CN103401504B - 一种永磁同步电机转子初始位置的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种永磁同步电机转子初始位置的修正方法，通过施加正负脉冲的电流矢量，使转子高频抖动，通过抖动量的大小，可以判断转子初始位置的偏差大小，通过改变电流矢量的方向，逐步减小偏差值。通过正负脉冲的作用，避免了转子向一个方向运动范围过大，或时间过长，从而不会对下一个电流矢量作用时转子的运动造成影响，避免了判断失误的问题。电流矢量的幅值和正负脉冲的作用时间可调，保证了转子振动的频率和幅值可调，增强了检测过程的灵活性和抗扰性。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置的修正方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，涉及永磁同步电机转子初始位置的修正方法。

背景技术

永磁同步电机由于功耗低、效率高、调速范围宽、坚固耐用、转矩纹波小等优点，在很多应用领域，尤其是高性能应用场合，如机器人和高精度数控机床以及伺服转台中，得到了越来越广泛的应用。

永磁同步电机采用电子换向，所以转子初始位置的偏差直接影响着电机输出力矩的大小，甚至会造成系统反转，影响系统的稳定运行。

在伺服转台等高精度控制的场合一般需要安装光电编码器、旋转变压器等位置传感器来获得电机转子的准确位置。对于绝对式位置传感器，初次安装时需要准确确定转子初始位置，而对于相对式位置传感器，每次上电时都需要确定转子初始位置。

目前常用的方法有预定位法，即在电机定子中加入固定方向的电压或电流矢量，电机转子将在电磁力的作用下旋转到某一固定位置，从而确定出转子初始位置。但采用此种方法电机会产生较大角度的偏转，这在一些应用场合是不允许的，可能会损坏仪器。并且如果电机带负载，或者电机的摩擦转矩较大，该方法将造成较大的估计误差。

另一类是如中国专利：永磁同步电机转子初始位置角的确定方法（授权公告号：CN101594114B）和中国专利：交流伺服系统中电机转子初始位置的检测方法及装置(公开号CN1148168A)提出了一类检测转子初始位置的方法，通过直接控制定子电流矢量的幅值和相位，以产生不同方向的定子磁场，控制转子的转动，使定子电流产生的磁场方向逐步逼近转子磁场方向。这类方法所施加的电流矢量在每个固定的方向上均为正值或均为负值，然后通过转子的逆时针旋转或顺时针旋转方向来判断下一步电流矢量的方向。此类方法存在如下问题：由于摩擦力的存在，尤其是静摩擦力往往要大于滑动摩擦力，这会造成如果所加电流矢量产生的电磁转矩太小，转子无法运动，或转动方向不明显，易受外界扰动的影响；产生的电磁转矩太大，又会使转子运动幅度过大，运动时间过长，这在一些场合是不安全的，另外也会影响下一个电流矢量作用时转子的运动方向，造成判断失误。

发明内容

本发明的技术解决方案是：克服现有技术的不足，提供一种方便、安全、可靠性高的永磁同步电机转子初始位置的修正方法。

本发明的技术解决方案：在电流矢量的每个方向上，施加具有正负幅值的电流值，正负脉冲的比例为1:1。在此正负脉冲作用下，可以降低摩擦的影响；另外，电机转子不会向一个方向做大幅运动，而是在初始位置附近做小幅度的振动，通过振动的幅度来判断转子的初始位置。

本发明的方法包括以下步骤：一种永磁同步电机转子初始位置的修正方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化以下变量值：永磁同步电机d轴电流i_{d_Ref}＝0，q轴电流的幅值i_{q_Amp}＝A₀，电流矢量的方向Pos₀(k)＝0， 其中k＝0；

步骤二、依次施加Pos₀(k)、Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量包括n₀个正脉冲和n₀个负脉冲，正负脉冲交替施加，每个脉冲的宽度为T₀，计算每个电流矢量对应的位置波动：Vibra₀(k)，Vibra_p(k)，Vibra_n(k)；

步骤三、判断电流矢量的幅值i_{q_Amp}是否小于限定值i_{q_Max}，并且位置波动Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)是否均小于某个限定值Vibra_Min，即判断（i_{q_Amp}＜i_{q_Max}）&（Vibra₀(k)＜Vibra_Min）&（Vibra_p(k)＜Vibra_Min）&（Vibra_n(k)＜Vibra_Min）是否为真；如果是，转向步骤七；如果否，转向步骤四；

