CN103795306B - 基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述方法包括：周期性的控制逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由上升的最终值逐渐衰减为零，第一时间与第二时间的总时间为控制周期的总时长；在每个控制周期的固定时刻采集永磁同步电机的三相电流；将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，并根据所述感应电势矢量的相角获取永磁同步电机的转子位置角。

Description

基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置

技术领域　

本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置。

背景技术　

永磁同步传动系统是通过调频调压方式控制永磁同步电机的转速和转矩的一种新型传动系统，具有结构简单、功率密度大、低速输出扭矩大、效率高，维护方便等优点，目前已成为交流传动系统的重要组成部分。在永磁同步传动系统的应用中，永磁同步传动系统的带速投入技术是指永磁同步电机在断电后，并在电机仍具有一定初速度的情况下再次带电运行的过程，譬如：轨道交通领域中过分相、短时过流过压等情况，需电机带速度重新投入牵引，风力发电领域中，在变频器投入之前需要已具有一定初速度的电机重新投入等，这些工况下都需要永磁同步传动系统具有带速度投入的能力。

对于永磁同步电机而言，具有一定的初速度就意味着定子上会感应出一定的感应电势，如果在不知永磁同步电机转子位置的情况下直接投入，不可避免的会引起强烈的电流和机械冲击或者会引起变频器过流故障而无法投入，因此，研究永磁同步传动系统带速度投入初始位置观测技术具有很重要的意义。

为解决上述问题，一种方式是利用安装在电机转子轴承上的位置传感器来检测转子位置信息，但是安装位置传感器不仅会增加电机的体积及成本，且位置传感器本身受振动、湿度等外界环境因素的影响较大，对使用环境的要求较为严格。另一种方式是在定子上安装电压传感器的方式，以在变频器运行前实时的采样永磁同步电机的感应电势，从而获得转子的位置信息，这种方式虽然省去了转子上的位置传感器，但增加了电压传感器也导致了成本的上升。为了克服安装传感器所带来的缺陷，还有一种方式是采用无传感器控制算法来确定转子位置，具体实现如下：

永磁同步电机在两相ｄ－ｑ旋转坐标系下的电压方程为：

其中，ω为转子角速度，R为定子电阻，为永磁体磁链，i_d和i_q分别为ｄ、ｑ轴电流，v_d和v_q分别为ｄ、ｑ轴电压，L_d和L_q分别为ｄ、ｑ轴电感，p为微分算子。

开通所有逆变器上桥臂（或下桥臂），使永磁同步电机三相绕组短时短路，此时定子端电压等于零，即v_d=0、v_q=0，此时电压方程如下：

$\left[\begin{array}{c}0\\ 0\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{pK}}_d& -{\mathrm{\ωL}}_d\\ {\mathrm{\ωL}}_d& {\mathrm{pL}}_d\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right]+{\mathrm{\ω\ψ}}_f\left[\begin{array}{c}0\\ 1\end{array}\right]---\left(2\right)$

假设T_sh为短路时间，ω为常量，忽略定子电阻，初始电流为0，对公式（1）进行变换后可得定子上的短路电流矢量为：

$i_{\left(T_{\mathrm{sh}}\right)}=\left[\begin{array}{c}{i}_{d\left(T_{\mathrm{sh}}\right)}\\ i_{q\left(T_{\mathrm{sh}}\right)}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}-\frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{L_d}(1-\cos \left({\mathrm{\ωT}}_{\mathrm{sh}}\right))\\ \frac{{\mathrm{\ψ}}_f}{L_q}\sin \left({\mathrm{\ωT}}_{\mathrm{sh}}\right)\end{array}\right]---\left(3\right)$

将式（2）的短路电流转换至静止α－β坐标系下，从而得到短路电流在α－β静止坐标系下的短路电流相角为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{I\α\β}}=\arctan \left(\frac{i_{\mathrm{\α}}}{i_{\mathrm{\β}}}\right)---\left(4\right)$

