CN104836506B - 一种永磁同步电机转子零位校正系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种永磁同步电机转子零位校正系统及方法，属于电机伺服控制技术领域。本发明首先将电机控制支路中q轴电流设为0，d轴电流控制在1.2倍额定电流值以内，然后通过给定矢量控制中使用的角度从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位；判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度；最后将得到校正角度补偿到电机控制过程测量到的转子角度作为实际的转子角度，从而实现对转子零位的校正。本发明的校正方法简单易实施，能够很好的解决现有永磁同步电机转子零位校正所存在的操作麻烦、通用性差以及相电流大小不易控制的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种永磁同步电机转子零位校正系统及方法，属于电机伺服控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机转子位置传感器被广泛应用于工业现场以实现电机的精密控制。转子零位的准确检测是实现电机矢量控制的必要条件，电机矢量控制一般采用位置(转速)、电流闭环控制，需要准确的知道转子位置。
转子位置传感器一般采用旋转变压器或者编码器，传感器的安装和零位校正非常困难且精确度不高。常用的转子零位校正方法有“反电动势与传感器信号比兑”、“高频信号注入”、“相电流合成磁场定位”等方法。
反电动势与传感器信号比兑法需要永磁同步电机被拖动状态下测试反电动势信号和传感器反馈信号，还需要借助示波器来观察波形。操作起来非常困难。
高频信号注入法对凸极式电机效果明显，但对隐极式电机效果不好。通用性差且算法复杂。
相电流合成磁场定位法是通过给电机任意两相通电生成一个合成磁场来拖动转子至合适位置，相电流大小不容易控制且容易出现永磁同步电机退磁或者烧坏定子线圈。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机转子零位校正系统及方法，以解决目前永磁同步电机转子零位校正所存在的操作麻烦、通用性差以及相电流大小不易控制的问题。
本发明为解决上述技术问题而提供一种永磁同步电机转子零位校正系统，该校正系统包括电机控制支路、电流反馈支路和角度反馈支路，所述电流反馈支路和角度反馈支路与电机控制支路构成电机的电流环控制模式，所述电机控制支路用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流命令控制永磁同步电机，所述给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令为0，d轴电流命令为设定倍数的额定电流值以内，所述角度反馈支路包括转子位置传感器、转子角度规划单元和角度使用选择单元，所述转子位置传感器用于采集永磁同步电机转子角度，转子角度规划单元用于产生对转子角度的规划，并将规划通过角度使用选择单元传输给电机控制支路，用来拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位，并以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度。
所述永磁同步电机转子最终稳定位置是基于转子位置传感器两相邻时刻采样所得转子角度差值小于某一临界阈值判断的。
所述设定倍数为1.2倍。
所述电机控制支路包括电流比较器、电流环控制器、Park/Clark逆变换器和功率放大器，矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令为0，d、q轴电流命令通过电流比较器和电流环控制器连接至Park/Clark逆变换器，将旋转坐标系d、q轴电流命令转换为将三相静止坐标系电流，经功率放大器连接至永磁同步电机，实现对永磁同步电机的控制。
所述电流反馈支路包括相电流传感器和Clark/Park变换器，相电流传感器的输入端连接至电机控制支路的输出端与永磁同步电机之间，用于采集永磁同步电机的相电流，相电流传感器通过Clark/Park变换器连接至电流比较器的输入端。
本发明还提供了一种永磁同步电机转子零位校正方法，该校正方法包括以下步骤：
1)将给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令设为0，d轴电流命令控制在设定倍数的额定电流值以内；
2)通过给定矢量控制中使用的角度从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位；
3)判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度；
4)将得到校正角度补偿到永磁同步电机控制过程测量到的转子角度作为实际的转子角度，以实现对永磁同步电机转子零位的校正。
所述永磁同步电机转子最终稳定位置是基于转子位置传感器两相邻时刻采样所得转子角度差值小于某一临界阈值判断的。
所述步骤1)中的设定倍数为1.2倍。
所述角度从30°逐步减小至0，可以使用定步长减小方式，或者使用步长由大到小方式，使拖动过程平稳。
所述角度均为电角度，电角度值等于机械角度乘以电机极对数，转子的机械角度即转子的空间位置。
