專利名稱：同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控技術(shù)，尤其是種適用于電勵磁式
的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法及裝置。
背景技術(shù)：
在高性能的同步電動機矢量控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置和速度的閉環(huán)控制環(huán)節(jié)一般是 必不可少的。公知的異步電動機測速方法有兩種一種是采用光電碼盤、測速發(fā)電機等機 械速度傳感器來進行電機速度檢測，并反饋轉(zhuǎn)速信號。這種系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子位置的檢測能力較 差，同時機械速度傳感器存在安裝問題，系統(tǒng)維護工作量較大；第二種是利用檢測電機定子 電壓、電流等物理量，結(jié)合轉(zhuǎn)子磁路的不對稱性進行位置和速度估計以取代機械傳感器的 無速度傳感器的測速裝置；該系統(tǒng)雖然解決了機械速度傳感器帶來的問題，降低了系統(tǒng)成 本，但是目前的估算方法對電機參數(shù)的依賴性強，而且計算和控制比有傳感器系統(tǒng)復(fù)雜，響 應(yīng)較慢，低速動態(tài)響應(yīng)特性較差，因此，急需一種良好的轉(zhuǎn)子位置與速度測量方法以及相應(yīng) 的控制裝置來提高同步電動機拖動控制系統(tǒng)的可靠性和準確性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)中的不足之處，提供一種響應(yīng)速度快，簡單可靠且
精度高的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法及裝置。 本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法 a.采用控制器控制定子功率變換器為同步電動機輸出三相電壓，同時控制轉(zhuǎn)子 功率變換器輸出直流電壓Uf,，轉(zhuǎn)子功率變換器在輸出直流電壓的同時，疊加一個高頻電壓 Ufa; b.采用電壓互感器檢測同步電動機定子繞組中含有高頻成分的電壓信號，將該電 壓信號通過信號濾波器進行濾波處理，得到同步電動機轉(zhuǎn)子的位置信號與轉(zhuǎn)速信號；
c.系統(tǒng)控制器接受從信號濾波器傳來的轉(zhuǎn)速反饋信號，將其與來自速度信號給定 裝置的信號進行比較后，發(fā)出控制信號，同時對定子功率變換器和轉(zhuǎn)子功率變換器進行控 制，兩個功率變換器依據(jù)系統(tǒng)控制器發(fā)出的控制信號改變其輸出電壓，實現(xiàn)快速準確控制 同步電動機的轉(zhuǎn)速。 本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控裝置包括接線柜，接線柜內(nèi)設(shè)有 與三相電源開關(guān)相連接的定子功率變換器，定子功率變換器的三條輸出端分別與同步電動 機定子繞組的三相U、 V、 W相連接，定子功率變換器與同步電動機定子繞組相連的U相和V 相連接有電壓互感器，電壓互感器的輸出端經(jīng)信號濾波器連接有系統(tǒng)控制器，系統(tǒng)控制器 的輸出端上分別連接有定子功率變換器和轉(zhuǎn)子功率變換器，其輸入端上連接有速度給定信 號裝置；轉(zhuǎn)子功率變換器的輸出端與同步電動機轉(zhuǎn)子繞組相連接，轉(zhuǎn)子功率變換器通過單 相電源開關(guān)連接轉(zhuǎn)子單相交流電源；定子功率變換器通過三相電源開關(guān)連接三相電源；所 述的系統(tǒng)控制器上連有電機轉(zhuǎn)速顯示器。
本發(fā)明的有益效果利用同步機本身的機械結(jié)構(gòu)和其中的電磁關(guān)系，在同步電動 機轉(zhuǎn)子繞組中注入高頻勵磁信號，由于電動機轉(zhuǎn)子所處的位置不同，高頻脈振磁勢在定子 繞組中感應(yīng)的高頻電勢信號也隨之改變，利用電壓互感器獲取高頻信號，檢測高頻信號即 可確定轉(zhuǎn)子的位置及同步機的轉(zhuǎn)速。將測出的轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速信號反饋給控制器，控制器 根據(jù)給定信號就可以對同步電動機的速度進行準確地控制。適用于隱極式轉(zhuǎn)子和凸極式轉(zhuǎn) 子的同步電動機的測控。與現(xiàn)有技術(shù)相比，省略了速度傳感器，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強 了系統(tǒng)的可靠性，速度控制精度高，低速動態(tài)響應(yīng)特性好，易于實施，操作方便，減輕了系統(tǒng) 的維護工作量，具有廣泛的實用性。