按照下述公式计算初始的转子角频率ω_e：

${\mathrm{\ω}}_e=\frac{{\mathrm{\θ}}_{1\mathrm{iTsh}}-{\mathrm{\θ}}_{2\mathrm{iTsh}}}{T_{\mathrm{sh}}-{\mathrm{\τ}}_{1-2}}---\left(5\right)$

其中，θ_1iTsh和θ_2iTsh分别表示i(T_sh)的第一次和第二次短路电流矢量在α－β静止坐标系下的相角，τ_1-2为两次短路时间间隔。

按照下述公式计算i_Tsh与ｄ－ｑ坐标系下ｄ轴之间的夹角θ_Idq：

则转子位置信息有：

θ_e=θ_Idq-θ_Iαβ   　　　　　　　　　　　　　　（7）

上述方法是通过两次短路法来计算转子位置信息，但这种方法需依赖永磁同步电机电感参数与转子磁链参数，参数的误差会严重影响转子位置信息的准确性。

发明内容　

有鉴于此，本发明实施例的主要目的在于提供一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置，在无需安装传感器的情况下，实现准确获取转子位置信息的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述方法包括：

周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长；

在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的三相电流；

将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，并根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为ａ相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角。

优选地，所述周期性的控制所述逆变器的桥臂开关前，还包括：确定所述第一时间和所述第二时间；

所述确定所述第一时间和所述第二时间，具体包括：

预设所述第一时间；

按照下面公式计算所述最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)$

其中，　R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为所述预设的第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压；

设定所述第二时间，使所述设定的第二时间大于或等于所述最长时间t。

优选地，所述周期性的控制逆变器的桥臂开关，具体包括：

在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关；

或，

在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

优选地，所述固定时刻为：在计时到达所述第一时间时。

优选地，所述将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，具体包括：

将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。

本发明实施例还提供了一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取装置，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述装置包括：

开关控制单元，用于周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长；

电流采样单元，用于在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的 三相电流；

电势相角获取单元，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角；

转子位置获取单元，用于根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为ａ相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角。

优选地，所述装置还包括：

控制时间确定单元，用于在所述开关控制单元周期性的控制所述逆变器的桥臂开关前，确定所述第一时间和所述第二时间；

所述控制时间确定单元，具体包括：

第一时间设定子单元，用于预设所述第一时间；

衰减时长计算子单元，用于按照下面公式计算所述最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)$

其中，R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为所述预设的第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压；

第二时间设定子单元，用于设定所述第二时间，使所述设定的第二时间大于或等于所述最长时间t。

优选地，所述开关控制单元，具体包括：

第一开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；

第二开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关；

或，所述开关控制单元，具体包括：

第三开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；

第四开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

优选地，所述固定时刻为：在计时到达所述第一时间时。

优选地，所述电势相角获取单元，具体包括：

电流反相子单元，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

电势相角获取子单元，用于使所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。

本发明实施例提供的基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法及装置，通过周期性的控制逆变器的桥臂开关，在每个控制周期的短时时间内，使永磁同步电机三相绕组上形成短路电流，由于瞬时感应电势正交变换，因此短路电流幅值亦是正交变换，因此通过检测短路电流的相角，即可得到永磁同步电机感应电势矢量的相角，从而可以根据感应电势矢量的相角实时准确的确定永磁同步电机的转子位置。

