无刷双馈电机转子初始角度检测方法、装置及启动方法与流程

1.本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种无刷双馈电机转子初始角度检测方法、装置及启动方法。


背景技术：

2.无刷双馈电机有两套定子绕组，通过定子励磁，实现无刷运行，提高系统可靠性。无刷双馈电机的两套定子绕组中，一套绕组直接与电网相连，称为功率绕组；另一套绕组通过变频器接电网，称为控制绕组。一般而言，无刷双馈电机被设计运行在自然同步速附近，此时，功率绕组提供电机所需大部分功率，控制绕组只需提供部分转差功率，因此，只需要部分小功率的变频器就能实现对无刷双馈电机的调速控制。
3.无刷双馈电机由静止运行到自然同步速附近会涉及到电机启动的问题，目前，普遍采用的方式是通过在控制绕组测串入电阻来启动电机，此时控制绕组侧变频器被旁路，待电机运行到自然同步速附近时，将电阻切掉，同时变频器接入将电机牵入同步，这种启动方式称为异步启动，该方式实施简单，但最大启动转矩由电机特性决定，只适用于对启动转矩要求不太高的场合。还有一种方式是同步启动，电机静止时控制绕组侧变频器直接接入，将电机牵入同步，再运行至所需要的转速，该方式电机双边励磁，具有同步电机特性，可以通过调节励磁大幅提高无刷双馈电机的启动转矩。
4.同步启动方式相比异步启动方式实施起来更复杂，但可以提高最大启动转矩，有相当大的应用价值。但是由于同步启动用到的矢量控制策略需要知道电机转子角度，现有技术中通过安装增量式编码器等手段可以得到转子的相对位置，但是很难知道转子的初始角度位置，进而无法得到准确的电机转子角度，造成无法保证矢量控制的精度。