步骤四、更新k＝k+1，即将k加1，找出Vibra₀(k-1)，Vibra_p(k-1)和Vibra_n(k-1)中的最小值，将该最小值赋值给Vibra₀(k)，同时将其对应的电流矢量的方向，即Pos₀(k-1)、Pos_p(k-1)或Pos_n(k-1)赋值给Pos₀(k)；同时得到 ${\mathrm{Pos}}_p\left(k\right)={\mathrm{Pos}}_0(k-1)+\frac{\mathrm{\π}}{2^{k+1}},$ ${\mathrm{Pos}}_n\left(k\right)={\mathrm{Pos}}_0(k-1)-\frac{\mathrm{\π}}{2^{k+1}};$ 施加Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量的作用时间为2n₀·T₀，并计算相应的位置波动量Vibra_p(k)和Vibra_n(k)；

步骤五、判断位置精度是否满足要求，如果是，转步骤六，如果否，转步骤三；

步骤六、找出步骤四中Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)中的最小值，将该最小值对应的电流矢量的方向，即Pos₀(k)、Pos_p(k)或Pos_n(k)赋值给PosCorrect0，并令i_{q_Ref}＝ΔA₁，ΔA₁≤ΔA₀，转至步骤八；

步骤七、将电流幅值i_{q_Amp}增加ΔA₀，即i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+ΔA₀，其中ΔA₀为每次增加的电流幅值，转至步骤二；

步骤八、施加幅值为i_{q_Amp}，修正角度值脉冲宽度为T₁的脉冲电流矢量，T₁≤T₀；

步骤九、判断电机是否顺时针旋转，如果是，转向步骤十；如果否，转向步骤十一；

步骤十、获取转子初始位置修正值流程结束；

步骤十一、判断电机是否逆时针旋转，如果是，转向步骤十二；如果否，转向步骤十三；

步骤十二、获取转子初始位置修正值流程结束；

步骤十三、更新电流值i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+ΔA₁，转向步骤八。

本发明与现有技术相比的优点在于：

（1）本发明中施加正负脉冲的电流矢量，使转子高频抖动，可以克服静摩擦力的影响，提高位置检测精度。

（2）本发明通过正负脉冲的作用，避免了转子向一个方向运动范围过大，或时间过长，从而不会对下一个电流矢量作用时转子的运动造成影响，避免了判断失误的问题。

（3）本发明电流矢量的幅值和正负脉冲的作用时间可调，在保证转子振动的频率和幅值可调，增强了检测过程的灵活性和抗扰性。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为驱动系统原理图；

图3是修正过程中电机转子的位置波动曲线；

图4是修正过程中转子电角度修正值的变化曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先结合图2介绍一下永磁同步电机驱动控制系统的结构：主要包括永磁同步电机PMSM1、位置传感器2、电流传感器3、智能功率模块IPM4、数字控制器5。数字控制器5主要包括d轴电流控制器501、q轴电流控制器502、dq2abc变换模块503、abc2dq变换模块504、角度转换单元505。

其中永磁同步电机PMSM1的额定力矩为460Nm，额定电流为20A，极对数为12；位置传感器2可以是绝对式位置传感器或相对式位置传感器；电流传感器3采用高精度Hall电流传感器；智能功率模块IPM4为电压型逆变器，完成电压放大功能。数字控制器5主要完成基于磁场定向原理的电流闭环功能，并在此基础上完成图1所示的转子初始位置修正流程。

dq2abc变换模块503完成以下功能：将两维旋转坐标系转换到三维静止坐标系。具体如公式（1）所示：

$C_{\mathrm{dq}2\mathrm{abc}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_e& -\sin {\mathrm{\θ}}_e\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_e-2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e-2\mathrm{\π}/3)\\ \cos ({\mathrm{\θ}}_e+2\mathrm{\π}/3)& -\sin ({\mathrm{\θ}}_e+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(1\right)$

其中，θ_e表示电角度。

abc2dq变换模块504完成以下功能：将三维静止坐标系中的电流i_a，i_b，i_c转换到两维旋转坐标系中的电流i_d，i_q。具体如公式（2）所示：

$C_{\mathrm{abc}2\mathrm{dq}}=\sqrt{\frac{2}{3}}\left[\begin{array}{ccc}\cos {\mathrm{\θ}}_e& \cos ({\mathrm{\θ}}_e-2\mathrm{\π}/3)& \cos ({\mathrm{\θ}}_e-4\mathrm{\π}/3)\\ \sin {\mathrm{\θ}}_e& \sin ({\mathrm{\θ}}_e-2\mathrm{\π}/3)& \sin ({\mathrm{\θ}}_e-4\mathrm{\π}/3)\end{array}\right]---\left(2\right)$