本发明的有益效果是：本发明首先将电机控制支路中q轴电流命令设为0，d轴电流命令控制在1.2倍额定电流值以内，然后通过给定矢量控制中使用的角度从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位；判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度；最后将得到校正角度补偿到电机控制过程测量到的转子角度作为实际的转子角度，从而实现对转子零位的校正。本发明的校正方法简单易实施，能够很好的解决现有永磁同步电机转子零位校正所存在的操作麻烦、通用性差以及相电流大小不易控制的问题。
附图说明
图1是本发明永磁同步电机转子零位校正系统的构成原理图；
图2是本发明所用到的控制策略示意图；
图3是本发明所采用的中断服务流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的说明。
本发明的一种永磁同步电机转子零位校正系统的实施例
如图1所示，本发明的永磁同步电机转子零位校正系统包括电机控制支路、电流反馈支路和角度反馈支路，电流反馈支路和角度反馈支路与电机控制支路构成电机电流环控制模式，电机控制支路用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流命令控制永磁同步电机，给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令为0，d轴电流命令为设定倍数的额定电流值以内，角度反馈支路包括转子位置传感器、转子角度规划单元和角度使用选择单元，转子位置传感器用于采集永磁同步电机转子角度，转子角度规划单元用于产生对转子角度的规划，并将规划通过角度使用选择单元传输给电机控制支路，用来拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位，并以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度。
其中电机控制支路包括电流比较器、电流环控制器、Park/Clark逆变换器和功率放大器，d、q轴的电流命令通过电流环控制器连接至Park/Clark逆变换器，将旋转坐标系d、q轴电流转换为将三相静止坐标系电流，经功率放大器连接至永磁同步电机，实现对永磁同步电机的控制；电流反馈支路包括相电流传感器和Clark/Park变换器，相电流传感器的输入端连接至电机控制支路的输出端与永磁同步电机之间的，用于采集永磁同步电机的相电流，相电流传感器通过Clark/Park变换器连接至比较器一端，与比较器另一端输入的d、q轴的电流命令值做逻辑运算后输入至电流环控制器，作为电机的控制信号。Clark/Park变换器用于将相电流传感器采集到永磁同步电机的三相静止坐标系电流转换为d、q电流，
如图2，本实施例中定子侧，q轴电流命令Iq＝0，d轴电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内，规划的转子角度Angle从30°逐步减小至0，可以使用定步长减小方式，或者使用步长由大到小(如一阶数字滤波器)等方式，步长视实际情况而定，使得拖动过程平稳，转子位置在图中θ角位置被拖动至理论零位，此过程中即使转子处于180°非稳定的角位置，扭矩方向的变化也能够保证永磁同步电机转子被拖动至理论零位。
该校正系统的工作原理如下：将d轴电流命令控制在1.2倍额定电流值以内，q轴电流命令为0，经电机控制支路作用于永磁同步电机，为电机提供足够大的扭矩，此时能够产生合适大小电磁转矩，不会因为电流过大而烧坏定子绕组，也不会因为电流过小而无法拖动永磁同步电机转子；作为反馈环节，角度反馈支路为控制支路提供角度，电流反馈支路为控制支路提供相电流，在转子零位校正过程中，电子控制支路通过角度使用选择单元选择使用转子角度规划单元规划产生的角度，当角度给定值为0且转子被拖动至稳定位置时(转子被拖动至理论零位后，没有切向扭矩，电机转子静止，转子位置传感器采样所得转子角度值基本不变)，记录此时转自位置传感器采样到的转子角度值，此值即为转子零位校正角度。当角度校正完成后，在实际的永磁同步电机使用过程中，可通过角度使用选择单元选择使用转子位置传感器所得转子采样角度减去转子零位校正角度作为转子实际角度来使用，从而实现对永磁同步电机转子零位的校正。
本发明的一种永磁同步电机转子零位校正方法的实施例
本发明所针对的是基于电流环控制的永磁同步电机，其构成原理如图1所示，d、q轴电流命令通过电流比较器、电流环控制器、Park/Clark逆变换器和功率放大器到达永磁同步电机，实现对永磁同步电机的控制，相电流传感器将采集到的永磁同步电机的电流经Park/Clark变换器连接至比较器，构成对电流环的闭环控制，该方法的具体实施步骤如下：
1.将给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令设为0，d轴电流命令控制在设定倍数的额定电流值以内。
本实施例中给定q轴电流命令为0，d轴电流命令控制在1.2倍额定电流值以内，能够产生合适大小电磁转矩，不会因为电流过大而烧坏定子绕组，也不会因为电流过小而无法拖动永磁同步电机转子。
2.通过给定矢量控制中使用的角度从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位。
角度从30°逐步减小至0，可以使用定步长减小方式也可以使用步长由大到小(如一阶数字滤波器)等方式，拖动过程平稳，在此过程中即使转子处于180°非稳定的角位置，扭矩方向的变化也能够保证永磁同步电机转子被拖动至理论零位。
3.判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度。
永磁同步电机转子最终稳定位置是基于转子位置传感器两相邻时刻采样所得转子角度差值小于某一临界阈值判断的。
4.将得到校正角度补偿到永磁同步电机控制过程测量到的转子角度作为实际的转子角度，以实现对永磁同步电机转子零位的校正。