附图说明　

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例永磁同步传动系统示意图；

图2为本发明实施例基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法的流程示意图；

图3为本发明实施例感应电势及短路电流响应示意图；

图4为本发明实施例短路等效电路图；

图5为本发明实施例续流等效电路图；

图6为本发明实施例反向电流曲线及感应电势曲线示意图；

图7为本发明实施例锁相环系统示意图；

图8为本发明实施例电机从零转速到额定转速下的电流响应及感应电势响应波形示意图；

图9为本发明实施例离散采样后电机从零转速到额定转速下的反向电流 与感应电势的波形示意图；

图10为本发明实施例感应电势矢量相角与运行频率的变化示意图；

图11为本发明实施例基于永磁同步传动系统的转子位置获取装置的示意图。

具体实施方式　

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，为本发明实施例提供的永磁同步传动系统示意图，该永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机（ｐｅｒｍａｎｅｎｔ 　ｍａｇｎｅｔ 　ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ 　ｍｏｔｏｒ，简称ＰＭＳＭ），其中，逆变器可以为典型的两电平三相ＰＷＭ电压型逆变器。在采用本发明实施例进行控制时，该永磁同步电机具有一定的初速度ω，如果在不知道电机转子位置的情况下将永磁同步传动系统投入使用，不可避免的会引起强烈的电流和机械冲击或者会引起变频器过流故障而无法投入。本发明实施例可实时的准确获取转子位置信息，下面具体介绍本发明实施例。

参见图2，为本发明实施例提供的基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法的流程示意图，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，则该方法包括以下步骤：

步骤201：周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长。

在步骤201中，可以采用下述方式中的一种来周期性的控制逆变器的桥臂开关：

方式一：在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同 时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

方式二：在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

步骤202：在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的三相电流。

其中，所述固定时刻可以为：在计时到达所述第一时间时的时刻，此时每相定子电流为第一时间内的最大上升电流值。

步骤203：　将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，并根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为ａ相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角。

为了更清楚的了解本发明实施例，下面结合附图进一步介绍本发明实施例。

参见图1，在控制逆变器的桥臂开关时，可以周期性的短时开关所有上桥臂ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ，绝缘栅双极型晶体管）且一直关闭所有下桥臂ＩＧＢＴ，或者是周期性的短时开关所有下桥臂ＩＧＢＴ且一直关闭所有上桥臂ＩＧＢＴ。其中，在接通所有上桥臂ＩＧＢＴ或接通所有下桥臂ＩＧＢＴ期间，永磁同步电机三相绕组会出现短路，这使得ＣＴ（ｃｕｒｒｅｎｔ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，电流互感器）中有短路电流流过。如果忽略掉ＩＧＢＴ的管压降，此时电机电压方程为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a+i_{a}R+L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}=0\\ E_b+i_{b}R+L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}=0\\ E_c+i_{c}R+L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}=0\end{array}\right.---\left(8\right)$

式（8）中，E_a、E_b、E_c为永磁同步电机的三相感应电势，其幅值为ωψ_f，　ψ_f为永磁体磁链，I_a、I_b、I_c为永磁同步电机的三相定子电流，R与L分别为永磁同步电机绕组的相电阻与相电感。如果忽略掉相电阻上的压降，可将上式（8）改写为：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=-L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}\\ E_b=-L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}\\ E_c=-L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(9\right)$

由式（9）可知，永磁同步电机的感应电势可以通过相电流的短时上升率来进行估计。因此在每个控制周期内，由于每相感应电势是交流信号，为交替变化的，所以电流上升的最高点亦是随着感应电势矢量的相位交替变化，如图3所示的感应电势及短路电流响应示意图，图3中相电流的幅值变化成正弦变化，其变化相位与对应的相电压相差180度。

将感应电势电压进行离散化，假设离散时间为Ｔｓ且Ｔｓ时间很短，并假定在Ｔｓ时间内感应电势电压保持不变，即在Ｔｓ内有：

$\left\{\begin{array}{c}{E}_a=-i_{a}R-L\frac{{\mathrm{di}}_a}{\mathrm{dt}}\\ E_b=-i_{b}R-L\frac{{\mathrm{di}}_b}{\mathrm{dt}}\\ E_c=-i_{c}R-L\frac{{\mathrm{di}}_c}{\mathrm{dt}}\end{array}\right.---\left(10\right)$

