CN105978435A - 用于检测在永磁同步电机中的转子的初始磁极位置的方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种用于检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的方法。根据本公开的实施例用于检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的方法包括：生成要被施加到定子绕组的u相、v相以及w相的三相电压矢量，将所述三相电压矢量分别地施加到定子绕组的u相、v相以及w相，通过施加所述三相电压矢量使用在磁化方向和反磁化方向中流动的所述定子绕组的电流，计算所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值，并且使用所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值，确定所述转子的磁极的初始位置。本公开具有在不使用磁通量传感器的情况下精确地检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的优点。

Description

用于检测在永磁同步电机中的转子的初始磁极位置的方法

技术领域

本公开涉及一种用于检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的方法。

背景技术

永磁同步电机具有高效率、高功率因数、便宜的维护成本等的优点，并且因此在许多工业领域中已被用作高性能、可变速电动机。为了控制这样的永磁同步电机，逆变器系统被广泛使用。为了准确地控制永磁同步电机的转矩和速度，要求该逆变器系统应该精确定位在永磁同步电机中包括的转子的磁极的位置。

用于检测转子的磁极位置的方法包括用于使用磁通量传感器来测量电流的方法和用于施加电压矢量来估计转子的磁极的位置的方法。使用磁通量传感器检测转子的磁极位置具有以下缺点：因为磁通量传感器应该附加地安装在电机上，所以增加了电机的制造成本和大小。另外，由于传感器故障等，导致使用磁通量传感器增加了维护成本，并降低电机的操作系统的可靠性。

另一方面，在用于施加电压矢量来估计转子的磁极的位置的方法中，当电压矢量被施加到电机时由于永磁体的磁通量的影响而导致电流的大小变大处的点被估计为转子的磁极的位置。然而，该方法需要以不同的角度施加电压矢量，以识别其中电流的大小变大的点。因此，存在的问题在于估计磁极的位置所需的时间和功耗随着施加电压矢量的次数而增加。

发明内容

本公开的目的是提供了用于在不使用单独的磁通量传感器的情况下精确地检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的方法。

本公开的另一目的是提供了一种用于以与现有技术相比在检测转子的磁极的初始位置时减少将电压矢量施加到定子绕组的次数的方式，来精确地检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的方法，从而节省了检测转子的磁极的初始位置所需的时间和功耗。

为了实现本公开的目的，提供了一种用于检测在永磁同步电机中的转子的磁极的初始位置的方法，该方法包括：生成要被施加到定子绕组的u相、v相以及w相的三相电压矢量；分别地将所述三相电压矢量施加到所述定子绕组的u相、v相以及w相；通过施加所述三相电压矢量使用在磁化方向和反磁化方向中流动的所述定子绕组的电流，来计算所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值；以及使用所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值，来确定所述转子的磁极的初始位置。

本公开的目的不限于此。通过参考本公开的实施例根据以下描述的说明书可以领会并且将清楚地理解在此没公开的本公开的其它目的和优点。另外，将变得显而易见的是通过权利要求中限定的手段及其组合可以实现本公开的目的和优点。

如上所述本公开具有在不使用磁通量传感器的情况下精确地检测在永磁同步电机中包括的转子的磁极的初始位置的优点。

进一步，本公开的优点在于，与现有技术相比，在检测转子的磁极的初始位置时减少电压矢量被施加到定子绕组的次数，从而节省检测转子的磁极的初始位置所需要的时间和功耗。

附图说明

结合附图根据以下示例性实施例的说明本公开的上述和其它方面、特征和优点将变得显而易见，其中：

图1是示出永磁电机的模型的图；

图2是根据现有技术用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的装置的框图；

图3是示出根据现有技术用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的方法的流程图；

图4是示出根据现有技术当检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置时被施加到永磁电机的向量的等价模型的图；

图5是根据本公开的实施例用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的装置的框图；

图6是根据本公开的实施例用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的方法的流程图；以及

图7是示出根据本公开的实施例当检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置时被施加到永磁电机的向量的等价模型的图。

具体实施方式

将参考附图详细地描述上述目的、特征和优点并且因此，本公开属于的领域的普通技术人员可以容易地实践本公开的技术思想。进一步，当确定本公开涉及的已知技术的详细说明可能模糊本公开的要旨时，其详细说明将被省略。在下文中，将参考附图详细地描述本公开的实施例。贯穿公开，相似的附图标记表示贯穿本公开的各种图以及实施例的相似的部分。

图1示出永磁电机的模型的图。参考图1，永磁电机包括定子绕组101以及转子绕组102。永磁电机的定子绕组101的三个轴，即，u轴103、v轴104和w轴105可以分别通过坐标变换由ds轴103和qs轴106表示。进一步，转子绕组102的轴分别可以由dr轴107和qr轴108表示。

