CN103166562B - 一种永磁容错电机相位校正***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电力传动领域中永磁容错电机相位校正***及方法，包括各相独立的H桥功率变换器，每相H桥功率变换器的上桥臂接直流电源正端，下桥臂接直流电源负端，每个上下桥臂连接处引出出线经一个扼流电感与永磁容错电机电枢绕组相连；微处理器通过电压变送器检测电源母线电压，通过电流变送器检测电源母线电流，通过转子位置传感器检测转子位置并计算出转子转速；根据公式计算出各相正弦波脉宽调制电压基波与电枢电流的相位差，根据此相位差和转子位置给各功率开关管分配驱动信号，使各相正弦波脉宽调制电压基波超前转子位置电角度，从而确保电枢电流与感应电动势同相位；不需要对各相电流相位作精确检测，测量简单且精度高。

Description

一种永磁容错电机相位校正***及方法

技术领域

本发明属于电力传动领域中的永磁容错电机，尤其涉及永磁容错电机的相位校正***及其方法，特别适用于舰船驱动、航空航天、军事装备等高可靠电力传动领域。

背景技术

永磁容错电机不但具有一般永磁电机效率高、功率密度大的优点，而且其本体具有物理隔离、热隔离、磁隔离、电气隔离和抑制短路电流的能力，若再配合相应的容错控制策略，那它就既可以实现高性能输出，又可以实现容错运行。因此，永磁容错电机自从上世纪90年代出现以来，就在舰船驱动、航空航天、军事装备等高可靠传动领域得到越来越广泛的运用。

永磁容错电机驱动控制通常采用电流滞环技术实现电枢电流跟踪指令电流的方法。该方法响应速度快、控制算法简单，但对硬件要求较高，电流谐波大，转矩脉动大，而且稳态性能差。采用SPWM（正弦波脉宽调制）电压控制的方法驱动永磁容错电机虽然响应速度稍逊于前者，但对硬件要求较低，电流谐波小，转矩脉动小，而且稳态性能好，具有较大的工程应用潜力。永磁容错电机存在电枢电阻和同步电抗，且同步电抗随电机的转速变化而变化，电机负载运行时，各相都相当于感性负载，电枢电流与感应电动势之间不可避免地会存在相位差，并且此相位差会随负载和转速的变化而变化，因此，需对各相电流相位作精确检测，通过改变电枢电压的相位来确保电枢电流与感应电动势同相位。但对各相电流相位作精确检测很困难，主要原因如下：①电流传感器价格较高，如需对各相电流相位作精确检测，就需要为每相配备一只电流传感器，大大提高了硬件成本；②需根据转子位子实时检测电枢电流值并配合一定的算法才能提取电流的相位，抗干扰能力差，实时性要求高，算法较复杂；③当电机高速旋转时，电枢电流频率也很高，抗干扰性和实时性要求较高，这就对硬件和软件提出了更高要求。故，需要一种新的技术方案以解决上述问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出一种永磁容错电机相位校正***及其方法，采用传感器数量少，检测精度高，工作稳定可靠。

为实现上述发明目的，本发明一种永磁容错电机相位校正***所采用的技术方案是: 包括A、B、C、D各相独立的H桥功率变换器，每相H桥功率变换器都是由四个功率开关MOS管组T₁、T_２、T_３、T₄和四个二极管D₁、D_２、D_３、D₄组成上下两个桥臂，上桥臂接直流电源正端，下桥臂接直流电源负端，每个上下桥臂连接处引出出线经一个扼流电感与永磁容错电机电枢绕组相连；电压变送器输入端与直流电源母线并联，输出端连接微处理器；电流变送器输入端串接直流电源母线，输出端连接到微处理器；微处理器连接永磁容错电机集成的转子位置传感器。

本发明永磁容错电机相位校正***的相位校正方法是采用如下步骤：

（1）微处理器通过电压变送器检测电源母线电压，通过电流变送器检测电源母线电流，通过转子位置传感器检测转子位置并计算出转子转速；

（2）微处理器根据公式                                                计算出各相正弦波脉宽调制电压基波与电枢电流的相位差，为转子电角速度，为扼流电感，为永磁容错电机电枢同步电感，为电源母线电压，为电源母线电流，N为永磁容错电机工作的相数，为各相正弦波脉宽调制波电压的基波幅值；

（3）微处理器根据此相位差和转子位置给各相H桥功率变换器的各功率开关管分配驱动信号，使各相正弦波脉宽调制电压基波超前转子位置电角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是:

1、采用SPWM电压控制的方法驱动永磁容错电机时，可使各相均在电枢电流与感应电动势同相位的情况下运行，在相同出力下可使电枢电流减小，从而降低了设备的容量、提高了设备的运行效率。

2、只需要检测直流母线电压、电流并配合转子的位置和转速，就可给H桥功率变换器各功率开关管分配驱动信号，而不需要对各相电流相位作精确检测，测量简单，且精度高、成本低。

附图说明

图1为本发明所述一种永磁容错电机相位校正***的框图。

图1中，U：直流电源；C：储能电容；T ₁ 、T _２、 T _３、 T ₄ ：功率开关MOS管；D ₁ 、D _２、 D _３、 D ₄ ：续流二极管；L _A 、L _B 、L _C 、L _D ：电感；PMFTM：永磁容错电机；PS：转子位置传感器。

