CN103178768A - 永磁同步电机转子初始位置的检测装置及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过矢量控制来控制电机的设备或方法领域，具体为一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置及其使用方法。一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置，包括微处理器(1)、电流传感器(2)、开关管和二极管，其特征是：开关管甲(31)的集电极依次和二极管甲(41)的负极、开关管丙(33)的集电极、二极管丙(43)的负极、开关管戊(35)的集电极和二极管戊(45)的负极连接，一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次进行：a.对开关管进行导通和关闭，b.设参数，c.在微处理器(1)中进行计算。本发明结构简单，检测精确，适应性强。

Description

永磁同步电机转子初始位置的检测装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及通过矢量控制来控制电机的设备或方法领域，具体为一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置及其使用方法。

背景技术

永磁同步电机由于具有功率密度大，效率高等优点，在很多工业控制场合中得到了广泛应用。永磁同步电机控制系统在实际应用场合中，通常需要在电机上安装价格比较昂贵的绝对式编码器或者旋转变压器等位置传感器，用于获取转子磁极的绝对位置信息。现有的永磁同步电机转子初始位置检测方法分传感器法和无传感器法两大类。传感器法主要有：旋转变压器法、绝对式光电编码器法、电机内置位置传感器法；无传感器法主要有：高次谐波注入法、基于观测器的位置检测法。传感器法使用简单，但是安装复杂，成本高；而无传感器法算法较复杂，实现困难。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷，提供一种的结构简单、安装方便、检测精确的矢量控制电机的设备和方法，本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置及其使用方法。

随着永磁同步电机控制技术的不断发展，为了进一步降低永磁同步电机驱动系统的成本，希望采用比较廉价的增量式编码器来检查位置信息，或者采用无位置传感器技术。然而，这两种方案都需要解决一个重要的问题，即必须在电机运行之前对转子初始位置进行准确定位，只有得到比较准确的转子初始位置信息之后，才能有效的采用矢量控制或者直接转矩控制技术来控制电机起动运行，因为永磁同步电机驱动系统通常采用矢量控制，矢量控制是利用从静止坐标系到旋转坐标系之间的变化，实现定子电流中励磁分量和转矩分量的解耦，从而使永磁同步电机能像直流电机那样分别对磁通和转矩进行独立控制。永磁同步电机转子位置的检测是矢量控制解耦的必要条件，只有准确知道转子位置，才可以按照矢量坐标变化的要求，将永磁同步电机等效成dq坐标系上的等效模型。转子初始位置的检测，是第一次施加定子电流矢量的基础。根据矢量控制的原则，若转子位置检测准确无偏差，那定子电流矢量所产生的磁势将与转子磁势刚好成90度直角关系，此时，两者的作用力最大，即定子电流矢量被充分利用。若转子位置检测不准确或者偏差很大时，则可能会造成两种磁势间作用力偏小甚至作用力方向与预先设定相反等情况，导致起动失败。总之，永磁同步电机要正常起动并运行，必须在电机定子三相绕组上施加正确的电流，产生相应的空间矢量磁势，与转子磁场相互作用，以驱动转子转动。转子初始位置检测准确与否将关系到定子三相绕组上施加的电流是否正确，以及是否最佳。

本发明通过如下技术方案达到发明目的：

一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置，包括微处理器、电流传感器、开关管和二极管，其特征是：开关管和二极管各有六个，开关管甲的集电极依次和二极管甲的负极、开关管丙的集电极、二极管丙的负极、开关管戊的集电极和二极管戊的负极连接，开关管甲的发射极分别连接二极管甲的正极、二极管乙的负极和开关管乙的集电极，开关管丙的发射极分别连接二极管丙的正极、二极管丁的负极和开关管丁的集电极，开关管戊的发射极分别连接二极管戊的正极、二极管己的负极和开关管己的集电极，开关管乙的发射极依次和二极管乙的正极、开关管丁的发射极、二极管丁的正极、开关管己的发射极、二极管己的正极连接和接地端连接，开关管甲的发射极连接电机三相交流电的A相输入端，开关管丙的发射极连接电机三相交流电的B相输入端，开关管戊的发射极连接电机三相交流电的C相输入端，电机三相交流电的A相输出端、B相输出端和C相输出端分别连接一个电流传感器，三个电流传感器都和微处理器连接，以A相为零相位，B相滞后A相2π/3，C相滞后A相4π/3。