式（10）为典型的一阶ＲＬ电路，在Ｔｓ时间内，假设全部上桥臂ＩＧＢＴ（或全部下桥臂ＩＧＢＴ）的接通时刻为ｔ＝0时刻，且此时定子绕组上的电流为0，则若全部上桥臂ＩＧＢＴ（或全部下桥臂ＩＧＢＴ）的接通时间为τ₁，则有：

$\begin{array}{c}{i}_a\left(0\right)=0,i_a\left(\mathrm{\τ}1\right)=-\frac{E_a}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}\mathrm{\τ}1})\\ i_b\left(0\right)=0,i_b\left(\mathrm{\τ}1\right)=-\frac{E_b}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}\mathrm{\τ}1})\\ i_c\left(0\right)=0,i_c\left(\mathrm{\τ}1\right)=-\frac{E_c}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}\mathrm{\τ}1})\end{array}---\left(11\right)$

由公式（11）可知，在接通时间τ₁内，三相定子电流会分别由0逐渐上升至i_a(τ1)、_b(τ1)i_c(τ1)。

此外，当ＩＧＢＴ全部关断时，定子绕组内电流通过ＩＧＢＴ反向二极管进行续流，在每次ＩＧＢＴ全部关断后的一定时间内，三相定子电流会分别从i_a(τ1)、_b(τ1)i_c(τ1)逐渐衰减为0。

基于上述内容可知，在每个控制周期内，在全部上桥臂ＩＧＢＴ（或下桥臂ＩＧＢＴ）的接通时间内，每相定子电流的响应是一个从0逐渐上升的过程，在全部ＩＧＢＴ的关断时间内，每相定子电流的响应是一个从最大上升值衰减为0的过程。由于每次接通ＩＧＢＴ的时间（每次短时短路时间）是固定的，所以控制周期的时长取决定于关断ＩＧＢＴ的时间，为了在每次关断ＩＧＢＴ的时间内使定子绕组上的电流都能由最大上升值衰减为0，所以需要在永磁同步传动系统的不同工况下确定一个衰减时间最长的工况，并将这个最长衰减时间和短路时间的和作为控制周期的最短时长，这样便可使定子电流在每个控制周期内都能衰减为0。由图3可见，在一个电流周期内，对于Ａ相绕组，在E_b=0或E_c=0时电流衰减时间最长，对于Ｂ相绕组，当E_a=0或E_c=0时电流衰减时间最长，对于Ｃ相绕组，当E_a=0或E_b=0时电流衰减时间最长，可以采用其中一情况计算电流衰减至0所需的最长衰减时间t，具体如下：

以E_c=0为例，参见图4所示的短路等效电路图，设E_c=0，则有 由一阶零响应得ａ相绕组上的最大短路电流：

$i_a=-\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}(1-e^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1})---\left(12\right)$

当ＩＧＢＴ全部关断时，由续流二极管形成通路，电流开始衰减，参见图5所示的续流等效电路图，根据基尔霍夫电压定律得一阶齐次常系数微分方程：

$L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}+\mathrm{Ri}=\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2}---\left(13\right)$

求解公式（13）得通解： 

$i\left(t\right)=C_1{e}^{-\frac{R}{L}t}+\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}---\left(14\right)$

而由公式（12）有：

$i\left(0\right)=-\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}(1-e^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1})---\left(15\right)$

将公式（15）带入公式（14）得：

$-\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}(1-e^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1})=C_1+\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}---\left(16\right)$

求解公式（16）中的常数C₁得：

$C_1=-\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}+\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2R}+\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}=\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2R}---\left(17\right)$

因此，将公式（17）带入公式（14）可得：

$i\left(t\right)=(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-\frac{U_{\mathrm{dc}}}{2R})e^{-\frac{R}{L}t}+\frac{U_{\mathrm{dc}}-\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f}{2R}---\left(18\right)$

