CN104079215B - 车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法 - Google Patents

Abstract

一种车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法是，采用基于静止正交α-β坐标的永磁同步电机数学模型，按照四步对称检测取平均值的方法，通过三次给定α轴正方向电流矢量和分别给定β轴正方向和负方向电流矢量，来分别检测β正负坐标轴趋于α轴对应的旋变绝对值，对两次读取的结果取平均值计算后得到转子初始位置值；同时，采用上位机控制旋转变压器转子位置调整装置实现对初始位置的调整，提高了生产效率。

Description

车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，特别涉及一种车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法。

背景技术

永磁同步电机转子初始位置的检测是永磁同步电机调速系统中一个必不可少的环节。转子初始位置检测失误，会严重影响转子位置的计算，以致无法正确完成电机控制的其它一系列算法，将造成电机运转的紊乱，使之无法进入正常运行。

现有永磁同步电机转子初始位置检测方法分为传感器法和无传感器法两大类。传感器法主要有：旋转变压器法、绝对式光电编码器法、霍尔传感器法。无传感器法主要有：高次谐波注入法、基于电感饱和性凸极的检测法、基于观测器的位置检测法。和其他传感器法方法相比，利用旋转变压器进行电机初始位置自动检测，可靠性得到很大的提高，能够抗恶劣环境，且能运行在更高的转速下并能将位置信号以绝对值信号进行输出。旋转变压器在电机转子初始位置检测中的应用已经成为一种趋势。在车辆运行工况，电机往往需要重载启动，无位置传感器方法在理论层面研究和验证较多，但工程化实例少，

采用旋转变压器检测永磁同步电机的运用中，对于永磁同步电机初始位置的检测往往采用工装方法：通过对永磁同步电机的B相和C相通直流电，检测此时的旋转变压器输出的绝对位置，来得到永磁同步电机的初始位置。当电机转子位置出现偏差时，需要对旋变转子的安装位置进行调整，再重新进行检测。因此，采用这种检测方式往往需要进行多次检测和调整，在一定程度上影响了生产效率。另外，采用这种检测位置的方式，由于永磁同步电机定转子磁场产生转矩机理与两者夹角正弦值成正比，当角度接近零时，输出转矩同时趋于零；同时由于永磁同步电机的定位转矩(齿槽转矩)的存在，使得检测的角度难以达到绝对零点，从而在一定程度上影响了位置的检测精度。

发明内容

本发明的目的，是为了克服传统永磁同步电机转子初始位置的检测效率低、精度不足的问题，提供一种永磁同步电机转子初始位置的精确检测和调整方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法是，设置上位机和旋转变压器转子位置调整装置；所述上位机通过CAN总线与驱动电机控制器相连并与永磁同步电机的旋转变压器通信相连，上位机内设有永磁同步电机转子初始位置的检测与调整的软件；所述旋转变压器转子位置调整装置与上位机通信相连并与旋转变压器传动相连；通过设置在上位机中的软件，采用基于静止正交α-β坐标的永磁同步电机数学模型，按照四步对称检测取平均值的方法，通过三次给定α轴正方向电流矢量、一次给定β轴正方向电流矢量和一次给定β轴负方向电流矢量，来分别检测β轴两侧趋于α轴对应的旋变绝对值，对两次读取的结果取平均值计算后得到转子初始位置值；同时，上位机接收来自永磁同步电机的转子位置信号，并根据设定转子初始位置的目标值，控制旋转变压器转子位置调整装置对旋转变压器转子的安装位置进行调整，实现对转子初始位置的调整。

更具体地说，利用旋转变压器进行永磁同步电机转子初始位置检测是目前可靠性高，适用于车辆运行工况的信号检测方法。旋转变压器是一种输出电压随转子转角变化的信号电机，旋转变压器的励磁绕组以一定频率的交流电压励磁时，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系，利用旋转变压器数字变换器，对该电气信号进行相关的解码，从而得到电机转子的绝对位置。

本发明的方法采用四步法实现转子初始位置的自动精确检测与调整：首先给定转子位置自动检测电流，设定四步法的时间间隔T1、T2、T3、T4、T5，分别对应第一次α轴正方向矢量持续时间、β轴正方向矢量持续时间、第二次α轴正方向矢量持续时间、β轴负方向矢量持续时间和第三次α轴正方向矢量持续时间。由于永磁同步电机定转子磁场产生转矩大小与两者夹角正弦值成正比，即当夹角接近零时，输出转矩趋于零；同时永磁同步电机的不可避免地存在定位转矩(齿槽转矩)，使得采用在α轴给定电流时检测的角度难以达到绝对零点。针对这一问题，本发明提出了采用对称检测取平均值的方法，通过分别给定β轴正方向和负方向电流矢量，来分别检测两侧趋于α轴对应的旋变绝对值，对两次读取的结果取平均值计算后得到转子初始位置值。

转子初始位置检测过程中，采用时间基值来判断不同矢量的给定。当T＜T1时，第一次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向；当T＜T1+T2时，给定β轴正方向电流，使得转子磁链转到β轴正方向；当T＜T1+T2+T3时，第二次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp1；当T＜T1+T2+T3+T4时，给定β轴负方向电流，使得转子磁链转到β轴负方向；当T＜T1+T2+T3+T4+T5时，第三次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp2；分别对Resolver_Temp1和Resolver_Temp2进行处理，并将处理后的结果求平均值，最后得到电机转子初始位置。

对于永磁同步电机转子初始位置的精确检测方法中，也可以采用本发明提出的位置检测原理，通过直接检测β轴正方向位置值减90度、β轴负方向位置值加90度或者同时检测β轴正方向和负方向位置值取平均计算后得到转子的初始位置值，同样可以确保转子位置的检测精度。

