CN104407292A - 采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其包括以下步骤：对于待检测的永磁同步电机，将其转子位置固定，使其在外力作用下不会转动位置；在永磁同步电机和驱动设备上电后，通过采用电流闭环控制，在待测永磁同步电机的d轴和q轴分别产生对应工作点下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；建立估计的d^e-q^e轴坐标系，并将其以较低的频率f_L相对电机的d-q轴坐标系做逆时针周期性旋转，两坐标系夹角用Δθ表示，旋转一周即Δθ从0增加至2π；通过空间矢量脉宽调制，在保持逆时针旋转的d^e-q^e轴坐标系中的d^e轴上施加高频电压信号等。本发明不仅简便地检测不同工作点下永磁同步电机的凸极特性，还可检测不同工作点下交叉饱和效应对电机凸极偏移的影响。

Description

采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测方法，具体地，涉及一种采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法。

背景技术

已有的如反电势法、模型参考自适应法、磁链观测器法等基于电机反电势的永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)无位置传感器控制方法，当电机运行在低速或零速时，由于电机反电势很小或为零，造成这些控制方法失效。基于高频信号注入的无位置传感器控制方法依靠电机的凸极特性，不依赖电机参数和反电势，通过位置估算实现低速和零速下高精度控制，因而具有宽广的应用前景。

根据注入信号和解调位置信息方式的不同，可以将高频信号注入的无位置传感器控制方法分为旋转高频注入法和脉振高频注入法两大类，但是两种方法实现的前提均是永磁同步电机具有凸极性。电机在运行过程中，由于工作状态的变化和交叉饱和的影响，其自身的凸极特性会随之偏移，因而为了使高频信号注入的控制方法在不同工作状态运行时均具有较高的精度和良好的性能，需要对电机处于不同工作点下的凸极特性进行研究。

永磁同步电机的凸极特性常以凸极率表征，其意义即为q轴增量电感与d轴增量电感的比值。因而通常为了了解不同工作状态下电机的凸极特性，需要知道对应工作点下电机d-q轴的增量电感。一般通过有限元分析(FEA)或者检测的方法获得需要的电感值后进行分析，但是前者需要耗费大量时间进行仿真计算，且与实际特性仍可能有相当偏差，后者需要设计繁琐的进行研究。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其用凸极特性圆更为直观地表示永磁同步电机的凸极特性，通过向电机定子绕组施加脉振高频电压信号，不仅简便地检测不同工作点下永磁同步电机的凸极特性，还可检测不同工作点下交叉饱和效应对电机凸极偏移的影响，更适用于高频注入无位置传感器控制进行误差修正等优化。

根据本发明的一个方面，提供一种采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：对于待检测的永磁同步电机，将其转子位置固定，使其在外力作用下不会转动位置；

步骤2：在永磁同步电机和驱动设备上电后，通过采用电流闭环控制，在待测永磁同步电机的d轴和q轴分别产生对应工作点下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

步骤3：建立估计的d^e-q^e轴坐标系，并将其以较低的频率f_L相对电机的d-q轴坐标系做逆时针周期性旋转，两坐标系夹角用Δθ表示，旋转一周即Δθ从0增加至2π；

步骤4：通过空间矢量脉宽调制，在保持逆时针旋转的d^e-q^e轴坐标系中的d^e轴上施加高频电压信号；

步骤5：通过电流传感器采样得到电机d^e轴上的响应电流和q^e轴上的响应电流经过处理得到高频响应电流的幅值信息和

步骤6：将高频响应电流幅值信息的相位和对应的估计d^e-q^e轴坐标系Δθ比较，得到由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角θ_m；

步骤7：将高频响应电流的幅值信息和合成作出李萨如图形，即将d^e轴高频响应电流幅值作为横坐标，将q^e轴高频响应电流幅值作为纵坐标，得到电机对应工作点下的凸极特性圆，圆的半径越大凸极特性越强；

步骤8：依次重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7，得到不同工作点下待测永磁同步电机的凸极位置偏移角θ_m和凸极特性圆。

优选地，所述步骤2所述的电流闭环控制是:采用d-q轴解耦控制电机电流，即分别采用一个带比例积分控制器的负反馈控制回路控制d轴电流和q轴电流，将得到的d-q轴电压参考信号经由空间矢量脉宽调制后给出驱动设备的脉冲开关信号，进而驱动电机。

优选地，所述步骤3所述的频率f_L的范围是1～10Hz。

优选地，所述步骤4所述的高频电压信号形式是：V_icos2πω_it，其中V_i为电压信号的幅值，ω_i为电压信号的频率。

优选地，所述步骤5所述的处理过程是：将d^e轴响应电流和q^e轴响应电流乘以2sin2πω_it，再通过低通滤波器(LPF)得到高频响应电流的幅值信息和处理过程和得到的幅值信息表达式可用下式表示：

