專利名稱：無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置及驅動方法
技術領域：
本發明涉及的是一種電機驅動控制技術，特別是無位置傳感器永磁同步電動機控制及功率因數校正技術。
背景技術：
進入21世紀，能源和環境是人類面臨的首要問題之一。尤其是近年來，氣候變化和溫室氣體減排問題持續升溫，已成為全球關注的熱點問題。隨之應運而生的“低碳經 濟”是以低能耗、低污染、低排放為基礎的經濟模式，是人類社會繼農業文明、工業文明之后 的又一次重大進步。低碳經濟實質是能源高效利用、清潔能源開發、追求綠色⑶P的問題， 核心是能源技術和減排技術創新、產業結構和制度創新以及人類生存發展觀念的根本性轉 變。在這種世界大背景下，各種新能源和節能減排技術的發展也迫在眉睫。我國在“十一五”規劃中明確提出單位⑶P能耗和主要污染物排放總量比“十五” 期末分別降低20%左右、10%的約束性指標。“開源節流”是應對能源危機和環境惡化的唯 一辦法。節能方面，工業節能是其他行業節能的源頭，而其中電機節能又占有的十分重要的 地位。可以看出兩方面的發展都離不開高效節能的電機及其電力電子變換器系統，因此開 展對高效節能電機系統的研究是非常必要和緊迫的。在工業領域，電動機+減速機或皮帶減速輪的裝置廣為應用，但減速機構的使用 嚴重影響了裝置工作效率，增加了裝置的損耗，為此設計直接驅動裝置取代原有裝置。永磁 同步電動機具有輸出轉矩高、低速特性優異、效率高，調速范圍大等特點，特別適合用來作 為直接驅動的執行機構。但永磁同步電動機裝置通常需要角位置傳感器制約了裝置的使用 范圍，并且變頻驅動器中不控整流帶來了對電網的干擾，尤其是電流中的高次諧波成分，增 加了裝置的無功損耗。為了解決以上電機系統中低效問題，采用永磁同步電動機作為直接驅動裝置的執 行機構，引入了無位置傳感器技術以及功率因數校正技術解決以上問題，可以實現高效節 能綠色的驅動裝置。經對現有的技術文獻檢索發現，CNKI數據庫中有一篇與本發明上題相同或類似的 文獻報道，名為《直驅風力發電網側變流控制系統的研究與開發》(
公開日2009. 2.17)，該 文側重研究發電機的變流控制運行，與無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置沒有關系。
發明內容
本發明的目的在于提供一種能夠提高效率，減少對電網的干擾及進線損耗的節能 型無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置。本發明的目的還在于提供一種無位置傳感器永 磁同步電動機驅動方法。本發明的目的是這樣實現的無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置主要由功率放大單元、主控制單元、操作 控制單元及永磁同步電動機組成。通過操作面板設定電動機的轉速及永磁同步電動機何時啟動和停止，并把這些給定信息傳遞給主控制單元，主控制單元控制功率放大電路形成永 磁同步電動機控制所需電壓信號。本發明的無位置傳感器永磁同步電動機驅動方法為采用轉子定位、開環加速和 閉環運行三段式運行策略；轉子定位給永磁同步電動機定子通入六個脈沖；開環起動在 轉子定位完成后，開始啟動時，速度控制開環和電流控制閉環，由控制器給出一個旋轉電壓 矢量，進而產生旋轉磁場，帶動電機轉起來，待電機以一定轉速運行并可以準確估算到轉子 位置之后，再切換到閉環工作模式，輸出轉速隨給定轉速變化；閉環運行在此控制階段采 用一種基于觀測器的電機無位置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉 速信息， 實現了基于轉子磁場定向的矢量控制方式。本發明提供了一套無位置傳感器永磁同步電動機直接驅動裝置，取代異步機+減 速機方案，采用永磁同步電動機，能夠提高裝置效率；采用無位置傳感器方案可以提高運行 可靠性及環境適應能力，增加輸入功率因數校正及濾波環節，減少對電網的干擾及進線損 耗，達到了裝置綠色節能的目的。