CN101630938A - 无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法 - Google Patents

Abstract

无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，属于电机控制领域，本发明是为了解决传统辨识转子磁极初始位置方法存在转子位置变动、辨识精度低或者算法复杂的问题。本发明方法在辨识转子初始位置的过程中始终保持转子处于静止的状态，先在定子绕组注入高频电压信号，对三相定子电流进行旋转坐标变换，通过q轴电流分量获取可以反映转子磁极位置信息，从而得到转子磁极位置的初判值；然后再往定子绕组注入两个相反方向的脉冲电压矢量，通过比较d轴电流分量的大小，判断出磁极极性，最后将判断出的磁极极性信息对之前获得的磁极位置初判值进行校正，最终得到转子初始位置角。

Description

无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法

技术领域

本发明涉及一种无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，属于电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机控制系统中需要精确的位置、速度反馈信息。其位置检测单元作为反馈装置，是系统精度的保证。它为系统矢量控制提供坐标变换所必需的位置信息；在位置控制系统中为位置环提供位置反馈。因此，转子位置信息在永磁同步电机控制系统中起着相当重要的作用。

永磁同步电机由于具有功率密度大、效率高等优点，在很多工业控制场合中得到了广泛应用。永磁同步电机控制系统在实际应用场合中，通常需要在电机上安装价格比较昂贵的绝对式编码器或者旋转变压器等位置传感器，用于获取转子磁极的绝对位置信息。随着永磁同步电机控制技术的不断发展，为了进一步降低永磁同步电机驱动系统的成本，希望采用比较廉价的增量式编码器来检测位置信息，或者采用无位置传感器技术。然而，这两种方案都需要解决一个重要的问题，即必须在电机运行之前对转子初始位置进行准确定位，只有得到比较准确的转子初始位置信息之后，才能有效地采用矢量控制或者直接转矩控制技术来控制电机起动运行，如果控制算法中的转子初始位置与实际值偏差较大时，电机起动时将会出现带负载能力下降、甚至反转等问题，从而影响了电机运行控制效果。可见，永磁同步电机转子初始位置辨识是一项重要技术。

目前，出现了多种永磁同步电机转子初始位置定位技术。一种简单有效的方法就是在电机绕组施加一定幅值的电流矢量，让电流矢量作用足够长的时间，使电机转子转动并定位到预先设置的方向。另外一种方法针对电机安装增量式编码器的场合，可以采用闭环控制的思想，通过检测所安装增量式编码器反馈信号的微小变化量，对转子进行微动控制来实现检测磁极位置。然而，在很多实际应用场合中，受控制要求的限制，电机在正常起动运行之前是不允许让转子位置出现任何微小变动的，因此上述两种方法在很多控制场合中无法进行应用。为了能够在电机完全静止的情况下获取转子初始位置信息，可以采用往定子绕组注入脉冲电压激励信号的方法，这种方法是根据定子铁芯非线性磁化饱和特性的原理来实现的，通过在不同方向注入相应的脉冲电压矢量，对定子电流进行检测及坐标变换，比较各个电压矢量所激励产生电流变化率来实现对转子初始位置进行辨识。其优点是简单、实用，但是在辨识位置过程中，当转子位置被确定到一个较小区域内的时候，此时在这一很小区域内施加不同电压矢量将很难对更为精确的转子位置作出有效判断。近年来，出现了通过往定子绕组注入高频电压信号的方法来辨识转子位置的方法，这种方法是根据对电机凸极性进行追踪的原理，通过对定子电流采样信号进行处理来实现，需要先对转子磁极位置进行估计，然后再对磁极极性进行判断，最终得到转子位置信息。其优点是对凸极和隐极永磁同步电机都适用，但是用于判断转子磁极极性信号的信噪比低、算法复杂，实现起来比较困难。以上方法存在测量过程中转子位置变动、辨识精度低或者算法复杂的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有辨识转子初始位置方法存在转子位置变动、辨识精度低或者算法复杂的问题，提供了一种无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法。

本发明的方法包括以下步骤：

步骤一、采用电流闭环控制被测永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，在定子绕组中注入高频电压信号u_i cosω_it，获取转子磁极位置初判值θ_e(first)，

