CN104713472A - Pmsm转子角度识别 - Google Patents

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Abstract

识别永磁同步电机(PMSM)的转子的角度和极性的方法和控制设备，电机(M)包括定子(13)和转子(15)，定子(13)包括绕组(U1-U2,V1-V2，W1-W2)，转子(15)包括至少两个永磁体(11，12)。所述方法包括以下步骤：通过以至少两个不同的定子角度向电机端提供定子电压矢量脉冲、测量每个角度的相电流、以及基于由测量值计算的每个定子角度的电机电感值确定转子d轴位置，来确定转子d轴方向，通过在q轴方向向电机端提供电流矢量、以及在测试脉冲期间对转子旋转的方向进行观察来确定磁体极性，来确定转子d轴极性。

Description

PMSM转子角度识别
技术领域
本发明涉及对电动机转子角的识别。更具体地，本发明涉及一种在启动前对永磁同步电机(PMSM)d轴的角度和极性进行识别的方法。
背景技术
三相感应电机已被普遍认为是很多工业应用的主力。由于永磁材料的磁热性能的显著改善，同步PM电机是这组(如因其效率高)内可行的选择。从控制的角度而言，永磁同步电机适合于速度是负载独立的应用或者适合于在规定的速度下高精度地同步运行。
AC电机精确的速度控制通常由连接到轴速度或位置反馈传感器的变频器来完成。为了理想地控制PM同步电机，控制系统必须知道转子角度。有许多已知的识别转子角度的方法，例如，当确定转子定向时，向定子端注入AC信号或空间分布的DC电流脉冲，并利用各向异性分析信号响应。无论转子结构如何，d轴的极性检测通常基于定子饱和；沿着通量馈送的电流较逆着通量馈送的电流，减少了更多的电感，使得d轴的极性可观察到。但是，并非所有PM电机都如此。在某些情况下，由于电机的设计，可能导致定子在电流的实际量下不饱和，这意味着不能完成对d轴极性的识别，因而也不能完成对转子的确切角度的识别。
发明内容
本发明的目的是提供一种识别d轴极性并且由此识别永磁同步电机的转子的确切角度的新方法。通过独立权利要求所述的达到该目的。本发明的其它优选实施例揭露在从属权利要求中。
在启动电机之前执行转子角度识别的动作。为了能够执行根据本发明的识别测量，需要测量轴旋转方向，如由编码器进行测量。该方法基于以下假设：已找出d轴的方向(如使用某些已知的方法)，仅其极性需要被识别。
为了进行识别，在所期望的角度上产生力矩的短测试电流脉冲被提供给定子绕组。该方法利用了产生电流的力矩和转子位置角度之间的关系。当对定向的猜测正确时，正参考力矩产生正的实际力矩，从而使轴向正方向旋转。分别地，如果定向误差为180°，则正参考力矩产生负的实际力矩，从而使轴向负方向旋转。同样地，当然也适用于负参考力矩。因此，如果轴能够旋转，则可以通过在测试脉冲期间观察转子旋转的方向来完成极性识别。很轻微的转子转动足以用来进行识别，例如，2机械角度(mechanical degree)，这小于正常的齿轮间隙。
通过使q轴方向的定子电流矢量增加到预定义的水平开始极性识别，定子电流矢量的增加产生开始使轴旋转的力矩。当达到该水平时，锁住参考值并保持预定的时间。如果转子旋转角度在这段时间超过阈限，则立即停止该序列，这是因为极性检测被认为是可靠的。如果在时间逝去之前没有达到阈限，则参考力矩被变更(ramp)到相反的预定义值，锁住并保持预定义的时间，与首次猜测类似。如果在预定义的时间逝去之前转子角度没有旋转到极限以上(如轴被锁定)，则不能完成识别。
在PM电机中转子角度识别的已知方法基于定子的饱和。如果情况并非如此，则根据本发明的方法是检测磁体极性的唯一方式。
附图说明
下面结合示例参照附图，进一步详细描述本发明，其中
图1示出PM同步电机的截面图，
图2示出速度控制的电机驱动，
图3示出PM同步电机的电感曲线，
图4示出成功的PMSM转子识别，以及
图5示出失败的PMSM识别。
具体实施方式
图1示出永磁同步电机的已知的截面图。为了关注于对本发明的清晰理解，图中示出了简单的两极电机的主要结构，但本领域的普通技术人员清楚的是，下文提供的对方法的描述对具有更多极对的电机也是有效的。
该电机有包括绕组U1-U2,V1-V2,W1-W2的定子13、转子15和它们之间的气隙14。转子包括两个永磁体11、12，永磁体11和永磁体12具有相同的极性并形成磁通量，该磁通量由虚线绘制的箭头来指示。主转子通量的方向通常由符号d标记(直轴)，在d轴之间的轴由符号q标记(交轴)。极性的标记通常如图1所示；d轴的正方向与磁通量的方向相同，q轴的正方向为它的逆时针方向。
提供给定子绕组的三相AC电流产生旋转磁场，该旋转磁场与转子磁体产生的磁场相互作用，从而引起转子的旋转。
图2示出已知的典型变速电机驱动的主要部分的示图，在图中，变频器FC用于控制AC电机(例如同步永磁体电机M)的速度。在该示例中，变频器FC包括二极管桥式整流器REC、三相逆变器单元INU和控制单元CU。二极管桥式整流器REC将三相供给电压L1、L2、L3整流成恒定DC链电压UDC，所述UDC由电容器CDC进行平滑。三相逆变器单元INU由IGBT开关V1…V6和续流二极管D1…D6组成。电感元件通常用在整流器的任一侧以过滤供应相电流的谐波，但从本发明的视角来看，其作为不相关的器件，已从图中剔除。逆变器的基本功能是为电机M产生三相可调的输出电压U、V、W。测量输出相电流的构件通常包括在逆变器单元中(未示出)。在所谓的矢量控制下，电机相电流可以被控制，以便具有期望角度的电流矢量生成轴旋转力矩。
图3示出永磁电机转子的电感L已知的特性曲线，从定子开始测量，并作为转子角α的函数。在该示例中，d轴的角度标记为0°，q轴的角度标记为90°等(参见图1)。电感分别在d轴方向位于其最小值LMIN，在q轴方向位于其最大值LMAX。轴的方向对电感值没有任何影响，如从d轴方向来看该值与从相反一侧看(在图1中标记为轴的-d端)相同。
转子电感的特性特征用在现有技术中，用于在启动变频器控制的PM电机前找出转子位置。常规的方法是以不同的定子坐标角向电机端(motor terminals)提供AC电压或短时DC电压脉冲，并测量相电流。根据电压和电流值，可以在每个定子角度计算电机电感值，这提供了转子d轴位置的信息。
根据本发明的方法，在第一阶段，按照上述已知的方式来确定转子d轴方向。在第二阶段，还通过识别d轴的极性，以更精确的方式来识别转子位置。为此，需要对轴转动进行测量，如由编码器进行测量。在该方法中，向电机提供电流矢量，这会在识别的q轴的方向上产生定子磁通量。因此，定子和转子的磁通量相互作用，从而产生力矩，该力矩开始将转子d轴转向q轴的方向。实践中，用于进行识别的转子的必要运动很轻微(如2机械角度)，这通常在齿轮间隙内是可以获得的。
参考图1的标记，图4示出了根据本发明的成功的识别过程。在该图的第一个示例中，定子电流矢量的方向和极性与图1中的q轴相同，由此产生具有峰值Tq的正力矩T，该正力矩T开始使转子逆时针转动(d轴箭头的正端转向q轴正端的方向)。曲线δ1表示在识别过程中转子从起始点的旋转角度。转子直到其旋转角度在时间点t0达到极限+δlim才转动。达到该极限是转子位置的成功识别的标志，并且力矩脉冲将被立即终止。在这种情况下，目前知道了d轴的方向和极性，如图1所示。
如果转子d轴的初始方向是相反的，则根据曲线δ2，转子开始在另一个方向(顺时针)转动。类似上述，当角度达到极限-δlim，力矩脉冲将被终止并且d轴的启动电角度被校正为180°。
图5示出了使用本发明方法时失败的识别过程。根据该方法，力矩T首先被保持在峰值Tq预定义的最大时间t1。如果转子旋转角度δ3在这段时间内没有达到阈限+δlim，则转子位置的值被设置为0且力矩值被更改为相反值-Tq。如果这个方向的转子旋转角度δ4在预定义的时限t1内也没有在这个方向达到阈限-δlim，则电机位置无法被检测到。在这种情况下，可以增加(例如)时限值(t1)、或者力矩脉冲幅度(Tq)、或者这两者，并进行新的尝试。
虽然已经参考前文的实施例对本发明进行了描述,但应该认识到本发明并不局限于该实施例，许多修改和变化对本领域的技术人员来说是显然的，并且不偏离本发明的范围和精神,如所附权利要求所限定的。

