CN102097988A - 一种永磁同步电机转子位置补偿角的测量方法及系统 - Google Patents
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Abstract
Description
技术领域
本发明涉及控制领域,尤其涉及一种永磁同步电机转子位置补偿角的测量方法及系统。
背景技术
随着稀土永磁材料、电力电子技术以及电机控制理论等的快速发展,永磁同步电机PMSM以其高转矩/惯性比、高功率密度、高效率、牢固性和维修性好等优点,在纺织、化纤、数控机床、工业机器人以及航空航天等领域得到日益广泛的应用。
永磁同步电机控制系统采用矢量控制时需要精确的转子位置信号以实现磁场定向控制,当转子永磁体直轴初始位置错误时,将造成定子电流矢量的错误定向,进而导致电机驱动的转矩下降,甚至电机错误旋转(正的转矩指令产生负的旋转速度),永磁同步电机PMSM控制系统采用矢量控制时需要精确的转子位置信号以实现磁场定向控制,因此电机转子的位置检测与初始定位是永磁同步电机控制系统构成与运行的基本条件。
首先介绍一下永磁同步电机的数学模型及矢量控制。
假设电动机是线性的,参数不随温度等变化,忽略磁滞、涡流损耗、转子无阻尼绕组,则基于转子磁场定向坐标系(d、q轴)中,永磁同步电动机的数学模型为:
磁链方程:
电压方程:
转矩方程:
其中:ψd,ψq分别为定子d、q轴磁链分量;id,iq分别为定子d、q轴电流分量;Ld,Lq分别为定子d、q轴电感,ψm为永磁体磁链;ud,uq分别为定子d、q轴电压分量;R为电机定子电阻;ω为电机转子转速;Pm为电机极对数;Tem为电机的转矩。
如图1所示,为永磁同步电机矢量控制的基本原理框图;其中,id和iq的指令值和可根据最大转矩电流比及弱磁的需要来得到。为了测量电机转子的位置,可在转子上安装一个绝对值编码器(如旋转变压器,BISS编码器等),编码器测量的机械角度θm乘以电机极对数Pm后,得到转子的原始电角度θr,该原始电角度与永磁同步电机转子直轴的坐标变换角度θe同步旋转移动,但二者始终差一个补偿角θc。即:
θe=θr+θc (3)
现在,配置绝对值编码器的永磁同步电机在多个领域得到日益广泛的应用,上文提到,永磁同步电机控制系统采用矢量控制时,需要精确的转子位置信号以实现磁场定向控制;而电机转子机械位置检测转换到永磁同步电机直轴电角度位置之间差的补偿角也必须知道。
为了测量永磁同步电机的转子初始位置,现有技术中一般采用直流注入强迫锁轴的方法,配合绝对值编码器获取永磁同步电机的转子初始位置,即定子在坐标空间上产生强制设定方向的磁动势矢量,该磁动势矢量将吸引永磁同步电机转子d轴与其对齐。
图2为永磁同步电机转子在任意位置时的位置关系图,其中:αβ为永磁同步电机静止坐标系,dq为永磁同步电机转子坐标系,xy为绝对值编码器安装坐标系,R为绝对值编码器读数得到的转子原始位置;θe=θxr+(θα+θrd),θxr为绝对值编码器读取的角度,θαx为αβ静止坐标系与xy绝对值编码器安装坐标系之间的相对位置(也就是绝对值编码器读数为0时所处的反馈位置,或绝对值编码器在电机静止坐标系上的安装位置),xy坐标系与永磁同步电机转子同步旋转,角度差为θrd。
图3为在定子上产生强制设定方向的定子电流矢量(磁动势矢量)的位置关系图。当定子电流矢量设定位置为时,则:因此,读取此时的绝对值编码器反馈位置θxr,根据当前的定子电流矢量方向可以计算出永磁同步电机转子位置的补偿角
现有技术中,产生强制设定方向的磁动势矢量方案为强制电流矢量方式,如下所述:
永磁同步电机执行电流环控制模式。令id=0,iq为通过外部给定(如模数转换器ADC)输入控制的大小合适的电流,令 为强制设定的磁场定向角度,则此时,电机定子在空间上产生方向为的磁动势矢量,将使永磁同步电机转子d轴与其对齐,之后进入安全稳定的零速锁轴状态。
采用强制电流矢量方式需要电流传感器,实现复杂,且电流闭环会导致微小转子位置抖动。尤其在使用高分辨率编码器的条件下,电流闭环的微小调节导致的转子位置微小抖动会比较明显。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电机转子位置补偿角的测量方法及装置,实现简便容易,无需电流传感器工作,初始定位不存在抖动。
为了解决上述问题,本发明提供了一种永磁同步电机转子位置补偿角的测量方法,包括:
优选地,所述绝对值编码器读取的反馈角度θxr为绝对值编码器的读数乘以电机极对数得到的电角度。
本发明还提供了一种永磁同步电机转子位置补偿角测量装置,包括:
电压源逆变器,由电压为udc的直流母线供电,用于根据所述功率器件脉宽信号产生三相绕组电流ia、ib和ic,驱动永磁同步电机转子旋转到的位置;
优选地,所述测量单元包括:
绝对值编码器,安装在所述永磁同步电机转子轴端,用于读取同永磁同步电机转子同步旋转的角度θxr;
优选地,所述输入单元包括:
本发明的技术方案提出了一种新型的基于电压矢量定向的转子位置补偿角测量方案,可以测量安装绝对值编码器的永磁同步电机的转子位置补偿角,进一步可计算出转子初始位置和运行位置。该技术方案已在基于TMS320F28335的32位浮点DSP永磁同步电机驱动控制系统中进行了实验,结果表明,应用该测量方法的永磁同步电机转子位置补偿角测量具备算法简便,无需电流传感器工作,可降低系统成本和提高可靠性;由于电流不需要闭环,采用电压开环方式,因此不存在电流闭环导致的微小转子位置抖动,转子初始位置定位更精确;另外,由于在控制环路上不需要电流环的投入,只需要在电压矢量的生成中设置d、q轴电压指令值,因此具有系统实现容易等优点。