令公式（18）中的i(t)=0，则电流衰减至0所需的最长时间t为：

$t=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)---\left(19\right)$

由式（19）可知，在相电阻R与相电感L以及转子磁链ψ_f一定的情况下，直流侧母线电压U_dc越大，则衰减的时间t越短；转子的转速ω越大，则衰减的时间t越长；短时短路时间τ₁（即上桥臂或下桥臂接通时间）越长，则衰减时间t越长。

基于上述内容，可在步骤201前，按照下述方法离线确定步骤201中的所述第一时间和所述第二时间：

预设所述第一时间，并按照公式（19）计算所述最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)$

其中，R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为所述预设的第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压。

可见，第一时间τ1与最长衰减时间t的和即为控制周期T_c的最小值，但是，实际应用中电机的电阻R与电感L一般不能精确获得，且随转子位置的变化电机相电感L亦会发生变化，因此T_c可以留有一定的裕量，取：

T_C≥τ1+t

因此，可以设定所述第二时间，使所述设定的第二时间大于或等于所述最长时间t，以保证每相定子电流都能从当前控制周期内的最大电流上升值衰减至0。

可以理解的是，每个控制周期的时长相同，且在每个控制周期内上桥臂ＩＧＢＴ（或下桥臂ＩＧＢＴ）的接通时间相同，而且在每个控制周期内，每相定子电流的响应是一个从0逐渐上升和从上升终值逐渐下降到0的过程，因此在一个控制周期内，在不同的采样点可获得不同的电流值，但只要是在不同控制周期的固定采样点采集定子电流（例如：每次采样时检测每相电流上升的最高点即检测每相定子的最大短路电流），则电流变化的趋势是不会改变的。

在步骤203中，可以按照以下步骤获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角，具体为：

首先，将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

然后，所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。

下面对步骤203中提到的锁相环系统的工作原理进行介绍：

参见图6所示的反向电流曲线及感应电势曲线示意图，其中，电流曲线为离散采样并进行反向后的电流曲线，电流采样点为一个控制周期内每相定子的最大上升值，由图6可见，在对电流进行反相后，电流与感应电势的相位完全一致，因此，实时获取反相后的电流相位，即可获得实时的感应电势矢量相位。将离散采样并进行反向后的电流曲线送入如图7所示的锁相环系统，其中，反向后的电流公式分别为：

$\left\{\begin{array}{c}-i_a=I_m\cos \left({\mathrm{\ω}}_{r}t\right)\\ -i_b=I_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t-\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -i_c=I_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(20\right)$

将反向后的电流进行ＣＬＡＲＫＥ变换得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}^{\′}=I_m\cos \left({\mathrm{\ω}}_{r}t\right)\\ i_{\mathrm{\β}}^{\′}=I_m\cos ({\mathrm{\ω}}_{r}t-\frac{1}{2}\mathrm{\π})\end{array}\right.---\left(21\right)$

将公式（21）带入公式（22）得：

其中，ω_r为实际的转子电角度，为经ＰＩ控制器调节后得到的转子电角度。

基于前述内容可知，反向后的电流相位与感应电势矢量的相位相同，所以对进行积分就可以得到感应电势矢量的相角即以ａ相绕组位置为起点，沿逆时针方向旋转的角度。

在步骤203中，当利用上述锁相环系统得到感应电势矢量的相角后，按照下述公式计算所述永磁同步电机的转子位置角

其中，所述转子位置角为ａ相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角。

本发明实施例提供的基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法，通过周期性的控制逆变器的桥臂开关，在每个控制周期的短时时间内，使永磁同步电机三相绕组上形成短路电流，由于瞬时感应电势正交变换，因此短路电流幅值亦是正交变换，因此通过检测短路电流的相角，即可得到永磁同步电机感应电势矢量的相角，从而可以根据感应电势矢量的相角实时准确的确定永磁同步电机的转子位置。