所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置，其特征是：微处理器选用数字信号处理器或单片机。

所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次进行：

a. 按顺序对开关管甲、开关管丙和开关管戊进行导通和关闭，顺序如下表所示，对开关管导通通过向开关管的集电极施加正向或负向的脉冲电压实现：

序号	开关管甲	开关管丙	开关管戊
				第1步	关闭	关闭	关闭
第2步	导通	关闭	关闭
				第3步	关闭	导通	导通
第4步	关闭	导通	关闭
				第5步	导通	关闭	导通
第6步	关闭	关闭	导通
				第7步	导通	导通	关闭
第8步	导通	导通	导通

在初始化和给定电压脉冲序列之后要给定一段时间的零矢量，这样可以确保电流回零后再施加下一个电压脉冲序列。

b. 设：给A相施加的正向脉冲电压序列为V(a+)，此时A相通过电流传感器检测到的电流为I(a+)，给A相施加的负向脉冲电压序列为V(a-)，此时A相通过电流传感器检测到的电流I(a-)，给B相施加的正向脉冲电压序列为V(b+)，此时B相通过电流传感器检测到的电流为I(b+)，B相施加的负向脉冲电压序列为V(b-)，此时B相通过电流传感器检测到的电流I(b-)，给C相施加的正向脉冲电压序列为V(c+)，此时C相通过电流传感器检测到的电流为I(c+)，给C相施加的负向脉冲电压序列为V(c-)，此时C相通过电流传感器检测到的电流I(c-)，

c. 在微处理器中进行如下计算：

令：A相正负电流的幅值差为ΔIa，即ΔIa=I(a+)-I(a-)，B相正负电流的幅值差为ΔIb，即ΔIb=I(b+)-I(b-)，C相正负电流的幅值差为ΔIc，即ΔIc=I(c+)-I(c-)，

电机转子的位置决定了电枢电流的大小，转子最接近的这一相的电流之差必定最大，电流峰值随着转子位置角的变化呈周期性变化，即电流峰值变化规律可以表示为：I(max)=I(average)+Icosθ，其中，I(max)是电枢电流的幅值，I(average)是电枢电流的平均值，I是电枢电流的瞬时值，θ是转子磁场与两相旋转坐标系d轴之间的夹角，Icosθ为转子助磁和减磁引起的变化量，从而有：

ΔIa=I(a+)-I(a-)=2Icosθ，

ΔIb=I(b+)-I(b-)=2Icos(θ-2π/3)，

ΔIc=I(c+)-I(c-)=2Icos(θ-4π/3)，

设电机的转子N极最靠近A相，此时产生电流I的幅值为I(a+)或I(a-)，A相电流变化最大即绝对值最大，则有：

 ，

设电机的转子N极最靠近B相，此时产生电流I的幅值为I(b+)或I(b-)，B相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

设电机的转子N极最靠近C相，此时产生电流I的幅值为I(c+)或I(c-)，C相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

再由微处理器(1)对tanθ的值作反正切计算即可得出θ值，θ值即为永磁同步电机转子初始位置。

所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置的使用方法，其特征是：第c步中微处理器对tanθ的值作反正切计算时采用在微处理器内存贮反正切表进行计算。

本发明基于饱和规则实施电机转子的初始位置检测，解决了有传感器检测时安装复杂、价格昂贵、对转子位置变动适应性差、辨识精度低的缺陷，也克服了无传感器检测时算法复杂的缺陷。

本发明的有益效果是：

(1) 在电机静止的状态下，可以简单、快速、准确的检测到转子位置角，可以做到判断转子磁极极性方法简单易行，不需要额外硬件开销，但可以获得较满意的初始位置辨识精度。

(2) 不需要在电机上安装价格比较昂贵的绝对式编码器或者旋转变压器等位置传感器，用于获取转子磁极的绝对位置信息。可以节省成本，也不需要进行复杂的安装。

(3) 即使在安装位置传感器的电机系统中，在位置传感器出现故障的情况下也可以使用此方法对转子位置进行检测，让电机系统继续运行，提高系统的安全性。尤其可以运用于新能源电动汽车领域，当新能源电动汽车的电机的位置传感器出现故障后，运用此方法，可以保障电机系统继续运行在无传感器状态下，为电动汽车的安全运行提供可靠保障，提高新能源电动汽车电机系统的安全性。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

