交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置及其启动方法与流程

本发明属于交流永磁同步电机控制领域，具体涉及一种交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置及其启动方法。

背景技术：

交流永磁同步电机具有高功率密度、高转矩/惯量比、可维护性好等优点，在伺服系统、航空航天、军事装备等诸多领域获得了广泛的应用。本发明以表贴式永磁同步电机为研究对象，表贴式永磁同步电机一般采用转速电流双闭环的矢量控制，可实现电机定子电流转矩分量与励磁分量的解耦，因而电机产生的电磁力矩平稳，具有良好的过载能力和启、制动性能。采用矢量控制技术时需要实时获得电机磁极的位置和速度等信息，这些信息一般通过位置传感器获得，然而位置传感器增加了电机成本和安装难度，降低了系统可靠性。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置及其启动方法。

本发明的技术方案是：一种交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置，包括提供直流电的直流电源，直流电源与三相逆变桥相连，三相逆变桥的输出端与永磁同步电机相连，所述三相逆变桥、永磁同步电机还与采集电流、电压信号，调制PWM信号的DSP控制板相连，所述DSP控制板与显示永磁同步电机参数和调节功能的触摸屏相连。

所述DSP控制板中集成了通讯电路、驱动电路、AD电路、电源电路、控制电路、保护电路。

所述三相逆变桥包括可控硅Q1、可控硅Q2、可控硅Q3、可控硅Q4、可控硅Q5、可控硅Q6，直流电源正极与可控硅Q1、可控硅Q3、可控硅Q5的集电极连接，直流电源的负极与可控硅Q2、可控硅Q4、可控硅Q6的发射极连接，可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接，可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接，可控硅Q5的发射极与可控硅Q6的集电极连接。

永磁同步电机的A相与可控硅Q1的发射极、可控硅Q2的集电极连接，永磁同步电机的B相与可控硅Q3的发射极、可控硅Q4的集电极连接，永磁同步电机的C相与可控硅Q5的发射极、可控硅Q6的集电极连接。

根据上述的任意一种交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置的启动方法，包括以下步骤：

(ⅰ)开始

程序开始，从主程序进入。

(ⅱ)初始化

进行DSP控制板中的DSP初始化，完成DSP外设时钟、看门狗、IO口以及中断向量表的初始化工作。

(ⅲ)配置寄存器

配置DSP控制板中DSP定时器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中断寄存器的参数，并使能相关中断功能。

(ⅳ)配置软件参数

配置PWM占空比、延时时间、RS232通讯软件等相关参数。

(ⅴ)循环等待

进入主循环，等待DSP控制板中DSP定时器的中断发生。

(ⅵ)执行中断程序并返回

执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待。

步骤(ⅵ)中所述定时器中断子程序包括以下步骤：

(ⅶ)中断开始

发生定时中断，进入定时器中断程序。

(ⅷ)是否已启动

判断永磁同步电机是否启动，若永磁同步电机已经启动，进入步骤(ⅹⅱ)，若永磁同步电机未启动进入步骤(ⅸ)。

(ⅸ)电机预定位

进入永磁同步电机启动程序，对永磁同步电机定子绕组瞬间通一个足够大的直流电流，使转子定位到给定初始位置，完成电机的预定位。

(ⅹ)电机启动

电机启动阶段，采用I-F电流闭环矢量控制方式启动，给定电流I，将电机带到设定转速。

(ⅹⅰ)切换控制

达到步骤(ⅹ)设定转速后，采用切换方法使切换前磁极位置的模拟角度逐渐接近磁极位置的实际角度，并调整启动电流的大小保证电机转矩不变，当满足切换条件后，切换至转速电流双闭环的矢量控制方式。

(ⅹⅱ)电机双闭环运行

采集电机电流、电压等信号，执行转速电流双闭环的控制算法，保证电机切换后或正常运行时都处于转速电流双闭环的矢量控制方式下。

(ⅹⅲ)中断完成返回主程序

完成电机的启动或运行控制，中断完成返回主程序。

本发明中永磁同步电机通过I-F矢量控制方式能够快速启动，解决了永磁同步电机无传感器控制技术中，在带载或重载情况下电机难以启动的问题，并避免了传统V/F启动方式容易出现的过流情况，同时采用切换方法使电机顺利切换至转速电流双闭环的矢量控制方式，切换过程平滑无电流冲击。

附图说明

图1是本发明中控制装置的连接示意图；

图2是本发明中启动方法的主流程图；

图3是图2中定时器中断子程序的方法流程图；

其中：

1 直流电源 2 三相逆变桥

3 永磁同步电机 4 DSP控制板

5 触摸屏 6 通讯电路

7 驱动电路 8 AD电路

9 电源电路 10 控制电路

11 保护电路。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1所示，一种交流永磁同步电机无位置传感器的控制装置，包括提供直流电的直流电源1，直流电源1与三相逆变桥2相连，三相逆变桥2的输出端与永磁同步电机3相连，所述三相逆变桥2、永磁同步电机3还与采集电流、电压信号，调制PWM信号的DSP控制板4相连，所述DSP控制板4与显示永磁同步电机参数和调节功能的触摸屏5相连。

所述DSP控制板4中集成了通讯电路6、驱动电路7、AD电路8、电源电路9、控制电路10、保护电路11。

所述三相逆变桥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，直流电源1正极与可控硅Q1、可控硅Q3、可控硅Q5的集电极连接，直流电源1的负极与可控硅Q2、可控硅Q4、可控硅Q6的发射极连接，可控硅Q1的发射极与可控硅Q2的集电极连接，可控硅Q3的发射极与可控硅Q4的集电极连接，可控硅Q5的发射极与可控硅Q6的集电极连接。

