CN103414426B - 一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法，首先根据凸极特性敏感程度及产生的电机转子位置变动、振动噪音选取特定电机所适合的注入电压幅值、频率；然后根据确定的参数按照优化的注入角度扫描方式进行脉振高频注入，提取高频电流幅值曲线的一个峰值位置；最后根据定子铁心的非线性磁化特性来确定永磁体N、S极性，从而确定转子初始位置。本发明解决了初始位置估计阶段面临的各种现实问题，提高了识别精度并削弱了注入过程的不利影响，提出了任意面贴式永磁同步电机转子初始位置的有效估计方法。

Description

一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机矢量控制领域，具体涉及一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法。

背景技术：

在对永磁同步电机进行矢量控制时，Clarke变换和Park变换都需要用到电角度信息，对于速度环而言，速度反馈更是必不可少的，因此必须能够获得永磁同步电机转子的位置信息。常用的位置和速度反馈元件主要包括光电编码器、霍尔传感器、旋转变压器、感应同步器、光栅、激光干涉仪等。其中，在永磁同步电机中，普遍使用的是旋转光电式编码器，大多数永磁同步电机转子轴末端都安装有光电编码器。

但是，光电编码器的引入，也为伺服系统带来了很多问题。首先，编码器增大了系统体积，占据了永磁同步电机的成本的很大比例，电机上安装的编码器精度越高，电机成本也就越高。很多高精度的传感器，其价格甚至可以与永磁电机本身相比。其次，由于需要增加连接线和接口电路，而这些都属于弱电环节，使系统更容易受到干扰，降低了系统的可靠性。最后，受传感器自身使用条件的限制，不能应用于某些特殊场合。因此，研究无位置传感器控制方法也就成为了近些年的研究热点。

无位置传感器控制的方法按照其可以运用的转速范围可以分为两大类，分别是适用于中高速范围的反电动势法和适用于零速和低速范围的高频注入法。其中，高频注入法又分为旋转高频注入法和脉振高频注入法。但是针对凸极效应不明显的面贴式永磁同步电机，只能采用脉振高频注入法。

脉振高频注入法算法复杂、信号处理难度大，对硬件处理能力要求高，因此较难实现。尤其是初始位置的估计阶段，解决电机转子位置变动、识别精度低、振动噪音等问题，因此是进行无位置传感器起动的关键技术。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明提供了一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

包括以下步骤：

（1）向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；

（2）向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤（1）中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

（3）根据步骤（1）和步骤（2）中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；

（4）在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

所述步骤（1）之前还包括以下步骤：

向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入电压幅值，ω_h为注入电压角频率；注入角度在360°电角度范围内进行扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，根据所述高频反馈电流信号绘制高频反馈电流幅值曲线，判断电机是否具有凸极效应，当电机具有凸极效应时，继续步骤（1），否则结束。

所述注入脉振高频电压注入的注入电压幅值和频率根据额定电压和电流环控制频率进行初选取，且注入角度扫描方式为电角度从0°起逐渐以预设间隔递增至360°，每个角度的注入过程持续多个脉振周期。

所述步骤（3）中，获取峰值最大的峰值位置具包括：

（3-1）注入角度首先在360°角度范围内进行预设间隔的初扫描，获得所述预设间隔等级下的粗选最大峰值位置后，在所述粗选最大峰值位置周边不断缩小扫描间隔进行细化扫描；

（3-2）在粗选最大峰值位置周边任取三点，利用抛物线进行拟合，提取细化最大峰值位置；

（3-3）更换拟合点进行多次拟合，将各次提取到的细化最大峰值位置进行平均，得到最终的最大峰值位置。

所述等频率电压信号的频率为1kHz。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种面贴式永磁同步电机转子初始位置识别方法，利用电机的凸极效应，获取合理的注入电压幅值、注入电压频率，有效减少了电压注入过程中位置变动、振动噪音带来的干扰，提高了电机转子初始位置识别的精度，另外，本发明中采用360°角度范围扫描的方式，使得获取的反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置更加准确，进一步提高了电机转子初始位置估计的精度。

