CN102208895B - 电励磁同步电机转子初始位置角检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种电励磁同步电机转子初始位置角检测方法及装置，属于电机的控制方法及装置。该装置的三相电源通过三相电压源型逆变器与电励磁同步电机连接，在三相电压源型逆变器与电励磁同步电机之间的电源线上连接有电压传感器，电压传感器与DSP控制系统的输入端连接，DSP控制系统的输出端与PC机连接；直流电源通过H桥式逆变器与电励磁同步电机的转子励磁绕组连接，在H桥式逆变器与电励磁同步电机转子励磁绕组之间的电源线上连接有电流传感器，IGBT驱动信号与H桥式逆变器连接。优点：结构简单可靠、易于实现，抗干扰性强，检测精度高且不需要额外的硬件开销，可获得转子初始位置角检测结果。

Description

电励磁同步电机转子初始位置角检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电机控制方法及装置，特别是一种电励磁同步电动机转子初始位置角检测方法及装置。

背景技术

电励磁同步电机高性能控制系统中，转子初始位置角检测可靠与否直接影响电机的顺利起动。矢量控制系统在启动时为了产生正确的电压空间矢量，以便保证电机顺利启动也需要知道电机的转子初始位置角，否则会因定子磁链观测不准确降低系统起动性能，严重时导致系统起动失败。

电励磁同步电动机以其效率高、功率因数高且可以调节等优点，在工业生产机械传动，特别是在大功率传动中广泛应用。目前，出现了几种同步电机转子初始位置角检测的方法。一种简单的方法是在定子侧不通电情况下，转子绕组上加直流励磁，在转子电流从零增大到稳态值过程中检测定子绕组中感应电压，通过纯积分电压模型获得磁通的幅值和位置角。由于定位期间定子不通电，气隙磁通即是转子磁通，所得的磁通位置角能真实反映转子磁极位置。该方案虽然简单，但是转子突加直流励磁，定子绕组感应到的电压会很快衰减，并且在实际系统中，纯积分电压模型不能消除积分初始值、A/D采样带来的直流偏置误差、逆变器非线性以及高频噪声干扰问题，均影响检测精度。另一种方法是将电压模型进行改进，采用新电压模型，新电压模型虽然能消除积分初始值，但仍会存在上述直流偏置误差及高频噪声干扰等因素影响转子初始位置角的检测精度。近年来，出现了通过在静止转子绕组中通入交流电流或直流脉动电流方法，利用系统中已有的电流传感器检测定子三相短路绕组中产生的感应电流及转子电流，构造出一种转子初始位置估计器，最终得到转子位置信息。其优点是解决了直流励磁影响定子侧感应到的电压或电流快速衰减的问题，检测精度较高，但是算法复杂，实现起来比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对现有电励磁同步电机转子初始位置角检测方法存在的检测精度低、算法复杂的问题，提供一种电励磁同步电机转子初始位置角检测方法及装置。

本发明方法的具体步骤：

步骤一、定子侧不通电，转子励磁绕组采用H桥式逆变器供电，励磁方式为正弦交流励磁；

步骤二、转子绕组产生交替变化磁链通过气隙铰链到定子绕组中，通过电压传感器检测定子绕组感应到的正弦电压；

步骤三、采集的感应电压经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电压信号，送给纯积分电压模型得到两相静止坐标系下的定子磁链，即转子磁链；

步骤四、两相静止坐标系下的转子磁链经滑动DFT算法提取出基波磁链及其幅值；

步骤五、对两相基波磁链在第一个1/2基波周期附近的某一采样时刻进行采样，根据两相基波的符号判断转子初始位置角所在象限；

步骤六、由两相基波磁链的幅值并结合转子初始位置角所在象限计算出转子初始位置角。

该装置包括三相电压源型逆变器、电励磁同步电机、H桥式逆变器、DSP控制系统、PC机、PR调节器、电压传感器和电流传感器。三相电源通过三相电压源型逆变器与电励磁同步电机连接，在三相电压源型逆变器与电励磁同步电机之间的电源线上连接有电压传感器，电压传感器与DSP控制系统的输入端连接，DSP控制系统的输出端与PC机连接；直流电源通过H桥式逆变器与电励磁同步电机的转子励磁绕组连接，在H桥式逆变器与电励磁同步电机转子励磁绕组之间的电源线上连接有电流传感器，交流电源通过反馈环节送给PR调节器，PR调节器的输出经过DSP控制系统计算出占空比，输出IGBT驱动信号，IGBT驱动信号与H桥式逆变器连接。