永磁同步电机3的A相与可控硅Q1的发射极、可控硅Q2的集电极连接，永磁同步电机3的B相与可控硅Q3的发射极、可控硅Q4的集电极连接，永磁同步电机3的C相与可控硅Q5的发射极、可控硅Q6的集电极连接。

所述DSP控制板4采用DSP芯片TMS320F28335做为控制核心。

如图2所示，上述的任意一种交流永磁同步电机的控制装置无位置传感器的启动方法，包括以下步骤：

(ⅰ)开始

程序开始，从主程序进入S1。

(ⅱ)初始化

进行DSP控制板4中的DSP初始化，完成DSP外设时钟、看门狗、IO口以及中断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定时器、PWM寄存器、SCI寄存器以及中断寄存器参数，并使能相关中断功能S3。

(ⅳ)配置软件参数

配置PWM占空比、延时时间、RS232通讯软件等相关参数S4。

(ⅴ)循环等待

进入主循环，等待DSP控制板4中DSP定时器的中断发生S5。

(ⅵ)执行中断程序并返回

执行定时器中断子程序，完成后返回主程序，循环等待，S6。

如图3所示，步骤(ⅵ)中所述定时器中断子程序包括以下步骤：

(ⅶ)中断开始

发生定时中断，进入定时器中断程序S7。

(ⅷ)是否已启动

判断永磁同步电机3是否启动，若永磁同步电机3已经启动，进入步骤(ⅹⅱ)，若永磁同步电机3未启动进入步骤(ⅸ)S8。

(ⅸ)电机预定位

进入永磁同步电机3启动程序，对永磁同步电机3定子绕组瞬间通一个足够大的直流电流，使转子定位到给定初始位置，完成电机的预定位S9。

(ⅹ)电机启动

电机启动阶段，采用I-F电流闭环矢量控制方式启动，给定电流I，将电机带到设定转速S10。

(ⅹⅰ)切换控制

达到步骤(ⅹ)设定转速后，采用切换方法使切换前磁极位置的模拟角度逐渐接近磁极位置的实际角度，并调整启动电流的大小保证电机转矩不变，当满足切换条件后，切换至转速电流双闭环的矢量控制方式S11。

(ⅹⅱ)电机双闭环运行

采集电机电流、电压等信号，执行转速电流双闭环的控制算法，保证电机切换后或正常运行时都处于转速电流双闭环的矢量控制方式下S12。

(ⅹⅲ)中断完成返回主程序

完成电机的启动或运行控制，中断完成返回主程序S13。

步骤(ⅹⅰ)中的切换方法如下：

假定切换后电机磁极位置实际角度为θ^*，电机转矩电流为矢量控制将电流分解为定子转矩分量I_q与励磁分量I_d，对表贴式永磁同步电机，只有电流转矩分量I_q产生电磁转矩，因此矢量控制中励磁分量I_d为0，切换前的电机电磁转矩为：

式中T----电机电磁转矩；

λ----电机永磁体磁链幅值；

p----电机的极对数；

----磁极位置的实际角度θ^*与模拟角度的差值。

切换后角度差值为零，因此电机电磁转矩为：

为了实现切换过程平滑过渡，在切换区域[ω₁,ω₂]内利用函数θ_M实现模拟角度逐渐逼近实际磁极位置所处角度θ^*，切换过程中矢量控制所需角度θ按照函数θ_M改变：

函数θ_M的表达式如下，式中ω为电机转速：

切换过程中，模拟角度逐渐逼近实际角度θ^*，其差值逐渐减小至零。

为保证切换前后电机电磁转矩保持不变，电机转矩电流为I_q也应进行相应的变化。假设在第n个电流调节周期中，利用函数θ_M计算出的角度为θ(n)，电机磁极位置所处实际角度为θ^*(n)，角度偏差此时的转矩电流应满足：

上式中，I_q(n-1)为上一个周期的转矩电流，为上一个周期的角度偏差。

当电机转速达到切换区域上限ω₂时，模拟角度与实际角度θ^*的角度偏差减小为零，转矩电流I_q逼近切换后的电流此时再将电机切换至转速电流双闭环的矢量控制模式。

永磁同步电机3的启动阶段：首先给电机定子绕组瞬间通一足够大的直流电流，使转子定位到初始位置，完成转子的预定位后，永磁同步电机采用I-F的矢量控制方式启动，由于电流进行闭环调节，可以有效控制电流大小，同时采用矢量控制方式电流完全用于产生电机转矩，可保证电机在带负载或重载情况下能够启动。永磁同步电机在启动阶段的磁极位置角度由软件模拟产生。假定启动阶段给定电流为I，模拟产生的角度为

永磁同步电机3的切换阶段：当电机转速达到设定转速ω₁后，进入切换阶段，设定的切换区域为[ω₁,ω₂]，其中ω₁、ω₂为电机转速且ω₂＞ω₁。在切换区域内，本发明采用平滑过渡的切换方法，实现磁极位置由模拟角度逐渐逼近实际角度θ^*的过渡，同时为保证切换前后电机转矩保持不变，电机转矩电流由启动阶段给定的电流I逐渐减小至实际角度θ^*所对应的电流。当模拟角度与实际角度θ^*差值为零时，切换至转速电流双闭环的矢量控制方式中。

本发明中永磁同步电机通过I-F矢量控制方式能够快速启动，解决了永磁同步电机无传感器控制技术中，在带载或重载情况下电机难以启动的问题，并避免了传统V/F启动方式容易出现的过流情况，同时采用切换方法使电机顺利切换至转速电流双闭环的矢量控制方式，切换过程平滑无电流冲击。