CN105356811A - 一种永磁同步电机初始位置的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机初始位置的检测方法，包括以下步骤：第一步：对永磁同步电机依次给定一组假定转子位置序列，第二步：取第n个假定转子位置，计算三相占空比；第三步：通过三相占空比和三角波比较，产生开关信号；第四步：用电流传感器测量电机的三相电流；第五步：计算得到在第二步中假定转子坐标系下的d轴电流：第六步：返回第二步，计算下一个假定转子坐标系下的d轴电流，直至假定转子位置序列中d轴电流都测算完毕，形成d轴电流序列；第七步：将d轴电流序列中的最大值对应的假定转子位置作为转子的实际初始位置。该检测方法可确保初始位置检测的准确性。

Description

一种永磁同步电机初始位置的检测方法

技术领域

本发明属于电机驱动与控制技术领域，具体来说，涉及一种永磁同步电机初始位置的检测方法。

背景技术

由于具有高效率、高转矩密度、高功率密度等优点，近几年永磁同步电机(PMSM)备受关注。在永磁同步电机驱动系统中，转子位置尤为关键，一般通过机械位置传感器获取。例如，旋转变压器和光电编码器。然而，位置传感器的使用增加了永磁同步电机驱动系统的体积和成本。此外，位置传感器的存在还降低了系统可靠性。因此，近年来无位置传感器控制成为了一个热门课题，很多无位置控制方法已经被提出。

为了实现无位置控制，必须获取转子的初始位置，然而，在一些特殊场合(如轨道交通)不能出现逆转起动转矩。因此，许多学者提出了永磁同步电机初始位置检测方法，然而大多数方法都是针对具有显著凸极性的内嵌式永磁同步电机。对于表贴式永磁同步电机，由于d轴、q轴电感很接近，初始位置检测很难实现。目前，永磁同步电机初始位置检测方法大致可以分为以下三大类：

1.基于永磁同步电机反电动势的初始位置检测方法

这一类方法利用永磁同步电机反电动势来检测电机初始位置，具有结构简单，对硬件要求低等优点。但是，这类方法的不足是电机低速运行或零速时反电动势较小或为零，从而不利于位置检测或根本无法进行电机初始位置的检测。

2.基于高频信号注入的初始位置检测方法

这一类方法通过给永磁同步电机注入高频电压信号得到高频电流响应信号，其高频电流响应信号中含有转子的位置信息，解决了反电动势法在低速运行或零速时的位置检测问题，在理论上可以确保电机初始位置检测的可行性。但是，这类方法对高频电流响应信号的解调算法很复杂，运算量大，理论性强，实际应用中往往问题较多，并且这类方法主要针对具有显著凸极性的内嵌式永磁同步电机。

3.基于脉冲信号注入的初始位置检测方法

这一类方法与基于高频信号注入的初始位置检测方法类似，通过给永磁同步电机注入电压脉冲信号得到电流脉冲响应信号，其电流脉冲响应信号中含有转子位置信息，这类方法的优点是不需要对电流脉冲响应信号进行解调运算。但是，这类方法提取出的初始位置具有对称性，很难区分转子N/S极，而且转子也易受注入脉冲影响而发生微小转动。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种永磁同步电机初始位置的检测方法，该检测方法适用于表贴式永磁同步电机，通过给定一组假定转子位置序列，在每一个假定转子坐标系下，给电机施加d轴电压，根据d轴电流的大小检测表贴式永磁同步电机初始位置，确保初始位置检测的准确性，提高控制系统的可靠性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明实施例所采用的技术方案是：

一种永磁同步电机初始位置的检测方法，该检测方法包括以下步骤：

第一步：在控制器中对永磁同步电机依次给定一组假定转子位置序列θ_ass(n)，θ_ass(n)＝2nπ/N,n＝0、1、2、···、N-1；N为大于1的整数；每个假定转子位置对应一个假定转子坐标系；在每个假定转子坐标系下，d轴电压参考值U_{d_ass}给定为正常数，q轴电压参考值U_{q_ass}给定为0；

第二步：取第n个假定转子位置，根据该假定转子位置对应的假定转子坐标系中的d轴电压参考值和q轴电压参考值，以及假定转子位置，通过SVPWM方法计算三相占空比；n的初始值为0，且n表示第六步返回第二步的次数；n＝0、1、2、···、N-1；

第三步：通过三相占空比和三角波比较，产生开关信号(S_A、S_B、S_C)，进而控制三相半桥电路；三相半桥电路的输出端和电机输入端相连；

第四步：用电流传感器测量电机的三相电流i_a、i_b、i_c；

第五步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和假定转子位置，通过式(1)计算得到在第二步中假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流i_{d_ass}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d\_ass}\\ i_{q\_ass}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{ass}& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\mathrm{sin\θ}}_{ass}& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$ 式(1)

