CN104734589B

CN104734589B - 永磁同步电机中标定偏移角的方法

Info

Publication number: CN104734589B
Application number: CN201310706474.3A
Authority: CN
Inventors: 冯瑛; 颜宇杰; 马艳丽
Original assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Current assignee: United Automotive Electronic Systems Co Ltd
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2017-07-07
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN104734589A

Abstract

本申请公开了一种永磁同步电机中标定偏移角的方法，包括如下步骤：第1步，任意设定转动的参考坐标系d’q’。第2步，为参考坐标系d’q’施加一个大小恒定的转矩指令。调整直至实际的转子发生转动。第3步，进一步调整直至实际的转子最终匀速转动。当实际的转子最终匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置和转动频率、所施加的转矩指令的大小、以及旋转变压器的读数；第4步，保持参考坐标系d’q’的转动频率和转矩指令的大小，但使参考坐标系d’q’和转矩指令的方向均变为相反，使实际的转子最终达到与第3步相反方向的匀速转动，记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、旋转变压器的读数。第5步，计算偏移角。本申请所述方法可以实现偏移角的快速准确自动标定。

Description

永磁同步电机中标定偏移角的方法

技术领域

本申请涉及一种永磁同步电机的矢量控制方法。

背景技术

永磁同步电机（Permanent Magnet Synchronous Motor，简称为PMSM）在进行矢量控制时，转子位置信息（即转子的旋转角度）是必不可少的。因而在永磁同步电机中往往设置有测量转子角度的位置传感器。

旋转变压器（resolver）是一种小型交流电动机，也由定子和转子组成，常作为测量旋转物体的角位移、角速度的位置传感器。旋转变压器的转子相对于定子发生角位移时，其输出电压的大小将跟随角位移量发生变化，例如为正弦或余弦函数关系，或者在一定角位移范围内呈线性关系，因而可由输出电压得到角位移量，并计算出角速度值。

通常采用旋转变压器作为永磁同步电机中的转子位置传感器。安装时，使旋转变压器的定子与永磁同步电机的定子之间保持相对静止，旋转变压器的转子与永磁同步电机的转子之间同步转动。因而永磁同步电机的转子相对于定子的角位移、角速度等同于旋转变压器的转子相对于定子的角位移、角速度，而后者可由旋转变压器读数得到。

但是，永磁同步电子的转子在零点位置时，旋转变压器的读数可能并不为零，两者之间的差值称为偏移角。该偏移角必须要进行补偿，一种方法是通过调整旋转变压器的定子安装位置而使偏移角为0，但这对安装的要求较高；另一种方法是不要求安装的精度，在安装后通过软件测得偏移角的值然后予以补偿，称为转子零位标定。显然，后者的适用范围更为广泛。

申请公布号CN101924514A、申请公布日2010年12月22日的发明专利申请给出了一种将电机转子直流定位到特定的位置后推算偏移角的方法，但该方法某些相绕组需要维持一段时间的较大电流，尤其是带载标定的情况下电机发热明显。

申请公布号CN102906989A、申请公布日2013年1月30日的发明专利申请公开了一种方法和装置，其利用了旋转的电机在零电流控制情况下d轴电压分量为零，仅存在q轴电压分量的特性来调整确定偏移角值。该方法对电流调节器和角度校正调节器性能要求较高，零电流控制效果将影响最终的偏移角标定值。

授权公告号CN202940767U、授权公告日2013年5月15日的实用新型专利公开了一种系统，其由可确定的反电动势和转子角度关系来推算转子位置，从而确定角度偏移值。该方法对电机的反电动势过零点波形要求较高，且需要额外的电压比较电路。

发明内容

本申请所要解决的技术问题是提供一种无需增加电路、简单有效、适用性广的永磁同步电机中标定偏移角的方法。

为解决上述技术问题，本申请永磁同步电机中标定偏移角的方法包括如下步骤：

第1步，任意设定一个以一定方向、一定频率转动的参考坐标系d’q’；

第2步，对永磁同步电机施行转矩控制，以参考坐标系d’q’作为假想的转子，对该假想的转子施加一个大小恒定的转矩指令；

如果实际的转子发生转动，则进入第3步。

如果实际的转子保持静止，则调整参考坐标系d’q’的转动频率和/或调整转矩指令的大小，直至实际的转子发生转动，则进入第3步；

第3步，实际的转子发生转动后，如果最终无法以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则进一步调整参考坐标系d’q’的转动频率和/或扭矩指令的大小，直至实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动；

当实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置和转动频率、所施加的转矩指令的大小、以及旋转变压器的读数；

第4步，保持第3步中转子最终匀速转动时参考坐标系d’q’的转动频率和转矩指令的大小，但使参考坐标系d’q’的转动方向变为相反，转矩指令的方向也变为相反，使实际的转子最终达到与第3步相反方向的以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、旋转变压器的读数；

第5步，利用第3步、第4步记录的信息计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角。

本申请所述方法可以实现偏移角的快速准确自动标定，不受电机参数和反电动势质量的影响，控制系统无需作额外更改，常规扭矩控制软件构架也无需更改，可实现自学习过程，适用于永磁同步电机的批量生产和批量维修。