其中，θ_e表示电角度。

d轴电流控制器501、q轴电流控制器502均采用PI算法，设计电流环带宽约500Hz。

角度转换单元505完成机械角度到电角度的转换。具体如公式（3）所示：

θ_e＝Pair·θ_m+PosCorrect(3)

其中Pair为电机极对数，θ_m表示机械角度，θ_e表示电角度，PosCorrect表示电机转子初始位置的修正值(电角度)。

每次施加电流矢量的方向改变时，均将新的相位信息赋值给PosCorrect，即PosCorrect＝Pos_x(k)，其中x=0，p或n；Pos_x(k)表示为修正转子初始位置所加的电流矢量的方向；k表示方向改变的下标。

下面结合图1详细介绍转子初始位置的修正流程：

步骤一、初始化以下变量值:永磁同步电机d轴电流i_{d_Ref}＝0，q轴电流的幅值i_{q_Amp}＝A₀，电流矢量的方向Pos₀(k)＝0， （其中k＝0）；

步骤二、依次施加Pos₀(k)、Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量的作用时间为2n₀·T₀（正负脉冲交替施加，各n₀次；每个脉冲的宽度为T₀；一般n₀取值范围为2～5，此处取值为3，T₀取值根据电机的响应时间选取，由于电机负载较大，此处选为100ms）。每次改变电流矢量的方向时，均将该方向赋值给PosCorrect，即PosCorrect＝Pos_x(k)，其中x=0，p或n。

计算每个电流矢量对应的位置波动：Vibra₀(k)，Vibra_p(k)，Vibra_n(k)。位置波动量采用以下算法：

${\mathrm{Vibra}}_x\left(k\right)=\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}|{\mathrm{\θ}}_m\left(i\right)-\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\θ}}_m\left(i\right)|---\left(4\right)$

其中，x=0，p或n；N表示在2n₀·T₀时间内位置采样点数；θ_m(i)表示电机转子的机械角度。

步骤三、判断电流矢量的幅值i_{q_Amp}是否小于限定值i_{q_Max}（一般可以设置为电机额定电流值的5%-50%），并且位置波动Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)是否均小于某个限定值Vibra_Min（Vibra_Min根据位置传感器的精度和位置采样点数N设定），即判断（i_{q_Amp}＜i_{q_Max}）&（Vibra₀(k)＜Vibra_Min）&（Vibra_p(k)＜Vibra_Min）&（Vibra_n(k)＜Vibra_Min）是否为真。如果是，转向步骤七；如果否，转向步骤四。

步骤四、更新k＝k+1，找出Vibra₀(k-1)，Vibra_p(k-1)和Vibra_n(k-1)中的最小值，将该最小值赋值给Vibra₀(k)，将其对应的电流矢量的方向（即Pos₀(k-1)、Pos_p(k-1)或Pos_n(k-1)）赋值给Pos₀(k)；同时得到 施加Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量的作用时间为2n₀·T₀，并计算相应的位置波动量Vibra_p(k)和Vibra_n(k)。

步骤五、判断位置精度是否满足要求（此处精度设为如果是，转步骤六，如果否，转步骤三。

步骤六、找出步骤四中Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)中的最小值，将其对应的电流矢量的方向（即Pos₀(k)、Pos_p(k)或Pos_n(k)）赋值给PosCorrect0，并令i_{q_Ref}＝ΔA₁（一般ΔA₁≤ΔA₀），转至步骤八。

步骤七、更新电流幅值i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+ΔA₀，其中ΔA₀为每次增加的电流幅值，转至步骤二。

步骤八、施加幅值为i_{q_Amp}，修正角度值脉冲宽度为T₁的脉冲电流矢量（一般T₁≤T₀）。

步骤九、判断电机是否顺时针旋转。如果是，转向步骤十；如果否，转向步骤十一。

步骤十、获取转子初始位置修正值

步骤十一、判断电机是否逆时针旋转。如果是，转向步骤十二；如果否，转向步骤十三。

步骤十二、获取转子初始位置修正值结束。

步骤十三、更新电流值i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+ΔA₁（一般ΔA₁≤ΔA₀），转向步骤八。