有益效果，与现有技术相比，本发明采用转子正弦励磁方式，避免了传统方法采用转子突加直流励磁，定子绕组感应电压的快速衰减对角度的检测存在较大误差。

在实际系统中，传统方法的磁链观测器对感应到定子绕组的电压进行纯积分观测到定子磁链，虽然方法简单，但是不能解决积分初始值、A/D采样带来的直流偏置以及高频干扰问题，因此现有技术检测的转子初始位置角误差较大。本发明采用SDFT算法对静止两相坐标系下的两相磁链观测器的磁链进行分析，提取出两相磁链的基波信号，消除了传统方法因采集电压带来的直流误差以及高频噪声干扰，最后对两相磁链基波信号的幅值取反正切所得角度即为转子初始位置角。

本发明采用转子正弦励磁方式，并基于SDFT算法对同步电机转子初始位置角进行检测，使得同步电机转子初始位置角误差限制在±1°(电气角)范围之内，满足同步电机矢量控制系统起动时对转子初始位置角检测精度的要求。

优点：结构简单可靠、易于实现，避免了因采样带来的直流偏置误差以及高频干扰对转子初始位置角辨识算法的影响，抗干扰性强，检测精度高且不需要额外的硬件开销，可获得满意的转子初始位置角检测结果。

附图说明

图1是本发明方法的流程图。

图2是本发明的主电路结构框图。

图3是SDFT的原理图。

图4是本发明的软件控制原理框图。

图2中，U1、三相电压源型逆变器；U2、电励磁同步电机(SM)；U3、H桥式逆变器；U4、DSP控制系统；U5、PC机；U6、电压传感器；U7、电流传感器。

具体实施方式

实施例1：实现本发明方法的步骤：

步骤一、定子侧不通电，转子励磁绕组采用H桥式逆变器供电，励磁方式为正弦交流励磁；

步骤二、转子绕组产生交替变化磁链通过气隙铰链到定子绕组中，通过电压传感器检测定子绕组感应到的正弦电压；

步骤三、采集的感应电压经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电压信号，送给纯积分电压模型得到两相静止坐标系下的定子磁链，即转子磁链；

步骤四、两相静止坐标系下的转子磁链经滑动DFT算法提取出基波磁链及其幅值；

滑动DFT表英文表示为：Slide Discrete Fourier Transform，即SDFT，滑动DFT算法原理：分析不同时刻其输入样本对应的频谱，这就相当于用一个固定长度随时间滑动的滑动窗口来选择样本，这种在一个滑动窗口内计算N点DFT的算法称为滑动DFT算法。

本发明中，滑动DFT算法就是把磁链观测器观测到的静止两相坐标系下的两相定子磁链作为滑动DFT的输入信号，并两相磁链进行快速傅立叶频谱分析，提取所需两相磁链的基波信号，由于定位期间定子不通电，两相定子磁链即是转子磁链，因此对两相磁链基波信号的幅值取反正切所得角度即为转子初始位置角。该算法运算速度较快，并且输出为基波信号，避免了直流偏移及高频干扰信号对磁链观测的影响，提高了转子初始位置角检测的精度。

步骤五、对两相基波磁链在第一个1/2基波周期附近的某一采样时刻进行采样，根据两相基波的符号判断转子初始位置角所在象限；

步骤六、由两相基波磁链的幅值并结合转子初始位置角所在象限计算出转子初始位置角。

本发明的装置包括三相电压源型逆变器U1、电励磁同步电机U2、H桥式逆变器U3、DSP控制系统U4、PC机U5、电压传感器U6和电流传感器U7，三相电源通过三相电压源型逆变器U1与电励磁同步电机U2连接，在三相电压源型逆变器U1与电励磁同步电机U2之间的电源线上连接有电压传感器U6，电压传感器U6与DSP控制系统U4的输入端连接，DSP控制系统U4的输出端与PC机U5连接；直流电源通过H桥式逆变器U3与电励磁同步电机U2的转子励磁绕组连接，在H桥式逆变器U3与电励磁同步电机U2转子励磁绕组之间的电源线上连接有电流传感器U7，交流电源通过反馈环节送给DSP控制系统U4并计算出占空比，输出IGBT驱动信号，IGBT驱动信号与H桥式逆变器U3连接。

