CN103916066B - 无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法，通过对电励磁同步电机转子施加励磁电压，给定子上多次施加电压空间矢量，采集每次施加过程中定子上的最大电流响应值i_A、i_B、i_C，计算三相定子电流响应值通过坐标变换得到d′q′坐标系下的电流i_d′，继而根据i_d′得到对应i_d′电流的电压空间矢量与电机静止坐标系A轴的夹角，从而估算电励磁同步电机转子初始位置值。有益效果：能够减小电励磁同步电机在利用电感饱和效应估算转子初始位置时由于转子励磁磁链波动带来的误差。

Description

无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法

技术领域

本发明属于交流电机传动控制技术领域，具体涉及一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法。

背景技术

在电励磁同步电机的驱动控制当中，转子的初始位置(N极所在位置)是一个很重要的量，不准确的初始位置会导致电机带负载能力下降和反转等问题。位置传感器的安装会增加系统的成本、体积和重量，造成系统可靠性的下降，并且在有些场合下，位置传感器的安装是不允许的或者无法实现的。由于电励磁同步电机安装和使用场合的限制，很多时候需要在静止的情况下得到转子的初始位置。

目前，电机转子初始位置估算的方法有很多，但主要是针对永磁同步电机，简单实用的方法主要有下面两种：

(1)施加恒定电压矢量法。在定子上施加恒定的电压空间矢量，从而使得转子转向特定的位置。但是，在要求电机在静止条件下得到转子初始位置的场合，这种方法就不再适用，同时恒定的电压空间矢量会产生很大的定子电流，有可能对电机本体造成损坏。

(2)利用定子电感的饱和效应检测转子初始位置是常用的一种方法。这种方法简单易行，在定子上施加一周(360°电角度)等幅值的电压空间矢量，同时采集定子三相电流，通过计算比较相应的电流响应值来估算转子位置。但是由于电励磁同步电机转子励磁绕组的磁链没有永磁同步电机转子的永磁磁链稳定，所以直接使用此方法时，会有较大的估算误差。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法，解决利用电感饱和效应检测永磁同步电机转子初始位置的方法应用于电励磁同步电机误差较大的问题，可以提高电励磁同步电机转子初始位置的估算精度。

技术方案

一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对电励磁同步电机转子施加励磁电压；

步骤2：给定子上施加某一幅值电压空间矢量，等待定子上的电流为零时，再次施加这个幅值的电压空间矢量，循环次数大于n大于24次；

所述施加时间为微控制器发PWM波的周期；所述的幅值保证不损坏电机本体；

步骤3：采集每次施加过程中定子上的最大电流响应值i_A、i_B、i_C，计算三相定子电流响应值通过坐标变换得到d′q′坐标系下的电流i_d′，得到n个i_d′；

其中：θ为每次施加的电压空间矢量与电机静止坐标系A轴的夹角

步骤4：求出n个i_d′中所有大于等于i_d′_max－Δi_d′的i_d′电流，并找出对应i_d′电流的θ值，得到所有θ值中的最大值θ_max与最小值θ_min；

所述Δi_d′为5～10A；

步骤5：估算电励磁同步电机转子初始位置值θ_r：

1、当θ_max－θ_min＜180°时，θ_r＝(θ_max+θ_min)/2；

2、当θ_max－θ_min≥180°时，

如果360°－θ_max≥θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min+360°)/2，

如果360°－θ_max＜θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min－360°)/2。

所述24≤n≤120。

有益效果

本发明提出的一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法，通过对电励磁同步电机转子施加励磁电压，给定子上多次施加电压空间矢量，采集每次施加过程中定子上的最大电流响应值i_A、i_B、i_C，计算三相定子电流响应值通过坐标变换得到d′q′坐标系下的电流i_d′，继而根据i_d′得到对应i_d′电流的电压空间矢量与电机静止坐标系A轴的夹角，从而估算电励磁同步电机转子初始位置值。有益效果：能够减小电励磁同步电机在利用电感饱和效应估算转子初始位置时由于转子励磁磁链波动带来的误差。

附图说明

图1：电压空间矢量的幅值选择要求示意图

图2：电机定子施加电压空间矢量示意图

图3：d′q′坐标系示意图

图4：定子三相电流响应曲线

图5：施加的72个电压空间矢量示意图

图6：不同位置定子三相电流响应曲线

图7：不同位置电流i_d′曲线

图8：θ_max与θ_min示意图

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

(1)对电励磁同步电机转子施加励磁电压。

(2)确定施加的电压空间矢量的幅值、施加时间以及相邻两个电压空间矢量间插入的零矢量的时间。电压空间矢量的幅值从0开始逐渐增加，施加时间为微控制器发PWM波的周期，而相邻两个电压空间矢量间插入的零矢量的时间根据电压空间矢量的幅值以及施加时间而定，一般可以从1ms开始逐渐增加。这一步可以通过示波器观察来完成，确保上述参数可以满足不损坏电机本体的要求，同时应满足每次施加电压空间矢量前，定子三相电流都已衰减到零，如图1所示。本实施例中确定施加的电压空间矢量的幅值U_m＝0.3(调制度)，施加时间200us，相邻两个电压空间矢量间插入零矢量的时间为6ms。