圖1本發(fā)明的控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控原理圖； 圖3是本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控裝置工作原理圖。
圖中l(wèi)-定子三相交流電源；2-三相電源開關(guān)；3_定子功率變換器；4_電機轉(zhuǎn)速
顯示器；5_速度信號給定裝置；6_系統(tǒng)控制器；7_電壓互感器；8_信號濾波器；9_轉(zhuǎn)子單
相交流電源；10-單相電源開關(guān)；ll-轉(zhuǎn)子功率變換器；12-定子繞組；13_同步電動機定子；
14-同步電動機轉(zhuǎn)子；15-同步電動機轉(zhuǎn)子繞組；接線柜-A。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖中的實施例對本發(fā)明作進一步的描述 本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法首先采用控制器6控制定子 功率變換器3為同步電動機輸出三相電壓，同時控制轉(zhuǎn)子功率變換器11輸出直流電壓Ufz， 轉(zhuǎn)子功率變換器ll在輸出直流電壓的同時，疊加一個高頻電壓u，即在同步電動機轉(zhuǎn)子繞 組15上注入了一個高頻電壓勵磁信號，以檢測轉(zhuǎn)子位置和速度；采用電壓互感器7檢測同 步電動機定子繞組12中含有高頻成分的電壓信號，將該電壓信號通過信號濾波器8進行濾 波處理，即可得到同步電動機轉(zhuǎn)子的位置信號與轉(zhuǎn)速信號；將其送至系統(tǒng)控制器6，系統(tǒng)控 制器6采用DSP控制器，系統(tǒng)控制器6接受從信號濾波器8傳來的轉(zhuǎn)速反饋信號，將其與來 自速度信號給定裝置5的信號進行比較后，發(fā)出控制信號，同時對定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子 功率變換器11進行控制，這兩個功率變換器依據(jù)系統(tǒng)控制器6發(fā)出的控制信號改變其輸出 電壓，從而實現(xiàn)快速準確地控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。 工作原理設(shè)定電動機定子U相繞組的相軸為U軸，轉(zhuǎn)子磁極N的軸線(即轉(zhuǎn)子繞 組軸線)為d軸，二者的空間夾角的電角度為e。如果電機極對數(shù)為P，則U軸與d軸夾角
的機械角度、與電角度為e的關(guān)系為
e = px e r (i) 當(dāng)轉(zhuǎn)子繞組加高頻勵磁信號時，會在d軸產(chǎn)生高頻脈振磁場，其幅值位置會隨轉(zhuǎn)
子位置變化而移動，與定子u相繞組相軸(即u軸)的空間夾角的電角度為e。 d軸高頻
脈振磁場會在定子三相繞組(U相、V相和W相)中感應(yīng)高頻變壓器電勢(E皿、E^和EJ，它 們的大小為
4<formula>formula see original document page 5</formula>
EVH為V相高頻電勢Era為W相高頻電勢EVWH為V相和W相輸出的高頻線電勢。 當(dāng)定子繞組采用星型連接時，V相和W相輸出的高頻線電勢EVWH的大小為
五ww =五ra 一五w// = V^"五w ""'"^ (3)
由此可見，定子相繞組12中感應(yīng)的高頻電勢與轉(zhuǎn)子空間角度e成余弦關(guān)系，通過 檢測定子繞組12的高頻電勢，就可以直接測出轉(zhuǎn)子位置角e。定子繞組12采用三角型連 接時，測量u相高頻電勢，采用公式(2)計算出轉(zhuǎn)子位置角e ;定子繞組12采用星型連接 時，測量v相和w相的高頻線電勢，利用公式(3)計算出轉(zhuǎn)子位置角e 。
將測出的轉(zhuǎn)子位置角e進行對時間t的導(dǎo)數(shù)計算，并結(jié)合式(i)，就可以計算出轉(zhuǎn)
子的速度rir為 <formula>formula see original document page 5</formula>
l守測出的轉(zhuǎn)子位置和速度信號反饋給控制器6，就構(gòu)成同步機的速度閉環(huán)控制系