步骤二、停止注入高频电压信号u_i cosω_it，采用开环控制，在转子磁极位置初判值θ_e(first)和θ_e(first)+π两个方向分别先后注入脉冲电压矢量，

两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，两个方向注入的脉冲电压矢量的注入时间间隔为3ms～5ms，

步骤三、采集开环控制下的永磁同步电机输出的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2，将所述三相静止坐标系下的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2转换成两相同步旋转坐标系下的d轴开环电流i_d2和q轴开环电流i_q2，

步骤四、判断在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，是否大于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，

判断结果为是，执行步骤五，判断结果为否，执行步骤六，

步骤五、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right),$ 完成转子初始位置辨识，

步骤六、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+\mathrm{\π},$ 完成转子初始位置辨识。

本发明的优点：

判断转子磁极极性方法简单易行，电机静止的状态下，对转子的初始位置进行有效地辨识，可以广泛地应用到电机控制系统中，不需要额外硬件开销，可以获得较满意的初始位置辨识精度。

附图说明

图1是本发明方法流程图，图2是本发明方法的信号处理流程图，图3是电流闭环控制获取转子磁极位置初判值的原理框图，图4是开环控制判断转子磁极极性的原理框图，图5是两相同步旋转轴系与三相静止轴系的相对关系示意图，图6是转子初始位置角为100°时电流闭环控制时实验波形图，图7是图6的部分波形放大图，图8是转子初始位置角为60°时电流闭环控制时部分实验波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式方法包括以下步骤：

步骤一、采用电流闭环控制被测永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，在定子绕组中注入高频电压信号u_i cosω_it，获取转子磁极位置初判值θ_e(first)，具体方法为：

步骤a、初始化以下变量值：

永磁同步电机定子的q轴闭环给定电流 $i_{q1}^{*}=0,$ 永磁同步电机定子的d轴闭环给定电流 $i_{d1}^{*}=0,$ 转子给定位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}=0,$

步骤b、d轴闭环给定电流i_d1 ^*减d轴闭环反馈量i_d1f后，经PI调节形成d轴闭环给定电压u_d1 ^*，在永磁同步电机的d轴注入高频电压信号u_i cosω_it，闭环给定电压u_d1 ^*与高频电压信号u_i cosω_it叠加形成d轴闭环注入高频电压信号后给定电压u_d1 ^**；q轴闭环给定电流i_q1 ^*减q轴闭环反馈量i_q1f后，经PI调节形成q轴闭环给定电压u_q1 ^*，

将两相同步旋转坐标系下的d轴闭环注入高频后给定电压u_d1 ^**和q轴闭环给定电压u_q1 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*，将所述电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机，

步骤c、采集永磁同步电机输出的三相定子闭环电流i_a1、i_b1和i_c1，将获得的三相静止坐标系下的三相定子闭环电流i_a1、i_b1和i_c1转换成两相同步旋转坐标系下的d轴闭环反馈电流i_d1和q轴闭环反馈电流i_q1，所述d轴闭环反馈电流i_d1和q轴闭环反馈电流i_q1分别经过低通滤波后形成d轴闭环反馈量i_d1f和q轴闭环反馈量i_q1f，

步骤d、q轴闭环反馈电流i_q1经过带通滤波后形成电流i_q1i，所述电流i_q1i与高频信号sinω_it相乘形成电流信号i_q1i sinω_it，所述电流信号i_q1i sinω_it经过低通滤波后形成误差信号i(Δθ_e)，所述误差信号i(Δθ_e)经PI调节后输出转子给定位置角

所述转子给定位置角

作为电流闭环控制中涉及的坐标变换的控制参量，

步骤e、判断转子磁极位置辨识误差Δθ_e是否为0，

判断结果为是，获得转子磁极位置初判值 ${\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1},$ 判断结果为否，返回执行步骤b。

步骤二、停止注入高频电压信号u_i cosω_it，采用开环控制，在转子磁极位置初判值θ_e(first)和θ_e(first)+π两个方向分别先后注入脉冲电压矢量，

两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，两个方向注入的脉冲电压矢量的注入时间间隔为3ms～5ms，

所述开环控制的方法为：

采用脉冲电压矢量发生器形成两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*，将所述两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*，将所述电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机。

