CN101764556B - 一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，该方法使变频器在同步马达配ABZ编码器的情况下完成驱动控制，以最大的转矩起动。同时也成功地解决了在抱闸的情况下检测转子磁极位置的问题，在更换编码器时，无需卸掉钢丝绳，从而节省了电梯维护成本且极大地方便了电梯的使用及维护。采用了本发明方法后，同步曳引机只需要装配ABZ编码器即可，而不需使用价格昂贵的UVW+AB型编码器或SinCos编码器，极大地节省了系统的成本。

Description

一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法

技术领域：

本发明涉及电梯系统中同步马达伺服驱动应用领域，特别涉及一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法。

背景技术：

在电梯系统当中，基于曳引机效率的考虑，原先的异步曳引机已广泛地被同步曳引机取代。原先的异步曳引机只需要配合ABZ型的增量式编码器即可进行测速，从而实现电梯的速度控制。当使用同步曳引机之后，一般常用的是一种是UVW+ABZ方波的编码器。一种是SIN/COS的编码器。UVW编码器有磁极之分，需要和主机的磁极对数一样。而SIN/COS编码器本质上是旋转变压器，则输出正/余弦模拟信号，经处理后送给主机。UVW+ABZ编码器和sincos编码器较ABZ的编码器要贵许多，那同步曳引机配合ABZ编码器是否可行呢？

在电梯应用领域中，当使用UVW+ABZ方波的编码器或sincos编码器时，若想更换编码器，需要学习Z脉冲所对应的磁极角，一种常见的方法是在曳引机空载且松闸的情况下，采用直流定位的方法，将转子磁极定位在某一角度，然后旋转，记下遇到Z脉冲时所对应的磁极角并记录在记忆单元中。这样的操作方法，则需要卸掉钢丝绳，维保人员操作起来特别麻烦。因此有必要开发出一种在抱闸的情况下精确获取同步曳引机转子磁极所在位置的方法。

在抱闸情况下获得同步曳引机转子磁极所在位置，传统方法为输出电压幅值恒定，方向不同的电压矢量，观察D轴方向的电流大小；电流越大，说明D轴方向与转子磁极方向越接近。如图1a-图1d所示，在一个电周期内，分配12个电压矢量，每个矢量间隔电角度为30°电角度；12个电压矢量持续时间相同。在每个电压矢量作用期间，需要至少检测两相的电流，以施加电压矢量的方向为D轴，进行坐标变换，比较各自对应的DQ坐标系下D轴方向的电流辐值大小，电流幅值最大的对应的电压矢量所在的角度为初步得到的转子位置θ。

在初步得到转子位置之后，对电角度继续进行细分后得到较为精确的转子位置。该步骤施加电压矢量的规则如下：在转子位置θ两边θ-15，θ+15电角度位置分别施加相同幅值，持续时间相同的电压矢量。在每个电压矢量作用期间，至少检测同步马达两相的相电流，以电压矢量方向为D轴，对电流进行坐标变换，比较各自对应的DQ坐标系下D轴方向的电流辐值大小，电流幅值最大的对应的电压矢量所在的角度为初步得到的转子位置θ。依此类推，在电流采样精度允许的情况下，可以将电角度进行进一步细分，从而得到更高精度的转子位置。

但是这种方法所获得的转子位置的精度，更多地依赖于电流采样的精度。当在实际转子位置附近进行细分时，D轴的电流变化很小，通过这种方法，极有可能导致判断出错，从而并不可能获得较高精度的转子位置。

本发明需要解决的技术问题是提供一种精确测量同步马达的初始转子位置的方法，旨在解决上述问题的缺陷。

发明内容：

鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法。该方法使变频器在同步马达配ABZ编码器的情况下完成驱动控制，以最大的转矩起动。同时也成功地解决了在抱闸的情况下检测转子磁极位置的问题，在更换编码器时，无需卸掉钢丝绳，从而节省了电梯维护成本且极大地方便了电梯的使用及维护。

为了实现上述发明目的，本发明方案是通过以下步骤来实现的：

包括将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，假定D轴就在这等分后的位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上，采用在各个等分的位置上分别给同步马达电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压矢量，采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定D轴的电流并进行比较，此电流幅值越大，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的大概位置。

还包括进行精确细分，采用给同步马达电枢绕组施加幅值相等，持续时间相同的电压矢量，采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴的电流并进行比较，此电流幅值越小，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的精确位置。

具体实现过程如图3所示，是通过以下步骤实现的：

①首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，相邻的电角度差为Δθ₀＝360/N；假定D轴就在这等分后的位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；然后在各个等分的位置上分别给同步马达电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压矢量；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定D轴上的电流；比较N个等分位置上分别得到的假定D轴电流，选取电流幅值最大的等分位置为初始磁极角的大概位置；

