CN104022709B - 一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于机电控制领域，提供了一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统。该方法及系统采用至少两次定位方式，以保证对转子初始位置的成功定位。这样，若出现施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的角度为180度的情况，则后续定位可起到对第一次定位错误进行补救的作用，最终将电机的转子成功定位在已知的位置，使得电机得以成功启动。

Description

一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统

技术领域

本发明属于机电控制领域，尤其涉及一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统。

背景技术

目前，永磁同步电机正逐步取代异步电机而被广泛应用在空调压缩机中。为了提高永磁同步电机的运行效率，在电机控制部分通常采用磁场定向控制(Field OrientedControl，FOC)控制策略。

图1示出了采用该控制策略的永磁同步电机控制系统的结构原理。该永磁同步电机控制系统包括用于将直流输入转换成三相交流输出的三相逆变器、以及用于输出PWM信号以驱动三相逆变器工作的永磁同步电机控制器。在永磁同步电机控制器中，单电阻电流采样模块用于采样三相逆变器的母线电流；三相电流重构模块用于对单电阻电流采样模块采样的母线电流重构，得到三相定子线圈电流；逆派克变换模块用于进行坐标变换，将旋转坐标系下的直轴电压U_d和交轴电压U_q转换为α-β静止坐标系下的定子相电压矢量的分量U_α和U_β；脉宽调制模块根据两个分量U_α和U_β计算实际输出的PWM信号的占空比，生成并输出具有相应占空比的PWM信号，以驱动三相逆变器中的开关进行相应的开合动作。

前述永磁同步电机控制系统控制电机启动的过程包括如下三个子过程：定位过程，是指在电机启动前，由于转子位置未知而施加给定子一个恒定的电压矢量，以使得转子定位在某一已知的初始位置；开环拖动过程，是指控制转子以初始位置为起点，缓慢增加定子上电压矢量的旋转速度，以将转子拖动起来；闭环运行过程，是指当转子的旋转速度足够高而使得转子位置估算模块的结果收敛(即：可估算出准确的转子位置角度)时，对电机进行FOC控制。

在其中的定位过程中，现有技术采用了一次定位方式，这样，若一次性施加给定子的电压矢量使得定位后的转子位置与期望值反向，则会导致定位失败，使得电机无法成功启动。所谓的期望值是指施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的角度为0，即施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量同向，如图2b所示；然而这种一次定位方式存在一种天然的缺陷，即在定位过程中有可能出现施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的角度为180度的情况，亦即出现施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量反向的情况，如图2c所示，该种定位反向的情况属于无法自恢复的稳态，若在该转子位置进行开环拖动操作，则极易造成失步，进而导致启动失败。

发明内容

本发明实施例的目的在于提供一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，旨在解决现有技术采用一次定位方式对永磁同步电机的转子进行初始位置的定位，容易导致定位失败而使得电机无法成功启动的问题。

本发明实施例是这样实现的，一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，所述方法包括以下步骤：

根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作；

根据上位机发出的所述启动指令，至少两次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度，以实现对转子的至少两次定位；

在最后一次向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制所述单电阻电流采样模块和所述三相电流重构模块恢复工作。

本发明实施例的另一目的在于提供一种永磁同步电机中转子初始位置的定位系统，所述系统包括：

第一工作模式控制模块，用于根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作；

定位模块，用于根据上位机发出的所述启动指令，在所述工作模式控制模块执行完毕后，至少两次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度，以实现对转子的至少两次定位；

第二工作模式控制模块，用于在所述定位模块最后一次向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制所述单电阻电流采样模块和所述三相电流重构模块恢复工作。

本发明实施例的另一目的在于提供一种永磁同步电机控制系统，包括三相逆变器、以及驱动所述三相逆变器工作的永磁同步电机控制器，所述永磁同步电机控制器包括单电阻电流采样模块、三相电流重构模块、以及逆派克变换模块，所述永磁同步电机控制器还包括如上所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统。

