CN102621396B - 永磁同步电机交直轴电感测量方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机交直轴电感测量方法与装置，其特征在于：通过分别断开永磁同步电机任意一相绕组，给剩余两相绕组通一定幅度的工频交流电，在一定时间内，以固定时间采样相应的线电压和线电流，利用公式计算出三相绕组的线电感以及交轴电感和直轴电感。应用发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法构成的永磁同步电机交直轴电感测量装置，包括隔离降压变压器、隔离取样电路、可控转换开关、单片微控制器、液晶显示屏、直流稳压电源。本发明实现了无需任何仪表，无需转子定位，无需人工干预，自动、快速、准确测量永磁同步电机交直轴电感的目的。

Description

永磁同步电机交直轴电感测量方法与装置

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机交直轴电感测量方法与装置，特别是涉及一种自动测量用于矢量控制的永磁同步电机交轴电感和直轴电感的装置，属于电机领域。

背景技术

矢量控制的无位置传感器永磁同步电机在工业和家电等领域得到越来越广泛的应用，其***运行特性好坏的核心是取决于电机的交直轴电感参数的准确性。目前用于测量永磁电机交直轴电感的测试方法主要有电压积分法、直接衰减法等，但这些方法都需要将电机转子旋转到直轴或者交轴位置，在实际测量中，由于直流电流所产生磁场的影响，转子很难到达指定位置，而且需要电压表、电流表、功率表和示波器等多种仪表人工获取测试数据，测试装置过于复杂，测试时间比较长，测试精度难以保证。

发明内容

针对现有测量方法的不足，本发明提供一种无需任何仪器仪表，无需转子定位，结构简单，测试快捷，自动准确测量永磁同步电机交直轴电感的方法与装置。

下面说明本发明所涉及的工作原理。

三相绕组星形连接的永磁同步电机在矢量坐标系下的简图如图1所示，根据永磁同步电机的理论，三相绕组的线电感分别如下：

$L_{\mathrm{AB}}={3L}_A-{3L}_B\sin (2\mathrm{\θ}-\frac{\mathrm{\π}}{6})---\left(1\right)$

L_BC＝3L_A-3L_Bcos2θ(2)

$L_{\mathrm{CA}}={3L}_A+{3L}_B\sin (2\mathrm{\θ}+\frac{\mathrm{\π}}{6})---\left(3\right)$

式中L_A为定子绕组相电感中的恒定部分，L_B为定子绕组相电感中的脉动部分的幅值，θ为永磁体与A相绕组轴的夹角。

综合(1)、(2)、(3)可推导出：

$L_A=\frac{L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{BC}}+L_{\mathrm{CA}}}{9}---\left(4\right)$

$L_B=\frac{\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{BC}})}^2+3{(L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{AB}})}^2}}{9}---\left(5\right)$

根据(4)、(5)可得到永磁同步电机的交直轴电感为：

$L_d=\frac{L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{BC}}+L_{\mathrm{CA}}-\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{BC}})}^2+3{(L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{AB}})}^2}}{6}---\left(6\right)$

$L_q=\frac{L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{BC}}+L_{\mathrm{CA}}+\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{BC}})}^2+3{(L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{AB}})}^2}}{6}---\left(7\right)$

由(6)、(7)式分析可知，永磁同步电机的交直轴电感不包含θ，即与永磁转子的位置没有关系。因此，只要能测量出永磁电机转子在任意位置时三相绕组的线电感，通过一定的计算，就可以得到永磁同步电机的交直轴电感，无需对转子实施定位。

如果断开电机的C相，给A、B两相通一定幅度的工频交流电u，产生电流为i，根据电机的电压方程，通电两相的线电感为：

$L_{\mathrm{AB}}=\frac{u-\mathrm{i\; R}}{\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}}---\left(8\right)$