步骤三、采集开环控制下的永磁同步电机输出的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2，将所述三相静止坐标系下的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2转换成两相同步旋转坐标系下的d轴开环电流i_d2和q轴开环电流i_q2，

步骤四、判断在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，是否大于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，

判断结果为是，执行步骤五，判断结果为否，执行步骤六，

步骤五、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right),$ 完成转子初始位置辨识，

步骤六、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+\mathrm{\π},$ 完成转子初始位置辨识。

注明事项：本发明中提及的所有角度均为电角度。

永磁同步电机系统可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制。在永磁同步电机的转子位置可知的情况下，借助坐标变换，可以转换成等效直流电机来控制。只要知道电机转子初始位置角则转子任意时刻的位置都可获得，本发明提出的方法就是解决获得永磁同步电机转子初始位置角

的问题。

永磁同步电动机是交流同步调速系统的主要环节，参见图5所示，取转子永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90度，d-q轴系随同转子以角速度ω_r一道旋转，它的空间坐标以d轴与参考轴A相轴间的角度

来表示，规定A相所在轴——参考轴A相轴为零度。则转子初始位置角

为初始时的转子磁场与参考轴A相轴之间的夹角。

永磁同步电机的电磁转矩基本上取决于定子电流在q轴上的分量，而d轴上的分量主要用途是励磁，本发明要在电机静止的状态下进行辨识转子的初始位置，因此，自始至终i_q1＝0，进行电流闭环过程中，在d轴上注入高频电压信号u_icosω_it。

本发明分两大部分确定转子初始位置角第一部分如步骤一所述，获得转子磁极位置初判值θ_e(first)，第二部分如步骤二至步骤四所述，判断出转子磁极的极性，进而获得转子初始位置角

为步骤五或步骤六所述的结论。下面进行详细说明：

第一部分进行电流闭环控制，参见图3所示，在定子绕组中注入高频电压信号，本发明参照直流电机的控制方法，在永磁同步电机的d轴注入高频电压信号u_i cosω_it，通过q轴电流分量提取有关转子磁极位置的信息，从而实现对磁极位置的辨识。

d轴闭环给定电流i_d1 ^*减d轴闭环反馈量i_d1f后，经PI调节形成d轴闭环给定电压u_d1 ^*，在永磁同步电机的d轴注入高频电压信号u_icosω_it，闭环给定电压u_d1 ^*与高频电压信号u_icosω_it叠加形成d轴闭环注入高频电压信号后给定电压u_d1 ^**；q轴闭环给定电流i_q1 ^*减q轴闭环反馈量i_q1f后，经PI调节形成q轴闭环给定电压u_q1 ^*，

将两相同步旋转坐标系下的d轴闭环注入高频后给定电压u_d1 ^**和q轴闭环给定电压u_q1 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*，将所述电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机，本发明提出的确定永磁同步电机转子初始位置角的方法，通过控制d轴闭环注入高频后给定电压u_d1 ^**和q轴闭环给定电压u_q1 ^*间接控制定子三相电流i_a、i_b和i_c，控制量为直流量，而不是三相电流控制模式下的正弦量，控制信号的产生不像产生正弦信号那样复杂，可以像控制直流电机那样来控制永磁同步电机，控制方法简单，控制效果明显。

所述两相同步旋转坐标转换成两相静止坐标按公式(1)所示的坐标变换公式进行：

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\α}1}^{*}\\ u_{\mathrm{\β}1}^{*}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& -\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}\\ \sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& \cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{q1}^{*}\\ u_{d1}^{**}\end{array}\right]---\left(1\right)$

从而实现在永磁同步电机静止状态下往定子绕组注入高频电压信号。所注入的高频电压信号将会根据电机结构凸极性以及磁饱和特性在定子绕组上激励出相应的高频电流分量，所产生的高频电流分量中包含了与转子磁极位置有关的信息，通过转子磁极位置辨识环节对q轴闭环反馈电流i_q1进行信号处理可以得到转子磁极的位置，所辨识到的位置为转子磁极的N极或者S极的位置。

