CN105720876B - 一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法，其特征在于包含了相电流过零点电角度范围的归零化算法，相电流过零点的判断方法，以及依据相电流过零时的变化量动态选择不同算法的步骤。本发明通过独立测量各相电流过零时的相位，得到电机内功率因数角。无需实时坐标变换，减少了算法复杂度。仅在电流过零时刻测量，避免了整个电气周期内由负载动态变化导致电流畸变而引起的解算误差。可对各相独立测量的内功率因数角计算中值，避免了因电流传感器故障而导致检测异常的情况，提高了测量鲁棒性。根据电流的变化量动态选择插值算法和均值算法，在高速或(和)重载情况与低速或(和)轻载情况下都具有较好性能。

Description

一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，涉及一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法，该方法适用于航空航天、军事装备以及工业生产中对高精度电动伺服系统的控制。

背景技术

目前高精度机电伺服系统采用的矢量控制方法，需要精确实时的检测转子位置角θ及空载反电势与定子电枢电流相量的夹角(内功率因数角)ψ，以用于对电枢电流进行坐标变换，将定子坐标下电枢电流变换为旋转坐标下dq轴电流并实施控制。内功率因数角ψ的获取是实现坐标变换的关键，通常的方法需要用电流传感器对各相定子电流进行精确实时地检测。将所测量定子坐标下的相电流利用Clarke变换解算出正交静止αβ坐标下电枢电流i_α、i_β，进而根据转子位置角θ并利用Park变换将i_α、i_β变换为正交旋转dq坐标下两个直流电流i_d、i_q。根据上述坐标变换，利用解算出内功率因数角。

传统方法对电流检测与解算的可靠性、精确度和实时性，以及信号的处理速度都要求很高。尤其是在电流传感器出现故障导致电流检测异常，或是有负载扰动和转子磁链波动导致相电流发生畸变的情况下，传统方法解算的内功率因数角ψ会产生很大的影响，上述问题将直接影响系统控制性能。

发明内容

针对矢量控制中传统方法求解内功率因数角，需要可靠测量各相定子电流，存在计算复杂、鲁棒性差等问题，本发明提出一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法。通过独立测量若干各相电流过零时的相位并取中值，从而获得电机内功率因数角。本发明特征在于含有以下步骤：

(1)所述控制器内部定时中断服务程序以周期T_s定时采样电流传感器信号，获得所述相电流i₁，同时通过位置传感器获取所述转子位置电角度θ。

(2)对一个电气周期内所述相电流的正负向两个过零点的角度范围进行归零化处理得到θ₁，使正向过零点所在的[270°,90°)范围和反向过零点所在的[90°,180°)范围的转子位置电角度均映射到[-90°,90°)。以便由正反两个过零点计算相电流与空载反电势的相位差时，具有相同的计算结果。其归零化方法为：对于两相电机A相绕组，当θ∈[270°,360°)时，则θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ。对于B相绕组，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°。对于三相及三相以上的N相电机的第k相绕组，令θ′＝θ-360°×(k-1)/N，然后按两相电机A相绕组的归零化方法，用θ′替代其中的θ进行计算得到所述归零化后转子位置电角度θ₁。

(3)判断所述相电流过零点：所述相电流的前一周期采样值i₀与当前周期采样值i₁相比较，当符号相异时计算所述相电流的变化量Δi＝i₁-i₀，并执行步骤(4)，否则执行步骤(6)。

(4)当满足步骤(3)的条件时，根据步骤(3)所计算的所述相电流变化量Δi的绝对值是否超过预设的电流变化量阈值i_Th，选择计算第k相电流内功率因数角ψ_k的公式：

式中，θ₀和θ₁分别为前一周期和当前周期所测转子位置归零化后电角度。

(5)根据独立测量的所述各相内功率因数角Ψ_k，取中值得到所述电机内功率因数角Ψ；

(6)将所述相电流本次采样值i₁保存为所述i₀，将所述转子位置归零化后的电角度θ₁保存为θ₀，供下一拍对相电流过零判断和计算内功率因数角时使用。

本发明的优点在于：

(1)通过测量一个电周期内两个过零时刻相电流的相位，即可获得内功率因数角，物理概念清晰，无需做实时坐标变换，减少了算法复杂度。

(2)仅在电流过零时刻测量，避免了整个电周期内，因电流畸变引起解算误差的问题，提高了测量的鲁棒性。

(3)可以分别利用各相独立测量的内功率因数角计算中值，避免了因至少一个电流传感器出现故障而导致检测异常的情况。

(4)根据电流过零时变化的快慢，动态选择插值算法和均值算法，在高速和重载情况下，能准确估算电流过零时的相位，同时避免了低速和轻载的情况下算法的奇异。

附图说明

图1：本发明方法流程图。

图2：电机某相电流与内功率因数角解算示意图。

具体实施方式

下面采用附图和实施例对本发明做进一步说明，此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。

本实施例以两相永磁同步电机为例，包括A相绕组和B相绕组，两相绕组空间正交，B相滞后A相90°。采用旋转变压器作为转子位置传感器，转子位置电角度以A相绕组空载反电势正向过零点为0°。控制器采用采用美国德州仪器公司(Texas Instruments，简称TI)的TMS320C28x^TM系列数字信号处理芯片，内部含有一个定时中断源，并按以下步骤实现对电机内功率因数角ψ的计算(流程图如图1)：