技术实现要素：

5.针对上述问题，本发明提供一种无刷双馈电机转子初始角度检测方法，无刷双馈电机的启动方式为同步启动，方法包括：
6.接通功率绕组的电源，在控制绕组感应出电压时，对功率绕组电压以及控制绕组电压进行采样，并根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位；
7.判断功率绕组和控制绕组的相位之和是否为0，若是，判定转子当前的初始角度为0，否则，判定转子当前的初始角度为功率绕组和控制绕组的相位之差。
8.进一步的，根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位包括：
9.将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系；
10.将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，分别得到功率绕组电压、控制绕组电压在两相旋转坐标系下对应的d轴电压分量和q轴电压分
量；
11.分别通过反馈闭环控制，利用pi控制器将功率绕组电压、控制绕组电压对应的q轴电压分量调至零，得到当q轴电压分量为零时功率绕组电压的相位以及控制绕组的相位。
12.进一步的，将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系为：
13.利用clark变换，将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系。
14.进一步的，将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系为：
15.利用park变换，将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系。
16.进一步的，无刷双馈电机包括功率绕组以及控制绕组，功率绕组通过接触器km与电网连接，控制绕组通过变频器与电网连接；
17.接通功率绕组的电源为：吸合所述功率绕组侧的接触器km。
18.进一步的，变频器为两象限变频器。
19.本发明还提供一种无刷双馈电机转子初始角度检测装置，无刷双馈电机的启动方式为同步启动，装置包括采样模块、锁相控制模块、初始角度判定模块，其中：
20.采样模块，与锁相控制模块连接，用于在接通功率绕组的电源，且控制绕组感应出电压时，对功率绕组电压以及控制绕组电压进行采样；
21.锁相控制模块，与初始角度判定模块连接，用于根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位；
22.初始角度判定模块，用于判断功率绕组和控制绕组的相位之和是否为0，若是，判定转子当前的初始角度为0，否则，判定转子当前的初始角度为所述功率绕组和控制绕组的相位之差。
23.进一步的，锁相控制模块包括坐标转换单元以及锁相控制单元，其中：
24.坐标转换单元与锁相控制单元连接，用于将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系；将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，分别得到功率绕组电压、控制绕组电压在两相旋转坐标系下对应的d轴电压分量和q轴电压分量；
25.锁相控制单元，用于分别通过反馈闭环控制，利用pi控制器将功率绕组电压、控制绕组电压对应的q轴电压分量调至零，得到当q轴电压分量为零时功率绕组电压的相位以及控制绕组的相位。
26.进一步的，坐标转换单元利用clark变换将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系，利用park变换，将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系。
27.本发明还提供一种无刷双馈电机启动方法，方法为同步启动方法，方法包括：
28.接通功率绕组的电源，根据上述的无刷双馈电机转子初始角度检测方法，得到转子当前的初始角度；
29.根据所述初始角度对转子角度进行修正；
30.根据修正后的转子角度以及预设的无刷双馈电机功率绕组磁链定向矢量控制策略，将电机牵入同步，进行调速控制，以实现无刷双馈电机同步启动。
31.本发明提供的无刷双馈电机转子初始角度检测方法、装置及启动方法，至少具有以下有益效果：
32.通过在接通功率绕组的电源，控制绕组感应出电压时(此时无刷双馈电机保持静止状态)，通过锁相控制得到功率绕组的相位和控制绕组的相位，根据功率绕组和控制绕组的相位，快速、准确的确定同步启动方式下无刷双馈电机的转子初始角度，从而能够保证在同步运行过程中获得准确的电机转子角度，保证矢量控制的精度。
附图说明
33.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
34.图1为本发明一种实施例中的无刷双馈电机转子初始角度检测方法步骤示意图；
35.图2为本发明一种实施例中的无刷双馈电机同步启动系统拓扑图；
36.图3为本发明一种实施例中的数字锁相控制策略步骤示意图；
37.图4为本发明一种实施例中的数字锁相控制策略流程示意图；
38.图5为本发明一种实施例中的无刷双馈电机转子初始角度检测装置示意图；
39.图6为本发明一种实施例中的锁相控制模块结构示意图；
40.图7为本发明一种实施例中的无刷双馈电机功率绕组磁链定向矢量控制策略流程示意图；
41.501-采样模块、502-锁相控制模块、503-初始角度检测模块、5021-坐标转换单元、5022-锁相控制单元。
具体实施方式
42.下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
43.在本发明的一种实施例中，如图1所示，提供一种无刷双馈电机转子初始角度检测方法，无刷双馈电机的启动方式为同步启动，方法包括以下步骤：
44.步骤s101：接通功率绕组的电源，在控制绕组感应出电压时，对功率绕组电压以及控制绕组电压进行采样，并根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位。
45.步骤s102：判断功率绕组和控制绕组的相位之和是否为0，若是，执行步骤s103，否则，执行步骤s104。
46.步骤s103：判定转子当前的初始角度为0。
47.步骤s104：判定转子当前的初始角度为功率绕组和控制绕组的相位之差。
48.具体的，如图2所示，本步骤中所提及的无刷双馈电机包括功率绕组以及控制绕组，功率绕组通过接触器km与电网连接，控制绕组通过变频器与电网连接，更具体的，变频器为两象限变频器(图2中的三相桥式电路)。
49.在步骤s101中，接通功率绕组的电源为：吸合功率绕组侧的接触器km。此时由于控制绕组未提供励磁，接触器km吸合后无刷双馈电机仍保持静止状态。
50.由于无刷双馈电机的转速表达式为式中ω表示角速度，下标p和c分别表示功率绕组和控制绕组，电机的转速由两套绕组的频率决定，通多对上式积分可到两套绕组的相位关系为(p