附图说明
图1是永磁同步电机的矢量控制基本原理示意图;
图2是永磁同步电机转子在任意位置时的角度关系示意图;
图3是永磁同步电机转子在强制定向时的角度关系示意图;
图4是实施例二的永磁同步电机转子位置补偿角测量装置的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明。
需要说明的是,如果不冲突,本发明实施例以及实施例中的各个特征可以相互结合,均在本发明的保护范围之内。另外,在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行,并且,虽然在流程图中示出了逻辑顺序,但是在某些情况下,可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
令ud=0,通过外部给定和调节直流母线电压给出一个足够大的uq,使永磁同步电机进入安全稳定的零速锁轴状态。因此,由永磁同步电机的电压方程(1)、(2)可知,此时id=0,可知,强迫电压矢量方法理论上与强迫电流矢量方法是等效的,但却简化了实现。
本文所说的“位置”的参考系为电机静止坐标系(或定子坐标系),包括多个对象的位置,其在参考系中的定位用其角度来度量,在实际系统中要参与运算。
在永磁同步电机控制中,要用编码器反馈角度θxr来获得永磁同步电机转子d轴位置角度θe;而二者之间差一个初始角度(即PMSM转子d轴初始位置信息),本文所指的转子位置补偿角测量,就是获得这个初始角度(即补偿角θc)。
实施例一,一种永磁同步电机转子位置补偿角的测量方法,包括:
本实施例中,所述绝对值编码器读取的角度θxr为绝对值编码器的读数乘以电机极对数得到的电角度。
永磁同步电机在电压矢量突加时,速度没有建立起来,动生电动势ωψm为0,另外,d轴电流id也没有建立,感生电动势也为0,q轴电压分量将全部加在电阻R上,所以启动时导致冲击电流很大,有可能造成功率器件过流损坏或保护。
所述输入q轴电压分量指令值的步骤具体可以包括:
在一个具体的例子里,将本实施例的方法应用在永磁同步电机的控制系统中,该例子里的控制系统采用32位浮点DSP-TMS320F28335来实现,使用C语言编程实现全部控制算法。控制系统采样频率为10K Hz,电机位置通过旋转变压器绝对值编码器和基于AU6802芯片的解码电路来实现位置的反馈测量。DSP和解码芯片之间通过McBsp(作为SPI模式)接口实现串行总线连接,对应DSP驱动程序简称为McbspR2dAu6802。其中,AU6802的解码精度为12位。
实验用的四对极永磁同步电机的各项参数为:额定输出功率5.5KW,额定转速1500rpm,额定转矩35Nm,电势系数1.026Vs/rad,转矩系数2.18Nm/A,相绕组电阻0.35Ω,Ld=7.3mH,Lq=7.8mH。
表1和表2分别是采用强制电流矢量的实现方式时的多次实验结果,和采用本实施例的方法时的多次实验结果。通过求余和周期处理,补偿角统一安排到区间[-180,180)度之间。因为电机一般是多对极,定子绕组布线存在细微的不对称及电机的齿槽效应等非理想因素存在,每次测量会存在误差,因此,对多次测量结果作平均处理作为最终的补偿角度。
表1、采用强制电流矢量的实验结果
表2、采用强制电流矢量的实验结果
可以看出,得到的结果是基本一致的。
实施例二,一种永磁同步电机转子位置补偿角测量装置,如图4所示,包括:
本实施例中,所述测量单元具体可以包括:
本实施例中,所述绝对值编码器读取的反馈角度θxr为绝对值编码器的读数乘以电机极对数得到的电角度。
本实施例中,所述输入单元具体可以包括:
低通滤波器LPF,用于对q轴电压分量限幅值进行低通滤波,得到q轴电压分量指令值发送给所述Park逆变换单元。
其它实现细节可同实施例一。
本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成,所述程序可以存储于计算机可读存储介质中,如只读存储器、磁盘或光盘等。可选地,上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现。相应地,上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现,也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。
当然,本发明还可有其他多种实施例,在不背离本发明精神及其实质的情况下,熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形,但这些相应的改变和变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。
Claims (10)
4.如权利要求1所述的方法,其特征在于:
所述绝对值编码器读取的反馈角度θxr为绝对值编码器的读数乘以电机极对数得到的电角度。
6.一种永磁同步电机转子位置补偿角测量装置,其特征在于,包括:
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