$\left[\begin{array}{c}\left|i_{\mathrm{dh}}^e\right|\\ \left|i_{\mathrm{qh}}^e\right|\end{array}\right]=\mathrm{LPF}(\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dh}}^e\\ i_{\mathrm{qh}}^e\end{array}\right]\·2\sin 2{\mathrm{\π\ω}}_{i}t)=\left[\begin{array}{c}{I}_p+I_n\cos (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\\ -I_n\sin (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\end{array}\right],$

其中θ_m表示由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

一，本发明用凸极特性圆的半径大小表示永磁同步电机凸极特性的强弱，相比传统采用凸极率表示的方法，更为简单直观，且可以结合电机本体的结构更为详尽地分析不同工作点及相同工作点不同转动位置下电机凸极特性的变化，相对于凸极率的表示方法更能够满足高频注入无位置传感器控制技术运行优化的需要；

二，针对已有方法计算周期长或实际操作复杂的缺点，采用本发明一次上电数秒时间即可获得计算电机对应工作点下凸极特性需要的全部参数，检测周期较短，且操作简单、易于实现；

三，本发明通过采用该检测方法可以获得由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角θ_m，直接用于高频注入无位置传感器控制系统角度误差的修正，即对本发明的检测结果的应用不仅可以对电机不同工作状态下高频注入无位置传感器进行运行范围的优化，还可以提升运行精度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是实施例中d^e-q^e轴坐标系与d-q轴坐标系的相对位置关系；

图2是实施例中采样得到的d^e-q^e轴响应电流，其中横坐标表示时间，纵坐标左侧表示d^e轴响应电流值，右侧表示q^e轴响应电流值；

图3是实施例中在工作点i_d＝i_q＝0下高频响应电流幅值信息和对应的估计d^e-q^e轴坐标系转过角度，其中横坐标表示时间，纵坐标左侧表示d^e-q^e轴高频响应电流值，右侧表示对应电机转子电角度；

图4是实施例中在工作点i_d＝i_q＝0下测量所得的凸极特性圆，其中横坐标表示d^e轴高频响应电流值，横坐标表示q^e轴高频响应电流值；

图5是实施例中在工作点i_d＝0,i_q＝3A下高频响应电流幅值信息和对应的估计d^e-q^e轴坐标系转过角度，其中横坐标表示时间，纵坐标左侧表示d^e-q^e轴高频响应电流值，右侧表示对应电机转子电角度；

图6是实施例中在工作点i_d＝0,i_q＝3A下测量所得的凸极特性圆，其中横坐标表示d^e轴高频响应电流值，横坐标表示q^e轴高频响应电流值。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

以下结合附图对本发明的实施例进一步描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法包括如下步骤：

步骤1：对于待检测的永磁同步电机，将其转子位置固定，使其在外力作用下不会转动位置；

步骤2：在永磁同步电机和驱动设备上电后，通过采用电流闭环控制，在待测永磁同步电机的d轴和q轴分别产生对应工作点下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

所述的电流闭环控制是:采用d-q轴解耦控制电机电流，即分别采用一个带比例积分控制器的负反馈控制回路控制d轴电流和q轴电流，将得到的d-q轴电压参考信号经由空间矢量脉宽调制后给出驱动设备的脉冲开关信号，进而驱动电机。

本实施例中电机参数为其参数为：额定电压220V、额定功率400W、额定转速13500r/min、额定转矩0.35N·m，定子每相电阻1.2Ω，q轴电感35mH，d轴电感25mH，极对数为2，测定电机空载下的凸极特性，将电机d轴电流和q轴电流给定为i_d＝i_q＝0。

步骤3：建立估计的d^e-q^e轴坐标系，并将其以较低的频率f_L相对电机的d-q轴坐标系做逆时针周期性旋转，两坐标系夹角用Δθ表示，旋转一周即Δθ从0增加至2π。所述的频率f_L的范围是：1～10Hz。

本实施例中d^e-q^e轴坐标系与d-q轴坐标系的相对位置关系如图1所示，采用的旋转频率f_L为2.45Hz，从检测开始到检测结束d^e-q^e轴坐标系相对d-q轴坐标系共旋转两周。

步骤4：通过空间矢量脉宽调制，在保持逆时针旋转的d^e-q^e轴坐标系中的d^e轴上施加高频电压信号；

所述的高频电压信号形式是：V_icos2πω_it，其中V_i为电压信号的幅值，ω_i为电压信号的频率。

本实施例中施加的高频电压信号幅值为V_i＝30V，频率为ω_i＝312.5Hz。

步骤5：通过电流传感器采样得到电机d^e轴上的响应电流和q^e轴上的响应电流经过处理得到高频响应电流的幅值信息和

所述的处理过程是：将d^e轴响应电流和q^e轴响应电流乘以2sin2πω_it，再通过低通滤波器(LPF)得到高频响应电流的幅值信息和处理过程和得到的幅值信息表达式可用式(1)表示：

$\left[\begin{array}{c}\left|i_{\mathrm{dh}}^e\right|\\ \left|i_{\mathrm{qh}}^e\right|\end{array}\right]=\mathrm{LPF}(\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dh}}^e\\ i_{\mathrm{qh}}^e\end{array}\right]\·2\sin 2{\mathrm{\π\ω}}_{i}t)=\left[\begin{array}{c}{I}_p+I_n\cos (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\\ -I_n\sin (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\end{array}\right]...\left(1\right)$

