CN105827169B - 一种永磁同步电机的直交轴电流检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的直交轴电流检测方法，其特征在于含有直交轴位置所在的转角范围的归零化算法，直轴位置和交轴位置的判断方法以及依据转角变化的快慢动态选择不同算法的步骤。本发明通过在直轴位置和交轴位置分别测量各相定子相电流，独立获得若干直交轴电流并取中值，实现对电机i_d、i_q的测量。物理概念清晰，无需实时坐标变换，减少了算法的复杂度；仅在特定的转角测量，避免了电流在整个电周期内因测量扰动而影响检测的问题；可对各相独立测量的若干直交轴电流分别取中值，避免因电流传感器故障而导致检测异常的情况，提高了测量的鲁棒性。根据转角变化的快慢动态选择插值或均值算法，在全调速域内均有良好的检测性能。

Description

一种永磁同步电机的直交轴电流检测方法

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直交轴电流检测方法，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、实时检测转子位置角θ和各相定子电流，通过坐标变换将定子坐标下电枢电流变换为旋转坐标下dq轴电流从而实施控制。通常的方法需要电流传感器对各相定子电流精确、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坐标下两相交流电流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。以三相电机为例，采用如下坐标变换式计算直交轴电流i_d、i_q：

传统方法对电流检测与解算的可靠性、精确度、实时性，以及信号的处理速度都要求很高。尤其在电流传感器出现故障导致电流检测异常，或是实时电流检测信号受到干扰的情况下，传统方法解算的直交轴电流会受到很大影响，上述问题将直接影响系统的控制性能。

发明内容

针对矢量控制中利用坐标变换求解直交轴电流的传统方法，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直交轴电流的检测方法。通过在特定的转子位置角(直轴位置和交轴位置)分别测量各相定子相电流，独立获得若干直交轴电流并取中值，实现对电机i_d、i_q的测量。本发明特征在于含有以下步骤：

(1)用于实施所述直交轴电流检测方法的控制器，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，获得所述永磁同步电机的定子相电流i₁，同时通过位置传感器获取所述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两个直轴位置和交轴位置所在的电角度进行归零化处理得到θ₁。将直轴位置和交轴位置所在角度均映射至0°，同时将以上述位置为参考中心的±90°转角范围均映射到[-90°,90°)，使得在上述转角位置测量直交轴电流i_d、i_q时，具有相同的计算结果。对于两相电机，其中A相的正负直轴位置分别为0°和180°，正负交轴位置分别为90°和270°；B相正负直轴位置分别为90°和270°，正负交轴位置分别为180°和0°。则A相绕组的归零化方法为：对于直轴位置，当θ∈[270°,360°)时，则θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ。对于交轴位置，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°。B相绕组的归零化方法与A相绕组一致，区别仅在于A相的直轴位置对应B相交轴位置，A相交轴位置对应B相直轴位置。对于三相和三相以上的N相电机，第k相正向直轴位置为(k-1)/N×360°，负向直轴位置为(k-1)/N×360°+180°，正向交轴位置为(k-1)/N×360°+90°，负向交轴位置为(k-1)/N×360°+270°。因此，三相及三相以上的N相电机的第k相绕组的归零化方法为：令修正后的转子位置角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。

(3)对直交轴电流i_d、i_q进行检测。将前一采样周期的归零化后转子位置θ₀与当前采样周期的归零化后转子位置θ₁的符号相比较，当符号相异时表明修正后转子位置角θ^′穿越了上述直交轴位置。然后计算转子位置的变化量Δθ＝θ₁-θ₀，并根据步骤(2)中修正后的转角θ′所处象限，判断所述直轴位置和交轴位置。若修正后转子位置角θ′当前在第一象限，则为正向直轴位置，所测相电流为直轴电流i_d；若在第二象限，则为正向交轴位置，所测相电流为交轴电流i_q；若在第三象限，则为负向直轴位置，所测相电流为直轴电流的相反数-i_d；若在第四象限，则为负向交轴位置，所测相电流为交轴电流的相反数-i_q。