統(tǒng)，可以對同步電動機拖動系統(tǒng)的速度進行準確控制。 本發(fā)明的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控裝置，包括一個接線柜A，接線柜A 內(nèi)集中裝有定子功率變換器3、電機轉(zhuǎn)速顯示器4、速度給定信號裝置5、系統(tǒng)控制器6、電壓 互感器7，信號濾波器8、轉(zhuǎn)子功率變換器11。定子功率變換器3與三相電源開關(guān)2相連接， 定子功率變換器3的三個輸出端分別與同步電動機定子繞組12的三相U、V、W相連接，定子 功率變換器3與電壓互感器7相連，電壓互感器7的輸出端與信號濾波器8相連接，信號濾 波器8連接系統(tǒng)控制器6，系統(tǒng)控制器6的輸出端分別連接定子功率變換器3和轉(zhuǎn)子功率變 換器ll，速度給定信號裝置5和電機轉(zhuǎn)速顯示器4分別與系統(tǒng)控制器6相連；轉(zhuǎn)子功率變 換器11的輸出端與同步電動機轉(zhuǎn)子繞組15相連接，轉(zhuǎn)子功率變換器11通過單相電源開關(guān) 10連接轉(zhuǎn)子單相交流電源9 ;定子功率變換器3通過三相電源開關(guān)2連接三相電源1。
權(quán)利要求
一種同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法，其特征在于a.采用控制器(6)控制定子功率變換器(3)為同步電動機輸出三相電壓，同時控制轉(zhuǎn)子功率變換器(11)輸出直流電壓Ufz，轉(zhuǎn)子功率變換器(11)在輸出直流電壓的同時，疊加一個高頻電壓ufH；b.用電壓互感器(7)檢測同步電動機定子繞組(12)中含有高頻成分的電壓信號，將該電壓信號通過信號濾波器(8)進行濾波處理；c.系統(tǒng)控制器(6)接受從信號濾波器(8)傳來的轉(zhuǎn)速反饋信號，將其與來自速度信號給定裝置(5)的信號進行比較后，發(fā)出控制信號，同時對定子功率變換器(3)和轉(zhuǎn)子功率變換器(11)進行控制，兩個功率變換器依據(jù)系統(tǒng)控制器(6)發(fā)出的控制信號改變其輸出電壓，控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。
2. —種如權(quán)利要求1所述方法的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控裝置，其特征在于它包括接線柜(A)，接線柜(A)內(nèi)設(shè)有與三相電源開關(guān)(2)相連接的定子功率變換器(3)，定子功率變換器(3)的三條輸出端分別與同步電動機定子繞組(12)的三相U、V、W相連接，定子功率變換器(3)與同步電動機定子繞組(12)相連的U相和V相連接有電壓互感器(7)，電壓互感器(7)的輸出端經(jīng)信號濾波器(8)連接有系統(tǒng)控制器(6)，系統(tǒng)控制器(6)的輸出端上分別連接有定子功率變換器(3)和轉(zhuǎn)子功率變換器(ll)，其輸入端上連接有速度給定信號裝置(5);轉(zhuǎn)子功率變換器(11)的輸出端與同步電動機轉(zhuǎn)子繞組(15)相連接，轉(zhuǎn)子功率變換器(11)通過單相電源開關(guān)(10)連接轉(zhuǎn)子單相交流電源(9);定子功率變換器(3)通過三相電源開關(guān)(2)連接三相電源(1)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控裝置，其特征在于，所述的系統(tǒng)控制器(6)上連有電機轉(zhuǎn)速顯示器(4)。
全文摘要
一種同步電動機轉(zhuǎn)子位置測量與速度測控方法及裝置，采用控制器控制定子功率變換器，同時控制轉(zhuǎn)子功率變換器輸出直流電壓Ufz，并疊加一個高頻電壓ufH，檢測定子繞組中含有高頻成分的電壓信號，得到轉(zhuǎn)子的位置與轉(zhuǎn)速信號；系統(tǒng)控制器接受轉(zhuǎn)速反饋信號，與給定信號進行比較，同時對定子功率變換器和轉(zhuǎn)子功率變換器進行控制，改變其輸出電壓，實現(xiàn)快速準確地控制同步電動機的轉(zhuǎn)速。與現(xiàn)有技術(shù)相比，方法簡單，結(jié)構(gòu)省略了速度傳感器，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，增強了系統(tǒng)的可靠性，速度控制精度高，低速動態(tài)響應(yīng)特性好，易于實施，操作方便，減輕了系統(tǒng)的維護工作量，具有廣泛的實用性。
文檔編號H02P21/14GK101789746SQ20091002551
公開日2010年7月28日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者王磊, 胡堃, 譚國俊, 鄧先明, 魚瑞文 申請人:中國礦業(yè)大學(xué);徐州中礦大傳動與自動化有限公司