所述的DSP控制系统为TI公司的32位DSP-TMS320F28335；所述的电压传感器为LEM公司的LV28-P；所述的电流传感器为LEM公司的LA28-NP；所述的三相电压源型逆变器为Infineon公司的BSM50GB120DLC型号；所述的H桥式逆变器为DR50A型逆变器。

本发明方法的具体步骤：

步骤一、定子侧不通电，转子采用电流闭环控制，且转子励磁绕组采用H桥式逆变器供电，励磁方式为正弦交流励磁。通过改变给定正弦信号的幅值与频率来控制H桥IGBT的通断，从而得到合适的正弦交流电流，供给转子励磁绕组。

步骤二、采集定子绕组中感应的电压信号u _AB、u _BC，并变换成两相静止坐标系下的u _αs、u _βs。具体方法为：

步骤a、电压检测单元采用LEM公司的LV28-P电压传感器，经电平处理电路、A/D采样后送给控制系统，从而检测到线电压u _AB、u _BC；

步骤b、将线电压u _AB、u _BC转换为三相相电压u _A、u _B和u _C = -u _A-u _B；

步骤c、将三相静止坐标系下的u _A、u _B和u _C变换成两相静止坐标系下的u _αs、u _βs。

步骤三、u _αs、u _βs通过纯积分电压模型得到定子磁链ψ _αs、ψ _βs。由于定位期间定子侧不通电，没有定子电枢反应作用，定子磁链即是转子磁链。

步骤四、转子磁链ψ _αs、ψ _βs通过SDFT提取出基波ψ' _αs、ψ' _βs及其幅值|ψ' _αs|、|ψ' _βs|。

步骤五、对ψ' _αs、ψ' _βs在第一个1/2周期附近的某一时刻进行采样，根据ψ' _αs、ψ' _βs的正负号判断转子初始位置角所在的象限。由于转子通正弦励磁电流，感应的定子电压与磁链也会按正弦规律变化，所以在一个周期内基波磁链的符号在过零点前后恰好相反，影响角度的计算。因此需要对角度所在象限进行判别，判断结果如表1所示。

表1 转子初始位置角所在象限

步骤六、根据|ψ' _αs|、|ψ' _βs|并结合转子初始位置角所在象限得到转子初始位置角φ'，

。

注意事项：本发明中所提及的角度均为电角度。

本发明主要分有两大部分组成，第一部分如步骤一、二所述，主要阐述转子励磁绕组采用正弦励磁方式以及对定子绕组中感应电压的采集。

影响转子初始位置角检测的因素有：1) PWM变换器带来的非线性以及高频噪声干扰；2) 采集电压带来的直流偏置误差等。

第二部分是软件处理部分，如步骤三、四所述，主要介绍SDFT在转子初始位置角检测中发挥的作用。

采集电压带来的误差影响转子初始位置角检测精度，因此本发明采用SDFT，不仅对DFT算法进行了改进，大大减少运算次数，而且提取出基波磁链，避免了直流偏置、H桥式逆变器带来的非线性以及高频干扰的影响。

SDFT的原理如下：设长度为N的有限长序列 x (n)，其离散傅里叶变换为

                                   (6)

其中，

。

将式(6)展开得

                             (7)

x (n)的图形表示如图3所示，其中， x ₀表示第一组数据， x ₁表示新的采样点的数据，两组数据相对应的傅里叶变换分别为X ₀(k)和X ₁(k)。

                            (8)

                               (9)

将式(8)代入式(9)可得

                     (10)

从上式中得出，要计算数据 x ₁的离散傅里叶变换X ₁(k)，只需要通过前一组数据 x ₀的离散傅里叶变换X ₀(k)减去x(0)再加上x(N)，最后对结果进行相移计算就可得出X ₁(k)。由此计算 x ₁的傅里叶变换只需要知道X ₀(k)，然后进行2次实数加法和1次复数乘法运算即可，这种方法就是SDFT。可以证明，FFT与SDFT的计算量之比为