以下通过具体实施例进一步说明本发明。

实施例1

一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置，包括微处理器1、电流传感器2、开关管和二极管，开关管和二极管各有六个，如图1所示，具体结构是：开关管甲31的集电极依次和二极管甲41的负极、开关管丙33的集电极、二极管丙43的负极、开关管戊35的集电极和二极管戊45的负极连接，开关管甲31的发射极分别连接二极管甲41的正极、二极管乙42的负极和开关管乙32的集电极，开关管丙35的发射极分别连接二极管丙43的正极、二极管丁44的负极和开关管丁34的集电极，开关管戊35的发射极分别连接二极管戊45的正极、二极管己46的负极和开关管己36的集电极，开关管乙32的发射极依次和二极管乙42的正极、开关管丁34的发射极、二极管丁44的正极、开关管己36的发射极、二极管己46的正极连接和接地端连接，开关管甲31的发射极连接电机10三相交流电的A相输入端，开关管丙35的发射极连接电机10三相交流电的B相输入端，开关管戊35的发射极连接电机10三相交流电的C相输入端，电机10三相交流电的A相输出端、B相输出端和C相输出端分别连接一个电流传感器2，三个电流传感器2都和微处理器1连接，以A相为零相位，B相滞后A相2π/3，C相滞后A相4π/3。微处理器1可以选用数字信号处理器或单片机，本实施例选用数字信号处理器。

本实施例使用时，按如下步骤依次进行：

a. 按顺序对开关管甲31、开关管丙33和开关管戊35进行导通和关闭，顺序如下表所示，对开关管导通通过向开关管的集电极施加正向或负向的脉冲电压实现：

序号	开关管甲31	开关管丙33	开关管戊35
				第1步	关闭	关闭	关闭
第2步	导通	关闭	关闭
				第3步	关闭	导通	导通
第4步	关闭	导通	关闭
				第5步	导通	关闭	导通
第6步	关闭	关闭	导通
				第7步	导通	导通	关闭
第8步	导通	导通	导通

b. 设：给A相施加的正向脉冲电压序列为V(a+)，此时A相通过电流传感器2检测到的电流为I(a+)，给A相施加的负向脉冲电压序列为V(a-)，此时A相通过电流传感器2检测到的电流I(a-)，给B相施加的正向脉冲电压序列为V(b+)，此时B相通过电流传感器2检测到的电流为I(b+)，B相施加的负向脉冲电压序列为V(b-)，此时B相通过电流传感器2检测到的电流I(b-)，给C相施加的正向脉冲电压序列为V(c+)，此时C相通过电流传感器2检测到的电流为I(c+)，给C相施加的负向脉冲电压序列为V(c-)，此时C相通过电流传感器2检测到的电流I(c-)，

c. 在微处理器1中进行如下计算：

令：A相正负电流的幅值差为ΔIa，即ΔIa=I(a+)-I(a-)，B相正负电流的幅值差为ΔIb，即ΔIb=I(b+)-I(b-)，C相正负电流的幅值差为ΔIc，即ΔIc=I(c+)-I(c-)，

电机10转子的位置决定了电枢电流的大小，转子最接近的这一相的电流之差必定最大，电流峰值随着转子位置角的变化呈周期性变化，即电流峰值变化规律可以表示为：I(max)=I(average)+Icosθ，其中，I(max)是电枢电流的幅值，I(average)是电枢电流的平均值，I是电枢电流的瞬时值，θ是转子磁场与两相旋转坐标系d轴之间的夹角，Icosθ为转子助磁和减磁引起的变化量，从而有：

ΔIa=I(a+)-I(a-)=2Icosθ，

ΔIb=I(b+)-I(b-)=2Icos(θ-2π/3)，

ΔIc=I(c+)-I(c-)=2Icos(θ-4π/3)，

设电机10的转子N极最靠近A相，此时产生电流I的幅值为I(a+)或I(a-)，A相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

设电机10的转子N极最靠近B相，此时产生电流I的幅值为I(b+)或I(b-)，B相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

设电机10的转子N极最靠近C相，此时产生电流I的幅值为I(c+)或I(c-)，C相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

再由微处理器1对tanθ的值作反正切计算即可得出θ值，θ值即为永磁同步电机转子初始位置。进行反正切计算可以直接由微处理器1按内置的反正切算法进行，也可以在微处理器1内存贮反正切表进行计算，本实施例选用在微处理器1内存贮反正切表进行计算。

Claims (4)

