CN102843091B - 一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法

技术领域

本发明属于永磁电机控制领域，特别涉及一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法。

背景技术

永磁同步电机无论是采用直接转矩控制还是矢量控制，都需要精确地获取转子的位置。传统的检测电机转子位置和转速的方法中，多采用机械传感器，如光电编码器或者旋转变压器等，使得永磁同步电动机系统不能在一些环境恶劣的特殊场合里可靠地工作，如航天、水下及空调压缩机等领域。因此，无位置传感器控制技术应运而生。目前，无位置传感器控制技术根据基本原理可以分为两大类：一类基于电机反电势的基波模型，适用于中高速领域；另一类多为基于电机谐波模型，利用电机结构的物理特性或电感的饱和特性，适用于低速（零速）领域。众所周知，后者的实现难度较前者要高，是无位置传感器技术的关键。

永磁同步电机分为凸极式和隐极式两种形式，转子磁钢表贴式永磁同步电机属于隐极式，其特点为：通常情况下，交轴和直轴电感近似相等，即L_q＝L_d。但有研究表明，在直轴上施加一定的励磁电流，随着电机磁路的饱和，会导致直轴电感变小，此时电机对外呈现出L_q＞L_d，称为电感饱和凸极。据此，韩国学者I.H.Jung等提出了脉动高频电压信号注入法无位置传感器控制技术，在估计的同步旋转坐标系直轴上注入高频正弦电压信号，利用电机的凸极（表贴式为饱和凸极），使得估计的同步旋转坐标系交轴上产生了一个和估算位置误差相关的高频响应电流信号，设计位置估算系统，从该高频响应电流信号中获取转子位置。

在应用脉动高频电压信号注入法作转子初始位置检测时，估计位置既可能收敛于电机转子磁极的N极，也有可能收敛于电机磁极的S极，因此需要对估算转子初始位置的磁极极性进行判断。

发明内容

本发明的目的，在于提供一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，包括如下步骤：

（1）在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号 ${\hat{u}}_d=U_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right),$ 给定轴电压 ${\hat{u}}_q=0;$

（2）检测电机的两相电流，并经过Clarke和Park坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系的轴电流并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的轴电流乘以调制信号u_t＝cos(ω_ht)；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到轴电流的幅值信号f(Δθ)；最后，对该幅值信号进行PI调节，得到估计转速对估计转速积分得到估计的转子位置；

（3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计的转子位置

（4）在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号在轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，γ＞0；

（5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收敛的磁极极性为N极，转子初始位置当转速为负时，收敛的磁极极性为S极，转子初始位置

上述步骤（1）中，采用转子的估计位置进行Park逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值和

采用上述方案后，本发明具有以下改进：

（1）本发明在利用脉振高频电压注入法作初始位置初次估算的基础上，利用注入的转矩扰动分量，使电机产生一个机械的扰动，根据此时估算的电机转速来判断转子磁极的极性，实现永磁同步电机任意初始位置的位置估计；

（2）本发明无需准确地电机参数和额外的硬件电路，系统简单稳定，相比较在直轴上注入正负脉冲电压判断磁极极性的方法，本发明对电机转子增磁去磁影响小；且仅就磁极极性判断而言，本发明不依赖于电机的凸极（包括饱和凸极）性，完全可以移植于其它的磁极极性判断方法上，具有良好的实用价值。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是两相静止坐标系、实际两相旋转坐标系与估算两相旋转坐标系的相对关系示意图；

图3是本发明中位置速度估计调节系统的示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，包括如下步骤：

（1）建立坐标系关系图，如图2所示，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差其中，θ为实际位置，为估计位置，且的初始值为0；

（2）在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号作为轴电压给定，其中，U_mh表示注入信号的电压幅值，ω_h表示注入信号的角频率，轴电压采用转子的估计位置进行Park逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值和对实际两相静止坐标系下的电压给定值进行SVPWM调制，得到六个驱动信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；

（3）通过检测电机的两相电流i_A和i_B，经过Clarke得到实际两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，再利用估计位置进行Park坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系下的 轴电流，其中轴电流用于估计转子的位置与转速。

位置和转速估计系统如图3所示：首先，将检测得到的轴电流乘以调制信号u_t＝cos(ω_ht)，并经过低通滤波器（LPF），得到轴电流的幅值信号f(Δθ)，即转子位置估计PI调节器所需要的输入量，使输入量与估算转子误差有关；对该幅值信号进行比例-积分（PI）调节控制，使得f(Δθ)＝0，将此时PI调节器的输出作为估计转速估计转速积分得到估计的转子位置；

（4）重复步骤（2）和步骤（3），直至电机估算的位置收敛为一恒定值保持不变，将此时的位置作为初次估计的转子位置

（5）在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号作为轴电压给定；轴注入一个正方向扰动信号，作为轴给定，采用估计的转子位置进行Park逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值和对实际两相静止坐标系下电压的给定值进行SVPWM调制，得到六个驱动信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；

（6）通过检测电机的两相电流i_A和i_B，经过Clarke得到实际两相静止坐标系下的电流i_α和i_β，再利用估计位置进行Park坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系下的 轴电流，其中轴电流用于估计转子的位置与转速；

（7）重复执行步骤（5）和步骤（6），直至电机转过微小的角度γ，γ＞0；此处并不刻意限定电机转过角度的数值范围，只要能判断出电机转动即可；

（8）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收敛的磁极极性为N极，转子初始位置当转速为负时，收敛的磁极极性为S极，转子初始位置

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤：

(1)在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号 ${\hat{u}}_d=U_{\mathrm{mh}}\cos \left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right),$ 给定轴电压

(2)检测电机的两相电流，并经过Clarke和Park坐标系变换，得到估计同步旋转坐标系的轴电流并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的轴电流乘以调制信号u_t＝cos(ω_ht)；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到轴电流的幅值信号f(Δθ)；最后，对该幅值信号f(Δθ)进行PI调节，得到估计转速对估计转速积分得到估计的转子位置；

(3)重复步骤(2)，直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计的转子位置

(4)在估计同步旋转坐标系的轴上注入高频电压信号在轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤(2)，直至电机转过一定角度γ，γ>0；

(5)根据步骤(3)估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收敛的磁极极性为N极，转子初始位置当转速为负时，收敛的磁极极性为S极，转子初始位置

2.如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于：所述步骤(1)中，采用转子的估计位置进行Park逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值和