CN103986393B - 一种永磁同步电机转子初始位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，属于永磁同步电机控制领域。首先，在估计的同步旋转坐标系中注入脉振高频电压信号，经信号处理得到有关转子位置误差的信号，经积分调节器得到初次转子位置估计值；然后，提取三相载波SPWM中的载波信号磁饱和分量，对其进行外差法处理得到磁极判断信号，根据该信号正负即可判断电机转子磁极的极性。结合初次估计值，得到最终的转子初始位置信息。本发明能同时适用于表贴式和内置式的永磁同步电机，能够对永磁同步电机转子初始位置进行快速、精确、可靠的初始位置检测。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，属于永磁同步电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机以其结构简单、体积小、重量轻、效率高等优点，逐渐成为交流调速传动领域的研究热点。高性能的交流调速传动系统一般需要在转子轴上安装机械式位置传感器，以测量电机的转子速度和位置。而安装的机械式传感器不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低了系统的可靠性。为了解决该问题，无位置传感器技术应运而生，成为永磁同步电机控制领域的研究热点。无位置传感器控制系统是指利用电机绕组的有关电信号，通过适当方法估计出转子的速度和位置，取代机械式传感器，实现传动系统的闭环控制。

对电机进行调速控制，首先要启动电机，传统的机械式位置传感器能够通过检测电机静止时转子的磁极位置，来使电机和其逆变器配合工作于自控同步状态，因而电机起动将不会失步。而无位置传感器技术无法在电机静止时，从电机的电气特性得到转子的初始位置。初始位置检测关系到电机能否顺利起动，是无位置传感器控制的重要环节。因此，起动问题是实现无位置传感器运行的又一大问题。

永磁同步电机按照转子结构可以分为隐极性的表贴式结构和凸极性的内置式结构。与内置式的永磁同步电机相比，表贴式永磁同步电机结构更为简单、制造成本更低、漏磁系数更小，且表贴式永磁同步电机转子结构中的永磁体磁极易于实现最优设计，能使电机气隙磁密波形趋近于正弦波分布，进而提高电机的运行性能，因此表贴式永磁同步电机得到了更加广泛的应用。但是当前现有的无位置传感器初始位置检测多数是针对凸极性的永磁同步电机，依赖其本身凸极性进行初始位置检测。表贴式永磁同步电机因本身不具有凸极性，因此初始位置检测难度更高。

针对表贴式永磁同步电机初始位置检测，常用的方法是基于脉振高频信号注入法，这种方法的本质是通过构造人为的饱和凸极性来实现初始位置检测。这类方法一般分两步实现初始位置检测：①在估计的同步旋转坐标系中的轴上注入高频电信号，通过PI调节得到初次转子位置估计值；②通过注入其他形式的信号，进行磁极判断。结合①中的初次估计值，得到最终正确的转子初始位置信息。但是这类方法需多次注入不同形式的信号，为保证注入不同形式的信号有效工作，需确保它们相隔一定的时间间隔。可见，这类方法转子位置信息提取过于复杂、检测周期过长、实用性不高。

综上所述，有必要研究一种快速、可靠、实用，并且同时适用于表贴式和内置式的永磁同步电机的转子初始位置检测方法。

发明内容

本发明的目的是解决当前现有的基于高频信号注入法检测转子初始位置需多次注入不同形式信号、转子位置信息提取过于复杂、检测周期过长、实用性不高等问题。提供一种快速、可靠、实用，并且能够同时适用于表贴式和内置式的永磁同步电机的转子初始位置检测方法。