由于电机绕组电阻R产生的电压相对于绕组电动势的电压可以忽略不计，那么(8)式可以变为：

$L_{\mathrm{AB}}=\frac{\mathrm{udt}}{\mathrm{di}}---\left(9\right)$

如果以很小的固定时间采样(9)中电流和电压，则(9)式可转化为：

$L_{\mathrm{AB}}=\frac{\mathrm{u\Δt}}{\mathrm{\Δi}}---\left(10\right)$

同理分别断开A相和B相，给剩余的两相通同样幅度的工频交流电u，根据(10)式也可以计算出L_BC、L_CA。

根据上述的发明构思，本发明采用下述技术方案：

本发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法，其特征在于：通过分别断开永磁同步电机任意一相绕组，给剩余两相绕组通一定幅度的工频交流电，在一定的时间内，以固定的采样时间采样相应的线电压和线电流，根据所述公式计算出三相绕组的线电感以及交轴电感和直轴电感。

应用本发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法构成的永磁同步电机交直轴电感测量装置，包括隔离降压变压器、隔离取样电路、可控转换开关、单片微控制器、液晶显示屏、直流稳压电源，其特征在于：工频220V交流电经隔离降压变压器和隔离取样电路与可控转换开关连接，隔离取样电路的输出信号连接至单片微控制器的模数转换引脚，可控转换开关与端子A、B、C连接，单片微控制器的控制信号与可控转换开关控制端连接，单片微控制器的输出信号与液晶显示屏连接，直流稳压电源产生的12V和5V电源分别送到可控转换开关和单片微控制器。

所述的隔离降压变压器采用普通工频变压器，包括初级和次级，初级和次级相互电气隔离，初级与220V工频交流电连接，次级的L、N端分别与隔离取样电路电压传感器U1的两个AC端和直流稳压电源整流桥堆D的两个AC端汇接。

所述的隔离取样电路包括电压传感器U1和电流传感器U2，U1的V输出端与单片微控制器U3的模数转换引脚P0.1连接，U2的I输出端与单片微控制器的模数转换引脚P0.2连接，U2的输入负端IN-与隔离降压变压器次级的N端连接，U1、U2的G端接地。

所述的可控转换开关包括四个继电器KA、KB1、KB2、KC和四个控制三极管Q1、Q2、Q3、Q4，每个继电器由两个开关触点和一个控制线圈组成，继电器KA的左触点、KB1的左触点与隔离降压变压器次级的L端汇接，KA的右触与端子A连接，供永磁同步电机A相绕组端连接，继电器KB2、KC的左触点、电流传感器U2的输入正端IN+汇接，KB1、KB2的右触点汇接后与端子B连接，供永磁同步电机B相绕组端连接，KC的右触点与输出端子C连接，供永磁同步电机C相绕组端连接，KA控制线圈的左端与三极管Q1的集电极连接，KB1控制线圈的左端与三极管Q2的集电极连接，KB2控制线圈的左端与三极管Q3的集电极连接，KC控制线圈的左端与三极管Q4的集电极连接，KA、KB1、KB2、KC控制线圈的右端与12V汇接，Q1、Q2、Q3、Q4的发射级与地汇接，Q1、Q2、Q3、Q4基级分别与单片微控制器的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3连接。

所述的单片微控制器采用R8C/2L，所述的显示屏采用1206，单片微控制器的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P2.4、P2.5、P2.6分别与显示屏的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、RS、R/W、E连接。

所述的直流稳压电源包括整流桥堆D、12V稳压块U3、5V稳压块U4和电解电容C，整流桥堆D的正极V+、电解电容C的正极、12V稳压块U3的输入端Vin汇接，12V稳压块U3的输出端与5V稳压块U4的输入端Vin连接，5V稳压块U4的输出5V电压，整流桥堆D的负极V-、电解电容C的负极、12V稳压块U3的GND端、5V稳压块U4的GND端汇接接地。

本发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法与装置，利用单片微控制器控制继电器的通断分别只给永磁同步电机任意两相绕组通以一定幅度的工频交流电，在一定的时间内，以固定的采样时间采样其相应的线电压和线电流，通过简单的运算后显示出永磁同步电机的交直轴电感，与背景技术相比实现了无需任何仪表，无需转子定位，无需人工干预，自动、快速、准确显示出永磁同步电机的交直轴电感的目的。