经过上述过程，得到修正过程的主要曲线如图3和图4所示。图3是修正过程中电机转子的位置波动情况，可以看出在修正过程中，转子最大波动范围为235.5826°-235.2228°=0.36°(机械角度)。而图4是修正过程中转子电角度修正值PosCorrect的变化情况，在步骤六完成后，PosCorrect收敛到-27.78°（电角度），此时电机转子在幅值为5A，脉冲宽度为100ms的电流下始终保持静止，可以认为此时定子磁场和转子磁场方向平行，精度为（电角度），如果希望更高的精度，可以通过提高电流幅值和步骤五中收敛精度的判断值来达到。步骤八到步骤十三中，ΔA₁＝0.2A，T₁＝20ms，经过0.1s后，电机转子逆时针转动，所以执行步骤十二。至此，可以得到公式（3）中最终的修正值PosCorrect＝-27.78°-90°＝-117.78°（电角度），流程结束。

总之，本发明通过施加正负脉冲的电流矢量，使转子高频抖动，通过抖动量的大小，可以判断转子初始位置的偏差大小，通过改变电流矢量的方向，逐步减小偏差值。通过正负脉冲的作用，避免了转子向一个方向运动范围过大，或时间过长，从而不会对下一个电流矢量作用时转子的运动造成影响，避免了判断失误的问题。电流矢量的幅值和正负脉冲的作用时间可调，保证了转子振动的频率和幅值可调，增强了检测过程的灵活性和抗扰性。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机转子初始位置的修正方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤一、初始化以下变量值：永磁同步电机d轴电流i_{d_Ref}＝0，q轴电流的幅值i_{q_Amp}＝A₀，电流矢量的方向Pos₀(k)＝0， 其中k＝0；

步骤二、依次施加Pos₀(k)、Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量包括n₀个正脉冲和n₀个负脉冲，正负脉冲交替施加，每个脉冲的宽度为T₀，计算每个电流矢量对应的位置波动：Vibra₀(k)，Vibra_p(k)，Vibra_n(k)；

步骤三、判断电流矢量的幅值i_{q_Amp}是否小于限定值i_{q_Max}，并且位置波动Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)是否均小于某个限定值Vibra_Min，即判断(i_{q_Amp}<i_{q_Max})&(Vibra₀(k)<Vibra_Min)&(Vibra_p(k)<Vibra_Min)&(Vibra_n(k)<Vibra_Min)是否为真；如果是，转向步骤七；如果否，转向步骤四；

步骤四、更新k＝k+1，即将k加1，找出Vibra₀(k-1)，Vibra_p(k-1)和Vibra_n(k-1)中的最小值，将该最小值赋值给Vibra₀(k)，同时将其对应的电流矢量的方向，即Pos₀(k-1)、Pos_p(k-1)或Pos_n(k-1)赋值给Pos₀(k)；同时得到 施加Pos_p(k)和Pos_n(k)方向的电流矢量，每个电流矢量的作用时间为2n₀·T₀，并计算相应的位置波动量Vibra_p(k)和Vibra_n(k)；

步骤五、判断位置精度是否满足要求，如果是，转步骤六，如果否，转步骤三；

步骤六、找出步骤四中Vibra₀(k)，Vibra_p(k)和Vibra_n(k)中的最小值，将该最小值对应的电流矢量的方向，即Pos₀(k)、Pos_p(k)或Pos_n(k)赋值给PosCorrect0，并令i_{q_Amp}＝△A₁，△A₁≤△A₀，转至步骤八；

步骤七、将电流幅值i_{q_Amp}增加△A₀，即i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+△A₀，其中△A₀为每次增加的电流幅值，转至步骤二；

步骤八、施加幅值为i_{q_Amp}，修正角度值脉冲宽度为T₁的脉冲电流矢量，T₁≤T₀；

步骤九、判断电机是否顺时针旋转，如果是，转向步骤十；如果否，转向步骤十一；

步骤十、获取转子初始位置修正值流程结束；

步骤十一、判断电机是否逆时针旋转，如果是，转向步骤十二；如果否，转向步骤十三；

步骤十二、获取转子初始位置修正值流程结束；步骤十三、更新电流值i_{q_Amp}＝i_{q_Amp}+△A₁，转向步骤八。