本发明实施例提出的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统采用至少两次定位方式，以保证对转子初始位置的成功定位。这样，若出现施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的角度为180度的情况时，则后续定位可起到对第一次定位错误进行补救的作用，最终将电机的转子成功定位在已知的位置，使得电机得以成功启动。

附图说明

图1是采用FOC控制策略的永磁同步电机控制系统的结构原理图；

图2a是永磁同步电机的转子在定位起始时刻、施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的关系图；

图2b是永磁同步电机的转子定位成功时、施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的关系图；

图2c是永磁同步电机的转子定位失败时、施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的关系图；

图3是本发明实施例提供的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法的流程图；

图4是本发明实施例中，对转子进行至少两次定位步骤的详细流程图；

图5是现有技术中，单电阻电流采样模块与三相逆变器的电路图；

图6是现有技术中，空间电压矢量的非观测过渡区域的示意图；

图7是本发明实施例提供的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统的结构图；

图8是图7中定位模块的具体结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有永磁同步电机在转子初始位置定位时存在的问题，本发明提出的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法采用至少两次定位方式，以保证对转子初始位置的成功定位。

图3示出了本发明实施例提供的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法的流程，包括以下步骤：

步骤S1：根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作。

步骤S2：根据上位机发出的启动指令，至少两次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度，以实现对转子的至少两次定位。

详细地，如图4所示，步骤S2可以包括以下步骤：

步骤S21：接收上位机发出的启动指令。

步骤S22：根据启动指令，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第一交轴电压值U_q1及第一转子位置角度θ₁，同时向逆派克变换模块输入从0开始、以一定加速度增加到第一设定值的第一直轴电压值U_d1，之后保持输出第一设定值第一时间T₁，以实现对转子的第一次定位。其中的第一交轴电压值U_q1、第一转子位置角度θ₁及第一直轴电压值U_d1既可以由用户预先设定，也可以根据用户在电机启动过程中的操作实时生成。

为了使得电机启动平稳，本发明实施例中，第一直轴电压值U_d1应以一定加速度缓慢增加到第一设定值。优选地，第一直轴电压值U_d1以恒定加速度缓慢增加到第一设定值。

为了保证电机转子转动到位，本发明实施例中，需要第一直轴电压值U_d1在增加到第一设定值后，保持在第一设定值T₁时间。

另外，如图5所示，单电阻电流采样模块在利用单电阻R₁对三相逆变器的母线电流进行采样时，会存在由于采样窗口时间过短而不足以准确获取和重构三相相电流信号的非观测区域。如图6所示，在调制空间内，将空间电压矢量分为6个扇区和8个基本空间电压矢量，这样，任意方向及大小的空间电压矢量均可由两个相邻的基本空间电压矢量合成得到，而在每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域内(即图6中每一基本空间电压矢量两侧的虚线所围的阴影区域内)，由于对母线的采样窗口时间过短，两个基本空间电压矢量中的一个作用时间很短，不易获取准确的采样时刻，只能采集到一相电流而不能准确采集到另一相电流，因而无法实现三相电流的重构。因此，优选地，第一转子位置角度θ₁不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度，即是说，第一转子位置角度θ₁应落在图6中非过渡区域内。

步骤S23：在第一次定位后，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第二交轴电压值U_q2及第二转子位置角度θ₂，同时向逆派克变换模块输入从第一设定值的第一直轴电压U_d1开始、以一定加速度增加到第二设定值的第二直轴电压值U_d2，之后保持输出第二设定值第二时间T₂，以实现对转子的第二次定位。其中的第二交轴电压值U_q2、第二转子位置角度θ₂及第二直轴电压值U_d2既可以由用户预先设定，也可以根据用户在电机启动过程中的操作实时生成。