图2为图1所述永磁容错电机的等效电路图。

图2中，：相电压；为永磁容错电机空载相感应电动势；：电枢电流；：回路的总电阻；：串联电抗；：电枢同步电抗。

图3为图1所述永磁容错电机进行相位校正前的向量图。

图3中，：在方向的分量；：在垂直方向的分量；：串联电感；：电枢同步电感；：与之间的相位差；：与之间的相位差。

图4为图1所述永磁容错电机进行相位校正前的等效电路图。

图4中，：等效电阻；：等效电感。

图5为图1所述永磁容错电机进行相位校正后的向量图。

图6为图1所述永磁容错电机进行相位校正后的等效电路图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，本发明公开的一种永磁容错电机相位校正***包括：直流电源U、储能电容C、A、B、C、D各相独立的H桥功率变换器、电压变送器、电流变送器、微处理器和集成有转子位置传感器的永磁容错电机（PMFTM）。其中，储能电容C与直流电源母线并联。每相H桥功率变换器都是由四个功率开关MOS管组T₁、T_２、T_３、T₄和四个二极管D₁、D_２、D_３、D₄组成上下两个桥臂，上桥臂接直流电源正端，下桥臂接直流电源负端，从每个上下桥臂连接处引出出线经扼流电感与永磁容错电机电枢绕组相连，由各相H桥功率变换器及与其连接的扼流电感L_A、L_B、L_c、L_D组成相应相的驱动电路，即A、B、C、D相驱动电路。电压变送器输入端与直流电源母线并联，输出端连接到微处理器。电流变送器输入端串在直流电源母线中，输出端连接到微处理器。永磁容错电机的转子位置传感器（PS）输出端连接到微处理器。微处理器产生的SPWM（正弦波脉宽调制）驱动信号经各功率开关MOS管组T₁、T_２、T_３、T₄的驱动电路驱动各个功率开关MOS管。

微处理器通过电压变送器检测电源母线电压，通过电流变送器检测电源母线电流，通过永磁容错电机的转子位置传感器检测转子位置并计算出转子转速。微处理器根据检测到的转子位置、转子转速、母线电压和母线电流，结合相位校正控制策略计算出各相SPWM电压基波与电枢电流的相位差，并根据此相位差和转子位置给各相H桥功率变换器的各功率开关管分配驱动信号，使各相SPWM电压基波超前转子位置电角度，即超前相位角是，从而确保电枢电流与感应电动势同相位。相位角计算公式如下，

式中，为各相SPWM电压基波与电枢电流的相位差，为转子电角速度，为串联的扼流电感，即扼流电感L_A、L_B、L_c或L_D；为电枢同步电感，为电源母线电压，为电源母线电流，N为永磁容错电机工作的相数，为各相SPWM波电压的基波幅值。

下面以四相永磁容错电机说明本发明公开的永磁容错电机相位校正方法的原理：

当A、B、C、D四相对称运行时，各相运行情况相同，任何一相都可代表电机的运行情况，下面以A相为对象描述永磁容错电机相位校正方法。

根据电机学的知识，列写电压平衡方程式

                （1）

式中， 为相电压，为永磁容错电机空载相感应电动势，为虚单位，为电枢电流，为回路的总电阻（包括MOS管的通态电阻、串联电感电阻、电枢电阻），为串联电抗，为电枢同步电抗，其等效电路图参见图2，相量图参见图3。

参见图3，将按方向和滞后90°电角度分解成和。参见图4，根据电路替代原理，的作用可用电阻和电感并联等效，消耗有功功率，消耗无功功率。有功功率产生方向恒定的转矩，从轴上输出机械能；无功功率产生方向随转子位置交变的转矩，其平均转矩为零。为了增大PMFTM输出转矩、提高PMFTM运行效率、降低驱动电路的功耗，应让永磁容错电机运行在与同相位的状态，即保证或，相量图参见图5，等效电路图参见图6，此时的作用仅由电阻等效，电感支路相当于开路。

调节与之间的夹角可改变分量，为使或，参见相量图5可知

                    （2）

式中，为与之间的相位差，为与之间的相位差；

由于当永磁容错电机处于对称运行状态时，永磁容错电机在各相之间完成无功交换，各相无功功率之和为零，电源输出的功率等于各相有功功率之和，电源无无功功率输出，所以有：

                           （3）

式中，N为永磁容错电机工作的相数，取2或4。将公式（3）带入公式（2），可得

                        （4）

                     （5）

设为相永磁容错电机波电压的基波幅值，则，将之带入公式（5）可得

                     （6）

由公式（6）可知，只需要检测直流母线电压、电流并配合转子的位置和转速，就可根据电压指令给H桥功率变换器各功率开关管分配驱动信号，并确保电枢电流与感应电动势同相位，从而实现相位校正。

Claims (1)

1. 一种永磁容错电机相位校正方法，采用永磁容错电机相位校正***，该相位校正***包括A、B、C、D各相独立的H桥功率变换器，每相H桥功率变换器都是由四个功率开关MOS管组T₁、T_２、T_３、T₄和四个二极管D₁、D_２、D_３、D₄组成上下两个桥臂，上桥臂接直流电源正端，下桥臂接直流电源负端，每个上下桥臂连接处引出出线经一个扼流电感与永磁容错电机电枢绕组相连；电压变送器输入端与直流电源母线并联，输出端连接微处理器；电流变送器输入端串接直流电源母线，输出端连接到微处理器；微处理器连接永磁容错电机集成的转子位置传感器，其特征是采用如下步骤：

（1）微处理器通过电压变送器检测电源母线电压，通过电流变送器检测电源母线电流，通过转子位置传感器检测转子位置并计算出转子转速；

（2）微处理器根据公式                                                计算出各相正弦波脉宽调制电压基波与电枢电流的相位差，为转子电角速度，为扼流电感，为永磁容错电机电枢同步电感，为电源母线电压，为电源母线电流，N为永磁容错电机工作的相数，为各相正弦波脉宽调制波电压的基波幅值；

（3）微处理器根据此相位差和转子位置给各相H桥功率变换器的各功率开关管分配驱动信号，使各相正弦波脉宽调制电压基波超前转子位置电角度。