CN103166563A - 永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其中包括通过脉冲信号U、V、W推断出电机转子所处空间位置的角度区间并得到初始角、启动伺服电机进行矢量闭环控制并锁定转子位置、进行电流滞环控制处理并检测出电机相电流变化率、根据相电流变化率与转子角度的关系得到精确的转子角度值。采用该种永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，通过检测电流变化率，提高了测试的可靠性，而且在测试电流之前就引入了闭环控制，确保了电机转子位置不会变化，对于齿槽转矩较大的电机、初始位置要求较高的场合特别适用，确保了电机以最大的力矩启动，提高了电机的启动性能，检测过程简单快捷，结果精确可靠，工作性能稳定，适用范围较为广泛。

Description

永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机领域，特别涉及永磁同步电机伺服驱动控制技术领域，具体是指一种永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法。

背景技术

目前，用于永磁同步伺服驱动系统电机转子初始位置的检测方法有：旋转变压器法、电机内置位置传感器法、电流检测法等。旋转变压器需要对输入的信号解码，比较复杂，成本也较高。电机内置位置传感器法对电机制造要求比较严格。电流检测法成本较低，也可以通过一些改进提高测试精度，如2010年6月30日公告的中国专利CN 101764556A，其涉及一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，但该方法在测试时，由于给电机施加的电流矢量与电机转子的d轴不重合，电机肯定会旋转，很难保证电机静止不动，尤其是对于齿槽转矩较大的电机，虽然能测量出一定精度的初始角，但也会使转子转动微小的位置，在位置要求较高的场合不太适用。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能够适用于对初始位置要求较高的场合或者电机齿槽转矩较大的电机、检测过程简单快捷、结果精确可靠、工作性能稳定、适用范围较为广泛的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法。

为了实现上述的目的，本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法如下：

该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

（1）通过电机上的编码器中的三路彼此相差120°相位的脉冲信号U、V、W推断出电机转子所处空间位置的角度区间，并得到相应的初始角；

（2）以所述的初始角启动伺服电机进行矢量闭环控制，并锁定转子位置；

（3）对电机进行电流滞环控制处理，通过三相电流控制器转换逆变器开关状态，检测出电机相电流变化率；

（4）根据所述的电机相电流变化率并结合系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，得到精确的转子角度值。

该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的推断出电机转子所处空间位置的角度区间，包括以下步骤：

（11）根据电机初始上电时脉冲信号U、V、W的状态组合，将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个角度区间：

●0°～60°；

●60°～120°；

●120°～180°；

●180°～240°；

●240°～300°；

●300°～360°。

（12）根据以下规则判断该电机转子所处的空间位置的角度区间：

●U、V、W的状态信号组合为101——电机转子所处的角度区间为0°～60°；

●U、V、W的状态信号组合为100——电机转子所处的角度区间为60°～120°；

●U、V、W的状态信号组合为110——电机转子所处的角度区间为120°～180°；

●U、V、W的状态信号组合为010——电机转子所处的角度区间为180°～240°；

●U、V、W的状态信号组合为011——电机转子所处的角度区间为240°～300°；

●U、V、W的状态信号组合为001——电机转子所处的角度区间为300°～360°；

其中，1为高电平信号，0为低电平信号。

该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的得到相应的初始角，具体为：

将角度区间的中间角度作为初始角。

该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的进行电流滞环控制处理，包括以下步骤：

（31）实时采样检测电机相电流信号值；

（32）如果相电流信号值低于系统预设的电流滞环宽度的最低电流值，则改变开关状态并给电机电路充电使得相电流值增大；

（33）如果相电流信号值高于系统预设的电流滞环宽度的最高电流值，则改变开关状态并使得相电流值减小；

（34）多次重复执行上述步骤（31）至（33）后，根据以下公式计算相电流变化率：

相电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间。

该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，具体为：

系统根据公式计算出的相电流变化率与转子角度的关系所形成的表格。

采用了该发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，由于其中使用UWV＋ABZ方波的编码器先将电机转子初始角初步定位（正负30度误差），然后启动伺服驱动器闭环控制，将电机转子位置锁住，并对初始角度进行校正，并利用永磁同步电机的转子位置和相电流变化率之间所存在的关系，通过检测电流变化率，从而进一步将电机转子位置进行精确校正，不仅提高了测试的可靠性，而且由于在测试电流之前就引入了闭环控制，确保了电机转子位置不会变化，对于齿槽转矩较大的电机、初始位置要求较高的场合特别适用，确保了电机以最大的力矩启动，提高了电机的启动性能，检测过程简单快捷，结果精确可靠，工作性能稳定，适用范围较为广泛。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法的编码器中U、V、W信号及其表示的状态示意图。