，特别是在N较大的时候，SDFT可使运算效率提高更多。

根据SDFT原理，将有限长序列 x (n)用有限长的磁链序列 ψ (n)代替，X ₀(k)、X ₁(k)分别为Ψ ₀(k)、Ψ ₁(k)，x(0)、x(N)分别为ψ(0)、ψ(N)，代入式(8)、(10)中可得

                        (11)

                   (12)

由式(11)、(12)知，Ψ ₀(k)、Ψ ₁(k)均为复数，取k=1，将Ψ ₀(1)、Ψ ₁(1)分解为实部、虚部，再经过计算可得磁链的基波幅值与相位角，从而提取出基波成分。静止两相坐标系下的转子磁链ψ _αs、ψ _βs分别经过SDFT即可得到基波ψ' _αs、ψ' _βs及其幅值|ψ' _αs|、|ψ' _βs|。

步骤五和步骤六是对转子初始位置角所在象限进行判别，进而获得转子初始位置角检测结果。

Claims (1)

1.一种电励磁同步电机转子初始位置角检测方法，其特征是：具体步骤：

步骤一、定子侧不通电，转子励磁绕组采用H桥式逆变器供电，励磁方式为正弦交流励磁；

步骤二、转子绕组产生交替变化磁链通过气隙铰链到定子绕组中，通过电压传感器检测定子绕组感应到的正弦电压；

步骤三、采集的感应电压经3s/2s变换为两相静止坐标系下的电压信号，送给纯积分电压模型得到两相静止坐标系下的定子磁链，即转子磁链；

步骤四、两相静止坐标系下的转子磁链经滑动DFT算法提取出基波磁链及其幅值；

滑动DFT表英文表示为：Slide Discrete Fourier Transform，即SDFT，滑动DFT算法原理：分析不同时刻其输入样本对应的频谱，这就相当于用一个固定长度随时间滑动的滑动窗口来选择样本，这种在一个滑动窗口内计算N点DFT的算法称为滑动DFT算法；

所述的滑动DFT算法就是把磁链观测器观测到的静止两相坐标系下的两相定子磁链作为滑动DFT的输入信号，并两相磁链进行快速傅立叶频谱分析，提取所需两相磁链的基波信号，由于定位期间定子不通电，两相定子磁链即是转子磁链，因此对两相磁链基波信号的幅值取反正切所得角度即为转子初始位置角；

SDFT的原理如下：设长度为N的有限长序列 x (n)，其离散傅里叶变换为

                                   (6)

其中，

；

将式(6)展开得

                             (7)

其中， x ₀表示第一组数据， x ₁表示新的采样点的数据，两组数据相对应的傅里叶变换分别为X ₀(k)和X ₁(k)；

                            (8)

                               (9)

将式(8)代入式(9)可得

                     (10)

从上式中得出，要计算数据 x ₁的离散傅里叶变换X ₁(k)，只需要通过前一组数据 x ₀的离散傅里叶变换X ₀(k)减去x(0)再加上x(N)，最后对结果进行相移计算就可得出X ₁(k)；由此计算 x ₁的傅里叶变换只需要知道X ₀(k)，然后进行2次实数加法和1次复数乘法运算即可；这种方法就是SDFT；可以证明，FFT与SDFT的计算量之比为

，特别是在N较大的时候，SDFT可使运算效率提高更多；

根据SDFT原理，将有限长序列 x (n)用有限长的磁链序列 ψ (n)代替，X ₀(k)、X ₁(k)分别为Ψ ₀(k)、Ψ ₁(k)，x(0)、x(N)分别为ψ(0)、ψ(N)，代入式(8)、(10)中可得

                        (11)

                   (12)

由式(11)、(12)知，Ψ ₀(k)、Ψ ₁(k)均为复数，取k=1，将Ψ ₀(1)、Ψ ₁(1)分解为实部、虚部，再经过计算可得磁链的基波幅值与相位角，从而提取出基波成分；静止两相坐标系下的转子磁链ψ _αs、ψ _βs分别经过SDFT即可得到基波ψ' _αs、ψ' _βs及其幅值|ψ' _αs|、|ψ' _βs|；

步骤五、对两相基波磁链在第一个1/2基波周期附近的某一采样时刻进行采样，根据两相基波的符号判断转子初始位置角所在象限；

步骤六、由两相基波磁链的幅值并结合转子初始位置角所在象限计算出转子初始位置角。

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