Claims (10)

1.一种识别永磁同步电机(PMSM)的转子的角度和极性的方法，所述永磁同步电机由变频器(FC)控制，电机(M)包括定子(13)和转子(15)，所述定子(13)包括绕组(U1-U2,V1-V2，W1-W2)，所述转子(15)包括至少两个永磁体(11，12)，其特征在于，所述方法包括：
通过以至少两个不同的角度向电机端提供定子电压矢量脉冲、测量每个角度的相电流、以及基于每个定子角度的电机电感值确定转子d轴方向，来确定转子d轴方向，所述电感值已由测量值计算得出，以及
通过在q轴方向向电机端提供产生电流矢量的力矩、以及在测试脉冲期间对转子旋转的方向进行观察来确定磁体极性，来确定转子d轴极性。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，用于确定所述转子d轴方向的定子电压矢量脉冲为AC电压。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，用于确定所述转子d轴方向的定子电压矢量脉冲为DC电压脉冲。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其中，通过设定q轴方向的定子电流矢量、从而产生转子旋转力矩(T)，开始极性确定，力矩增加到预定义的水平(Tq)，当达到预定义的力矩水平(Tq)时，所述预定义的力矩水平(Tq)保持预定义的时间(t1)。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，如果转子旋转角度超过阈限(δlim，-δlim)，则在预定义的时间(t1)之前终止向电机的电流矢量供应。
6.根据权利要求4所述的方法，其中，如果在预定义的时间(t1)逝去之前没有达到旋转角度的阈限(δlim)，则力矩被变更到相反的预定义值(-Tq)并保持预定义的时间(t1)。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其中，基于轻微的转子旋转来识别转子的极性，如大约2机械角度。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其中，在所述电机启动前，执行转子极性识别。
9.一种永磁同步电机(PMSM)的控制设备，电机(M)连接到所述控制设备，电机(M)包括定子(13)和转子(15)，所述定子(13)包括绕组(U1-U2,V1-V2，W1-W2)，所述转子(15)包括至少两个永磁体(11，12)，其特征在于，
所述控制设备被配置成执行权利要求1-8任一项的方法步骤。
10.根据权利要求9所述的控制设备，其中，所述控制设备为变频器(FC)。
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