本發明的主要特點體現在1、TMS320F2808芯片在電機的數字化控制方面具有處理性能更好、外設集成度更 高、程序存儲器更大、A/D轉換速度更快等特點，是電機數字化控制理想的升級產品且具有 低成本、低功耗、高性能的特點。2、應用無位置傳感器矢量控制算法，在不降低裝置性能的基礎上，省去了磁極角 度位置傳感器，節約了成本，增加了環境適應能力，保證裝置可以在室外惡劣環境下可靠運 行。3、驅動器采用空間矢量脈寬調制技術可以方便的改變輸出電壓和頻率，從而大范 圍的提高電動機裝置驅動性能。4、采用智能功率因數校正技術解決了不控整流帶來的對電網的干擾，尤其是電流 中的高次諧波成分，增加了裝置的無功損耗，使得裝置的功率因數達到0. 95以上。
圖1為本發明的節能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置組成圖；圖2為無位置傳感器控制運行說明圖原理圖；圖3為節能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置的TMS320F2808最小系統電 路圖；圖4為多功能網絡化數字軸角變換裝置的軸角變換部分的功放電路圖。
具體實施例方式下面結合附圖舉例對本發明做更詳細地描述結合圖1，節能型無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置主要由功率放大單元、主 控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成。功率放大單元由可控整流電路2、逆變電 路3及檢測電路5組成。主控制單元由接口處理電路7和數字控制器8構成，操作控制單 元主要由外部操作控制面板6實現。其中永磁同步電動機包含電動機定子4和轉子構成， 轉子通常為中空或實心結構兩種結構。
系統運行時，合上外部操作控制面板6的空氣開關，通過三相交流電源1給可控整流電路2供電，調整外部操作控制面板6的轉速給定按鈕，按需要設置轉速，具體設定值可 以參看控制面板6設定速度顯示，設置的轉速通過總線傳到數字控制器8形成轉速指令。按 下外部操作控制面板6的起動按鈕，啟動指令傳到數字控制器8，數字控制器8通過接口處 理電路7，使得可控整流電路2、逆變電路3開始工作，給永磁同步電動機定子4提供可變頻 率和電壓幅值的三相電，永磁同步電動機按一定加速時間加速到設定轉速。當需要停電機 時，按下外部操作控制面板6的停止按鈕，停機指令傳到數字控制器8，數字控制器8通過接 口處理電路7，使得可控整流電路2、逆變電路3工作，減少給永磁同步電動機定子4的幅值 和頻率，永磁同步電動機減速，當檢測電路5檢測信息經過數字控制器8的運算分析到達一 定頻率時，數字控制器8給可控整流電路2、逆變電路3停止發脈沖信號，逆變電路3不再給 永磁同步電動機定子4供電，永磁同步電動機停止運行。在系統運行過程中，檢測電路5實時的將逆變電路3的電壓電流信息通過接口處 理電路7發送到數字控制器8，數字控制器8根據如圖2所示的無位置傳感器控制運行策略 形成空間矢量脈沖信號，經接口處理電路7給逆變電路3，逆變電路3進行信號放大輸出到 永磁同步電動機定子4。同時檢測電路5實時的可控整流電路2的前端電壓電流信息通過 接口處理電路7發送到數字控制器8，數字控制器8根據功率因數校正算法形成脈沖信號， 經接口處理電路7給可控整流電路2，可控整流電路2進行信號放大控制整流電路的電壓和 電流保證接近整功率因數運行。結合圖2，永磁同步電動機控制采用三段式運行策略運行策略主要包括轉子定 位9、開環加速10和閉環運行11三個階段。轉子定位9 給永磁同步電動機定子4通入六 個脈沖，根據獲取的電流信息得到一個初步粗略位置，能夠保證開環加速時有足夠啟動力 矩。開環起動10，在定位9完成后，開始啟動時，速度控制開環和電流控制閉環，由控制器給 出一個旋轉電壓矢量，進而產生旋轉磁場，帶動電機轉起來。待電機以一定轉速運行并可以 準確估算到轉子位置之后，再切換到閉環工作模式11，輸出轉速隨給定轉速變化。