CN102185548A - 无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了电机控制技术领域中的一种无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法。该方法通过向定子绕组注入三相导通电压矢量和两相导通电压矢量共12组等宽电压脉冲，并对定子电流变化率进行比较，从而得到转子初始位置角。本发明为了解决传统转子初始位置检测方法存在造成转子位置变动、对电流采样硬件电路要求高、转子位置检测误差大或者算法复杂的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法。
背景技术
随着永磁材料的不断改进和完善，永磁同步电机在工业控制场合和新能源领域得到了越来越广泛的应用。由于永磁体的存在，永磁同步电机转子静止时转子磁链就有其随机的空间位置，根据同步电机转矩产生原理，要获得有效的起动转矩使电机顺利起动、成功运行，永磁同步电机的高性能控制如矢量控制和直接转矩控制，都需要准确知道转子初始位置。通常，转子的位置通过轴编码器、旋转变压器、霍尔元件进行测量，然而这些传感器的存在增加成本，使控制系统易受干扰，降低了系统的鲁棒性和可靠性。同时，在一些场合如兆瓦级直驱永磁风力发电机等，位置编码器安装困难或者无法安装。为此，近年来无位置传感器技术成为了一个研究热点。在无位置传感器中需要解决的一个问题是转子初始位置检测，如果检测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。
目前永磁同步电机转子初始位置检测(定位)算法主要有：
1.施加恒定电压空间矢量法
此类方法是通过施加方向恒定的空间电压矢量使转子定位在指定位置处。由于要引起负载机械初始位置发生变化，故该方法在实用场合中有极大的使用限制性。并在电机重载时需要施加较长时间的方向恒定空间电压矢量，以产生足够的力矩实现转子定位，但此时电机静止，尚未建立反电势，长时间的施加电压容易引起大电流危害电机的安全。
2.凸极法
此类方法是基于永磁同步电机总有一定的凸极性。对于凸极永磁同步电机而言，它的结构凸极自然存在且较明显；对于隐极永磁同步电机来说，由于永磁体的磁导率略大于空气磁导率(1.05∶1.2倍)，也存在一定的结构凸极性。另外，由于定子铁芯的非线性磁化特性，使电机在空间上呈现饱和小凸极。这种结构和饱和凸极性反映在定子绕组上，使得定子绕组的等效电感是一个与转子位置有关的变量，因此，可以据此来判断转子初始位置。并且此类方法不依赖电机参数测量的准确性。目前比较常用的有：
基于在线电抗测量的间接磁链观测法INFORM(Indirect Flux detection by On-line Reactance Measurement)及其改进型：它是通过在短时间内施加不同方向的电压空间矢量，检测其相应的定子电流空间矢量变化率，并定义电压空间矢量与电流空间矢量变化率复比值为复“INFORM”电感。这个复电感含有关于转子磁链(或者转子磁链初始位置)的信息。在实际中，通过施加6个非零电压空间矢量后根据电流响应计算复电感值进而得到转子初始位置角度。该方法对电流检测硬件电路的精度要求高，而且由于复电感与转子初始位置角度关系的非线性以及实际测量数据的离散性，很难保证较高估计分辨率，有时甚至出现较大的初始位置检测错误。
施加幅值相同、方向不同的电压脉冲法：通过给电机施加幅值相同、方向不同的一系列电压脉冲，检测并比较其相应的定子电流来估算转子位置。这种方法理论上认为可以达到较高的估计精度。但在具体实现时需要脉宽调制脉冲发生器产生不同方向的电压空间矢量，在脉冲施加期间，开关动作较多，易对采样电路造成干扰，而且开关动作时伴随的死区时间也会对电流变化造成影响。另外不断细分的估计方法使得估计速度较慢。在检测过程中，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。
施加等宽电压脉冲法：通过在定子绕组中依次施加6个非零空间电压矢量再检测比较定子电流。由于此种方法不需要脉宽调制脉冲发生器，并且定子电流线性变化，脉冲施加期间无开关动作。因此可以较准确的检测电流的变化率，从而降低对电流检测硬件电路要求。但是由于施加电压脉冲太少，检测的误差在±30°以内，误差较大。
高频注入法：通过向电机注入脉振或者旋转的高频电压信号，检测高频电流响应，将电流信号解调提取有关转子位置的信息。但是用于判断转子磁极极性的信号信噪比低、算法复杂，实现起来比较困难。
以上方法存在测量过程中造成转子位置变动、对电流采样硬件电路要求高、转子位置检测误差大或者算法复杂的问题。
发明内容