式中，i_{q_ass}表示假定转子坐标系下的q轴电流；θ_ass表示第二步采用的假定转子位置；

第六步：返回第二步，计算下一个假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流，直至假定转子位置序列中所有假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流都测算完毕，形成d轴电流序列；

第七步：将第六步中的d轴电流序列中的最大值对应的假定转子位置作为转子的实际初始位置θ_act。

作为优选方案，所述的第一步中，N的取值范围为50至100。

作为优选方案，所述的永磁同步电机为表贴式永磁同步电机。

有益效果：与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下优点：可以用于检测表贴式永磁同步电机转子初始位置。该检测方法通过给定一组假定转子位置序列，在每一个假定转子坐标系下，给电机施加d轴电压，根据d轴电流的大小检测表贴式永磁同步电机初始位置，确保检测的准确性，提高控制系统的可靠性。与现有的基于高频信号注入的初始位置检测方法相比，本发明方法实现了表贴式永磁同步电机初始位置检测，并且不需要对电流响应信号进行复杂的解调运算，过程简单。与现有的基于脉冲信号注入的初始位置检测方法相比，本发明方法不需要区分转子N/S极，简单易行，可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例中，以N＝12为例，假定转子位置序列的空间分布图；

图2是本发明实施例中，实际转子坐标系和一个假定转子坐标系的位置图；

图3是本发明实施例中驱动系统的结构图；

图4是本发明实施例中表贴式永磁同步电机d轴磁链饱和特性曲线图；

图5是本发明实施例中表贴式永磁同步电机q轴磁链饱和特性曲线图；

图6是本发明实施例的仿真结果图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明实施例进行具体的说明。

本发明实施例的一种永磁同步电机初始位置的检测方法，包括以下步骤：

第一步：在控制器中对永磁同步电机依次给定一组假定转子位置序列θ_ass(n)，θ_ass(n)＝2nπ/N,n＝0、1、2、···、N-1；N为大于1的整数；每个假定转子位置对应一个假定转子坐标系；在每个假定转子坐标系下，d轴电压参考值U_{d_ass}给定为正常数，q轴电压参考值U_{q_ass}给定为0。每个假定转子坐标系由d轴和q轴组成。虽然理论上，N越大，检测精度越高。但是N越大，检测时间也越长。考虑到控制器的计算速度，本优选例中，N的取值范围为50至100。当然，N的取值可以不在此范围内。以N＝12为例，假定转子位置序列θ_ass(n)的空间分布图如图1所示。

第二步：取第n个假定转子位置，根据该假定转子位置对应的假定转子坐标系中的d轴电压参考值和q轴电压参考值，以及假定转子位置，通过SVPWM方法计算三相占空比。n的初始值为0，且n表示第六步返回第二步的次数；n＝0、1、2、···、N-1。SVPWM方法对应中文译文为空间矢量脉宽调制方法，对应英文全称为SpaceVectorPulseWidthModulation。

第三步：通过三相占空比和三角波比较，产生开关信号(S_A、S_B、S_C)，进而控制三相半桥电路。三相半桥电路的输出端和永磁同步电机输入端相连。

第四步：用电流传感器测量永磁同步电机的三相电流i_a、i_b、i_c。

第五步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和假定转子位置，通过式(1)计算得到在第二步中假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流i_{d_ass}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d\_ass}\\ i_{q\_ass}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{ass}& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\mathrm{sin\θ}}_{ass}& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$ 式(1)

式中，i_{q_ass}表示假定转子坐标系下的q轴电流；θ_ass表示第二步采用的假定转子位置。式(1)为派克变化，用于将abc坐标系(定子三相坐标系)下的变量变换到dq坐标系下。

第六步：返回第二步，计算下一个假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流，直至假定转子位置序列中所有假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流都测算完毕，形成d轴电流序列。

第七步：将第六步中的d轴电流序列中的最大值对应的假定转子位置作为转子的实际初始位置θ_act。在不同的假定转子坐标系下，给电机施加d轴电压，当d轴电流响应i_{d_ass}最大时，相应的假定转子位置θ_ass即为实际转子位置θ_act。

如图2所示，为实际转子坐标系和一个假定转子坐标系的位置图。其中，d_act和q_act构成实际转子坐标系，d_ass和q_ass构成假定转子坐标系。a轴表示定子三相坐标系中的a轴。θ_ass表示假定转子位置，θ_act表示实际转子位置。

上述实施例的检测方法适用于表贴式永磁同步电机。

下面例举一实施例。

驱动系统结构如图3所示，包括：直流电压源、逆变电路、表贴式永磁同步电机、驱动电路、电压采样电路、电流采样电路和中央处理器。直流电压源给逆变电路提供直流母线电压，电压采样电路测量直流母线电压，电流采样电流测量表贴式永磁同步电机三相电流。中央处理器作为控制器，计算占空比；驱动电路的输入是开关信号，输出IGBT触发脉冲驱动逆变电路。