②由步骤①获得初始磁极角的大概位置

然后，在位置

上偏差Δθ₁＝±Δθ₀/2电角度的位置分别施加同步骤①幅值相同、持续时间相同的电压矢量；假定D轴就在这位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴上的电流；比较两个位置上分别得到的假定Q轴电流，然后选取电流幅值较小的位置为与初始磁极角更为接近的位置；

③采用二分法，在步骤②获得的位置上偏差Δθ₂＝±Δθ₁/2电角度的位置，分别施加同步骤①幅值相同、持续时间相同的电压矢量；假定D轴就在这位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴上的电流；比较两个位置上分别得到的假定Q轴电流，然后选取电流幅值较小的位置为与初始磁极角更为接近的位置；

④重复执行步骤③，直到得到真实的初始磁极角位置为止。

采用了本发明方法后，同步曳引机只需要装配ABZ编码器即可，而不需使用价格昂贵的UVW+AB型编码器或SinCos编码器，极大地节省了系统的成本。

同时，这种初始磁极角检测技术，经多次测试，检测出来的磁极角与实际磁极角误差很小。准确的磁极角为同步曳引机的高效率运行提供了保障，满足同步曳引机应用要求。由于采用了相对便宜的ABZ编码器，使得曳引机的整体成本降低。

另外，这种初始磁极角检测技术，在更换编码器时，无需卸掉钢丝绳，极大地方便了电梯维保作业。

附图说明：

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1a、图1b、图1c、图1d为传统同步马达磁极角检测方法的示意图；

图2为同步马达磁极所在位置与假定磁极所在位置示意图；

图3为同步马达磁极角检测的流程图；

图4a、图4b为同步马达磁极角检测原理分析图。

图4c为同步马达的励磁曲线示意图。

具体实施方式：

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图4a，4b，图中ABC为静止的三相坐标系，D轴代表同步马达转子磁钢本身所产生的磁场N极方向，其与静止坐标系的A轴之间的夹角为θ_r。同步马达铁心一般设计的额定工作点在如图4c图所示励磁曲线的A点。当在磁极N极所在方向施加电压矢量时，就会在磁极N极所在的方向产生电流。

如图4a所示，带箭头的实线表示由于定子电流所产生的定子磁链方向，带虚线的箭头代表永磁体转子所产生的转子磁链方向。定子磁场与转子磁钢本身所产生的磁场方向相同，使得经过气隙和铁心磁场加强，定子铁心更加饱和，使得马达工作点变为图4c图所示的B点，引起曲线的斜率变小，也即D轴电感变小。于是在施加幅值相同、持续时间相同的电压矢量时，也即定子磁链相同时，根据λ＝∫Δvdt＝∫L*Δidt公式可知，在D轴产生的电流Δi₁变大。相反，当在磁极S极所在方向施加电压矢量时，就会在磁极S极所在的方向产生电流。

如图4b所示，带箭头的实线表示由于定子电流所产生的定子磁链方向，带虚线的箭头代表永磁体转子所产生的转子磁链方向。定子磁场与转子磁钢本身所产生的磁场方向相反，使得经过气隙和铁心磁场减弱，定子铁心变得更不饱和，工作点变为图4c图所示的C点，引起曲线的斜率变大，也即D轴电感变大，于是在施加幅值相同、持续时间相同的电压矢量时，也即定子磁链相同时，根据λ＝∫Δvdt＝∫L*Δidt公式可知，在D轴产生的电流Δi₂变小。

基于此原理，首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，并假定D轴就在这等分后的位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上，采用在各个等分的位置上分别给同步马达电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压矢量，采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定D轴的电流并进行比较，此电流幅值越大，假定D轴与真实磁极角越接近。

在初步获得转子位置之后，再进行精确细分，采用比较假定Q轴电流大小的方法，假定Q轴的电流越小，说明该位置与转子实际位置更接近。其原理分析如下：

真实D轴代表同步马达转子磁钢本身所产生的磁场N极方向，真实Q轴在超前真实D轴90度电角度的位置上；假设真实D轴电感为Ld，真实Q轴电感为Lq，假设在离真实D轴Δθ角所在的位置施加电压矢量，持续时间为T。如图2所示，假设施加的电压矢量为

其幅值为V，则其投影到真实D、Q轴的电压为：

$\left\{\begin{array}{c}{V}_d=V\cos \mathrm{\Δ\θ}\\ V_q=V\sin \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right.$

忽略电阻的影响，则在时间T内，在真实D轴和Q轴产生的电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_d=\left(V\cos \mathrm{\Δ\θ}\right)/(L_d*T)\\ I_q=\left(V\sin \mathrm{\Δ\θ}\right)/(L_q*T)\end{array}\right.$

