CN103944474A - 快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法，即本算法中电机由电机控制器通过逆变器驱动，通过位置或转速传感器构成电机与电机控制器之间的电流闭环控制，并至少检测2个相电流；算法初始化，假定转子初始位置；通过施加直轴电流，判断转子旋转方向，并记录电机前后两次的状态信息；以前后两次电机转向信息作为判断依据，设置新的搜索步长，并假定新的转子初始位置；通过施加小幅值的交轴电流，确定转子初始角位置，为避免假定的转子初始位置被校准到反相180度的位置上，添加防错措施。本算法无需借助额外硬件电路、检测设备或依赖精确的电机模型，可快速求解永磁同步电机转子的初始角位置，提高检测精度，保证电机精确控制。

Description

快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法

技术领域

本发明涉及一种快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高功率密度、控制性能好、启动特性好等优点。然而转子初始角位置的准确检测是永磁同步电机可靠启动的必要保证，也是按转子磁链定向矢量控制的必要条件。因此转子初始角位置检测是永磁同步电机控制中首先要解决的问题，通常的方法有磁定位方法、高频注入方法、磁饱和规则方法以及利用电机反电势测量的方法。磁定位法在初始化过程中，转子会被强行拉到某个位置，存在较强机械冲击和震荡；高频注入法则只适用于表贴式的永磁同步电机，通用性差，且算法复杂；基于磁饱和规则的方法需要依赖于准确的电机模型和精密的硬件检测电路，成本高，估算精度难保证；电机反电势测量的方法需要借助外部检测设备，如示波器等设备，硬件成本高，而且在一些场合不方便使用。因此传统的永磁同步电机转子初始角位置检测存在一定的缺陷，从而影响了永磁电机的精确控制。

针对转子初始角位置检测，目前已有不少此方面的研究理论，公开号为CN 101369796A的中国专利公开了一种检测永磁同步电机转子磁极初始位置的方法和系统，提出了一种高频注入方法，通过施加短周期正负交替变化的直轴（d0轴）电流，计算一个周期内的交轴（q0轴）电流变化累积量，并通过对比前一次和本次的q0轴电流累计量的符号，不断调整假定的转子磁极位置，直到q0轴累计电流小于设置的阈值。这种方法中，搜索方向和调整决策的依据完全依赖于的电流检测精度，对传感器和硬件配置要求比较高，并需要借助复杂控制策略，不易推广。公开号为CN 101594114A的中国专利公开了一种永磁同步电机转子初始位置角的确定方法，利用电磁转矩逼近转子初始位置，通过施加交轴电流和本次电机转动方向做出角位调整，最大搜索范围是[0,180)度，最后再通过一个补救措施判断搜索结果是否需取反。该方法一旦收敛精度确定，算法的搜索次数是固定不变的，即使假定转子位置与实际转子位置十分接近，甚至相同，也同样需要大概10次的搜索；当假定的转子初始位置与实际转子磁场位置相差很远时，搜索步长仍会以恒定减小一半的规律去接近，搜索速度变慢；在判断转子转动线数时，没有指明开始计数条件，当电机在惯性作用下继续转动时，有可能造成判断上错误，导致搜索并未按设计逻辑执行，所以对搜索结果的精度不能保证。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法，本算法克服传统电机转子初始角检测方法的缺陷，无需借助额外的硬件电路、检测设备或依赖精确的电机模型，可快速求解永磁同步电机转子的初始角位置，提高检测精度，保证电机的精确控制。

为解决上述技术问题，本发明快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法包括如下步骤：

步骤一、电机控制器通过逆变器驱动永磁同步电机，永磁同步电机通过位置或转速传感器反馈信号至电机控制器并构成电流闭环控制，电机控制器通过电流互感器至少检测永磁同步电机的2个相电流；

步骤二、假定转子初始位置为180度，即电角度周期的一半，搜索步长为90度，设定电机初始状态为停机状态，电机转向切换次数、算法迭代次数均初始化为零次，其中算法迭代次数≥电机转向切换次数；

步骤三、当电机转速为3～5rpm时，由电机控制器通过逆变器对电机施加30～50%电机额定电流的直轴电流，通过电机控制器观察电机在0.2S内是否发生幅值大于15rpm的转动，若发生转动则做好相应的电机状态标志并转入步骤四，若未发生转动，标记转子位置并转入步骤五；当电机转速＜3rpm、算法迭代步长＜10或算法迭代次数＞9次，则标记转子位置并转入步骤五；

步骤四、判断本次电机运行状态与前次是否相同，如相同，按原搜索步长继续快速搜索；如不同，设定搜索步长为原搜索步长的0.618倍，同时根据电机转向信息，当电机出现正转时，设定搜索步长为负号，当电机出现反转时，设定搜索步长为正号，通过电机方向切换次数以及电机转向信息，确定完整的搜索步长幅值及方向，同时更新假定的转子初始位置信息；

步骤五、对电机施加1～2%电机额定电流的交轴电流，在交轴电流作用下，转子将发生转动，若电机正向旋转，步骤三标记的转子位置即为转子初始角位置；若电机反向旋转，步骤三标记的转子位置减180度后作边界值处理，即为转子初始角位置。