为了使得电机启动平稳，本发明实施例中，第二直轴电压值U_d2应以一定加速度缓慢增加到第二设定值。优选地，第二直轴电压值U_d2以恒定加速度缓慢增加到第二设定值。

为了保证电机转子转动到位，本发明实施例中，需要第二直轴电压值U_d2在增加到第二设定值后，保持在第二设定值T₂时间。优选地，第二时间T₂大于第一时间T₁。

本发明实施例中，第二转子位置角度θ₂为第一转子位置角度θ₁在电机转子旋转方向上继续旋转得到。例如，若电机转子逆时针旋转，则第二转子位置角度θ₂通过在第一转子位置角度θ₁的基础上逆时针增加一角度获得；若电机转子顺时针旋转，则第二转子位置角度θ₂通过在第一转子位置角度θ₁的基础上顺时针增加一角度获得。

优选地，第二转子位置角度θ₂不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度，即是说，第二转子位置角度θ₂应落在图6中非过渡区域内。

步骤S3：在最后一次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块恢复工作。之后，可以从第二转子位置角度θ₂的位置开始开环拖动转子转动，并当转子的旋转速度足够高而使得转子位置估算模块的结果收敛时，对电机进行闭环控制。

图7示出了本发明实施例提供的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统的结构。

具体地，本发明实施例提供的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统包括：第一工作模式控制模块1，用于根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作；定位模块2，用于根据上位机发出的启动指令，在工作模式控制模块1执行完毕后，至少两次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度，以实现对转子的至少两次定位；第二工作模式控制模块3，用于在定位模块2最后一次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块恢复工作。

其中，如图8所示，定位模块2可包括：指令接收子模块21，用于接收上位机发出的启动指令；第一定位子模块22，用于根据指令接收子模块21接收到的启动指令，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第一交轴电压值U_q1及第一转子位置角度θ₁，同时向逆派克变换模块输入从0开始、以一定加速度增加到第一设定值的第一直轴电压值U_d1，之后保持输出第一设定值第一时间T₁，以实现对转子的第一次定位；第二定位子模块23，用于在第一定位子模块22第一次定位后，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第二交轴电压值U_q2及第二转子位置角度θ₂，同时向逆派克变换模块输入从第一设定值的第一直轴电压值U_d1开始、以一定加速度增加到第二设定值的第二直轴电压值U_d2，之后保持输出第二设定值第二时间T₂，以实现对转子的第二次定位。

本发明实施例还提供了一种永磁同步电机控制系统，包括用于将直流输入转换成三相交流输出的三相逆变器、以及用于输出PWM信号以驱动三相逆变器工作的永磁同步电机控制器。其中的永磁同步电机控制器包括单电阻电流采样模块、三相电流重构模块、以及逆派克变换模块，该永磁同步电机控制器还包括一如上所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统，在此不赘述。

本发明实施例提出的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法及系统采用至少两次定位方式，以保证对转子初始位置的成功定位。这样，若出现施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间的角度为180度的情况，则后续定位可起到对第一次定位错误进行补救的作用，使得出现反向的施加给定子的电压矢量与转子磁链矢量之间继续错开一定角度。这样，转子最终定位后的位置即便不是期望值，也仍可实现自恢复，从而避免定位失败，最终将电机的转子成功定位在已知的位置，使得电机得以成功启动。另外，每次定位时向逆派克变换模块输入的转子位置角度不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度，以使得三相电流在不移动PWM波形的情形下得以重构，从而避免在电机启动过程中由于移动PWM波形而引入的谐波噪音，提高了电机性能，尤其适用于对启动噪音要求较高的电气设备，例如变频空调、电梯等。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来控制相关的硬件完成，所述的程序可以在存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作；

接收上位机发出的启动指令；

根据所述启动指令，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第一交轴电压值及第一转子位置角度，同时向所述逆派克变换模块输入从0开始、以一定加速度增加到第一设定值的第一直轴电压值，之后保持输出所述第一设定值第一时间，以实现对转子的第一次定位，所述第一直轴电压值在增加到所述第一设定值后，保持在所述第一设定值第一时间；