p
pc)θr θ
r0
＝θ
p
θc，θ
r0
表示转子的初始角度。
51.通过上式可以看出，在电机处于静止状态时，如果转子处于0角度位置(初始角度为0)，即此时功率绕组和控制绕组磁场轴线一致，功率绕组和控制绕组相位相加应为零。因此，在本实施例中，接通功率绕组的电源，在控制绕组感应出电压时(此时无刷双馈电机保持静止状态)，通过锁相控制得到功率绕组的相位和控制绕组的相位，若功率绕组和控制绕组相位相加为零，则判定转子当前的初始角度为0，否则判定转子当前的初始角度为功率绕组和控制绕组相位之差。
52.采用本实施例中提供的无刷双馈电机同步启动转子初始角度检测方法，能够快速、准确的确定同步启动方式下无刷双馈电机的转子初始角度，从而能够保证在同步运行过程中获得准确的电机转子角度，保证矢量控制的精度。
53.在本发明的又一种实施例中，如图3所示，步骤s101中的根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位包括：
54.步骤s1011：将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系。
55.其中，本步骤中，是利用clark变换，实现将功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系。
56.步骤s1012：将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，分别得到功率绕组电压、控制绕组电压在两相旋转坐标系下对应的d轴电压分量和q轴电压分量。
57.其中，在本步骤中，是利用park变换，实现将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系。
58.步骤s1013：分别通过反馈闭环控制，利用pi控制器将功率绕组电压、控制绕组电压对应的q轴电压分量调至零，得到当q轴电压分量为零时功率绕组电压的相位以及控制绕组的相位。
59.如图4所示，为数字锁相控制策略流程图，图4中下标abc、αβ和dq分别表示电压在三相静止坐标系、两相静止坐标系和两相旋转坐标系下的电压分量；ω和θ分别为估计的电压角频率和相位。以对功率绕组电压的锁相为例，在锁相环实现的过程中，首先将采样得到的功率绕组三相电压经过clark变换由三相静止abc坐标系变换到两相静止αβ坐标系，再以估计出的电压相位作为参考角度，利用park变换，将两相静止αβ坐标系中的电压信号变换到同步旋转dq坐标系中。在理想电压条件下，电压矢量的d轴和q轴分量均为直流量，采用pi控制器对电网电压的q轴分量实现无静差调节即可准确跟踪电压空间矢量。当通过反馈闭
环控制，q轴分量uq被控制趋于零时，即有ud＝u，u为电压矢量幅值，θ等于三相电压的实际相位，pll准确锁定电压矢量。控制绕组电压的相位采用同样的方法可以锁相得到。
60.本发明还提供一种无刷双馈电机转子初始角度检测装置，无刷双馈电机的启动方式为同步启动，如图5所示，装置包括采样模块501、锁相控制模块502、初始角度判定模块503，其中：
61.采样模块501，与锁相控制模块502连接，用于在接通功率绕组的电源，且控制绕组感应出电压时，对功率绕组电压以及控制绕组电压进行采样。
62.锁相控制模块502，与初始角度判定模块连接，用于根据预设的数字锁相控制策略进行锁相控制分别得到功率绕组的相位和控制绕组的相位。
63.初始角度判定模块503，用于判断功率绕组和控制绕组的相位之和是否为0，若是，判定转子当前的初始角度为0，否则，判定转子当前的初始角度为所述功率绕组和控制绕组的相位之差。
64.在本发明的又一种实施例中，如图6所示，锁相控制模块502包括坐标转换单元5021以及锁相控制单元5022，其中：
65.坐标转换单元5021与锁相控制单元5022连接，用于将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系；将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，分别得到功率绕组电压、控制绕组电压在两相旋转坐标系下对应的d轴电压分量和q轴电压分量。
66.锁相控制单元5022，用于分别通过反馈闭环控制，利用pi控制器将功率绕组电压、控制绕组电压对应的q轴电压分量调至零，得到当q轴电压分量为零时功率绕组电压的相位以及控制绕组的相位。
67.其中，坐标转换单元5021利用clark变换将采样得到的功率绕组电压、控制绕组电压由三相静止坐标系变换到两相静止坐标系。坐标转换单元5021利用park变换，将功率绕组电压、控制绕组电压由两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系。
68.本发明提供的无刷双馈电机转子初始角度检测方法及装置，通过在接通功率绕组的电源，控制绕组感应出电压时(此时无刷双馈电机保持静止状态)，通过锁相控制得到功率绕组的相位和控制绕组的相位，根据功率绕组和控制绕组的相位，快速、准确的确定同步启动方式下无刷双馈电机的转子初始角度，从而能够保证在同步运行过程中获得准确的电机转子角度，保证矢量控制的精度。
69.本发明还提供一种无刷双馈电机启动方法，方法为同步启动方法，方法包括：
70.接通功率绕组的电源，根据上述的无刷双馈电机转子初始角度检测方法，得到转子当前的初始角度；
71.根据初始角度对转子角度进行修正；
72.根据修正后的转子角度以及预设的无刷双馈电机功率绕组磁链定向矢量控制策略，将电机牵入同步，进行调速控制，以实现无刷双馈电机同步启动。
73.在无刷双馈电机的控制策略中，通常会采用基于功率绕组磁链定向的矢量控制策略。
74.在功率绕组同步速自然旋转坐标系的基础上，通过执行功率绕组磁链定向，可以实现对电机有功和无功的解耦控制，如图7所示，通过控制绕组d轴电流可以实现电机转速
转矩的控制，通过控制绕组q轴电流可以实现对电机功率绕组功率因数的控制。在这个控制拓扑中，需要将功率绕组和控制绕组的物理量向功率绕组同步速旋转坐标系进行坐标变换，此时会用到功率绕组和控制绕组的相位θp和θc。功率绕组的相位θp可以通过对功率电压进行锁相得到，而控制绕组的相位需要通过测得转子的角度，通过运算得到，即(p
p
pc)θ
r-θ
p
＝θc。但是如前所述，实际的相位关系中会存在转子的初始角度，如果不能准确得到这个初始位置角，会导致控制绕组物理量经过坐标变换后得不到正确的分量。因此，得到转子的初始角度θ
r0
之后，在计算控制绕组相位时采用(p
p
pc)θr θ
r0-θ
p
＝θc，就能根据正确的角度进行控制绕组物理量的坐标变换。从而保证矢量控制的精度。
75.本发明说明书中使用的术语和措辞仅仅为了举例说明，并不意味构成限定。本领域技术人员应当理解，在不脱离所公开的实施方式的基本原理的前提下，对上述实施方式中的各细节可进行各种变化。因此，本发明的范围只由权利要求确定，在权利要求中，除非另有说明，所有的术语应按最宽泛合理的意思进行理解。