1. 一种永磁同步电机转子初始位置的检测装置，包括微处理器(1)、电流传感器(2)、开关管和二极管，其特征是：开关管和二极管各有六个，

开关管甲(31)的集电极依次和二极管甲(41)的负极、开关管丙(33)的集电极、二极管丙(43)的负极、开关管戊(35)的集电极和二极管戊(45)的负极连接，

开关管甲(31)的发射极分别连接二极管甲(41)的正极、二极管乙(42)的负极和开关管乙(32)的集电极，

开关管丙(35)的发射极分别连接二极管丙(43)的正极、二极管丁(44)的负极和开关管丁(34)的集电极，

开关管戊(35)的发射极分别连接二极管戊(45)的正极、二极管己(46)的负极和开关管己(36)的集电极，

开关管乙(32)的发射极依次和二极管乙(42)的正极、开关管丁(34)的发射极、二极管丁(44)的正极、开关管己(36)的发射极、二极管己(46)的正极连接和接地端连接，

开关管甲(31)的发射极连接电机(10)三相交流电的A相输入端，开关管丙(35)的发射极连接电机(10)三相交流电的B相输入端，开关管戊(35)的发射极连接电机(10)三相交流电的C相输入端，电机(10)三相交流电的A相输出端、B相输出端和C相输出端分别连接一个电流传感器(2)，三个电流传感器(2)都和微处理器(1)连接，以A相为零相位，B相滞后A相2π/3，C相滞后A相4π/3。

2. 如权利要求1所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置，其特征是：微处理器(1)选用数字信号处理器或单片机。

3. 如权利要求1或2所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置的使用方法，其特征是：按如下步骤依次进行：

a. 按顺序对开关管甲(31)、开关管丙(33)和开关管戊(35)进行导通和关闭，顺序如下表所示，对开关管导通通过向开关管的集电极施加正向或负向的脉冲电压实现：

序号 开关管甲(31) 开关管丙(33) 开关管戊(35) 第1步 关闭 关闭 关闭 第2步 导通 关闭 关闭 第3步 关闭 导通 导通 第4步 关闭 导通 关闭 第5步 导通 关闭 导通 第6步 关闭 关闭 导通 第7步 导通 导通 关闭 第8步 导通 导通 导通

b. 设：给A相施加的正向脉冲电压序列为V(a+)，此时A相通过电流传感器(2)检测到的电流为I(a+)，给A相施加的负向脉冲电压序列为V(a-)，此时A相通过电流传感器(2)检测到的电流I(a-)，给B相施加的正向脉冲电压序列为V(b+)，此时B相通过电流传感器(2)检测到的电流为I(b+)，B相施加的负向脉冲电压序列为V(b-)，此时B相通过电流传感器(2)检测到的电流I(b-)，给C相施加的正向脉冲电压序列为V(c+)，此时C相通过电流传感器(2)检测到的电流为I(c+)，给C相施加的负向脉冲电压序列为V(c-)，此时C相通过电流传感器(2)检测到的电流I(c-)，

c. 在微处理器(1)中进行如下计算：

令：A相正负电流的幅值差为ΔIa，即ΔIa=I(a+)-I(a-)，B相正负电流的幅值差为ΔIb，即ΔIb=I(b+)-I(b-)，C相正负电流的幅值差为ΔIc，即ΔIc=I(c+)-I(c-)，

电流峰值变化规律是：I(max)=I(average)+Icosθ，其中，I(max)是电枢电流的幅值，I(average)是电枢电流的平均值，I是电枢电流的瞬时值，θ是转子磁场与两相旋转坐标系d轴之间的夹角，Icosθ为转子助磁和减磁引起的变化量，从而有：

ΔIa=I(a+)-I(a-)=2Icosθ，

ΔIb=I(b+)-I(b-)=2Icos(θ-2π/3)，

ΔIc=I(c+)-I(c-)=2Icos(θ-4π/3)，

设电机(10)的转子N极最靠近A相，此时产生电流I的幅值为I(a+)或I(a-)，A相电流变化最大即绝对值最大，则有：

 ，

设电机(10)的转子N极最靠近B相，此时产生电流I的幅值为I(b+)或I(b-)，B相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

设电机(10)的转子N极最靠近C相，此时产生电流I的幅值为I(c+)或I(c-)，C相电流变化最大即绝对值最大，则有：

，

再由微处理器(1)对tanθ的值作反正切计算即可得出θ值，θ值即为永磁同步电机转子初始位置。

4. 如权利要求3所述的永磁同步电机转子初始位置的检测装置的使用方法，其特征是：第c步中微处理器(1)对tanθ的值作反正切计算时采用在微处理器(1)内存贮反正切表进行计算。

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