附图说明

图1是本申请永磁同步电机中标定偏移角的方法的第一实施例的流程图；

图2是本申请永磁同步电机中标定偏移角的方法的第二实施例的流程图；

图3是永磁同步电机的实际转子正向转动时的示意图；

图4是永磁同步电机的实际转子反向转动时的示意图。

具体实施方式

对永磁同步电机进行矢量控制，常用到如下两种可以相互转换的坐标系：

一种是两相定子坐标系αβ。定子具有三相绕组u、v、w，u相绕组的轴线为α轴，β轴逆时针超前α轴90度。这是一种静止坐标系。

另一种是转子坐标系dq。转子上永磁体的轴线为d轴（通常是S极到N极的方向），q轴逆时针超前d轴90度。这是一种旋转坐标系，跟随转子同步转动。

若已知永磁同步电机的dq坐标系的d轴方向与αβ坐标系的α轴方向之间的角度，再采集同一时刻旋转变压器的读数，两者之差即为偏移角。特殊情况下，当d轴方向与α轴方向重合，则此刻旋转变压器的读数即为偏移角。这便是本申请的基本原理。

请参阅图1，本申请永磁同步电机中标定偏移角的方法的第一实施例包括如下步骤：

第1步，任意设定一个以一定方向、一定频率转动的参考坐标系d’q’。其转动方向或者设为正向、或者设为反向。其转动频率可以任意设定，但为了防止空载或轻载的永磁同步电机短时间内转速过高，将转动频率设置得低一些是较为适宜的。

第2步，对永磁同步电机施行转矩控制，以参考坐标系d’q’作为假想的转子，对该假想的转子施加一个大小恒定的转矩指令。所施加的转矩指令具体表现为对永磁同步电流的三相定子绕组施加电流矢量。此时实际的转子可能发生转动，也可能不发生转动。

如果实际的转子发生转动，则进入第3步。

如果实际的转子保持静止，则调整参考坐标系d’q’的转动频率和/或调整转矩指令的大小，通常是减小转动频率和/或增大转矩指令。通过反复调整直至实际的转子发生转动，则进入第3步。

第3步，转子发生转动后，经过短时间的调整，可能达到最终匀速转动，也可能始终处于非匀速转动。

如果实际的转子经过一定时间仍无法以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则进一步调整参考坐标系d’q’的转动频率和/或扭矩指令的大小，通常是减小转动频率和/或增大转矩指令。通过反复调整直至实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动。

如果实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置和转动频率、所施加的转矩指令的大小、以及旋转变压器的读数。

第4步，保持第3步中转子最终匀速转动时参考坐标系d’q’的转动频率，但使参考坐标系d’q’的转动方向变为相反，同时施加第3步中转子最终匀速转动时相同大小但相反方向的转矩指令。此时实际的转子最终总能达到与第3步相反方向的以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、旋转变压器的读数。

请参阅图3，当实际的转子最终达到正向匀速转动，此时有公式一x＋δ＝θ_offset＋θ＋β，x为此时旋转变压器的读数，θ为此时的d’轴与α轴的夹角，x和θ可以由记录的信息得到。

β为施加给定子绕组的电流矢量与d’轴之间的夹角，δ是实际转子位置与施加给三相定子绕组的电流矢量i_s之间的夹角，β和δ均为固定值，且无法测量或计算得到。

请参阅图4，当实际的转子最终达到反向匀速转动，此时有公式二x’＋(β－δ)＝θ_offset＋θ’，x’为此时旋转变压器的读数，θ’为此时的d’轴与α轴的夹角，x’和θ’可以由记录的信息得到。

如果第3步中实际的转子为正转，那么适用于公式一。同时第4步中实际的转子为反转，适用于公式二。

如果第3步中实际的转子为反转，那么适用于公式二。同时第4步中实际的转子为正转，适用于公式一。

第5步，综合公式一和公式二，θ_offset＝x－θ－β＋δ，θ_offset＝x’－θ’＋β－δ，将两式相加将无法测量或计算得到的β和δ消掉，2×θ_offset＝x－θ＋x’－θ’。计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角θ_offset＝(x－θ＋x’－θ’)/2。

上述第一实施例的第3步和第4步在转子匀速转动过程中可以重复多次采样x和θ，以及x’和θ’，每进行一次就计算出一个偏移角值，最后取算术平均值。

请参阅图2，本申请永磁同步电机中标定偏移角的方法的第二实施例包括如下步骤：

第1步，任意设定一个以一定方向、一定频率转动的参考坐标系d’q’。其转动方向或者设为正向、或者设为反向。其转动频率可以任意设定，但为了防止空载或轻载的永磁同步电机短时间内转速过高，将转动频率设置得低一些是较为适合的。