电流检测环节通过传感器检测电机定子电流，将测量结果传送到控制系统。采样得到的为三相定子电流i_a1、i_b1和i_c1，也可以只检测其中的两相，根据三相电流瞬时值和为0计算出第三相电流。然后按公式(2)进行坐标变换：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d1}\\ i_{q1}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a1}\\ i_{b1}\\ i_{c1}\end{array}\right]---\left(2\right)$

将三相静止坐标系下的三相定子闭环电流i_a1、i_b1和i_c1转换成两相同步旋转坐标系下的d轴闭环反馈电流i_d1和q轴闭环反馈电流i_q1，分别经过低通滤波后形成d轴闭环反馈量i_d1f和q轴闭环反馈量i_q1f。此处所述低通滤波滤除的是高频电流激励分量和PWM高频开关噪声。

先对采样得到的q轴闭环反馈电流i_q1进行带通滤波，滤除低频信号成分和PWM高频开关噪声信号成分，从而获得由注入高频电压信号激励产生的同频率电流信号i_q1i，可以表示为：

$i_{q1i}=\mathrm{BPF}\left(i_{q1}\right)=\frac{u_i\cos {\mathrm{\ω}}_{i}t}{{\mathrm{\ω}}_i{L}_{\mathrm{di}}{L}_{\mathrm{qi}}}\left(L_{\mathrm{diff}}\sin 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_e\right)---\left(3\right)$

式中：L_di为d轴电感，L_qi为q轴电感， $L_{\mathrm{diff}}=\frac{(L_{\mathrm{di}}-L_{\mathrm{qi}})}{2}$ 表示差值电感。

然后将电流i_q1i与sinω_it作乘法运算进行解调，可以得到：

再将信号i_q1i·sinω_it进行低通滤波，将公式(4)右边第二项的高频成分滤除，得到一个与转子磁极位置辨识误差Δθ_e成正弦函数关系的误差信号i(Δθ_e)，该误差信号可以表示为：

$i\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_e\right)=\mathrm{LPF}(i_{q1i}\·\sin {\mathrm{\ω}}_{i}t)=\frac{u_i{L}_{\mathrm{diff}}}{2{\mathrm{\ω}}_i{L}_{\mathrm{di}}{L}_{\mathrm{qi}}}\sin \left(2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_e\right)---\left(5\right)$

在磁极位置辨识误差比较小的情况下，i(Δθ_e)可以近似等效与Δθ_e成正比，将i(Δθ_e)作为误差量进行PI调节，经过比例和积分调节输出为转子磁极位置的辨识值通过进行PI调节将误差信号i(Δθ_e)调节到0的时候，

也将收敛到转子磁极的实际位置，获得转子磁极位置初判值 ${\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1},$ 此时，θ_e(first)指示的磁极可能是N极，也可能是S极，即转子初始位置角初判值θ_e(first)指示的矢量方向与转子磁场实际的指示方向可能相同，也可能正好相反，相差180度，基于存在上述两种情况，所以，第二部分开环控制将具体判断转子磁极的极性。

当用于调整磁极位置辨识误差的PI调节输出达到稳定之后，即 $i\left(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_e\right)=0,{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}$ 数值稳定后，停止电流闭环控制，让系统工作在开环控制状态，停止往d轴注入高频电压信号。

在转子磁极位置初判值θ_e(first)和θ_e(first)+π两个方向分别先后注入脉冲电压矢量，因为励磁磁场方向与转子磁极方向在一条直线上，不会产生转矩，因此，电机仍然处于静止状态，不会发生转动。

所述两个脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，为了保证在施加第二个脉冲之前第一个脉冲激励产生的电流已经下降到0，两个脉冲电压矢量的注入时间间隔应大于3ms，本实施方式中选择3ms～5ms。

采用脉冲电压矢量发生器形成两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*，将所述两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*，根据电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机，所述三相静止坐标变换成两相同步旋转坐标按公式(6)进行：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d2}\\ i_{q2}\end{array}\right]=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -\sin {\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{a2}\\ i_{b2}\\ i_{c2}\end{array}\right]---\left(6\right)$

公式(6)中的转子给定位置角

分别取θ_e(first)和θ_e(first)+π。

根据定子铁芯的非线性磁饱和特性，可以通过判断d轴电流的变化率来反映定子铁芯的磁饱和情况，定子绕组中顺磁方向的电流要比逆磁方向的电流的绝对值大，当所施加的电压方向和转子N极方向一致时，定子绕组中的电流达到最大值，根据这个规则来判断转子磁极的极性。