附图说明

图1是永磁同步电机在矢量坐标系下的结构简图，图中A轴、B轴、C轴分别为电机AA’相绕组、BB’相绕组、CC’相绕组的绕组轴，N、S为安装在转子永磁磁钢，d、q为矢量坐标系下的直轴和交轴。

图2是本发明的方框示意图，图中：1、隔离降压变压器，2、隔离取样电路，3、可控转换开关，4、单片微控制器，5、液晶显示屏，6直流稳压电源。

图3是本发明的一个实施例的***结构图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法，通过分别断开永磁同步电机任意一相绕组，给剩余两相绕组通一定幅度的工频交流电，在一定的时间内，以固定的采样时间采样相应的线电压和线电流，根据所述公式计算出三相绕组的线电感以及交轴电感和直轴电感。

参见图2，应用本发明的永磁同步电机交直轴电感测量方法构成的永磁同步电机交直轴电感测量装置，包括隔离降压变压器1、隔离取样电路2、可控转换开关3、单片微控制器4、液晶显示屏5、直流稳压电源6；工频220V交流电经隔离降压变压器1和隔离取样电路2与可控转换开关3连接，隔离取样电路2的输出信号连接至单片微控制器4的模数转换引脚，可控转换开关3分别与端子A、B、C连接，单片微控制器4的控制信号与可控转换开关3连接，单片微控制器4的输出信号与液晶显示屏5连接，直流稳压电源6产生的12V和5V电源分别送到可控转换开关和单片微控制器。隔离降压变压器1采用普通工频变压器，包括初级和次级，初级和次级相互电气隔离，初级与220V工频交流电连接，次级的L、N端分别与隔离取样电路2电压传感器U1的两个AC端和直流稳压电源6整流桥堆D的两个AC端汇接；隔离取样电路2包括电压传感器U1和电流传感器U2，U1的V输出端与单片微控制器4的U3的模数转换引脚P0.1连接，U2的I输出端与单片微控制器4的模数转换引脚P0.2连接，U2的输入负端IN-与隔离降压变压器1次级的N端连接，U1、U2的G端接地；可控转换开关3包括四个继电器KA、KB1、KB2、KC和四个控制三极管Q1、Q2、Q3、Q4，每个继电器由两个开关触点和一个控制线圈组成，继电器KA的左触点、KB1的左触点与隔离降压变压器次级的L端汇接，KA的右触与端子A连接，供永磁同步电机A相绕组端连接，继电器KB2、KC的左触点、电流传感器U2的输入正端IN+汇接，KB1、KB2的右触点汇接后与端子B连接，供永磁同步电机B相绕组端连接，KC的右触点与端子C连接，供永磁同步电机C相绕组端连接，KA控制线圈的左端与三极管Q1的集电极连接，KB1控制线圈的左端与三极管Q2的集电极连接，KB2控制线圈的左端与三极管Q3的集电极连接，KC控制线圈的左端与三极管Q4的集电极连接，KA、KB1、KB2、KC控制线圈的右端与12V汇接，Q1、Q2、Q3、Q4的发射级与地汇接，Q1、Q2、Q3、Q4基级分别与单片微控制器4的P2.0、P2.1、P2.2、P2.3连接；单片微控制器4采用R8C/2L，显示屏5采用1206，单片微控制器4的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7、P2.4、P2.5、P2.6分别与显示屏5的DB0、DB1、DB2、DB3、DB4、DB5、DB6、DB7、RS、R/W、E连接；直流稳压电源6包括整流桥堆D、12V稳压块U3、5V稳压块U4和电解电容C，整流桥堆D的正极V+、电解电容C的正极、12V稳压块U3的输入端Vin汇接，12V稳压块U3的输出端与5V稳压块U4的输入端Vin连接，5V稳压块U4的输出5V电压，整流桥堆D的负极V-、电解电容C的负极、12V稳压块U3的GND端、5V稳压块U4的GND端汇接接地。