(3)选择所施加的电压空间矢量个数n(24≤n≤120)，如图2所示(以n＝24为例)，设每次施加的电压空间矢量与电机静止坐标系A轴的夹角为θ。电压空间矢量个数太少，会导致估算误差较大，电压空间矢量个数太多，会导致估算计算量变大，且当电压空间矢量个数到达一定数目的时候，不能再继续提高估算精度。本实施例中电压空间矢量个数n＝72，如图5所示。

(4)如图3所示，αβ坐标系固定在电机的定子绕组上，dq坐标系是同步旋转坐标系，d轴与转子的N极同向，θ_r表示转子的实际位置，d′q′坐标系是估算坐标系。令d′q′坐标系与静止坐标系A轴的夹角为θ，d′轴与施加在定子上的电压空间矢量U_s同向。为防止电机转动，按图2所示的顺序1～24来向电机定子施加电压空间矢量(保证每一个电压空间矢量作用前，定子三相电流已经全部减小到0)，同时通过电流传感器采集定子三相电流，如图4所示，取出每一次施加电压空间矢量完毕时对应的定子三相电流响应值i_A、i_B、i_C。本实施例中按图5所示的顺序1～72来向电机定子施加电压空间矢量，同时通过电流传感器采集定子三相电流，取出每一次施加电压空间矢量完毕时对应的定子三相电流响应值i_A、i_B、i_C。所有位置的电流响应值如图6所示。

(5)将得到的三相定子电流响应值通过坐标变换得到d′q′坐标系下的电流i_d′，坐标变换如下式所示。

结果如图7所示。

(6)如图3所示，设d′q′坐标系与转子轴线所在的d轴的夹角为δ，随着|δ|的减小，转子绕组在励磁电压下产生的励磁磁链将与定子d′轴绕组交链的越来越多，使得L_d′越来越小，因此，相比于其他角度的相同幅值的电压空间矢量来说，在d′轴与d轴重合的这个位置电流变化率最大。由于电励磁同步电机转子磁链的波动，存在如图3所示的阴影部分，这部分区域内施加的电压空间矢量所得到的电流响应i_d′在误差范围内几乎是相同的。通过比较得出步骤(5)中算出的最大d′轴电流i_d′_max，由电流采集精度确定误差Δi_d′，求出所有大于等于i_d′_max－Δi_d′的i_d′电流，并找出对应的θ值，比较得出其中的最大值θ_max与最小值θ_min。

本实施例中求出i_d′_max＝255A，确定Δi_d′＝6A，找出所有大于等于i_d′_max－Δi_d′＝249A的i_d′电流对应的角度值，并求出其中的最大值θ_max＝95°与最小值θ_min＝75°，如图8所示。

(7)估算电励磁同步电机转子初始位置值：θ_r＝(θ_max+θ_min)/2，当θ_max－θ_min＞180°时，如果360°－θ_max≥θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min+360°)/2，如果360°－θ_max＜θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min－360°)/2。

本实施例中转子初始位置估算值为θ_r＝(θ_max+θ_min)/2＝85°。

采用本发明所估算的转子初始位置与实际电机转子初始位置84.381°相差0.619个电角度，完全可以满足驱动控制的要求。

Claims (1)

1.一种无位置传感器的电励磁同步电机转子静止初始位置估算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对电励磁同步电机转子施加励磁电压；

步骤2：给定子上施加某一幅值电压空间矢量，等待定子上的电流为零时，按照先对角再逆时针方向施加电压幅值相同的n个电压空间矢量，其中24≤n≤120；

所述施加时间为微控制器发PWM波的周期；所述的幅值保证不损坏电机本体；

步骤3：采集每次施加过程中定子上的最大电流响应值i_A、i_B、i_C，计算三相定子电流响应值通过坐标变换得到d′q′坐标系下的电流i_d′，得到n个i_d′；

其中：θ为每次施加的电压空间矢量与电机静止坐标系A轴的夹角

步骤4：求出n个i_d′中所有大于等于i_d′_max－Δi_d′的i_d′电流，并找出对应i_d′电流的θ值，得到所有θ值中的最大值θ_max与最小值θ_min；

所述Δi_d′为5～10A；

步骤5：估算电励磁同步电机转子初始位置值θ_r：

1、当θ_max－θ_min＜180°时，θ_r＝(θ_max+θ_min)/2；

2、当θ_max－θ_min≥180°时，

如果360°－θ_max≥θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min+360°)/2，

如果360°－θ_max＜θ_min，那么θ_r＝(θ_max+θ_min－360°)/2。