为了更方便的了解本发明实施例，下面以一台功率为7Ｋｗ，额定频率为100Ｈｚ的永磁同步电机为例介绍本发明实施例：

步骤1：预估最大短路电流。

设短路时间（即第一时间）为τ₁=0.00006s，电机额定转速时的感应电势峰值为ω_bψ_f=259V，电机的相电阻为R=0.78Ω，电机的相电感为L=12mH。由此可得，短路电流的最大值为：

$i\left({\mathrm{\τ}}_1\right)=\frac{E}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1})=\frac{259}{0.78}(1-e^{-\frac{0.78*0.00006}{0.012}})=1.29A$

需要说明的是，短路电流的最大值需小于额定电流，因为短路电流的最大值过大会使得最大衰减时间过长，从而增加控制周期的时长，进而影响转子位置锁相精度。由于短路时间是决定短路电流大小的因素之一，所以应当尽量减小短路时间，从而减小控制周期，进而提高转子位置的精度。

步骤2：预估最大衰减时间。

设直流侧母线电压为563Ｖ，感应电势峰值为ω_bψ_f=259V，则当τ₁=0.00006s时，最长衰减时间可由式（19）计算：

$t_1=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)=-\frac{0.012}{0.78}1n\left(\frac{\sqrt{3}*259-563}{\sqrt{3}*259*e^{\frac{0.78*0.00006}{0.012}}}\right)=0.000233s$

步骤3：设置控制周期与占空比。

由短路时间与最大衰减时间可以得到控制周期T_c的最小值，但由于实际应用中电机的电阻与电感一般不能精确获得，因此Ｔｃ需留有一定的裕量，则有：

T_c>τ₁+t₁=0.000233+0.00006=0.000293s

譬如取控制周期T_c=0.0004s，则控制频率为f_c=2500Hz，占空比即在每个控制周期中，所述第一时间为0.00006ｓ，所述第二时间0.00034ｓ。

步骤4：周期性的控制逆变器桥臂开关。

参见图8，为本发明实施例提供的电机从零转速到额定转速下的电流响应及感应电势响应波形示意图。

步骤5：电流数据离散采样。

在每个控制周期内，当ＩＧＢＴ全部关闭时启动ＡＤ采样，此时采集的电流为该控制周期内的最大电流上升值，并将采样得到的三相电流进行反向，得到图9所示的离散采样后电机从零转速到额定转速下的反向电流与感应电势的波形示意图。

步骤6：对电流进行锁相。

将图9所示的三相电流送入图7所示的锁相环节，可得到实时的转子电角速度（利用可求得电机实时运行频率f_e）与实时的感应电势矢量的相角参见图10所示的感应电势矢量相角与运行频率的变化示意图，其中，图中实际值为利用传感器检测得到的数据，而观测值为利用本发明实施例得到的数据，将观测值与实际值相比可知，本发明实施例得到的数据误差较小，准确度较高。

步骤7：获取转子位置信息。

永磁同步电机的实时转子位置可由下式获得：

参见图11，为本发明实施例提供的基于永磁同步传动系统的转子位置获取装置的示意图，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述装置包括：

开关控制单元1101，用于周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长。

电流采样单元1102，用于在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的三相电流。

其中，所述固定时刻为：在计时到达所述第一时间时。

电势相角获取单元1103，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角。

转子位置获取单元1104，用于根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为ａ相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角。

进一步地，所述装置还包括：

控制时间确定单元，用于在所述开关控制单元周期性的控制所述逆变器的桥臂开关前，确定所述第一时间和所述第二时间；

所述控制时间确定单元，具体包括：

第一时间设定子单元，用于预设所述第一时间；

衰减时长计算子单元，用于按照下面公式计算所述最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}1n\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{\mathrm{dc}}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{\mathrm{dc}}}\right)$

其中，R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为所述预设的第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压；