针对上述背景技术中提到的现有方法中脉冲施加期间开关动作较多，对采样电路造成干扰等不足，本发明提出了一种无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法。
本发明的技术方案是，无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤1：向永磁同步电机定子绕组依次施加六组三相导通电压矢量，得出电流变化率最大的一组三相导通电压矢量的位置角并记为θ3；
步骤2：向永磁同步电机定子绕组依次施加六组两相导通电压矢量，得出电流变化率最大的一组两相导通电压矢量的位置角并记为θ2；
步骤3：判断|θ3-θ2|是否大于30°，若是，则返回步骤1；若不是，则转子的初始位置为(θ3+θ2)/2。
所述三相导通为：逆变器三相桥臂中，每相桥臂的上管导通或下管导通。
所述两相导通为：逆变器三相桥臂中，有一相桥臂的上管和下管都截止，另外两相桥臂的上管导通或下管导通。
本发明简单有效，不需要脉宽调制脉冲发生算法，在施加电压脉冲期间，定子电流线性变化，降低了对采样电路的要求；采用检测电流变化率的方法，避免了电流检测电路零点漂移的影响；施加脉冲期间，开关管不动作，减小了开关动作对采样电路的干扰以及死区的影响；使初始位置判断误差在±15°以内。
附图说明
图1为本发明原理图。
具体实施方式
下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
本发明提出了一种新的简单有效的在电机静止时估算其转子初始位置的方法，该方法也是利用永磁同步电机的凸极性，通过三相和两相混合导通方式给电机定子绕组施加12组等宽电压脉冲，检测并比较其相应的定子电流变化率的方法估算出转子的初始位置。
定义逆变器的开关函数为sX，X＝A，B，C。
三相导通法是指逆变器的三相桥臂中均有且只有一个开关管导通的状态。对应的三相导通电压矢量(开关函数sA，sB，sC)为V1(1、-1、-1)、V3(1、1、-1)、V5(-1、1、-1)、V7(-1、1、1)、V9(-1、-1、1)和V11(1、-1、1)。
两相导通是指逆变器三相桥臂中有一相桥臂上下管均截止，另外两相均有且只有一个开关管导通的状态。对应的两相导通电压矢量(开关函数)为V0(1、-1、0)、V2(1、0、-1)、V4(0、1、-1)、V6(-1、1、0)、V8(-1、0、1)和V10(0、-1、1)。
本发明方法包括以下步骤：
步骤1：依次施加三相导通电压矢量V1、V7、V3、V9、V5、V11，每个电压矢量作用时间均为400微秒，两个电压矢量之间关断所有开关管并持续1毫秒。分别检测这六个电压矢量作用时间400微秒内电流变化率(见表1)，并进行比较得出最大电流变化率对应的电压矢量的位置角θ3。如最大电流变化率对应的电压矢量为V3，其位置角为θ3＝60°
步骤2：依次施加两相导通电压矢量V2、V8、V4、V10、V6、V0，每个电压矢量作用时间均为400微秒，两个电压矢量之间关断所有开关管并持续1毫秒。分别检测这六个电压矢量作用时间400微秒内电流变化率，并进行比较得出最大电流变化率对应的电压矢量的位置角θ2。如最大电流变化率对应的电压矢量为V2，其位置角θ2＝30°
步骤3：判断θ3和θ2差值的绝对值，如果大于30°则返回步骤1。连续三次大于30°则跳出检测，说明检测失败请检查硬件电路。可见步骤1和2得到的θ3和θ2差值的绝对值为30°；如果≤30°，转子的初始位置即为步骤1和步骤2得到的位置角平均值即(θ3+θ2)/2。即转子初始位置为45°。
表1三相两相混合导通法电压矢量与开关函数、位置角、电流变化率对应关系表
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征是该方法包括以下步骤：
步骤1：向永磁同步电机定子绕组依次施加六组三相导通电压矢量，得出电流变化率最大的一组三相导通电压矢量的位置角并记为θ3；
步骤2：向永磁同步电机定子绕组依次施加六组两相导通电压矢量，得出电流变化率最大的一组两相导通电压矢量的位置角并记为θ2；
步骤3：判断|θ3-θ2|是否大于30°，若是，则返回步骤1；若不是，则转子的初始位置为(θ3+θ2)/2。
2.根据权利要求1所述无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征是所述三相导通为：逆变器三相桥臂中，每相桥臂的上管导通或下管导通。
3.根据权利要求1所述无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征是所述两相导通为：逆变器三相桥臂中，有一相桥臂的上管和下管都截止，另外两相桥臂的上管导通或下管导通。
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