附图说明

图1是自动检测转子初始位置旋转变换矢量图；

图2是电机转子初始位置软件检测流程图；

图3为永磁同步电机转子初始位置自动检测台架示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例，进一步阐述本发明。

以永磁同步电机系统为例，高压直流电源经电机控制器DC/AC变换为电压幅值和频率可调的三相交流电，驱动永磁同步电机运转；同时，通过检测当前的转子位置信号和对电机的相电流进行实时采样，并送入电机控制单元。电机控制单元通过CAN总线与整车控制器进行通信，从整车控制器获得当前扭矩指令、运行模式和旋转方向，并根据反馈得到电流和电机位置信号，控制电机驱动器产生所需要的三相交流电，从而实现电机正常运行。

图1为车用电机转子初始位置自动检测方法自动检测转子初始位置旋转变换矢量图。如图所示，在α-β坐标系下进行α轴、β轴方向进行电流控制：第一次给定α轴正向电流进行控制，使得电机旋转至0度或者180度的位置；然后给定β轴正向电流进行控制，电机沿着①方向转动(对应0度)或者①’方向旋转(对应180度)；第二次给定α轴正向电流进行控制，电机沿着②方向转动，这样旋变A相电流矢量和转子磁链矢量ψ_f的夹角为转子角度θ₁，该角度对应采用β轴正向电流矢量获得的偏向β正半轴、趋于α轴的转子初始位置；给定β轴负向电流进行控制，电机沿着③方向转动；第三次给定α轴正向电流进行控制，电机沿着④方向转动，这样旋变A相电流矢量和转子磁链矢量的夹角为转子角度θ₂，该角度对应采用β轴负向电流矢量获得的偏向β负半轴、趋于α轴的转子初始位置；然后对这两个位置值进行数学处理并取平均值，从而完成了一次转子初始位置的自动检测。

图2为电机转子初始位置软件检测流程图。首先根据旋变初始位置检测标志判定是否已经进行了位置检测，防止出现位置的重复检测。开始位置检测时，通过时间计数器来判断电流矢量给定位置和持续时间。当T＜T1时，第一次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向；当T＜T1+T2时，给定β轴正方向电流，使得转子磁链转到β轴正方向；当T＜T1+T2+T3时，第二次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp1；当T＜T1+T2+T3+T4时，给定β轴负方向电流，使得转子磁链转到β轴负方向；当T＜T1+T2+T3+T4+T5时，第三次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp2；分别对Resolver_Temp1和Resolver_Temp2进行处理，并将处理后的结果求平均值，最后该位置值进行处理以得出最终的转子初始位置值，同时对旋变初始位置检测标志进行置位，防止重复性检测。

图3为永磁同步电机转子初始位置自动检测台架示意图。图中台架系统采用三相交流电源供电，通过三相整流电源1变化成电压范围可调的直流电源，为保证输出电压稳定性，可在直流端并入动力蓄电池组7；直流电源直接供给驱动电机控制器2，通过永磁同步电机的矢量控制方法，使其输出频率和幅值可变的交流电，驱动永磁同步电机3运行；驱动电机控制器通过CAN总线和上位机6中的检测与控制系统进行通信，检测与控制系统控制驱动电机控制器2实现转子位置的自动检测；同时，检测与控制系统接收来自永磁同步电机3的旋转变压器4输出的转子位置信号，并根据设定转子初始位置的目标值控制旋转变压器转子位置调整装置5对旋转变压器4转子的安装位置进行调整，从而实现永磁同步电机3的转子位置的自动精确检测和快速调整，提高了生产效率。

经实验证明该方法电路简单，成本低，可靠性高，抗干扰能力强，减少了电机的磁拉力，提高了初始位置检测的精度。

Claims (1)

1.一种车用永磁同步电机转子初始位置的精确检测与调整方法，其特征在于：设置上位机和旋转变压器转子位置调整装置；所述上位机通过CAN总线与驱动电机控制器相连并与永磁同步电机的旋转变压器通信相连，上位机内设有永磁同步电机转子初始位置的检测与调整的软件；所述旋转变压器转子位置调整装置与上位机通信相连并与旋转变压器传动相连；通过设置在上位机中的软件，采用基于静止正交α-β坐标的永磁同步电机数学模型，按照四步对称检测取平均值的方法，通过三次给定α轴正方向电流矢量、一次给定β轴正方向电流矢量和一次给定β轴负方向电流矢量，来分别检测β轴两侧趋于α轴对应的旋变绝对值，对两次读取的结果取平均值计算后得到转子初始位置值；同时，上位机接收来自永磁同步电机的转子位置信号，并根据设定转子初始位置的目标值，控制旋转变压器转子位置调整装置对旋转变压器转子的安装位置进行调整，实现对转子初始位置的调整；

所述四步对称检测取平均值的方法的具体作法是，首先给定转子位置自动检测电流，设定四步法的时间间隔T1、T2、T3、T4、T5，其中，T1表示第一次α轴正方向矢量持续时间，T2表示β轴正方向矢量持续时间，T3表示第二次α轴正方向矢量持续时间，T4表示β轴负方向矢量持续时间，T5表示第三次α轴正方向矢量持续时间；然后采用时间基值来判断不同矢量的给定，当t<T1时，第一次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向；当t<T1+T2时，给定β轴正方向电流，使得转子磁链转到β轴正方向；当t<T1+T2+T3时，第二次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp1；当t<T1+T2+T3+T4时，给定β轴负方向电流，使得转子磁链转到β轴负方向；当t<T1+T2+T3+T4+T5时，第三次给定α轴正方向电流，使得转子磁链转向α轴正方向，此时读取转子位置绝对值Resolver_Temp2；分别对Resolver_Temp1和Resolver_Temp2进行处理，并将处理后的结果求平均值，最后得到电机转子初始位置。