[发明专利]永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造法

说明书

技术领域

本发明是一种永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器及构造方法，适用于永磁同步电机的高性能变频调速或伺服控制，属于电力传动控制设备的技术领域。

背景技术

目前，采用交流电机替代直流电机已成为现代电力传动与伺服系统发展的主流方向。交流传动系统中常用的电机主要有鼠笼异步电机与永磁同步电机。与异步电机通过定子电流的励磁分量来产生气隙磁场的工作方式不同，永磁同步电机是通过转子永磁体来产生气隙磁场，其优点在于结构简单、功率密度大、无励磁损耗、运行效率高。因此，永磁同步电机在航空航天、工业自动化装置、电动车、医疗器械，家用电器和计算机外围设备等领域的应用越来越多。高性能的永磁同步电机调速或伺服系统，大多采用矢量控制技术对电机进行闭环控制。系统实现时，闭环转速反馈信号一般由安装在电机转轴上的机械式传感器来获取，常用的速度传感器有增量式光电编码器和测速发电机。然而，在电机转轴上安装机械式传感器将使系统的硬件结构复杂，可靠性降低，实现成本增大。

发明内容

本发明是提供一种无需在电机转轴上安装机械式速度传感器，硬件结构简单、易于实现，运行可靠的永磁同步电机无速度传感器逆控制变频调速器及构造方法。将功率变换器、永磁同步电机及负载作为一个整体组成复合被控对象。采用扩展的Kalman滤波器来估计转子位置和转速，用于构造永磁同步电机逆系统，将永磁同步电机逆系统置于功率变换器与永磁同步电机系统之前，组成伪线性系统，再依据线性系统的综合方法设计线性闭环调节器，线性闭环调节器与逆系统形成复合控制器，对功率变换器与永磁同步电机系统进行控制，实现永磁同步电机的无机械式速度传感器的变频调速。

本发明的技术解决方案：永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器，其特征是包括无速度传感器逆控制器，功率变换器和电流和电压霍尔传感器，其中无速度传感器逆控制器中的空间矢量脉宽调制SVPWM模块的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端对应相接，无速度传感器逆控制器中的Clarke变换的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与电流和电压霍尔传感器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接，电流和电压霍尔传感器的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端、第四信号输入端与复合被控对象中的IGBT三相逆变器的第一信号输出端、第二信号输出端、第三信号输出端、第四信号输出端对应相接。

永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器构造方法，由线性闭环调节器、永磁同步电机的逆系统、逆Park变换、空间矢量脉宽调制SVPWM模块和转子位置与转速估计器为采用数字信号处理器DSP，通过编制程序软件来实现。无速度传感器逆控制器、功率变换器与电流和电压霍尔传感器共同组成永磁同步电机的无速度传感器逆控制变频调速器。

本发明的优点在于：(1)将逆系统与功率变换器与永磁同步电机系统串联，使对功率变换器与永磁同步电机系统这个多变量、强耦合和非线性系统的控制，转化成两个单变量的一阶线性系统的控制，由扩展的Kalman滤波器来估计转子位置与转速，采用线性控制方法设计闭环调节器，可获得动态响应快、稳态精度高和抗负载扰动能力强的转速跟踪控制性能。调速系统不需要在电机转轴上安装机械式传感器，硬件结构简单，运行可靠，实现成本低廉。(2)本发明可用于许多不宜在电机轴上安装机械式速度传感器，并要求有高能量转换效率、高性能调速和高可靠性运行的电力传动与伺服控制应用场合，可显著提高永磁同步电机无速度传感器变频调速系统的运行性能。本发明用于构造新型的永磁同步电机变频调速器，实现永磁同步电机无机械式速度传感器的高性能转速与伺服控制。可广泛应用于以永磁同步电机为动力装置的交流电力传动与伺服系统，应用前景广阔。

附图说明

附图1是交-直-交功率变换器电路结构示意图。

附图2是复合被控对象电路结构示意图。

附图3是伪线性系统的结构图。

附图4是图3的等效图。

附图5是转子位置与转速估计器结构示意图。

附图6是闭环解耦控制系统的结构图。

附图7是采用无速度传感器逆控制变频调速器对永磁同步电机及其负载进行控制的结构示意图。

附图8是以数字信号处理器作为无速度传感器逆控制器的永磁同步电机无速度传感器逆控制变频调速器的结构意图。