本实施例中表贴式永磁同步电机(SPMSM)的参数为：额定相电压U_N＝220V，极对数p_n＝4，定子相电阻R_s＝0.625Ω，直轴电感L_d＝8.5mH，交轴电感L_q＝8.5mH，永磁磁链ψ_f＝0.442Wb，额定转速n_N＝1500r/min。

具体实验条件为：电机静止，母线电压300V，开关频率200Hz，d轴电压参考值u_{d_ass}的幅值为60V，实际转子位置θ_act为2.00rad。所用仿真软件为matlab。

实施例包含的具体步骤如下：

第一步：在控制器中依次给定一组假定转子位置序列θ_ass(n)，假定转子位置θ_ass和实际转子位置θ_act之间的关系如图2所示。N取值为62。

θ_ass(n)＝2nπ/62,n＝0,1,2,...,61

每个假定转子位置对应一个假定转子坐标系。在每一个假定转子坐标系下，d轴电压参考值U_{d_ass}给定为正常数60V，q轴电压参考值U_{q_ass}为0。d轴和q轴磁链饱和特性如图4和图5所示。

第二步：取第n个假定转子位置，根据该假定转子位置对应的假定转子坐标系中的d轴电压参考值和q轴电压参考值，以及假定转子位置，通过SVPWM方法计算三相占空比。n的初始值为0，且n表示第六步返回第二步的次数；n＝0、1、2、···、61。

第三步：通过三相占空比和三角波比较，产生开关信号(S_A、S_B、S_C)，进而控制三相半桥电路；三相半桥电路的输出端和电机输入端相连。

第四步：用电流传感器测量电机的三相电流i_a、i_b、i_c。

第五步：根据电机三相电流i_a、i_b、i_c和假定转子位置，通过下式(派克变换)计算得到在第二步中假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流i_{d_ass}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d\_ass}\\ i_{q\_ass}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{ass}& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& \cos ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\\ -{\mathrm{sin\θ}}_{ass}& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π})& -\sin ({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$

第六步：返回第二步，计算下一个假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流，直至假定转子位置序列中所有假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流都测算完毕，形成d轴电流序列；

第七步：将第六步中的d轴电流序列中的最大值对应的假定转子位置作为转子的实际初始位置θ_act。

仿真结果如图6所示。图6中，在θ_ass＝2.1rad时，d轴电流i_{d_ass}最大，所以检测转子初始位置为2.1rad。根据实际转子位置θ_act为2.00rad，本实施例检测误差为0.1rad，误差较小。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机初始位置的检测方法，其特征在于，该检测方法包括以下步骤：

第一步：在控制器中对永磁同步电机依次给定一组假定转子位置序列θ_ass(n)，θ_ass(n)＝2nπ/N,n＝0、1、2、…、N-1；N为大于1的整数；每个假定转子位置对应一个假定转子坐标系；在每个假定转子坐标系下，d轴电压参考值U_{d_ass}给定为正常数，q轴电压参考值U_{q_ass}给定为0；

第二步：取第n个假定转子位置，根据该假定转子位置对应的假定转子坐标系中的d轴电压参考值和q轴电压参考值，以及假定转子位置，通过SVPWM方法计算三相占空比；n的初始值为0，且n表示第六步返回第二步的次数；n＝0、1、2、…、N-1；

第三步：通过三相占空比和三角波比较，产生开关信号(S_A、S_B、S_C)，进而控制三相半桥电路；三相半桥电路的输出端和电机输入端相连；

第四步：用电流传感器测量电机的三相电流i_a、i_b、i_c；

第五步：根据永磁同步电机三相电流i_a、i_b、i_c和假定转子位置，通过式(1)计算得到在第二步中假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流i_{d_ass}：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d\_ass}\\ i_{q\_ass}\end{array}\right]=\frac{2}{3}\left[\begin{array}{ccc}{\mathrm{cos\θ}}_{ass}& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)& \cos \left({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)\\ -{\mathrm{sin\θ}}_{ass}& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{ass}-\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)& -\sin \left({\mathrm{\θ}}_{ass}+\frac{2}{3}\mathrm{\π}\right)\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right]$ 式(1)

式中，i_{q_ass}表示假定转子坐标系下的q轴电流；θ_ass表示第二步采用的假定转子位置；

第六步：返回第二步，计算下一个假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流，直至假定转子位置序列中所有假定转子位置对应的假定转子坐标系下的d轴电流都测算完毕，形成d轴电流序列；

第七步：将第六步中的d轴电流序列中的最大值对应的假定转子位置作为转子的实际初始位置θ_act。

2.按照权利要求1所述的永磁同步电机初始位置的检测方法，其特征在于，所述的第一步中，N的取值范围为50至100。

3.按照权利要求1所述的永磁同步电机初始位置的检测方法，其特征在于，所述的永磁同步电机为表贴式永磁同步电机。