进一步，上述位置或转速传感器是旋转变压器。    

由于本发明快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法采用了上述技术方案，即本算法中电机由电机控制器通过逆变器驱动，通过位置或转速传感器构成电机与电机控制器之间的电流闭环控制，并至少检测2个相电流；算法初始化，假定转子初始位置；通过施加直轴电流，判断转子旋转方向，并记录电机前后两次的状态信息；以前后两次电机转向信息作为判断依据，设置新的搜索步长，并假定新的转子初始位置；通过施加小幅值的交轴电流，确定转子初始角位置，为避免假定的转子初始位置被校准到反相180度的位置上，添加防错措施。本算法克服传统电机转子初始角检测方法的缺陷，无需借助额外的硬件电路、检测设备或依赖精确的电机模型，可快速求解永磁同步电机转子的初始角位置，提高检测精度，保证电机的精确控制。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为本算法中永磁同步电机的控制系统原理框图；

图2为本算法中步骤二的原理框图；

图3为本算法中步骤三的原理框图；

图4为本算法中步骤四的原理框图；

图5为本算法中步骤五的原理框图。

具体实施方式

本发明快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法包括如下步骤：

步骤一、如图1所示，电机控制器2通过逆变器1驱动永磁同步电机3，永磁同步电机3通过位置或转速传感器4反馈信号至电机控制器2并构成电流闭环控制，电机控制器2通过电流互感器5至少检测永磁同步电机3的2个相电流；

步骤二、如图2所示，假定转子初始位置为180度，即电角度周期的一半，搜索步长为90度，设定电机初始状态为停机状态，电机转向切换次数、算法迭代次数均初始化为零次，其中算法迭代次数≥电机转向切换次数；

步骤三、如图3所示，当电机转速为3～5rpm时，由电机控制器通过逆变器对电机施加30～50%电机额定电流的直轴电流，通过电机控制器观察电机在0.2S内是否发生幅值大于15rpm的转动，若发生转动则做好相应的电机状态标志并转入步骤四，若未发生转动，标记转子位置并转入步骤五；当电机转速＜3rpm、算法迭代步长＜10或算法迭代次数＞9次，则标记转子位置并转入步骤五；

步骤四、如图4所示，判断本次电机运行状态与前次是否相同，如相同，按原搜索步长继续快速搜索；如不同，设定搜索步长为原搜索步长的0.618倍，同时根据电机转向信息，当电机出现正转时，设定搜索步长为负号，当电机出现反转时，设定搜索步长为正号，通过电机方向切换次数以及电机转向信息，确定完整的搜索步长幅值及方向，同时更新假定的转子初始位置信息；

步骤五、如图5所示，对电机施加1～2%电机额定电流的交轴电流，在交轴电流作用下，转子将发生转动，若电机正向旋转，步骤三标记的转子位置即为转子初始角位置；若电机反向旋转，步骤三标记的转子位置减180度后作边界值处理，即为转子初始角位置。

进一步，上述位置或转速传感器4是旋转变压器。

本算法无需借助外部检测设备，或依赖高分辨率的硬件检测电路，利用矢量控制基本原理，结合黄金分割的思想，设计了一种快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法。矢量控制将电机定子电流解耦成励磁电流（直轴电流）和转矩电流（交轴电流）。如果假定的转子初始位置与实际转子磁场有偏差，则施加的直轴电流将会有一部分被分配到交轴上，从而产生电磁转矩，转子转动。根据前后两次转子转动状态，便可以制定搜索步长及假定新的转子初始位置，利用这样的基本控制原理，结合工程上广泛使用的黄金分割思想，制定搜索策略，通过施加一定的定子电流，使搜索结果类似摆钟摆动一样实现快速收敛，通过合理设置定子电流幅值和收敛接受标准，便可以迅速找到转子初始角位置，转子初始角位置误差可控制在±1%电角度范围内。本发明将电机控制中永磁同步电机转子初始角位置求解问题，通过基本的电机理论转化为数学问题，实现了一种快速求解转子初始角位置的算法。本算法与传统的转子初始角位置检测方法相比，具有实现简单，成本低，搜索快速的优势，具有一定推广价值。

Claims (2)

1.一种快速求解永磁同步电机转子初始角位置的算法，其特征在于本算法包括如下步骤：

步骤一、电机控制器通过逆变器驱动永磁同步电机，永磁同步电机通过位置或转速传感器反馈信号至电机控制器并构成电流闭环控制，电机控制器通过电流互感器至少检测永磁同步电机的2个相电流；

步骤二、假定转子初始位置为180度，即电角度周期的一半，搜索步长为90度，设定电机初始状态为停机状态，电机转向切换次数、算法迭代次数均初始化为零次，其中算法迭代次数≥电机转向切换次数；

步骤三、当电机转速为3～5rpm时，由电机控制器通过逆变器对电机施加30～50%电机额定电流的直轴电流，通过电机控制器观察电机在0.2S内是否发生幅值大于15rpm的转动，若发生转动则做好相应的电机状态标志并转入步骤四，若未发生转动，标记转子位置并转入步骤五；当电机转速＜3rpm、算法迭代步长＜10或算法迭代次数＞9次，则标记转子位置并转入步骤五；

步骤四、判断本次电机运行状态与前次是否相同，如相同，按原搜索步长继续快速搜索；如不同，设定搜索步长为原搜索步长的0.618倍，同时根据电机转向信息，当电机出现正转时，设定搜索步长为负号，当电机出现反转时，设定搜索步长为正号，通过电机方向切换次数以及电机转向信息，确定完整的搜索步长幅值及方向，同时更新假定的转子初始位置信息；

步骤五、对电机施加1～2%电机额定电流的交轴电流，在交轴电流作用下，转子将发生转动，若电机正向旋转，步骤三标记的转子位置即为转子初始角位置；若电机反向旋转，步骤三标记的转子位置减180度后作边界值处理，即为转子初始角位置。

2.根据权利要求1所述的快速求解永磁同步电机转子初始角位置的方法，其特征在于：所述位置或转速传感器是旋转变压器。