在所述第一次定位后，向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第二交轴电压值及第二转子位置角度，同时向所述逆派克变换模块输入从第一设定值的第一直轴电压值开始、以一定加速度增加到第二设定值的第二直轴电压值，之后保持输出所述第二设定值第二时间，以实现对转子的第二次定位，所述第二直轴电压值在增加到所述第二设定值后，保持在所述第二设定值第二时间；

在最后一次向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制所述单电阻电流采样模块和所述三相电流重构模块恢复工作；

所述单电阻电流采样模块在利用单电阻对三相逆变器的母线电流进行采样时，在调制空间内，将空间电压矢量分为6个扇区和8个基本空间电压矢量，使任意方向及大小的空间电压矢量均可由两个相邻的基本空间电压矢量合成得到，所述第一转子位置角度不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度，所述第二转子位置角度不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度；

从第二转子位置角度θ₂的位置开始开环拖动转子转动，并当转子的旋转速度足够高而使得转子位置估算模块的结果收敛时，对电机进行闭环控制。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，其特征在于，所述第一直轴电压值以恒定加速度增加到所述第一设定值。

3.如权利要求1所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，其特征在于，所述第二直轴电压值以恒定加速度增加到所述第二设定值。

4.如权利要求1所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位方法，其特征在于，所述第二转子位置角度为所述第一转子位置角度在电机转子旋转方向上继续旋转得到。

5.一种永磁同步电机中转子初始位置的定位系统，其特征在于，所述系统包括：

第一工作模式控制模块，用于根据上位机发出的启动指令，控制单电阻电流采样模块和三相电流重构模块停止工作；

定位模块，用于根据上位机发出的所述启动指令，在所述工作模式控制模块执行完毕后，至少两次向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度，以实现对转子的至少两次定位；

第二工作模式控制模块，用于在所述定位模块最后一次向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的直轴电压值、交轴电压值及转子位置角度后，相应控制所述单电阻电流采样模块和所述三相电流重构模块恢复工作，并从第二转子位置角度θ₂的位置开始开环拖动转子转动，并当转子的旋转速度足够高而使得转子位置估算模块的结果收敛时，对电机进行闭环控制；所述单电阻电流采样模块在利用单电阻对三相逆变器的母线电流进行采样时，在调制空间内，将空间电压矢量分为6个扇区和8个基本空间电压矢量，使任意方向及大小的空间电压矢量均可由两个相邻的基本空间电压矢量合成得到，第一转子位置角度不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度，所述第二转子位置角度不为每一基本空间电压矢量两侧的过渡区域所对应的角度；

所述定位模块包括：

指令接收子模块，用于接收上位机发出的启动指令；

第一定位子模块，用于根据所述指令接收子模块接收到的所述启动指令，向逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第一交轴电压值及第一转子位置角度，同时向所述逆派克变换模块输入从0开始、以一定加速度增加到第一设定值的第一直轴电压值，之后保持输出所述第一设定值第一时间，以实现对转子的第一次定位，所述第一直轴电压值在增加到所述第一设定值后，保持在所述第一设定值第一时间；

第二定位子模块，用于在所述第一定位子模块第一次定位后，向所述逆派克变换模块输入旋转坐标系下的第二交轴电压值及第二转子位置角度，同时向所述逆派克变换模块输入从第一设定值的第一直轴电压值开始、以一定加速度增加到第二设定值的第二直轴电压值，之后保持输出所述第二设定值第二时间，以实现对转子的第二次定位，所述第二直轴电压值在增加到所述第二设定值后，保持在所述第二设定值第二时间。

6.一种永磁同步电机控制系统，包括三相逆变器、以及驱动所述三相逆变器工作的永磁同步电机控制器，所述永磁同步电机控制器包括单电阻电流采样模块、三相电流重构模块、以及逆派克变换模块，其特征在于，所述永磁同步电机控制器还包括如权利要求5所述的永磁同步电机中转子初始位置的定位系统。