CN103401502B - 永磁同步电机初始角度辨识系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步电机初始角度辨识系统，所述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，包括电流输出单元、转向确定单元、电流调整单元、初始角度查找单元，其中：所述电流调整单元，用于根据转子的旋转方向并通过在原电流给定角度加上预定步长角方式调整所述电流输出单元的输出电流的角度；所述初始角度查找单元，在转子的旋转方向改变时确定转子的初始角度。本发明还提供一种对应的方法。本发明通过向电机定子输出给定角度的电流，并根据转子的旋转方向调整输出到定子的电流的角度，从而确定电机转子的初始角度位置。
Description
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种永磁同步电机初始角度辨识系统及方法。
背景技术
与传统的电励磁同步电机相比，永磁同步电机具有损耗少、效率高、节电效果明显的优点。永磁同步电动机以永磁体提供励磁，使电动机结构较为简单，降低了加工和装配费用，且省去了容易出问题的集电环和电刷，提高了电动机运行的可靠性；又因无需励磁电流，没有励磁损耗，提高了电动机的效率和功率密度，因而永磁同步电动机在各个领域中应用越来越广泛。为实现对永磁同步电机的矢量控制，必须获得转子的初始位置信息。目前，转子的初始位置一般通过编码器来得到。
例如对于省线式编码器，在编码器安装满足条件时(此时Z信号的位置已经确定)，通过采样编码器上电的UVW信号，并将上述UVW信号换算成初始电角度信息(虽然该方式得到的转子初始位置有正、负30度的偏差)，然后在第一次检测到Z信号时校正上述初始电角度信息，从而获取准确的电角度。
绝对式编码器则通过获取编码器计数值来得到准确的电角度，即只要知道编码器的某一计数值的角度值，就可以通过上电后读到的编码器计数值来得到角度。
然而，上述省线式编码器和绝对式编码器获得正确的初始角度的前提是编码器正确安装。而在实际应用中，编码器往往随意安装，从而导致永磁同步电机上电时没有初始角度信息或编码器不带Z信号(如直线光栅尺)，该情况下无法通过编码器获得电机正确的电角度，从而会造成电机无法正常启动。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述永磁同步电机初始角度辨识依赖编码器地正确安装的问题，提供一种基于磁定位的永磁同步电机初始角度辨识系统及方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种永磁同步电机初始角度辨识系统，所述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，包括电流输出单元、转向确定单元、电流调整单元、初始角度查找单元，其中：所述电流输出单元，用于向永磁同步电机输出具有给定角度的电流；所述转向确定单元，用于读取编码器数据以获得转子的旋转方向；所述电流调整单元，用于在转子旋转方向不变时，根据转子的旋转方向并通过在原电流给定角度加上预定步长角方式调整所述电流输出单元的输出电流的角度；所述初始角度查找单元，在转子的旋转方向改变时通过二分法在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识系统中，所述电流调整单元在转子的转动方向与设定方向相同时使用的预定步长角为正；在转子的转动方向与设定方向相反时使用的预定步长角为负。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识系统中，所述预定步长角的绝对值根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识系统中，所述初始角度查找单元在前一周期转子转动角度大于预定值时，在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度；在前一周期转子转动角度小于或等于预定值时，在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识系统中，所述电流输出单元第一次输出的电流的给定角度为0°。
本发明还提供一种永磁同步电机初始角度辨识方法，所述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，包括以下步骤：
(a)伺服驱动器向永磁同步电机输出具有给定角度的电流，并读取编码器数据获得转子的旋转方向；
(b)根据转子的旋转方向，向永磁同步电机输出具有新的给定角度的电流，其中所述新的给定角度为原电流的给定角度与预定步长角之和；
(c)通过读取编码器数据判断所述转子的旋转方向是否改变，并在转子的旋转方向改变时执行步骤(d)，否则返回步骤(b)；
(d)通过二分法在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流的给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识方法中，所述步骤(b)中，若转子的转动方向与设定方向相同，则所述预定步长角为正；若转子的转动方向与设定方向相反，则所述预定步长角为负。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识方法中，所述预定步长角的绝对值根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识方法中，所述步骤(d)中采用二分法查找精确的点角度包括：
(d1)判断前一周期转子转动角度是否大于预定值，若大于预定值则执行步骤(d2)，否则执行步骤(d3)；
(d2)在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度；