(4)根据步骤(2)中转角θ′当前所在的范围，以及步骤(3)中计算的转子位置变化量Δθ的绝对值是否超过预设位置变化量阈值θ_Th，选择第k相的直轴电流i_d或交轴电流i_q的计算公式。其中，对于正向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(0°≤θ′＜90°)

对于负向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(180°≤θ′＜270°)

对于正向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(90°≤θ′＜180°)

对于负向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(270°≤θ′＜360°)

(5)根据各相独立测量的所述直交轴电流i_d、i_q，取中值得到电机直轴电流I_d、交轴电流I_q。

(6)将相电流的本次采样值i₁保存为i₀，步骤(2)所得归零化后的转子位置电角度θ₁保存为θ₀，供下一采样周期对转子位置判断和计算i_d、i_q时使用。

本发明的优点在于：

(1)通过在直轴位置和交轴位置检测相电流来测量i_d、i_q，物理概念清晰，无需做实时坐标变换，减少了算法复杂度。

(2)仅在特定的转子位置角测量，避免了整个电周期内，因电流测量扰动而影响直交轴电流检测的问题，提高了测量的鲁棒性。

(3)可以分别利用各相电流独立测量直交轴电流，得到若干值测量值并取中值，避免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)根据位置角变化的快慢，动态选择插值算法和均值算法，在全调速域内均有良好的检测性能。

附图说明

图1：本发明方法流程图。

图2：电机某相电流与直交轴电流检测示意图。

图3：电机在特定转子位置检测相电流示意图。

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，控制器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直交轴电流i_d、i_q的计算(流程图如图1)：

(1)用于实施所述直交轴电流检测方法的控制器，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，获得所述永磁同步电机的定子相电流i₁，同时通过位置传感器获取所述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直轴位置和交轴位置所在的角度进行归零化处理得到θ₁。将直轴位置和交轴位置所在角度均映射至0°，同时将以上述位置为参考中心的±90°转角范围均映射到[-90°,90°)。如图2所示，对于两相电机，其中A相正负直轴位置分别为0°和180°，正负交轴位置分别为90°和270°；B相正负直轴位置分别为90°和270°，正负交轴位置分别为180°和0°。则A相绕组的归零化方法为：对于直轴位置，当θ∈[270°,360°)时，则θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ。对于交轴位置，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°。B相绕组的归零化方法与A相绕组一致，区别仅在于A相的直轴位置对应B相交轴位置，A相交轴位置对应B相直轴位置。对于三相和三相以上的N相电机，第k相正向直轴位置为(k-1)/N×360°，负向直轴位置为(k-1)/N×360°+180°，正向交轴位置为(k-1)/N×360°+90°，负向交轴位置为(k-1)/N×360°+270°。因此，三相及三相以上的N相电机的第k相绕组的归零化方法为：令修正后的转子位置角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。

(3)对直交轴电流i_d、i_q进行检测。如图3所示，将前一采样周期的归零化后转子位置θ₀与当前采样周期的归零化后转子位置θ₁的符号相比较，当符号相异时表明修正后转子位置角θ′穿越上述直交轴位置。然后计算转子位置的变化量Δθ＝θ₁-θ₀，并根据步骤(2)中的修正后的转角θ′所处象限，判断直轴位置和交轴位置。若修正后转子位置角θ′当前在第一象限，则为正向直轴位置，所测相电流为直轴电流i_d；若在第二象限，则为正向交轴位置，所测相电流为交轴电流i_q；若在第三象限，则为负向直轴位置，所测相电流为直轴电流的相反数-i_d；若在第四象限，则为负向交轴位置，所测相电流为交轴电流的相反数-i_q。

(4)根据步骤(2)中转角θ′当前所在的范围，以及步骤(3)中计算的转子位置变化量Δθ的绝对值是否超过预设位置变化量阈值θ_Th，选择第k相的直轴电流i_d或交轴电流i_q的计算公式。其中，对于正向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(0°≤θ′＜90°)