图2为本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法的永磁同步电机驱动电路示意图。

图3为本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的开关状态为100时的等效电路示意图。

图4为本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法中的电流滞环控制法采样电流变化率过程示意图。

图5为本发明的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法的伺服控制过程示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例详细说明。

请参阅图1至图5所示，该永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其中包括以下步骤：

（1）通过电机上的编码器中的三路彼此相差120°相位的脉冲信号U、V、W推断出电机转子所处空间位置的角度区间，并得到相应的初始角；该推断出电机转子所处空间位置的角度区间，包括以下步骤：

（11）根据电机初始上电时脉冲信号U、V、W的状态组合，将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个角度区间：

●0°～60°；

●60°～120°；

●120°～180°；

●180°～240°；

●240°～300°；

●300°～360°。

（12）根据以下规则判断该电机转子所处的空间位置的角度区间：

●U、V、W的状态信号组合为101——电机转子所处的角度区间为0°～60°；

●U、V、W的状态信号组合为100——电机转子所处的角度区间为60°～120°；

●U、V、W的状态信号组合为110——电机转子所处的角度区间为120°～180°；

●U、V、W的状态信号组合为010——电机转子所处的角度区间为180°～240°；

●U、V、W的状态信号组合为011——电机转子所处的角度区间为240°～300°；

●U、V、W的状态信号组合为001——电机转子所处的角度区间为300°～360°；

其中，1为高电平信号，0为低电平信号；

得到相应的初始角，具体为：

将角度区间的中间角度作为初始角；

（2）以所述的初始角启动伺服电机进行矢量闭环控制，并锁定转子位置；

（3）对电机进行电流滞环控制处理，通过三相电流控制器转换逆变器开关状态，检测出电机相电流变化率；该进行电流滞环控制处理，包括以下步骤：

（a）实时采样检测电机相电流信号值；

（b）如果相电流信号值低于系统预设的电流滞环宽度的最低电流值，则改变开关状态并给电机电路充电使得相电流值增大；

（c）如果相电流信号值高于系统预设的电流滞环宽度的最高电流值，则改变开关状态并使得相电流值减小；

（d）多次重复执行上述步骤（31）至（33）后，根据以下公式计算相电流变化率：

相电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间；

（4）根据所述的电机相电流变化率并结合系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，得到精确的转子角度值，该系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，具体为：

系统根据公式计算出的相电流变化率与转子角度的关系所形成的表格。

在实际使用当中，本发明所提供的方法，在测试电流之前根据编码器U、V、W信号判断永磁同步电机转子初始位置，引入矢量闭环控制，锁住转子位置，再通过测试相电流的变化率精确的检测出电机转子的位置，校正之前的初始值，确保电机以最大的力矩启动。由于在测试电流变化率时已经对电机进行了闭环控制，锁住了电机转子的位置，在对初始位置要求较高的场合或者电机齿槽转矩较大的电机特别适用，齿槽转矩较大时，在空载或轻载情况下，给电机加电时，电机转子很容易偏离其初始位置。

本发明的技术方案是：先通过编码器中三路彼此相差120°的脉冲信号U、V、W推断出电机转子所处空间位置的区间。电机初始上电时，U、V、W脉冲信号判定电机转子位置的原理是：在电机旋转时，每转变化P×360°（P为极对数），即电机转子的360°空间被分成了P等分，每一等分相应于电信号的一个周期。U、V、W所组成的状态信号在一个周期内分别为101、100、110、010、011、001，它们各对应电信号一个周期内的60°区间，故在电机初始上电时，由U、V、W的状态就可以判定电机转子所处空间位置相应的区间，具体请参阅图1所示。若将区间的中间角度选择为初始角，则初始角误差为正负30度。

由U、V、W信号得到的初始角启动伺服电机闭环控制，锁定转子位置。由于初始角误差在30度范围内，若以该初始角度建立dq轴，能够得到86%的启动力矩。为获得更大的启动力矩，必须对初始角度进行校正。以下介绍通过测试电机相电流变化率得到电机转子角度的精确位置的方法。

电流变化率和转子角度之间的关系推导如下：交流同步电机驱动电路请参阅图2所示，电机的每一相线圈由上下两个开关管控制，一共有6种给电机线圈充电的开关状态100、110、010、011、001、101，1代表的是上面开关打开，下面开关关闭，将线圈接入DC电源的正电压；0代表上面开关关闭，下面开关打开，将线圈接到地。当开关状态100时的等效电路请参阅图3所示，图中箭头为电流方向，根据等效电路，有如下公式：

$v_{\mathrm{as}}=i_{\mathrm{as}}\×R+\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\left(1\right)$