坐标变换后获取的d轴开环电流i_d2用于判断转子磁极的极性，当在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入的脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2绝对值大于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2，表明θ_e(first)方向施加的电压方向是顺磁的，θ_e(first)指示的磁极是N极，则转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right);$ 相反，在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入的脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2绝对值小于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2，表明θ_e(first)方向施加的电压方向是逆磁的，θ_e(first)指示的磁极是S极，则转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+\mathrm{\π}.$

在具体实现时，采用位置补偿发生器进行位置校正，参见图2所示，位置补偿发生器根据位置补偿标识P_sign的值来产生对θ_e(first)进行校正的位置补偿值

当在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入的脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2绝对值大于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2时，输出位置补偿标识P_sign＝0，则位置补偿值 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e2}=0,$ 转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e2}={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right);$ 当在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入的脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2绝对值小于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2时，输出位置补偿标识P_sign＝1，则位置补偿值 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e2}=\mathrm{\π},$ 转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+{\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e2}={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+\mathrm{\π}.$

采用本发明技术方案，不仅可以对具有明显凸极性的内插式和内埋式永磁同步电机的转子初始位置进行辨识，同样也适用于没有明显凸极性的表贴式永磁同步电机。

具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述高频电压信号u_i cosω_it的频率为500Hz～2Hz，所述高频电压信号u_i cosω_it的幅值u_i为被测永磁同步电机的额定电压的15％～30％，其它与实施方式一相同。

所注入高频电压信号u_i cosω_it的频率远大于永磁同步电机的额定运行频率，永磁同步电机的额定运行频率一般为50Hz。

具体实施方式三、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，所述高频电压信号u_i cosω_it的频率为1kHz，所述高频电压信号u_i cosω_it的频率为1kHz，所述高频电压信号u_i cosω_it的幅值u_i为被测永磁同步电机的额定电压的18％，其它与实施方式一相同。

具体实施方式四、下面结合图6至图8说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤二中所述两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值为永磁同步电机额定电压值的40％～70％，两个方向注入的脉冲电压矢量的脉宽为700μs～900μs，其它与实施方式一相同。

下面结合图6至图8的实验波形给出的具体实施例，在11.7kW表贴式永磁同步电机进行了转子初始位置辨识实验，永磁同步电机的额定电压为380V，额定电流为23A，额定转速为167转/分钟，极对数为12。PWM开关频率设为10kHz，所注入的高频电压信号u_i cosω_it的幅值u_i为额定电压的18％，频率为1kHz，开环控制时注入的脉冲电压矢量的幅值为额定电压的50％，脉宽时间为800μs。图6至图8实验波形各变量纵坐标的单位都用标幺值来表示，电压标幺值1表示380V，电流标幺值1表示23A，转子位置电角度标幺值1表示360°。

图6是当实际的转子初始位置角

为100°时的第一部分电流闭环控制时的实验波形，电流闭环控制达到稳态时，PI调节输出的

此时得到的辨识位置为S极的位置。然后再往定子绕组分别注入矢量角为-76.5°和103.5°两个电压矢量脉冲，通过比较两次获得的电流大小，得到转子位置最终辨识值为103.5°。误差为3.5°。

图7为图6部分波形放大图。

图8为当实际的转子初始位置角

为60°时的第一部分电流闭环控制时的实验波形，电流闭环控制达到稳态时，PI调节输出的

此时得到的辨识位置为N极的位置。然后再往定子绕组分别注入矢量角为66.8°和246.8°两个电压矢量脉冲，通过比较两次获得的电流大小，得到转子位置最终辨识值为66.8°。误差为6.8°。

Claims (6)

1、无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、采用电流闭环控制被测永磁同步电机的d轴电流和q轴电流，在定子绕组中注入高频电压信号u_icosω_it，获取转子磁极位置初判值θ_e(first)，

步骤二、停止注入高频电压信号u_icosω_it，采用开环控制，在转子磁极位置初判值θ_e(first)和θ_e(first)+π两个方向分别先后注入脉冲电压矢量，