本发明为解决其技术问题采用如下技术方案：

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，包括以下步骤：

步骤A：在估计的同步旋转坐标系中的轴上注入高频余弦电压信号，即注入信号为：

式中，为两相估计旋转坐标系下的直轴高频电压分量，为两相估计旋转坐标系下的交轴高频电压分量，为注入高频信号的幅值，为注入高频信号的角频率；

步骤B：注入的高频电压信号在轴上产生一个高频电流响应；

步骤C：将与调制信号相乘，再经低通滤波后得到一个转子位置误差信息的信号，经积分调节器得到初次转子位置估计值；

步骤D：采用带通滤波器提取三相载波正弦脉宽调制逆变器中的载波成分在两相静止坐标系下的电流响应，其中下标代表载波分量；

步骤E：由于注入脉振高频电压信号，使得电机d轴磁链产生饱和，磁链与电流之间呈现非线性关系，对进行相对坐标变换，变换坐标角度关系为，提取其实部信息，获得中的磁饱和电流分量；

步骤F：采用外差法处理，外差因子为，获得磁极判断信号为：

其中，为磁饱和电流分量的幅值，为电机转子实际位置、为电机转子估计位置，为三相载波SPWM的载波角频率；

的正负用于判断转子的磁极极性，如果执行步骤G，如果执行步骤H；

步骤G：转子位置位于N极所在的位置，转子初始估计角度，完成初始位置检测；

步骤H：转子位置位于S极所在的位置，转子初始估计角度，完成初始位置检测。

本发明的有益效果如下：

本发明提供了一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，能够对永磁同步电机转子初始位置进行快速、精确、可靠的初始位置估算，与传统的基于高频信号注入的永磁同步电机初始位置检测方法相比，检测周期较短、实现简单、实用性强，并且同时适用于表贴式和内置式的永磁同步电机。另外，本发明无需额外增加硬件电路成本。

附图说明

图1是本发明方法流程图。

图2是注入脉振高频信号进行转子初始位置初次估计的原理框图。

图3是利用三相载波SPWM逆变器中的载波成分进行电机转子磁极极性判断的原理框图。

图4是转子初始位置的检测的原理框图。

图5是实际同步旋转坐标系、估计同步旋转坐标系与实际两相静止坐标系和实际三相静止坐标系的相对位置关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造做进一步详细说明。

本发明方法的具体实施方式包括以下步骤：

步骤A：定义电机转子实际位置为、估计位置为且滞后于、估计位置误差为，三者的关系如图5所示。其中，为实际同步旋转坐标系，为估计同步旋转坐标系，为实际两相静止坐标系，A-B-C为实际三相静止坐标系。

步骤B：如图2所示，在估计的同步旋转坐标系中的轴上注入高频余弦电压信号，即注入信号为：

式中，为两相估计旋转坐标系下的直轴高频电压分量，为两相估计旋转坐标系下的交轴高频电压分量，为注入高频信号的幅值，为注入高频信号的角频率。

步骤C：电机在同步旋转坐标系下的电压方程为：

其中，、、、、、为d、q轴的电压、电流、电感，是电机的电角速度，为定子相电阻，为永磁体基波励磁磁场链过定子绕组的磁链，p为微分算子。

因为注入信号的角频率远高于电机的旋转角频率，且电机静止，则d-q坐标系下的高频电压方程可简化为：

其中，、、、、和分别为d、q轴的高频电压、电感和电流。

步骤D：注入的高频电压信号经过一系列的坐标变换在轴上将产生一个与注入高频信号同频率的高频q轴电流响应为：

式中，为注入高频信号的幅值，为注入高频信号的角频率，为电机转子实际位置，，，和分别为d、q轴的高频电感。

步骤E：如图2所示，将q轴电流经带通滤波器（BPF）可提取到。

步骤F：将与相乘，并经低通滤波器（LPF）可得如下信号：

式中，为与注入高频信号同频率的高频q轴电流响应，为注入高频信号的幅值，为注入高频信号的角频率，为估计位置误差，，，和分别为d、q轴的高频电感，。

步骤G：采用单积分调节控制器，使得趋近于0。

步骤H：设初始值为0，设置判断时刻t ₁（本方案中设置t ₁为0.05s），判断当调节到0的算法运行到t时刻时，是否仍然为0。

判断结果为否，继续运行调节到0的算法至t ₂时刻（本方案中设置t ₂为0.25s），获得初次转子位置估计值；判断结果为是，则表明电机转子处于0、π/2、π或3π/2这四个特殊位置，改变值为一个非零的常数a（本方案中设置a=π/4），返回执行步骤G至t ₂时刻，获得初次转子位置估计值。