(1)控制器内部定时中断服务程序以采样周期T_s定时采样电流传感器信号，获得定子相电流i₁，同时通过位置传感器获取当前转子位置电角度θ。

(2)将所获取的转子位置电角度θ限定范围为0°≤θ＜360°。

(3)对一个电气周期内相电流的正反向两个过零点的角度范围进行归零化处理得到θ₁，使正向过零点所在的[270°,90°)范围和反向过零点所在的[90°,180°)范围的转子位置电角度均映射到[-90°,90°)。如图2所示，其归零化方法为：对于两相电机A相绕组，当θ∈[270°,360°)时，则θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ。对于B相绕组，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°。对于三相及三相以上的N相电机的第k相绕组，令θ′＝θ-360°×(k-1)/N，然后按两相电机A相绕组的归零化方法，用θ^′替代其中的θ进行计算得到归零化后转子位置电角度θ₁。

(4)判断相电流过零点：如图2所示，将相电流的前一周期采样值i₀与当前周期采样值i₁相比较，当符号相异时计算相电流的变化量Δi＝i₁-i₀，并执行步骤(5)，否则执行步骤(7)。

(5)当满足步骤(4)的条件时，根据步骤(4)所计算的相电流变化量Δi的绝对值是否超过预设的电流变化量阈值i_Th，选择计算第k相电流内功率因数角ψ_k的公式：

式中，θ₀和θ₁分别为前一周期和当前周期所测转子位置归零化后电角度。

(6)根据独立测量的所述各相内功率因数角Ψ_k，取中值得到所述电机内功率因数角Ψ；

(7)将相电流本次采样值i₁保存为i₀，将转子位置归零化后的电角度θ₁保存为θ₀，供下一拍对相电流过零判断和计算内功率因数角时使用。

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明方法的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机的内功率因数角检测方法，其特征在于包含如下步骤：

(1)用于实施所述内功率因数角检测方法的控制器，其内部定时中断服务程序以周期T_s定时采样电流传感器信号，获得永磁同步电机的定子相电流i₁，同时通过位置传感器获取永磁同步电机的转子位置电角度θ；

(2)对一个电气周期内永磁同步电机的定子相电流的正反向两个过零点的角度范围进行归零化处理得到归零化后的转子位置电度角θ₁，使正向过零点所在的[270°,90°)范围和反向过零点所在的[90°,180°)范围的转子位置电角度均映射到[-90°,90°)；归零化方法为：对于两相电机A相绕组，当θ∈[270°,360°)时，则θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ；对于B相绕组，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°；对于三相及三相以上的N相电机的第k相绕组，令θ′＝θ-360°×(k-1)/N，然后按两相电机A相绕组的归零化方法，用θ′替代其中的θ进行计算得到所述归零化后的转子位置电角度θ₁；

(3)判断所述相电流过零点：所述相电流的前一采样周期采样值i₀与当前采样周期采样值i₁相比较，当符号相异时计算所述相电流的变化量Δi＝i₁-i₀，并执行步骤(4)，否则执行步骤(6)；

(4)当满足步骤(3)的条件时，根据步骤(3)所计算的所述相电流变化量Δi的绝对值是否超过预设的电流变化量阈值i_Th，选择第k相电流内功率因数角的计算公式计算第k相电流内功率因数角ψ_k：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&psi;}}_k=\frac{(i_1\&times;{\mathrm{\&theta;}}_0-i_0\&times;{\mathrm{\&theta;}}_1)}{\mathrm{\&Delta;}i},& \left|\mathrm{\&Delta;}i\right|>i_{Th}\\ {\mathrm{\&psi;}}_k=\frac{({\mathrm{\&theta;}}_0+{\mathrm{\&theta;}}_1)}{2},& \left|\mathrm{\&Delta;}i\right|<i_{Th}\end{array}\right.$

式中，θ₀和θ₁分别为前一采样周期和当前采样周期所测转子位置归零化后的电角度；

(5)根据步骤(4)计算得到的各相内功率因数角，取中值得到所述电机内功率因数角ψ；

(6)将所述相电流本次采样值i₁保存为所述i₀，将所述转子位置归零化后的电角度θ₁保存为所述θ₀，供下一采样周期对相电流过零判断和计算内功率因数角时使用。