因此，在假定D、Q轴上产生的电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_d=I_d*\cos \mathrm{\Δ\θ}+I_q*\sin \mathrm{\Δ\θ}=\frac{V}{T}*(\frac{{\cos }^2\mathrm{\Δ\θ}}{L_d}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\Δ\θ}}{L_q})\\ {\hat{I}}_q=-I_d*\sin \mathrm{\Δ\θ}+I_q*\cos \mathrm{\Δ\θ}=\frac{V\sin \mathrm{\Δ\θ}\cos \mathrm{\Δ\θ}}{T}*(-\frac{1}{L_d}+\frac{1}{L_q})\end{array}\right.$

通过表达式可以看出，当Δθ小于45°时，假定D轴与真实的D轴越接近，即Δθ越小，

幅值越小。因此，在假定D轴与真实D轴相差小于45°时，在精确细分时，可以通过判断

的大小来实现。

当离真实D轴Δθ₁所在位置施加电压矢量时，在假定的D、Q轴上产生的电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_{d1}=\frac{V}{T}*(\frac{{\cos }^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{L_d}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{L_q})\\ {\hat{I}}_{q1}=\frac{V\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{T}*(-\frac{1}{L_d}+\frac{1}{L_q})\end{array}\right.$

因此当离真实D轴Δθ₂所在位置施加电压矢量时，在假定的D、Q轴上产生的电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{\hat{I}}_{d2}=\frac{V}{T}*(\frac{{\cos }^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{L_d}+\frac{{\sin }^2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{L_q})\\ {\hat{I}}_{q2}=\frac{V\sin \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2\cos \mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2}{T}*(-\frac{1}{L_d}+\frac{1}{L_q})\end{array}\right.$

则两次所产生的电流差异为：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\Δ}{\hat{I}}_d={\hat{I}}_{d2}-{\hat{I}}_{d1}=\frac{V}{T}*\frac{\mathrm{Lq}-\mathrm{Ld}}{2\mathrm{LdLq}}(\cos 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1)\\ \mathrm{\Δ}{\hat{I}}_q={\hat{I}}_{q2}-{\hat{I}}_{q1}=\frac{V}{T}*\frac{\mathrm{Ld}-\mathrm{Lq}}{2\mathrm{LdLq}}(\sin 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\sin 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1)\end{array}\right.$

则 $\frac{\mathrm{\Δ}{\hat{I}}_q}{\mathrm{\Δ}{\hat{I}}_d}=-\frac{\sin 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\sin 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}{\cos 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2-\cos 2\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1}=\frac{1}{\mathrm{tg}(\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_1)}$

可见，当Δθ₁，Δθ₂小于22.5°时，通过比较假定Q轴上的电流大小比通过比较假定D轴上电流大小来说解析度要高。因此，通过比较假定Q轴上的电流大小所获得的初始磁极角位置比通过比较假定D轴上的电流大小所获得的初始磁极角位置要精确得多。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，其特征在于，

将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，假定D轴就在这等分后的位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上，采用在各个等分的位置上分别给同步马达电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压矢量，采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定D轴的电流并进行比较，此电流幅值越大，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的大概位置；

然后进行精确细分，采用给同步马达电枢绕组施加幅值相等，持续时间相同的电压矢量，采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴的电流并进行比较，此电流幅值越小，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的精确位置。

2.根据权利要求1的精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，其特征在于，所述方法的具体步骤包括：

①首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，相邻的电角度差为Δθ₀＝360/N；假定D轴就在这等分后的位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；然后在各个等分的位置上分别给同步马达电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压矢量；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定D轴上的电流；比较N个等分位置上分别得到的假定D轴电流，选取电流幅值最大的等分位置为初始磁极角的大概位置；

②由步骤①获得初始磁极角的大概位置

然后，在位置

上偏差Δθ₁＝±Δθ₀/2电角度的位置分别施加同步骤①幅值相同、持续时间相同的电压矢量；假定D轴就在这位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴上的电流；比较两个位置上分别得到的假定Q轴电流，然后选取电流幅值较小的位置为与初始磁极角更为接近的位置；

③采用二分法，在步骤②获得的位置上偏差Δθ₂＝±Δθ₁/2电角度的位置，分别施加同步骤①幅值相同、持续时间相同的电压矢量；假定D轴就在这位置上，假定Q轴在超前假定D轴90度电角度的位置上；采样至少两相同步马达绕组电流，进行坐标变换，计算假定Q轴上的电流；比较两个位置上分别得到的假定Q轴电流，然后选取电流幅值较小的位置为与初始磁极角更为接近的位置；

④重复执行步骤③，直到得到真实的初始磁极角位置为止。

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