第2步，对永磁同步电机施行转矩控制，以参考坐标系d’q’作为假想的转子，对该假想的转子施加一个大小恒定的转矩指令。所施加的转矩指令具体表现为对永磁同步电流的三相定子绕组施加电流矢量i_s，要求所施加的电流矢量i_s在d’轴上的分量i_d’始终为零。并且永磁同步电机的实际的转子处于无负载的空载状态，那么实际的转子可能发生转动，也可能不发生转动。

如果实际的转子发生转动，则进入第3步。

第3步，转子发生转动后，经过短时间的调整，可能达到最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，也可能始终处于非匀速转动。

如果实际的转子经过一定时间仍无法达到以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则进一步调整参考坐标系d’q’的转动频率和/或扭矩指令的大小，通常是减小转动频率和/或增大转矩指令。通过反复调整直至实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动。

如果实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、以及旋转变压器的读数。

如果实际的转子最终达到正向匀速转动，此时有公式一x＋δ＝θ_offset＋θ＋β，x为此时旋转变压器的读数，θ为此时的d’轴与α轴的夹角，x和θ可以由记录的信息得到。β－δ为90度。因而计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角θ_offset＝x－θ－90。

如果实际的转子最终达到反向匀速转动，此时有公式二x’＋(β－δ)＝θ_offset＋θ’，x’为此时旋转变压器的读数，θ’为此时的d’轴与α轴的夹角，x’和θ’可以由记录的信息得到。β－δ为90度。因而计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角θ_offset＝x’－θ’＋90。

上述第二实施例的第3步在转子匀速转动过程中可以重复多次采样x和θ，或者x’和θ’，每进行一次就计算出一个偏移角值，最后取算术平均值。

以上仅为本申请的优选实施例，并不用于限定本申请。对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims

1.一种永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，包括如下步骤：

如果实际的转子发生转动，则进入第3步；

当实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置和转动频率、所施加的转矩指令的大小以及旋转变压器的读数；

第5步，利用第3步、第4步记录的信息计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角；

偏移角θ_offset＝(x－θ+x’－θ’)/2；

当实际的转子最终达到正向匀速转动，有x+δ＝θ_offset+θ+β，x为此时旋转变压器的读数，θ为此时的d’轴与α轴的夹角；

当实际的转子最终达到反向匀速转动，有x’+(β－δ)＝θ_offset+θ’，x’为此时旋转变压器的读数，θ’为此时的d’轴与α轴的夹角；

β为施加给定子绕组的电流矢量与d’轴之间的夹角，δ是实际转子位置与施加给三相定子绕组的电流矢量i_s之间的夹角。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法第2步中，所施加的转矩指令具体表现为对永磁同步电流的三相定子绕组施加电流矢量。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法第2步中，如果实际的转子保持静止，则减小参考坐标系d’q’的转动频率和/或增大转矩指令的大小，直至实际的转子发生转动；

所述方法第3步中，实际的转子发生转动后，如果最终无法以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则进一步减小参考坐标系d’q’的转动频率和/或增大转矩指令的大小，直至实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法3步中如果实际的转子为正转，那么第4步中实际的转子为反转；

所述方法第3步中如果实际的转子为反转，那么第4步中实际的转子为正转。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法的第3步和第4步中，当实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动时，重复多次记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、旋转变压器的读数；每重复一次就计算出一个偏移角值，最后取每次计算的偏移角值的算术平均值作为最终的偏移角。

6.一种永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，包括如下步骤：

第2步，对永磁同步电机施行转矩控制，以参考坐标系d’q’作为假想的转子，对该假想的转子施加一个大小恒定的转矩指令；所施加的转矩指令具体表现为对永磁同步电流的三相定子绕组施加电流矢量i_s，要求所施加的电流矢量i_s在d’轴上的分量i_d’始终为零，并且永磁同步电机的实际的转子处于无负载的空载状态；

如果实际的转子发生转动，则进入第3步；

当实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、以及旋转变压器的读数，以此计算该永磁同步电机在转子处于零点位置时的旋转变压器读数即偏移角。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法第2步中，如果实际的转子保持静止，则减小参考坐标系d’q’的转动频率和/或增大转矩指令的大小，直至实际的转子发生转动；

所述方法第3步中，实际的转子发生转动后，如果最终无法达到以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动，则进一步减小参考坐标系d’q’的转动频率和/或增大转矩指令的大小，直至实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动。

8.根据权利要求6所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法3步中，如果实际的转子最终达到正向匀速转动，那么偏移角θ_offset＝x－θ－90，x为此时旋转变压器的读数，θ为此时的d’轴与α轴的夹角；

如果实际的转子最终达到反向匀速转动，那么偏移角θ_offset＝x’－θ’+90，x’为此时旋转变压器的读数，θ’为此时的d’轴与α轴的夹角。

9.根据权利要求6所述的永磁同步电机中标定偏移角的方法，其特征是，所述方法的第3步中，当实际的转子最终以参考坐标系d’q’的转动频率匀速转动时，重复多次记录此时参考坐标系d’q’的d’轴位置、旋转变压器的读数；每重复一次就计算出一个偏移角值，最后取每次计算的偏移角值的算术平均值作为最终的偏移角。