进一步，由于采用了多周期注入及注入过程相互隔离的方法，可以有效地减少随机因素和注入过程之间的相互影响，减小了估计的误差。

进一步，通过对粗选的最大峰值位置多次局部抛物线拟合求平均值的方式，提高了最大峰值位置的选取准确性，有效提高初始位置估计的精度。

附图说明

图1是本发明的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法流程框图；

图2是本发明的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法轴高频电流幅值提取程序原理图；

图3是本发明面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法中不同注入电压幅值时的轴高频电流幅值曲线；

图4是本发明的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法中不同注入电压频率时的轴高频电流幅值曲线；

图5是本发明的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法中高频注入过程角度扫描方式优化示意图；

图6是本发明的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法中d轴定子磁链与电流的关系。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做详细描述。

一种面贴式永磁同步电机转子初始位置识别方法，包括以下步骤，参见图1所示：

（1）向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入电压幅值，ω_h为注入电压角频率；注入角度在360°电角度范围内进行扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，根据所述高频反馈电流信号绘制高频反馈电流幅值曲线，判断电机是否具有凸极效应，当电机具有凸极效应时，继续步骤（1），否则结束；具体内容包括：

（a）所述注入脉振高频电压注入的注入电压幅值和频率根据额定电压和电流环控制频率进行初选取；

（b）注入角度扫描方式为电角度从0°起逐渐以预设间隔递增至360°；

（c）每个角度的注入过程持续多个脉振周期，变换注入角度时需要停止注入一段时间以避免前次注入结果的干扰。

其中，脉振高频电压注入时，两相旋转估计坐标系下的高频反馈电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{\tilde{i}}_{\mathrm{dh}}=\frac{U_{\mathrm{dh}}{\cos \mathrm{\ω}}_{h}t}{z_{\mathrm{dh}}{z}_{\mathrm{qh}}}(z_{\mathrm{avg}}-\frac{1}{2}{z}_{\mathrm{diff}}\cos 2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r)\\ {\tilde{i}}_{\mathrm{qh}}=\frac{U_{\mathrm{dh}}\cos {\mathrm{\ω}}_{h}t}{z_{\mathrm{dh}}{z}_{\mathrm{qh}}}(-\frac{1}{2}{z}_{\mathrm{diff}}\sin 2{\widehat{\mathrm{\θ}}}_r)\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中，z_dh和z_qh分别为d轴、q轴高频阻抗，Z_avg=(Z_dh+Z_qh)/2，z_diff=z_dh-z_qh，为角度估计误差，为d轴高频反馈电流，为q轴高频反馈电流。

由于存在直流偏置，因此用于转子初始位置识别。图2所示为轴高频电流幅值提取程序原理图，该曲线波动与角度估计误差相关，如果波动明显，则可以进行初始位置识别。

此阶段注入电压的幅值在额定电压的15%到40%范围内进行选取，注入频率选为1kHz，这是在保证足够点数模拟余弦电压的情况下的最大值。同时为了使曲线足够细密，角度扫描间隔选为2°（电角度）。为了避免随机干扰，注入过程采用5次注入求平均值的方法；为了避免相邻注入之间的干扰，设置1ms以上的扫描间隔。

（2）向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值。

本发明中，注入频率固定为初选的1kHz，注入电压在15%到40%范围内进行变换，综合考虑电机转子位置变动和凸极效应明显程度选择合适的注入电压幅值。参见图3所示，为针对某款小型面贴式永磁同步电机的注入电压幅值选取实验，其中纵坐标为多次注入得到的高频电流幅值总和，根据该曲线及转子位置变动，最终确定注入电压幅值为50V。

（3）向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤（2）中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

本发明中，注入电压固定为步骤（2）确定的50V，在硬件许可的情况下尝试不同的注入电压频率，同时确保余弦电压模拟足够准确。参见图4所示，为针对前述永磁同步电机进行的注入频率选取实验，根据产生的噪音情况，最终确定注入频率为1kHz。

（4）根据步骤（1）和步骤（2）中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置。具体包括以下步骤：

（3-1）注入角度首先在360°角度范围内进行预设间隔的初扫描，获得所述预设间隔等级下的粗选最大峰值位置后，在所述粗选最大峰值位置周边不断缩小扫描间隔进行细化扫描；