第二时间设定子单元，用于设定所述第二时间，使所述设定的第二时间大于或等于所述最长时间t。

其中，所述开关控制单元1101，具体包括：

第一开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；

第二开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关；

或，所述开关控制单元1101，具体包括：

第三开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；

第四开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

其中，所述电势相角获取单元1103，具体包括：

电流反相子单元，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

电势相角获取子单元，用于使所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。

本发明实施例提供的基于永磁同步传动系统的转子位置获取装置，通过周期性的控制逆变器的桥臂开关，在每个控制周期的短时时间内，使永磁同步电机三相绕组上形成短路电流，由于瞬时感应电势正交变换，因此短路电流幅值亦是正交变换，因此通过检测短路电流的相角，即可得到永磁同步电机感应电势矢量的相角，从而可以根据感应电势矢量的相角实时准确的确定永磁同步电机的转子位置。

需要说明的是，对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取方法，其特征在于，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述方法包括：

确定第一时间和第二时间；

周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长；

在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的三相电流；

将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，并根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为a相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角；

其中，所述确定第一时间和第二时间，具体包括：

预设第一时间；

按照下面公式计算最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}ln\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{dc}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{dc}}\right)$

其中，R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为预设的所述第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压；

设定第二时间，使设定的所述第二时间大于或等于所述最长时间t。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述周期性的控制逆变器的桥臂开关，具体包括：

在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关；

或，

在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定时刻为：在计时到达所述第一时间时。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角，具体包括：

将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。

5.一种基于永磁同步传动系统的转子位置获取装置，其特征在于，所述永磁同步传动系统包括逆变器和永磁同步电机，所述永磁同步电机的初始速度不为零，所述装置包括：

控制时间确定单元，用于确定第一时间和第二时间；

开关控制单元，用于周期性的控制所述逆变器的桥臂开关，以在每个控制周期内，使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第一时间内由零电流逐渐上升，并使所述永磁同步电机每相定子绕组上的电流在第二时间内由所述上升的最终值逐渐衰减为零，所述第一时间与所述第二时间的总时间为所述控制周期的总时长；

电流采样单元，用于在每个控制周期的固定时刻采集所述永磁同步电机的三相电流；

电势相角获取单元，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统进行处理以得到感应电势矢量的相角；

转子位置获取单元，用于根据所述感应电势矢量的相角获取所述永磁同步电机的转子位置角，所述转子位置角为a相绕组方向与永磁体磁链方向的夹角；

其中，所述控制时间确定单元，具体包括：

第一时间设定子单元，用于预设第一时间；

衰减时长计算子单元，用于按照下面公式计算最大短路电流衰减为零的过程所需的最长时间t：

$t=-\frac{L}{R}ln\left(\frac{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f-U_{dc}}{\sqrt{3}{\mathrm{\ω\ψ}}_f{e}^{-\frac{R}{L}{\mathrm{\τ}}_1}-U_{dc}}\right)$

其中，R为所述永磁同步电机定子绕组的相电阻，L为所述永磁同步电机定子绕组的相电感，τ1为预设的所述第一时间，ωψ_f为所述永磁同步电机在额定转速时的感应电势峰值，U_dc为直流侧母线电压；

第二时间设定子单元，用于设定第二时间，使设定的所述第二时间大于或等于所述最长时间t。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述开关控制单元，具体包括：

第一开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部上桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部下桥臂开关；

第二开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关；

或，所述开关控制单元，具体包括：

第三开关控制子单元，用于在所述第一时间内，控制接通所述逆变器的全部下桥臂开关，同时控制关断所述逆变器的全部上桥臂开关；

第四开关控制子单元，用于在所述第二时间内，控制关断所述逆变器的全部开关。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述固定时刻为：在计时到达所述第一时间时。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述电势相角获取单元，具体包括：

电流反相子单元，用于将所述三相电流进行反向后送入锁相环系统；

电势相角获取子单元，用于使所述锁相环系统利用所述反向的三相电流获取所述永磁同步电机的转子电角速度，并根据所述转子电角速度获取所述永磁同步电机的感应电势矢量的相角。