$v_{\mathrm{bs}}=i_{\mathrm{bs}}\×R+\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bs}}}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\left(2\right)$

$v_{\mathrm{cs}}=i_{\mathrm{cs}}\×R+\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\left(3\right)$

V_dc＝v_as-v_bs  ……（4）

v_bs＝v_cs  ……（5）

i_as＝-(i_bs+i_cs)  ……（6）

忽略线圈电阻，又（1）～（5）公式得到：

$V_{\mathrm{dc}}=\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}-\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bs}}}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\left(7\right)$

$\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{bs}}}{\mathrm{dt}}=\frac{d{\mathrm{\λ}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}\·\·\·\·\·\·\left(8\right)$

其中：

λ_as＝L_as,asi_as+L_as,bsi_bs+L_as,csi_cs  ……（9）

λ_bs＝L_as,bsi_as+L_bs,bsi_bs+L_bs,csi_cs  ……（10）

λ_cs＝L_as,csi_as+L_bs,csi_bs+L_cs,csi_cs  ……（11）

将（9）、（10）、（11）代入（7）和（8）得到：

$V_{\mathrm{dc}}=L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{bs}}}{\mathrm{dt}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}-(L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}+L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{bs}}}{\mathrm{dt}}+L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}\×\frac{d{i}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}})\·\·\·\·\·\·\left(12\right)$

L_as,bs×i_as+L_bs,bs×i_bs+L_bs,cs×i_cs＝L_as,cs×i_as+L_bs,cs×i_bs+L_cs,cs×i_cs  ……（13）

由（6）、（12）和（13）式得到：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}+(L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}})\×\left(\frac{L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{cs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}}{L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{cs},\mathrm{cs}}-2L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}}\right)}\·\·\·\left(14\right)$

其中L_as,as、L_bs,bs、L_cs,cs、L_as,bs、L_bs,cs和L_as,cs为转子角度θ_r的函数：

L_as,as＝L_ls+L_A+L_Bcos(2θ_r)  ……（15）

$L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}=L_{\mathrm{ls}}+L_A+L_B\cos (2{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\·\·\·\·\·\·\left(16\right)$

$L_{\mathrm{cs},\mathrm{cs}}=L_{\mathrm{ls}}+L_A+L_B\cos (2{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\·\·\·\·\·\·\left(17\right)$

$L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}=-\frac{1}{2}{L}_A+L_B\cos (2{\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})\·\·\·\·\·\·\left(18\right)$

$L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}=-\frac{1}{2}{L}_A+L_B\cos (2{\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})\·\·\·\·\·\·\left(19\right)$

$L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}=-\frac{1}{2}{L}_A+L_B\cos \left(2{\mathrm{\θ}}_r\right)\·\·\·\·\·\·\left(20\right)$

其中，V_as、V_bs、V_cs分别为电机相电压，i_as、i_bs、i_cs分别为电机相电流，R为定子线圈电阻，λ_as、λ_bs、λ_cs分别为电机的三相磁链，L_as,as代表绕组A的电感；L_bs,bs代表绕组B的电感；L_cs,cs代表绕组C的电感；L_as,bs代表绕组A、B之间的互感；L_as,cs代表绕组A、C之间的互感；L_bs,cs代表绕组B、C之间的互感；L_ls代表定子线圈的漏感；L_A代表独立于转子转动的电感；L_B代表随转子转动变化的最大电感。

把（15）～（20）式带入（14）式经化简后可得：

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}(2L-2L_B\cos 2\mathrm{\θ})}{2L^2+0.75L_B^2-2L{L}_B\cos 2\mathrm{\θ}+2\sqrt{3}L{L}_B\sin 2\mathrm{\θ}-3\sqrt{3}{L}_B^2\sin 2\mathrm{\θ}\cos 2\mathrm{\θ}};$

L＝3L_A+2L_1S

其中V_dc为直流母线电压，可以测量得到。

同理可以推导当开关状态为010和开关状态001时

和

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{as}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}+(L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}+L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}})\×\left(\frac{L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{cs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}}{L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}-2L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}}\right)}\·\·\·\left(21\right)$

$\frac{{\mathrm{di}}_{\mathrm{cs}}}{\mathrm{dt}}=\frac{V_{\mathrm{dc}}}{L_{\mathrm{cs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}+(L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}})\×\left(\frac{L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}+L_{\mathrm{bs},\mathrm{cs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}-L_{\mathrm{as},\mathrm{cs}}}{L_{\mathrm{bs},\mathrm{bs}}+L_{\mathrm{as},\mathrm{as}}-2L_{\mathrm{as},\mathrm{bs}}}\right)}\·\·\·\left(22\right)$