步骤I：如图3所示，在时刻t ₃（本方案中设置t ₃为0.3s），采用带通滤波器（BPF）提取三相载波SPWM逆变器中的载波成分在两相静止坐标系下的电流响应，其中下标代表载波分量；

步骤J：对进行相对坐标变换，变换坐标角度关系为，提取其实部信息，获得中的磁饱和电流分量；

步骤K：采用外差法处理，外差因子为，获得磁极判断信号为：

其中，为磁饱和电流分量的幅值，为电机转子实际位置，为电机转子估计位置，为三相载波SPWM的载波角频率；

步骤L：根据的正负判断转子的磁极极性。

如果，表明转子位置位于N极所在的位置，转子初始估计角度；如果，表明转子位置位于S极所在的位置，转子初始估计角度，完成初始位置检测。

结合图2所示的转子初始位置初次估计的原理框图和图3所示的转子磁极极性判断的原理框图，可得转子初始位置的检测的原理框图如图4所示，对应的信号处理过程流程图如图1所示。

在图2、3、4中，Prak/Clarke逆变换表示由两相同步旋转坐标系到三相静止坐标系A-B-C的坐标变换，Clarke变换表示由三相静止坐标系A-B-C到两相静止坐标系的坐标变换，Park变换表示由两相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的坐标变换。

选取的逆变器的PWM模式采用载波为三相三角波的SPWM调制方式，三相载波SPWM信号相差2π/3的相位角，使得逆变器输出线电压的频谱中含有载波及载波谐波成分。该三相载波成分在脉振高频信号产生的“饱和凸极性”的影响下也产生磁饱和分量。利用载波信号的饱和分量可以进行转子磁极极性判断。若采用共用载波SPWM调制方式，由于三相调制波共用一个载波信号，使得逆变器输出线电压中的载波及载波谐波成份被消除掉，无法提取用于磁极判断的磁饱和分量。

逆变器采用三相载波SPWM调制方式，但不同于载波频率成分法利用三相载波SPWM调制方式以获取转子位置角的原理，载波频率成分法通过对电机定子电流中载波频率成分电流信号的包络线进行处理或者对载波频率成分电流信号进行积分，实现转子位置的估计，且载波频率成分法通常只适用于凸极率较高的内置式永磁同步电机。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：在估计的同步旋转坐标系中的轴上注入高频余弦电压信号，即注入信号为：

式中，为两相估计旋转坐标系下的直轴高频电压分量，为两相估计旋转坐标系下的交轴高频电压分量，为注入高频余弦电压信号，为注入高频信号的角频率；

步骤B：注入高频余弦电压信号在轴上产生一个高频电流响应；

步骤C：将与调制信号相乘，再经低通滤波后得到一个转子位置误差信息的信号，经积分调节器得到初次转子位置估计值；

步骤D：采用带通滤波器提取三相载波正弦脉宽调制逆变器中的载波成分在两相静止坐标系下的电流响应，其中下标代表载波分量；

步骤E：由于注入高频余弦电压信号，使得电机d轴磁链产生饱和，磁链与电流之间呈现非线性关系，对进行相对坐标变换，变换坐标角度关系为，提取其实部信息，获得中的磁饱和电流分量；

步骤F：采用外差法处理，外差因子为，获得磁极判断信号为：

其中，为磁饱和电流分量的幅值，为电机转子实际位置、为电机转子估计位置，为三相载波SPWM的载波角频率；

的正负用于判断转子的磁极极性，如果执行步骤G，如果执行步骤H；

步骤G：转子位置位于N极所在的位置，转子初始估计角度，完成初始位置检测；

步骤H：转子位置位于S极所在的位置，转子初始估计角度，完成初始位置检测。