本实施例中将转子位置传感器采样所得的实时角度减去转子零位校正角度即为转子实际角度，免去了传感器安装过程中繁琐的零位校正操作。
本发明永磁同步电机转子零位校正方法可通过在控制芯片(本发明中使用的是数字信号处理芯片DSP，但不局限于DSP)中编程实现的，本实施例给出一种具体的编程实现形式，如图3所示，是一个中断服务程序的流程图，可以采用定时中断的方式。
在电流环控制中断服务程序中，首先判断转子零位校正标志Angle_Flag是否等于0(等于0表示零位校正没有完成，等于1表示零位校正完成，此值初始化为0)。如果等于0则进入转子零位校正程序，等于1则进入正常的电流环控制程序。
在转子零位校正程序中，q轴电流命令Iq＝0，d轴电流命令Id控制在1.2倍额定电流值以内。
规划的转子角度Angle给定值从30°逐步减小至0，永磁同步电机转子在电磁扭矩作用下被拖动至理论零位。
判断转子角度Angle的给定值是否已经为0。如果Angle等于0且此时转子位置传感器计算所得转子角度与上一时刻的变化量小于0.01°(如果工作中传感器的精度更高，此变化率也可以设定的更小)，置位校正标志Angle_Flag，并记录转子零位校正角度Angle0等于此时传感器计算所得转子角度Angle1。转子零位校正完成。
转子零位校正完成后，电流环控制程序中采用的转子角度Angle的值为转子位置传感器计算所得的角度Angle1减去转子零位校正角度Angle0。
Claims (9)
1.一种永磁同步电机转子零位校正系统，其特征在于，该校正系统包括电机控制支路、电流反馈支路和角度反馈支路，所述电流反馈支路和角度反馈支路与电机控制支路构成电机的电流环控制模式，所述电机控制支路用于根据给定矢量控制中的永磁同步电机定子侧的q、d轴电流命令控制永磁同步电机，所述给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令为0，d轴电流命令为设定倍数的额定电流值以内，所述角度反馈支路包括转子位置传感器、转子角度规划单元和角度使用选择单元，所述转子位置传感器用于采集永磁同步电机转子角度，转子角度规划单元用于产生对转子角度的规划，并将规划通过角度使用选择单元传输给电机控制支路，用来平稳地拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位，并以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度；所述转子角度规划单元产生的角度用于电机矢量控制；所述转子角度的规划从30°逐步减小至0，使用定步长减小方式，或者使用步长由大到小方式。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子零位校正系统，其特征在于，所述永磁同步电机转子最终稳定位置是基于转子位置传感器两相邻时刻采样所得转子角度差值小于某一临界阈值判断的。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机转子零位校正系统，其特征在于，所述设定倍数为1.2倍。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子零位校正系统，其特征在于，所述电机控制支路包括电流比较器、电流环控制器、Park/Clark逆变换器和功率放大器，矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令为0，d、q轴电流命令通过电流比较器和电流环控制器连接至Park/Clark逆变换器，将旋转坐标系d、q轴电流命令转换为将三相静止坐标系电流，经功率放大器连接至永磁同步电机，实现对永磁同步电机的控制。
5.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子零位校正系统，其特征在于，所述电流反馈支路包括相电流传感器和Clark/Park变换器，相电流传感器的输入端连接至电机控制支路的输出端与永磁同步电机之间，用于采集永磁同步电机的相电流，相电流传感器通过Clark/Park变换器连接至电流比较器的输入端。
6.一种永磁同步电机转子零位校正方法，其特征在于，该校正方法包括以下步骤：
1)将给定矢量控制中永磁同步电机定子侧的q轴电流命令设为0，d轴电流命令控制在设定倍数的额定电流值以内；
2)通过给定矢量控制中使用的角度从30°逐步减小至0°，以拖动永磁同步电机转子由θ角至理论零位；所述角度从30°逐步减小至0，使用定步长减小方式，或者使用步长由大到小方式，使拖动过程平稳；
3)判断永磁同步电机转子是否达到最终稳定位置，以永磁同步电机转子最终稳定位置时的角度作为转子零位校正角度；
4)将得到校正角度补偿到永磁同步电机控制过程测量到的转子角度作为实际的转子角度，以实现对永磁同步电机转子零位的校正。
7.根据权利要求6所述的永磁同步电机转子零位校正方法，其特征在于，所述永磁同步电机转子最终稳定位置是基于转子位置传感器两相邻时刻采样所得转子角度差值小于某一临界阈值判断的。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电机转子零位校正方法，其特征在于，所述步骤1)中的设定倍数为1.2倍。
9.根据权利要求6-8中任一项所述的永磁同步电机转子零位校正方法，其特征在于，所述角度均为电角度，电角度值等于机械角度乘以电机极对数，转子的机械角度即转子的空间位置。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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