閉環運 行11 在此控制階段為了滿足工作可靠實現簡便的要求，采用一種基于觀測器的電機無位 置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉速信息，實現了基于轉子磁場定向的矢 量控制方式。結合圖3，最小系統板硬件電路主要為TMS320F2808的接口電路，包括數字、模擬 及通信接口。TMS320F2808負責處理采集到的數據和發送控制命令，DSP產生合適占空比 的PWM控制信號驅動IPM，再由IPM直接驅動電機旋轉；DSP經A/D 口采集電機的相電流信 號，完成電機的電流閉環控制和電機的過流保護等。TMS320F2808芯片配有串行通信接口 SCI模塊。SCI接收器和發送器是雙緩沖的，通過一個16位的波特率選擇寄存器，數據的 傳輸速度可以被編程為65535種不同的方式，該電路采用了符合RS-232標準的驅動芯片 MAX232進行串行通信，實現PC機與多功能網絡化數字軸角變換裝置之間的異步通信。采 用TMS320F2808處理器實現CAN總線的節點，需要在CAN總線與處理器之間增加變換器電 路，以便能夠實現兼容的電平轉換，系統采用SN65HVD230轉換器(符合IS011898)實現高 速CAN總線網絡。SN65HVD230是3. 3V的CAN收發器，適用于較高通訊速率、良好抗干擾能 力和高可靠性的CAN總線的串行通信。它具有差分收發能力，最高速率可達IMb/s ；低電流 等待模式，典型電流370 μ A。
結合圖4，功率放大電路包括兩部分，可控整流和逆變，其中可控整流電路與逆變電路結構一樣。可控整流的最大優點是可以控制功率因數，通過改變導通關系，減少高次諧 波成分。采用IGBT門驅動光電耦合器HCPL-315J，對上、下橋臂的兩個IGBT提供隔離和驅 動。驅動側的12路隔離直流電源，由兩個6路輸出且相互隔離的小變壓器經整流后提供。 IGBT模塊采用IKW20N60T，霍爾電流傳感器KA 50A/P,電壓互感器HPT205NB等。
權利要求
一種無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置，其特征是主要由功率放大單元、主控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成；功率放大單元由可控整流電路、逆變電路及檢測電路組成；主控制單元由接口處理電路和數字控制器構成；操作控制單元主要由外部操作控制面板實現；永磁同步電動機包含電動機定子和轉子。
2.一種無位置傳感器永磁同步電動機驅動方法，其特征是采用轉子定位、開環加速 和閉環運行三段式運行策略；轉子定位給永磁同步電動機定子通入六個脈沖；開環起動 在轉子定位完成后，開始啟動時，速度控制開環和電流控制閉環，由控制器給出一個旋轉電 壓矢量，進而產生旋轉磁場，帶動電機轉起來，待電機以一定轉速運行并可以準確估算到轉 子位置之后，再切換到閉環工作模式，輸出轉速隨給定轉速變化；閉環運行在此控制階段 采用一種基于觀測器的電機無位置傳感器控制方案，通過觀測器獲取磁極位置和轉速信 息，實現了基于轉子磁場定向的矢量控制方式。
全文摘要
本發明提供的是無位置傳感器永磁同步電動機直驅裝置及驅動方法。主要由功率放大單元、主控制單元、操作控制單元及永磁同步電動機組成；功率放大單元由可控整流電路、逆變電路及檢測電路組成；主控制單元由接口處理電路和數字控制器構成；操作控制單元主要由外部操作控制面板實現；永磁同步電動機包含電動機定子和轉子。本發明取代異步機+減速機方案，采用永磁同步電動機，能夠提高裝置效率；采用無位置傳感器方案可以提高運行可靠性及環境適應能力，增加輸入功率因數校正及濾波環節，減少對電網的干擾及進線損耗，達到了裝置綠色節能的目的。
文檔編號H02P27/08GK101814882SQ20101014905
公開日2010年8月25日 申請日期2010年4月19日 優先權日2010年4月19日
發明者李冰, 杜春洋, 王宇超 申請人:哈爾濱工程大學