CN103986394A - 一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法，该方法在采用高频电压注入法实现初次初始位置估计的基础上，直接通过比较d轴电流响应的正向峰值与负向峰值的大小判断d轴正方向，全过程只需注入一次信号，显著缩短了估计时间，简化了估计过程。

Description

一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，更具体地说是一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法。

背景技术

永磁电机凭借其高功率因素、高功率密度和高效率的优点，得到了广泛的应用。它分为表贴式、嵌入式和内埋式三种。转子磁钢表贴式永磁同步电机(SPMSM)制造最简单，因此应用也最为广泛。矢量控制技术能够使永磁同步电机实现良好的运行性能，其控制过程需要转子位置信息，由于机械式位置传感器存在体积重量大、成本高、安装不便和特殊场合精度差的问题，无传感器控制技术得到了广泛的关注，其中零速和低速情况下的位置估计为一大难点，并且由于SPMSM本身不具备凸极性，其位置估计更加困难，常采用脉振高频信号注入的方式激发其“饱和凸极性”，再实现位置估计。

贾洪平,贺益康.基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究[J].中国电机工程学报,2007,27(15):15-20.利用高频电压注入导致电感的变化，根据高频阻抗的大小和信号所注入的位置之间的关系来获得转子初始位置，再比较不同电压脉冲激励下的电流响应幅值判断d轴正方向。刘颖,周波,李帅,等.转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J].中国电机工程学报,2011,31(18):48-54.基于SPMSM定子铁心的非线性饱和特性，首先在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频正弦电压信号，通过闭环调节得到转子位置的初次估计值，再在估计的d轴方向注入正负电压脉冲，利用不同磁极下d轴等效时间常数的不同判断d轴正方向。上述基于高频信号注入的方法均将估计过程分为初次位置估计和d轴正方向判断两个阶段，需两次注入信号。在d轴正方向判断过程中均需注入电压脉冲，利用电流响应时间的差异判断d轴正方向，这类方法在d轴正方向判断过程需要花费一定的时间，同时电压脉冲的幅值大小和持续时间若选择不当可能导致d轴正方向判断出错。

发明内容

本发明在采用高频电压注入法实现初次初始位置估计的基础上，直接通过比较d轴电流响应的正向峰值与负向峰值的大小判断d轴正方向，全过程只需注入一次信号，显著缩短了估计时间，简化了估计过程。

为解决上述技术问题，本发明一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法，该方法先获取转子位置初次估算值，再判断d轴正方向，将转子位置初次估算值加上d轴正方向判断后的补偿值即为最终初始位置估计值，其中，判断d轴正方向的过程如下：

检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应以为一个周期，将一个周期内的d轴电流响应的最大值，作为正向电流峰值；将d轴电流响应的最小值的绝对值，作为负向电流峰值，比较正向电流峰值与负向电流峰值的大小；若正向电流峰值大于负向电流峰值，则表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0；若正向电流峰值小于负向电流峰值，则表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π，其中ω_h为在d轴注入高频电压的角频率。

进一步地优选方案，本发明一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法中，获取转子位置初次估算值的步骤如下：

步骤1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压U_hmcos(ω_ht)，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻；

步骤2、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；

步骤3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤4、将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量，再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号；

步骤5、构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号作为PI调节器的输入，估计转子角速度为PI调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤1-5，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值。

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：本发明在初始位置估计全过程中只需注入一次信号，d轴正方向判断过程直接通过比较电流峰值的大小完成，无需二次注入信号，比较过程在初次初始位置估计结束时刻即可完成，不需额外花费时间，显著缩短了初始位置估计所需时间，简化了估计过程。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述；

附图说明

图1表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的原理框图；

图2两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；

图3初次初始位置估计的信号提取与调制过程的原理框图；

图4d轴正方向判断的信号提取与调制过程的原理框图；

图5(a)电机实际转子位置为1rad时，位置估计值随时间变化的波形图；

图5(b)电机实际转子位置为1rad时，正向电流峰值与负向电流峰值随时间变化的波形图；

图5(c)电机实际转子位置为4rad，位置估计值随时间变化的波形图；

图5(d)电机实际转子位置为4rad时，正向电流峰值与负向电流峰值随时间变化的波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立坐标系关系图，如图2所示，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差其中，θ为实际转子初始位置，为位置估计值，的初始值为0；

步骤2、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压q轴给定电压信号，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻，ω_h为在d轴注入高频电压的角频率；

步骤3、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到实际两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到六路开关信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；

步骤4、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到实际两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤5、如图3所示，将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；

步骤6、如图3所示，PI为比例积分调节器，I为积分调节器，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度为调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤2-6，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值

步骤7、如图4所示，判断d轴正方向，检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应以为一个周期，将一个周期内的d轴电流响应的最大值，作为正向电流峰值将d轴电流响应的最小值的绝对值，作为负向电流峰值比较正向电流峰值与负向电流峰值的大小；若则表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0，最终初始位置估计值为若则表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π，最终初始位置估计值为

对上述d轴正方向判断方法的理论分析如下：由于永磁同步电机的d轴方向存在永磁体激磁，d轴电流为0时磁场处于临界饱和区，d轴电流为正时磁场饱和，电感减小，正向电流峰值增大；d轴电流为负时磁场退饱和，电感增大，负向电流峰值减小，因此正向电流峰值大于负向电流峰值。若磁极方向判断正确，估计d轴与实际d轴重合，估计d轴电流与实际d轴电流一致；若磁极判断反向，估计d轴与实际d轴反向，根据坐标变换原理，估计d轴电流与实际d轴电流相比符号取反，其正向电流峰值小于负向电流峰值，因此可通过比较估计d轴正负向电流峰值的大小确定d轴正方向。

如图5(a)、图5(b)所示，实际转子初始位置为1rad，由于表示d轴正方向与磁极N极同向，无需对初次估计位置进行角度补偿，θ_c＝0，即如图5(c)、图5(d)所示，实际转子初始位置为4rad，由于表示d轴正方向与磁极N极反向，需对初次估计位置补偿π弧度，θ_c＝π，即 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_1={\widehat{\mathrm{\θ}}}_0+\mathrm{\π}.$

Claims (2)

1.一种用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法，该方法先获取转子位置初次估算值，再判断d轴正方向，将转子位置初次估算值加上d轴正方向判断后的补偿值即为最终初始位置估计值，其特征在于，判断d轴正方向的过程如下：

检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应以为一个周期，将一个周期内的d轴电流响应的最大值，作为正向电流峰值；将d轴电流响应的最小值的绝对值，作为负向电流峰值，比较正向电流峰值与负向电流峰值的大小；若正向电流峰值大于负向电流峰值，则表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0；若正向电流峰值小于负向电流峰值，则表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π，其中ω_h为在d轴注入高频电压的角频率。

2.根据权利要求1所述的用于表贴式永磁同步电机转子初始位置检测的方法，

其特征在于，获取转子位置初次估算值的步骤如下：

步骤1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压U_hmcos(ω_ht)，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻；

步骤2、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；

步骤3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤4、将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量，再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号；

步骤5、构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号作为PI调节器的输入，估计转子角速度为PI调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤1-5，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值。