（3-2）在粗选最大峰值位置周边任取三点，利用抛物线进行拟合，提取细化最大峰值位置；

（3-3）更换拟合点进行多次拟合，将各次提取到的细化最大峰值位置进行平均，得到最终的最大峰值位置。

参见图5所示，为注入角度优化扫描方式。传统扫描方式为0°到360°逐次扫描的方式，这样就造成了电机轴的定向小角度转动。解决的办法是，首先将逐次扫描方式修改为往复扫描方式，化“转动”为“摆动”，通过这样的方式可以减小电机转子实际转动；其次将一次性细扫描改成粗扫描后细化的方式，即先以较大的间隔扫描，获取峰值位置后在其周边逐渐细化扫描，以此类推。通过这样的方式可以大大减少扫描次数，减少力矩轴附近的注入次数，从而从根本上削弱初始位置识别阶段电机转子位置变动。

由于随机误差等因素的影响，直接比较大小选取最大值的方式可能会存在误判的情况，因此采用三点抛物线拟合的方式提取峰值位置，可以有效提高峰值位置识别精度，消除局部误差引起的误判。

（5）在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

由于一个电角度周期范围内轴的高频反馈电流幅值曲线存在两个峰值位置，因此需要对这两个位置的极性进行判断。

由于随着电压增加，q轴附近的高频阻抗变化很小（饱和程度变化小），而d轴附近的高频阻抗变化明显（饱和程度变化大）。因此，确定两个波谷位置后可以根据定子铁心的非线性磁化特性来确定永磁体N、S极性。图6所示为d轴定子磁链与电流的关系。在两个波峰位置处分别注入一个恒定的脉冲信号，假设两个波峰位置得到的电流响应分别为i_d1和i_d2，那么如果i_d1>i_d2，则说明i_d1起增磁作用，为N极方向，反之则为i_d2方向。

针对前述永磁同步电机，极性判断阶段注入的脉冲电压幅值为40V，作用时间均为1ms，注入间隔为2.5ms。

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 (4)

1.一种面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入脉振高频电压信号在轴上不注入信号，其中，U_dh为注入电压幅值，ω_h为注入电压角频率；注入角度在360°电角度范围内进行扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，根据所述高频反馈电流信号绘制高频反馈电流幅值曲线，判断电机是否具有凸极效应，当电机具有凸极效应时，继续步骤(1)，否则结束；

(2)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等频率电压信号，并调整注入等频率电压信号的注入电压幅值，获取估计坐标系下轴等频率反馈电流信号，绘制等频率反馈电流幅值曲线，在电机转子不动的前提下，根据等频率反馈电流幅值曲线选取凸极效应最明显的注入电压幅值；

(3)向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上注入等幅值电压信号，并调整注入等幅值电压信号的注入电压频率，获取估计坐标系下轴等幅值反馈电流信号，绘制等幅值反馈电流频率曲线，根据等幅值反馈电流频率曲线选择凸极效应最明显且噪声小的注入电压频率；其中，所述等幅值电压信号的幅值为步骤(1)中所获取的凸极效应最明显的注入电压频率；

(4)根据步骤(1)和步骤(2)中确定的注入电压幅值和注入电压频率，向电机转子的两相旋转估计坐标系的轴上进行脉振高频电压注入，注入角度在360°电角度范围内扫描，获取估计坐标系下轴的高频反馈电流信号，绘制高频反馈电流幅值曲线，并根据高频反馈电流幅值曲线获取峰值最大的峰值位置；

(5)在提取到的峰值位置及与其相差180°的电角度的位置先后注入两个恒定的脉冲电压矢量，根据估计坐标系下的电流响应确定磁极方向，并根据磁极方向确定出转子初始位置。

2.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于：所述注入脉振高频电压注入的注入电压幅值和频率根据额定电压和电流环控制频率进行初选取，且注入角度扫描方式为电角度从0°起逐渐以预设间隔递增至360°，每个角度的注入过程持续多个脉振周期。

3.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，获取峰值最大的峰值位置具包括：

(3-1)注入角度首先在360°角度范围内进行预设间隔的初扫描，获得所述预设间隔等级下的粗选最大峰值位置后，在所述粗选最大峰值位置周边不断缩小扫描间隔进行细化扫描；

(3-2)在粗选最大峰值位置周边任取三点，利用抛物线进行拟合，提取细化最大峰值位置；

(3-3)更换拟合点进行多次拟合，将各次提取到的细化最大峰值位置进行平均，得到最终的最大峰值位置。

4.根据权利要求1所述的面贴式永磁同步电机转子初始位置估计方法，其特征在于：所述等频率电压信号的频率为1kHz。