对于负向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(180°≤θ′＜270°)

对于正向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(90°≤θ′＜180°)

对于负向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(270°≤θ′＜360°)

(5)根据各相独立测量的所述直交轴电流i_d、i_q，取中值得到电机直轴电流I_d、交轴电流I_q；

(6)将相电流的本次采样值i₁保存为i₀，步骤(2)所得归零化后的转子位置电角度θ₁保存为θ₀，供下一采样周期对转子位置判断和计算i_d、i_q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，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直交轴电流检测方法，其特征在于包含如下步骤：

(1)用于实施所述直交轴电流检测方法的控制器，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，获得所述永磁同步电机的定子相电流i₁，同时通过位置传感器获取所述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直交轴位置所在的电角度进行归零化处理得到归零化后转子位置角θ₁；将直轴位置和交轴位置所在角度均映射至0°，同时将以上述位置为参考中心的±90°转角范围均映射到[-90°,90°)；对于两相电机，其中A相正负向直轴位置分别为0°和180°，正负向交轴位置分别为90°和270°；B相正负向直轴位置分别为90°和270°，正负向交轴位置分别为180°和0°；则A相绕组的归零化方法为：对于直轴位置，当θ∈[270°,360°)时，θ₁＝θ-360°；当θ∈[90°,270°)时，θ₁＝θ-180°；当θ∈[0°,90°)时，θ₁＝θ；对于交轴位置，当θ∈[0°,180°)时，θ₁＝θ-90°；当θ∈[180°,360°)时，θ₁＝θ-270°；B相绕组的归零化方法与A相绕组一致，区别仅在于A相的直轴位置对应B相交轴位置，A相交轴位置对应B相直轴位置；对于三相和三相以上的N相独立绕组电机，第k相正向直轴位置为(k-1)/N×360°，负向直轴位置为(k-1)/N×360°+180°，正向交轴位置为(k-1)/N×360°+90°，负向交轴位置为(k-1)/N×360°+270°；因此，三相及三相以上的N相电机的第k相绕组的归零化方法为：令修正后转子位置角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角θ₁；

(3)对直交轴电流i_d、i_q进行检测；将前一采样周期的归零化后转子位置角θ₀与当前采样周期的归零化后转子位置角θ₁的符号相比较，当符号相异时表明修正后转子位置角θ′穿越所述直交轴位置；然后计算所述归零化后转子位置角的变化量Δθ＝θ₁-θ₀，并根据步骤(2)中修正后转子位置角θ′当前所处象限，判断所述直轴位置和交轴位置；若所述修正后转子位置角θ′当前在第一象限，则为正向直轴位置，所测相电流为所述直轴电流i_d；若在第二象限，则为正向交轴位置，所测相电流为所述交轴电流i_q；若在第三象限，则为负向直轴位置，所测相电流为所述直轴电流的相反数-i_d；若在第四象限，则为负向交轴位置，所测相电流为所述交轴电流的相反数-i_q；

(4)根据步骤(2)中修正后转子位置角θ′当前所在的范围，以及步骤(3)中计算的所述归零化后转子位置角的变化量Δθ的绝对值是否超过预设位置变化量阈值θ_Th，选择所述第k相的直轴电流i_d或交轴电流i_q的计算公式；其中，对于正向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(0°≤θ′＜90°)

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对于负向直轴位置的相电流得到第k相直轴电流i_d：(180°≤θ′＜270°)

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对于正向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(90°≤θ′＜180°)

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对于负向交轴位置的相电流得到第k相交轴电流i_q：(270°≤θ′＜360°)

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(5)根据各相独立测量的所述直交轴电流i_d、i_q，取中值得到电机直轴电流I_d、交轴电流I_q；

(6)将所述相电流的本次采样值i₁保存为i₀，步骤(2)所得归零化后转子位置角θ₁保存为θ₀，供下一采样周期对转子位置判断和计算i_d、i_q时使用。