其中，θ_m表示由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角。

本实施例中采样得到的d^e-q^e轴响应电流如图2所示，处理过程采用的低通滤波器为一阶巴特沃斯数字滤波器，截止频率为20Hz。

步骤6：将高频响应电流幅值信息的相位和对应的估计d^e-q^e轴坐标系Δθ比较，得到由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角θ_m。

本实施例中高频响应电流幅值信息和对应的估计d^e-q^e轴坐标系转过角度Δθ如图3所示，斜坡信号表示Δθ从0到2π变化，由于Δθ为0时d^e-q^e轴响应电流分别处于最大值和零点，结合幅值信息的表达式可以判断本实施中该工作点下电极的凸极位置偏移角θ_m＝0。

步骤7：将高频响应电流的幅值信息和合成作出李萨如图形，即将d^e轴高频响应电流幅值作为横坐标，将q^e轴高频响应电流幅值作为纵坐标，得到电机对应工作点下的凸极特性圆，圆的半径越大凸极特性越强。

本实施例合成的李萨茹图形如图4所示，该图形即是电极对应工作点下的凸极特性圆，该图形的半径表示相应的凸极特性强度。

步骤8：依次重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7，得到不同工作点下待测永磁同步电机的凸极位置偏移角θ_m和凸极特性圆。

本实施例中，还检测了电机在i_d＝0,i_q＝3A工作点下的凸极位置偏移角θ_m和凸极特性，图5是i_d＝0,i_q＝3A工作点下高频响应电流幅值信息和对应的估计d^e-q^e轴坐标系转过角度Δθ的波形图，从中可以测量得到θ_m/2的大小从而得到θ_m的值，图6是该工作点下的凸极特性圆，可以比较判断相对空载条件该工作点下凸极特性减弱。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：对于待检测的永磁同步电机，将其转子位置固定，使其在外力作用下不会转动位置；

步骤2：在永磁同步电机和驱动设备上电后，通过采用电流闭环控制，在待测永磁同步电机的d轴和q轴分别产生对应工作点下的d轴电流i_d和q轴电流i_q；

步骤3：建立估计的d^e-q^e轴坐标系，并将其以较低的频率f_L相对电机的d-q轴坐标系做逆时针周期性旋转，两坐标系夹角用Δθ表示，旋转一周即Δθ从0增加至2π；

步骤4：通过空间矢量脉宽调制，在保持逆时针旋转的d^e-q^e轴坐标系中的d^e轴上施加高频电压信号；

步骤5：通过电流传感器采样得到电机d^e轴上的响应电流和q^e轴上的响应电流经过处理得到高频响应电流的幅值信息和

步骤6：将高频响应电流幅值信息的相位和对应的估计d^e-q^e轴坐标系Δθ比较，得到由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角θ_m；

步骤7：将高频响应电流的幅值信息和合成作出李萨如图形，即将d^e轴高频响应电流幅值作为横坐标，将q^e轴高频响应电流幅值作为纵坐标，得到电机对应工作点下的凸极特性圆，圆的半径越大凸极特性越强；

步骤8：依次重复步骤2、步骤3、步骤4、步骤5、步骤6、步骤7，得到不同工作点下待测永磁同步电机的凸极位置偏移角θ_m和凸极特性圆。

2.根据权利要求1所述的采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，所述步骤2所述的电流闭环控制是:采用d-q轴解耦控制电机电流，即分别采用一个带比例积分控制器的负反馈控制回路控制d轴电流和q轴电流，将得到的d-q轴电压参考信号经由空间矢量脉宽调制后给出驱动设备的脉冲开关信号，进而驱动电机。

3.根据权利要求1所述的采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，所述步骤3所述的频率f_L的范围是1～10Hz。

4.根据权利要求1所述的采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，所述步骤4所述的高频电压信号形式是：V_icos2πω_it，其中V_i为电压信号的幅值，ω_i为电压信号的频率。

5.根据权利要求4所述的采用脉振高频电压注入的永磁同步电机凸极特性检测方法，其特征在于，所述步骤5所述的处理过程是：将d^e轴响应电流和q^e轴响应电流乘以2sin2πω_it，再通过低通滤波器(LPF)得到高频响应电流的幅值信息和处理过程和得到的幅值信息表达式可用下式表示：

$\left[\begin{array}{c}\left|i_{\mathrm{dh}}^e\right|\\ \left|i_{\mathrm{qh}}^e\right|\end{array}\right]=\mathrm{LPF}(\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{dh}}^e\\ i_{\mathrm{qh}}^e\end{array}\right]\·2\sin 2\mathrm{\π}{\mathrm{\ω}}_{i}t)=\left[\begin{array}{c}{I}_p+I_n\cos (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\\ -I_n\sin (2\mathrm{\Δ\θ}+{\mathrm{\θ}}_m)\end{array}\right],$

其中θ_m表示由交叉饱和效应造成的电机凸极位置偏移角。