两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，两个方向注入的脉冲电压矢量的注入时间间隔为3ms～5ms，

步骤三、采集开环控制下的永磁同步电机输出的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2，将所述三相静止坐标系下的三相定子开环电流i_a2、i_b2和i_c2转换成两相同步旋转坐标系下的d轴开环电流i_d2和q轴开环电流i_q2，

步骤四、判断在转子磁极位置初判值θ_e(first)方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，是否大于在转子磁极位置初判值θ_e(first)+π方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流i_d2的绝对值，

判断结果为是，执行步骤五，判断结果为否，执行步骤六，

步骤五、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right),$ 完成转子初始位置辨识，

步骤六、转子初始位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_e={\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)+\mathrm{\π},$ 完成转子初始位置辨识。

2、根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，步骤一所述的获取转子磁极位置初判值θ_e(first)的方法的过程为：

步骤a、初始化以下变量值：

永磁同步电机定子的q轴闭环给定电流 $i_{q1}^{*}=0,$ 永磁同步电机定子的d轴闭环给定电流 $i_{d1}^{*}=0,$ 转子给定位置角 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1}=0,$

步骤b、d轴闭环给定电流i_d1 ^*减d轴闭环反馈量i_d1f后，经PI调节形成d轴闭环给定电压u_d1 ^*，在永磁同步电机的d轴注入高频电压信号u_icosω_it，闭环给定电压u_d1 ^*与高频电压信号u_icosω_it叠加形成d轴闭环注入高频电压信号后给定电压u_d1 ^**；q轴闭环给定电流i_q1 ^*减q轴闭环反馈量i_q1f后，经PI调节形成q轴闭环给定电压u_q1 ^*，

将两相同步旋转坐标系下的d轴闭环注入高频后给定电压u_d1 ^**和q轴闭环给定电压u_q1 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*，将所述电压参考量u_α1 ^*和u_β1 ^*作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机，

步骤c、采集永磁同步电机输出的三相定子闭环电流i_a1、i_b1和i_c1，将获得的三相静止坐标系下的三相定子闭环电流i_a1、i_b1和i_c1转换成两相同步旋转坐标系下的d轴闭环反馈电流i_d1和q轴闭环反馈电流i_q1，所述d轴闭环反馈电流i_d1和q轴闭环反馈电流i_q1分别经过低通滤波后形成d轴闭环反馈量i_d1f和q轴闭环反馈量i_q1f，

步骤d、q轴闭环反馈电流i_q1经过带通滤波后形成电流i_q1i，所述电流i_q1i与高频信号sinω_it相乘形成电流信号i_q1isinω_it，所述电流信号i_q1isinω_it经过低通滤波后形成误差信号i(Δθ_e)，所述误差信号i(Δθ_e)经PI调节后输出转子给定位置角

所述转子给定位置角

作为电流闭环控制中涉及的坐标变换的控制参量，

步骤e、判断转子磁极位置辨识误差Δθ_e是否为0，

判断结果为是，获得转子磁极位置初判值 ${\mathrm{\θ}}_e\left(\mathrm{first}\right)={\widehat{\mathrm{\θ}}}_{e1},$ 判断结果为否，返回执行步骤b。

3、根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，步骤二所述开环控制的方法的过程为：

采用脉冲电压矢量发生器形成两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*，将所述两相同步旋转坐标系的d轴开环给定电压u_d2 ^*和q轴开环给定电压u_q2 ^*转换成两相静止坐标系下的电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*，将所述电压参考量u_α2 ^*和u_β2 ^*作为输入量，采用空间矢量脉宽调制方法控制三相逆变桥输出三相电压给永磁同步电机。

4、根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述高频电压信号u_icosω_it的频率为500Hz～2Hz，所述高频电压信号u_icosω_it的幅值u_i为被测永磁同步电机的额定电压的15％～30％。

5、根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述高频电压信号u_icosω_it的频率为1kHz，所述高频电压信号u_icosω_it的幅值u_i为被测永磁同步电机的额定电压的18％。

6、根据权利要求1所述的无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，步骤二中所述两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值为永磁同步电机额定电压值的40％～70％，两个方向注入的脉冲电压矢量的脉宽为700μs～900μs。

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