(d3)在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
在本发明所述的永磁同步电机初始角度辨识方法中，所述步骤(a)中的给定角度为0°。
本发明的永磁同步电机初始角度辨识系统及方法，通过向电机定子输出给定角度的电流，并根据转子的旋转方向调整输出到定子的电流的角度，从而确定电机转子的初始角度位置。通过本发明，无需编码器提供初始角度信息，即可控制永磁同步电机正常启动，且得到正确初始角时，转子所转动的幅度很小，可满足不同电机的启动需求。
附图说明
图1是d-q坐标系下电流关系的示意图。
图2是本发明永磁同步电机初始角度辨识系统实施例的示意图。
图3是转子按设定方向旋转时电流给定角度调整的示意图。
图4是转子按设定方向反向旋转时电流给定角度调整的示意图。
图5是本发明永磁同步电机初始角度辨识方法实施例的流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
对表贴式永磁同步电机，可以认为其d、q轴电感Ld＝Lq，因而电磁转矩方程为：
Te＝Kt*Iq(1)
其中Kt为转矩系数，Iq为Q轴电流分量，如果忽略摩擦力的作用，则有：
Te-TL＝Jα(2)
其中TL为负载转矩，J为转动惯量，α为角加速度。
如图1所示，当向定子输出大小为is、方向为θe(例如θe＝0)的电流时，则有：
id＝iscos(θe-θ)(3)
iq＝issin(θe-θ)(4)
其中θ为当前转子所停位置，则在空载情况下，当0<θe-θ<π时，iq>0，转子逆时针转动，直至θe＝θ；同样地，当-π<θe-θ<0时，转子顺时针转动，最终停在θe处，这样，在转子停止转动时即可知道其所处的位置。
本发明根据上述原理来获得永磁同步电机转子初始角度。
如图2所示，是本发明永磁同步电机初始角度辨识系统实施例的示意图，其中永磁同步电机通过伺服驱动器控制运行。本实施例中的永磁同步电机初始角度辨识系统包括电流输出单元21、转向确定单元22、电流调整单元23、初始角度查找单元24，上述电流输出单元21、转向确定单元22、电流调整单元23、初始角度查找单元24可由集成到控制永磁同步电机运行的伺服驱动器并结合软件实现，也可通过独立于上述伺服驱动器的硬件和软件实现。
电流输出单元21用于向永磁同步电机的定子输出具有给定角度的电流，以使电机转子转动。特别地，该电流输出单元21第一次输出的电流的给定角度可以为0°。
转向确定单元22用于读取编码器数据，以根据编码器数据获得转子的旋转方向。例如编码器读数增加时，转子按设定方向旋转；编码器读数减小时，转子按设定方向反向旋转。
电流调整单元23在转子旋转方向不变时，根据转子的旋转方向调整电流输出单元21的输出电流的角度。本实施例中，电流调整单元23通过将当前周期的电流的给定角度加上预定步长角(该预定步长角的值可以为负)方式作为下一周期电流的给定角度。为了保证角度辨识过程中电机转子转动幅度较小，电流调整单元23可在每个周期累加0.1％的额定电流，直到电流达到额定电流。
初始角度查找单元24，在转子的旋转方向改变时通过二分法(例如在第一次计算时，假定前两个周期的给定角度为a1、a2，如果在这两个给定角度时转子旋转方向相反，则本周期给定角度为(a1+a2)/2)在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度(即前一周期的前一周期的电流的给定角度)之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
特别地，在转子的转动方向与设定方向相同时，上述电流调整单元23调整电流的给定角度所使用的预定步长角为正，例如图3所示，在原给定角度的基础上，每一周期增加Δ；在转子的转动方向与设定方向相反时，电流调整单元23调整电流的给定角度所使用的预定步长角为负，例如图4所示，在原给定角度的基础上，每一周期减少Δ。
上述用于对电流的给定角度进行调整的预定步长角的绝对值，根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定，具体可根据需要设定。通常编码器的分辨率越高，用于调整的预定步长角的值可越小；要求获得的转子初始角度越精确，用于调整的预定步长角的值可越小。但考虑到转子转动过程中需克服摩擦力，预定步长角的值不宜过低，例如可使用20°。
特别地，若通过二分法查找转子初始角度的精确位置，则在当前周期转子转动角度大于预定值时，初始角度查找单元24在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度；在当前周期转子转动角度小于或等于预定值时，初始角度查找单元24在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
例如图3所示的例子中，在当前电流的给定角度为4Δ时转子发生逆时针转动，则若在电流输出单元21输出的电流的电角度为3Δ时转子转动的范围(可通过读取编码器数据获得)小于预定值，则转子实际电角度在3Δ～4Δ之间，初始角度查找单元24在3Δ～4Δ之间使用二分法查找转子初始角度；如果在电流输出单元21输出的电流的电角度为3Δ时转子转动的范围大于或等于预定值，则定位完后转子实际电角度在2Δ～3Δ之间，初始角度查找单元24在2Δ～3Δ之间使用二分法查找转子初始角度。
为求算法简便，在当前电流的给定角度为4Δ时转子发生逆时针转动，则初始角度查找单元24可直接取中值3.5Δ作为转子的初始角度。
如图5所示，是本发明永磁同步电机初始角度辨识方法实施例的流程示意图，上述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，包括以下步骤：
步骤S51：伺服驱动器向永磁同步电机的定子输出具有给定角度的电流，并读取编码器数据获得转子的旋转方向。特别地，该该步骤中输出到永磁同步电机定子的电流的给定角度可以为0°。
