例转化以适应所述转速位置运算单元30。当永磁同步电机10旋转时，转子永磁体就会切割定子的导线，从而产生电动势，即反电动势，因此通过市电同步检测单元获取永磁同步电机10三相信号UVW之间的压差Uvu、Uvff,由此可知反电动势的大小。本实施例的市电同步检测单元21优选市电同步卡。
[0070]参考图2,本实施例的市电同步检测单元21进一步包括电压采样单元22及连接到电压采样单元22的转化单元23，电压采样单元22分别连接至永磁同步电机10的三相信号端，因此电压采样单元22可获取所述永磁同步电机10的三相电压采样压差Uvu、Uvw ;本发明描述的UVW为永磁同步电机10的三相静止坐标系。三相电压采样压差Uvu、Uvw传递至转化单元23，由所述转化单元23对所述三相电压采样压差进行等比例转化获得适用于所述转速位置运算单元30的三相电压标准压差USK、UST ;所述三相电压标准压差与所述三相电压采样压差之间的关系为:
[0071]Use=K X Uvu ；
[0072]Ust=KXUvw ；
[0073]其中，所述系数K为常数，所述系数K由所述市电同步检测单元21的硬件放大系
数确定。
[0074]转速位置运算单元30根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置。上述经市电同步检测单元21采样并转换后获得的三相电压标准压差USR、UST为可供DSP芯片采样的弱电正弦信号，因此本申请的转速位置运算单元30包括了数字处理器(DSP)芯片31。具体地，参考图3，本实施例的数字处理器芯片31内包含依次连接的坐标运算单元32、坐标变换单元33、矢量合成单元34以及PWM输出单元35。
[0075]坐标运算单元32，基于三相平衡原理根据以下公式计算获得三相静止坐标系的三相电压标准分量:
[0076]Uet=Ust-Use ；
[0077]Ue= (Uet-Use)/3;
[0078]Us= (UET+USE) /3 ;
[0079]Ut=-Ue-Us ;
[0080]由于二相信号UVW是幅值相同而相位依次相差120° ,因此由Uvu、Uvw计算获得的三相电压标准压差USK、Ust为DSP芯片可测量的正弦信号，且随转子转速的增大而增加，经数字信号处理器(DSP)芯片31内的坐标运算单元32根据三相平衡原理计算获得三相电压标准分量UT、UE, Us后将上述三相电压标准分量传递至数字信号处理器(DSP)芯片31内的坐标变换单元33。
[0081]坐标变换单元33，根据以下公式将所述三相静止坐标系转换为两相静止坐标系:
[0082]Uq=Ue;
【权利要求】
1.一种永磁同步电机启动系统，所述永磁同步电机包括转子与定子，其特征在于，该永磁同步电机启动系统包括反电动势检测单元、转速位置运算单元以及驱动单元，其中:所述反电动势检测单元用于检测所述永磁同步电机的反电动势；所述转速位置运算单元用于根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置；所述驱动单元根据所述转子的转速及所述转子的磁场位置产生用于启动所述永磁同步电机的输出电压； 所述反电动势检测单元包括市电同步检测单元，且该市电同步检测单元用于对所述永磁同步电机进行三相电压采样以获得所述反电动势并对采样结果等比例转化以适应所述转速位置运算单元。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机启动系统，其特征在于，所述市电同步检测单元进一步包括: 电压采样单元，用于获取所述永磁同步电机的三相电压采样压差Uvu、Uvw ； 转化单元，用于对所述三相电压采样压差进行等比例转化获得适用于所述转速位置运算单元的三相电压标准压差USE、Ust ;所述三相电压标准压差与所述三相电压采样压差之间的关系为:
Use=KXUvu ；
Ust=KXUvw ； 其中，所述系数K为常数，所述系数K由所述市电同步检测单元的硬件放大系数确定。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机启动系统，其特征在于，所述转速位置运算单元包括数字处理器芯片，所述数字处理器芯片进一步包括: 坐标运算单元，基于三相平衡原理根据以下公式计算获得三相静止坐标系的三相电压标准分量:
TI =T1-T1.Urt Ust Usr ,
Ue= (Uet-Use)/3;
Us=(Uet+Use)/3;
Ut=-Ue-Us ; 坐标变换单元，用于根据以下公式将所述三相静止坐标系转换为两相静止坐标系:
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机启动系统，其特征在于，所述数字处理器芯片还包括: PWM输出单元，用于根据所述磁场位置e以及所述转子的转速《输出与所述反电动势相匹配的PWM脉冲控制波至所述驱动单元，控制所述驱动单元输出与所述反电动势相适配的输出电压以启动所述永磁同步电机。
5.一种永磁同步电机启动方法，其特征在于，包括:反电动势检测步骤、转速位置运算步骤以及驱动步骤，其中: 所述反电动势检测步骤检测所述永磁同步电机的反电动势； 所述转速位置运算步骤根据所述反电动势计算所述转子的转速及所述转子的磁场位置； 所述驱动步骤根据所述转子的转速及所述转子的磁场位置产生用于启动所述永磁同步电机的输出电压； 其中，所述反电动势检测步骤包括市电同步检测单元检测步骤: 利用市电同步检测单元对所述永磁同步电机进行三相电压采样以获得所述反电动势并对采样结果等比例转化以适应所述转速位置运算单元。
6.根据权利要求5所述的同步电机启动方法，其特征在于，所述市电同步检测单元检测步骤进一步包括: 电压采样步骤:获取所述永磁同步电机的三相电压采样压差Uw、Uvff ； 以及转化步骤:对所述三相电压采样压差进行等比例转化获得三相电压标准压差USE、Ust ;所述三相电压标准压差与所述三相电压采样压差之间的关系为:
Use=KXUvu ；
Ust=KXUvw ；` 其中，所述系数K为常数，所述系数K由所述市电同步检测单元的硬件放大系数确定。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机启动方法，其特征在于，所述转速位置运算步骤包括: 坐标运算步骤:基于三相平衡原理根据以下公式计算获得三相静止坐标系的三相电压标准分量:
U =TT -U.uRT uST uSR，
Ue= (Uet-Use)/3;
Us=(Uet+Use)/3;
Ut=-Ue-Us ; 坐标变换步骤:根据以下公式将所述三相静止坐标系转换为两相静止坐标系:
Uq=Ue; Up= (Us-Ut)/^; 以及矢量合成步骤:依据以下公式基于上述两相静止坐标系计算所述转子的磁场位置Θ并依据所述磁场位置Θ计算所述转子的转速ω:
Θ =arctan((-U0)/U α)；
ω =d Θ/dt。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机启动系统，其特征在于，所述转速位置运算步骤还包括: PWM输出步骤:根据所述磁场位置Θ以及所述转子的转速ω输出与所述反电动势相匹配的PWM脉冲控制波至驱动单元，控制所述驱动单元输出与所述反电动势相适配的输出电压以启动所述永磁同步电机。
9.一种永磁同步电机，其特征在于，包括权利要求1-4中任意一项所述的永磁同步电机启动系统。
【文档编号】H02P6/20GK103701375SQ201310753982
【公开日】2014年4月2日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王玉凯 申请人:深圳市汇川技术股份有限公司