参见图3，本发明的工作过程是：

1、把永磁同步电机的三相绕组A、B、C端分别与本发明永磁同步电机交直轴电感测量装置的A、B、C端子连接好，接通220V工频交流电源，装置启动；

2、启动后，单片微处理器R8C/2L首先置P2.0＝1、P2.1＝0、P2.2＝1、P2.3＝0，使开关KA和KB2接通，降压后的工频交流电加到永磁同步电机的A相和B相绕组之间，此时单片微处理器R8C/2L以0.1ms固定采用时间采样电压传感器的V信号和电流传感器的I信号，在1ms内采样10次，依照公式(10)，平均计算出线电感LAB；

3、1ms后，单片微处理器R8C/2L置P2.0＝0、P2.1＝1、P2.2＝0、P2.3＝1，使开关KB1和KC接通，降压后的工频交流电加到永磁同步电机的B相和C相绕组之间，此时单片微处理器R8C/2L以0.1ms固定采用时间采样电压传感器的V信号和电流传感器的I信号，在1ms内采样10次，依照公式(10)，平均计算出线电感L_BC；

4、1ms后，单片微处理器R8C/2L置P2.0＝1、P2.1＝0、P2.2＝0、P2.3＝1，使开关KA和KC接通，降压后的工频交流电加到永磁同步电机的AB相和C相绕组之间，此时单片微处理器R8C/2L以0.1ms固定采用时间采样电压传感器的V信号和电流传感器的I信号，在1ms内采样10次，依照公式(10)，平均计算出线电感L_CA；

5、1ms后，单片微处理器R8C/2L置P2.0＝0、P2.1＝0、P2.2＝0、P2.3＝0，按照公式(6)和(7)分别计算出直轴电感Ld和交轴电感Lq，并将计算结果送到显示屏显示出来。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机交直轴电感测量装置，其特征在于：包括单片微控制器、可控转换开关、隔离取样电路、隔离降压变压器、液晶显示屏和直流稳压电源，隔离取样电路由电压传感器和电流传感器组成，单片微控制器通过可控转换开关和隔离取样电路把经隔离降压变压器隔离降压后的工频交流电压分别输出到永磁同步电机的三相绕组A、B、C中的任意两相，单片微控制器以固定的采样时间采样隔离取样电路的输出信号，单片微控制器通过公式计算出永磁同步电机直轴电感L_d和交轴电感L_q，并将计算结果送到液晶显示屏，单片微控制器由直流稳压电源供电。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机交直轴电感测量装置，其特征在于：单片微控制器通过可控转换开关控制降压后的工频交流电加到永磁同步电机的A相和B相绕组之间，单片微控制器以0.1ms固定时间采样电压传感器的输出信号V和电流传感器的输出信号I，在1ms内采样10次，依照公式平均计算出线电感L_AB，式中u为采样电压传感器的输出信号V值，Δi为采样电流传感器的输出信号I值，Δt为0.1ms；1ms后，单片微控制器通过可控转换开关控制降压后的工频交流电加到永磁同步电机的B相和C相绕组之间，单片微控制器以0.1ms固定时间采样电压传感器的输出信号V和电流传感器的输出信号I，在1ms内采样10次，依照公式平均计算出线电感L_BC，式中u为采样电压传感器的输出信号V值，Δi为采样电流传感器的输出信号I值，Δt为0.1ms；1ms后，单片微控制器通过可控转换开关控制降压后的工频交流电加到永磁同步电机的A相和C相绕组之间，单片微控制器以0.1ms固定时间采样电压传感器的输出信号V和电流传感器的输出信号I，在1ms内采样10次，依照公式平均计算出线电感L_CA，式中u为采样电压传感器的输出信号V值，Δi为采样电流传感器的输出信号I值，Δt为0.1ms。

3.根据权利要求1或2所述的永磁同步电机交直轴电感测量装置，其特征在于：单片微控制器按照

$L_d=\frac{L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{BC}}+L_{\mathrm{CA}}-\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{BC}})}^2+3{(L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{AB}})}^2}}{6},$

$L_q=\frac{L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{BC}}+L_{\mathrm{CA}}+\sqrt{{(L_{\mathrm{AB}}+L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{BC}})}^2+3{(L_{\mathrm{CA}}-L_{\mathrm{AB}})}^2}}{6}$

计算出永磁同步电机直轴电感L_d和交轴电感L_q，并将计算结果送到显示屏显示出来。