步骤S52：根据转子的旋转方向，向永磁同步电机输出具有新的给定角度的电流，其中新的给定角度为原电流(即上一周期的电流)的给定角度与预定步长角之和。
特别地，若转子的转动方向与设定方向相同，则上述预定步长角为正；若转子的转动方向与设定方向相反，则上述预定步长角为负。
上述用于对电流的给定角度进行调整的预定步长角的绝对值，根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定，具体可根据需要设定。通常编码器的分辨率越高，用于调整的预定步长角的值可越小；要求获得的转子初始角度越精确，用于调整的预定步长角的值可越小。但考虑到转子转动过程中需克服摩擦力，预定步长角的值不宜过低，例如可使用20°。
步骤S53：通过读取编码器数据判断转子的旋转方向是否改变，并在转子的旋转方向改变时执行步骤S54，否则返回步骤S52。
步骤S54：通过二分法在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流的给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
该步骤中，若采用二分法查找精确的点角度，则需先前一周期转子转动角度是否大于预定值，若大于预定值则执行步骤在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度，否则在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
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 (10)
1.一种永磁同步电机初始角度辨识系统，所述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，其特征在于：包括电流输出单元、转向确定单元、电流调整单元、初始角度查找单元，其中：所述电流输出单元，用于向永磁同步电机输出具有给定角度的电流；所述转向确定单元，用于读取编码器数据以获得转子的旋转方向；所述电流调整单元，用于在转子旋转方向不变时，根据转子的旋转方向并通过在原电流给定角度加上预定步长角方式调整所述电流输出单元的输出电流的角度；所述初始角度查找单元，在转子的旋转方向改变时通过二分法在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始角度辨识系统，其特征在于：所述电流调整单元在转子的转动方向与设定方向相同时使用的预定步长角为正；在转子的转动方向与设定方向相反时使用的预定步长角为负。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始角度辨识系统，其特征在于：所述预定步长角的绝对值根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始角度辨识系统，其特征在于：所述初始角度查找单元在前一周期转子转动角度大于预定值时，在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度；在前一周期转子转动角度小于或等于预定值时，在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始角度辨识系统，其特征在于：所述电流输出单元第一次输出的电流的给定角度为0°。
6.一种永磁同步电机初始角度辨识方法，所述永磁同步电机由伺服驱动器控制运行，其特征在于：包括以下步骤：
(a)伺服驱动器向永磁同步电机输出具有给定角度的电流，并读取编码器数据获得转子的旋转方向；
(b)根据转子的旋转方向，向永磁同步电机输出具有新的给定角度的电流，其中所述新的给定角度为原电流的给定角度与预定步长角之和；
(c)通过读取编码器数据判断所述转子的旋转方向是否改变，并在转子的旋转方向改变时执行步骤(d)，否则返回步骤(b)；
(d)通过二分法在当前电流的给定角度与前两个周期的电流的给定角度之间查找精确的电角度作为转子的初始角度，或者将当前电流的给定角度与二分之一的预定步长角之和作为转子的初始角度。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机初始角度辨识方法，其特征在于：所述步骤(b)中，若转子的转动方向与设定方向相同，则所述预定步长角为正；若转子的转动方向与设定方向相反，则所述预定步长角为负。
8.根据权利要求6所述的永磁同步电机初始角度辨识方法，其特征在于：所述预定步长角的绝对值根据编码器每个电周期对应的脉冲数确定。
9.根据权利要求6所述的永磁同步电机初始角度辨识方法，其特征在于：所述步骤(d)中采用二分法查找精确的点角度包括：
(d1)判断前一周期转子转动角度是否大于预定值，若大于预定值则执行步骤(d2)，否则执行步骤(d3)；
(d2)在当前电流的给定角度与前一周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度；
(d3)在前一周期电流的给定角度与前两个周期电流的给定角度之间通过二分法查找转子的初始角度。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的永磁同步电机初始角度辨识方法，其特征在于：所述步骤(a)中的给定角度为0°。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
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| TR01 | Transfer of patent right |
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