由上述推导可知，只要检测到电流变化率，就可以获得转子角度的信息。

电流变化率的测量可以采用电流滞环控制法。其原理请参阅图4所示，在t1时刻被采样的电流信号低于要求的电流值，因此在t2时刻改变开关状态给电路充电，电流值增加，直到超过了设定的电流环宽，在t6时刻再次改变开关使电流减小，在加电过程中，连续两次采样的电流的差值比上采样间隔时间即得到电流变化率。

和以往检测转子初始位置不同的是，先通过U、V、W信号初步定位出转子的角度，并以这个角度闭环控制，再去检测电流的变化率校正转子的角度。这样的有益效果是：防止了以往检测电流是，电机转动的问题，尤其是初始位置要求较高以及齿槽转矩较大的情况，同时，因为通过检测电流的变化率求得电机转子精确的位置，确保了电机以最大的力矩启动，提高了电机的启动性能。

再请参阅图5所示，其中表示了采用本发明检测永磁同步电机转子初始角度方案的控制框图。当电机上电后，读取编码器U、V、W信号得到转子的初始角度θ_r0，该角度有正负30°误差。以该角度建立dq轴，进行矢量闭环控制，由于初始给定的速度和转动位置都为0，电机转子被锁定在初始位置不动。然后根据附图4所示的电流滞环控制方法，通过三相电流控制器转换逆变器开关状态，检测出电流变化率。并根据电流变化率值，查询电流变化率和转子角度关系的表格，得到精确的转子角度值θ_r0′。该表格是根据以上公式（14）、（21）和（22）计算得到的，也可以根据实际测试的情况对表格值进行校正，使获得的角度值更加准确。

采用了上述的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，由于其中使用UWV＋ABZ方波的编码器先将电机转子初始角初步定位（正负30度误差），然后启动伺服驱动器闭环控制，将电机转子位置锁住，并对初始角度进行校正，并利用永磁同步电机的转子位置和相电流变化率之间所存在的关系，通过检测电流变化率，从而进一步将电机转子位置进行精确校正，不仅提高了测试的可靠性，而且由于在测试电流之前就引入了闭环控制，确保了电机转子位置不会变化，对于齿槽转矩较大的电机、初始位置要求较高的场合特别适用，确保了电机以最大的力矩启动，提高了电机的启动性能，检测过程简单快捷，结果精确可靠，工作性能稳定，适用范围较为广泛。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：

（1）通过电机上的编码器中的三路彼此相差120°相位的脉冲信号U、V、W推断出电机转子所处空间位置的角度区间，并得到相应的初始角；

（2）以所述的初始角启动伺服电机进行矢量闭环控制，并锁定转子位置；

（3）对电机进行电流滞环控制处理，通过三相电流控制器转换逆变器开关状态，检测出电机相电流变化率；

（4）根据所述的电机相电流变化率并结合系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，得到精确的转子角度值。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其特征在于，所述的推断出电机转子所处空间位置的角度区间，包括以下步骤：

（11）根据电机初始上电时脉冲信号U、V、W的状态组合，将电机转子的角度值360°空间等分成以下6个角度区间：

●0°～60°；

●60°～120°；

●120°～180°；

●180°～240°；

●240°～300°；

●300°～360°。

（12）根据以下规则判断该电机转子所处的空间位置的角度区间：

●U、V、W的状态信号组合为101——电机转子所处的角度区间为0°～60°；

●U、V、W的状态信号组合为100——电机转子所处的角度区间为60°～120°；

●U、V、W的状态信号组合为110——电机转子所处的角度区间为120°～180°；

●U、V、W的状态信号组合为010——电机转子所处的角度区间为180°～240°；

●U、V、W的状态信号组合为011——电机转子所处的角度区间为240°～300°；

●U、V、W的状态信号组合为001——电机转子所处的角度区间为300°～360°；

其中，1为高电平信号，0为低电平信号。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其特征在于，所述的得到相应的初始角，具体为：

将角度区间的中间角度作为初始角。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其特征在于，所述的进行电流滞环控制处理，包括以下步骤：

（31）实时采样检测电机相电流信号值；

（32）如果相电流信号值低于系统预设的电流滞环宽度的最低电流值，则改变开关状态并给电机电路充电使得相电流值增大；

（33）如果相电流信号值高于系统预设的电流滞环宽度的最高电流值，则改变开关状态并使得相电流值减小；

（34）多次重复执行上述步骤（31）至（33）后，根据以下公式计算相电流变化率：

相电流变化率＝连续两次采样的电流的差值÷采样间隔时间。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机中转子位置初始定位检测方法，其特征在于，所述的系统预设的相电流变化率与转子角度的关系，具体为：

系统根据公式计算出的相电流变化率与转子角度的关系所形成的表格。

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