在图1中，θ_re可以表示在作为定子绕组101的d轴的ds轴103与作为转子绕组102的d轴的dr轴107之间的角度。通常地，转子绕组102的dr轴107连同转子的北极移动。因此，转子的磁极的初始位置可以表示为θ_re。

进一步，在现有技术中，根据以下原理检测转子磁极的初始位置。将电压矢量施加到定子绕组101允许电流在定子绕组101中流动。此时，定子绕组核展现非线性磁化特性，其中，位于靠近转子磁极的定子绕组核相对于位于远离转子磁极的那个被更大程度地磁化。如果定子绕组101位于靠近转子磁极，则由于定子绕组核的磁极的饱和而导致定子绕组101展现出在磁化方向中流动的电流比在反磁化方向中的流动的电流更高的绝对值。因此能够基于在磁化方向中流动的定子绕组101的电流的绝对值与在反磁化方向中流动的定子绕组101的电流的绝对值之间的差，来估计电压相量被施加到的定子绕组101多么靠近转子磁极。

因而，现有技术调整电压矢量的角度以将电压矢量施加到定子绕组101的不同位置，并且然后估计其中在磁化/反磁化方向中流动的定子绕组101的电流的绝对值之间的差最大处的位置，以作为转子的磁极的初始位置。

图2是根据现有技术用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的装置的框图，并且图3是根据现有技术用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的方法的流程图。进一步，图4是示出根据现有技术当检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置时被施加到永磁电机的向量的等价模型的图。在下文中，将参考图2至图4描述根据现有技术检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置。

如图2所示，根据现有技术用于检测永磁电机205中的转子的磁极的初始位置的装置包括：电压命令单元201、角度命令单元202、坐标变换单元203、PWM输出单元204以及转子位置检测单元206。另外，转子位置检测单元206包括电流计算单元207、最大电流比较单元208、最大电流存储单元209以及角度识别单元210。

参考图3，首先，电压命令单元201和角度命令单元202分别地生成构成了要被施加到定子绕组中的电压矢量的电压命令和角度命令(301)。具体地说，电压命令单元201生成d轴电压命令和q轴电压命令以便生成要被施加到永磁电机205中的定子的u相、v相以及w相的电压矢量。角度命令单元202生成要被施加到电压矢量的角度命令，该电压矢量要被施加到永磁电机205中的定子的u相、v相以及w相，其中可以生成角度命令使得在两个电压矢量之间的角度差分别为15°、7.5°、3.75°等，如图4所示。

此时，要由电压命令单元201生成的d轴电压命令可以被生成为具有任何预定大小的电压命令并且q轴电压命令可以被生成为等于0。由电压命令单元201和角度命令单元202生成的d轴电压命令和q轴电压命令可以被表示如下：

[等式1]

$v_{dss}^{*}=v_{dse}^{*}cos\mathrm{\θ}-v_{qse}^{*}sin\mathrm{\θ}\≈v_{dse}^{*}cos\mathrm{\θ}$

$v_{qss}^{*}=v_{dse}^{*}sin\mathrm{\θ}+v_{qse}^{*}cos\mathrm{\θ}\≈v_{dse}^{*}sin\mathrm{\θ}$

然后，通过电压命令单元201和角度命令单元202，坐标变换单元203将d轴电压命令和q轴电压命令变换成三相坐标系以生成如下的三相电压矢量(302)：

[等式2]

$v_{us}^{*}=v_{dss}^{*}\≈v_{dse}^{*}cos\mathrm{\θ}$

$v_{vs}^{*}=-\frac{1}{2}{v}_{dss}^{*}+\frac{\sqrt{3}}{2}{v}_{qss}^{*}\≈(-\frac{1}{2}cos\mathrm{\θ}+\frac{\sqrt{3}}{2}sin\mathrm{\θ})v_{dse}^{*}=v_{dse}^{*}cos(\mathrm{\θ}-\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

$v_{ws}^{*}=-\frac{1}{2}{v}_{dss}^{*}-\frac{\sqrt{3}}{2}{v}_{qss}^{*}\≈(-\frac{1}{2}cos\mathrm{\θ}-\frac{\sqrt{3}}{2}sin\mathrm{\θ})v_{dse}^{*}=v_{dse}^{*}cos(\mathrm{\θ}+\frac{2\mathrm{\π}}{3})$

由坐标变换单元203生成的三相电压矢量和被输入到PWM输出单元204，并且PWM输出单元204以PWM信号的形式将三相电压矢量施加到永磁电机205中(303)。在此情况下，在磁化方向401a和反磁化方向401b中可以施加三相电压矢量。

将三相电压矢量施加到永磁电机205中允许电流在永磁电机205的定子绕组101中流动。电流计算单元207计算在磁化方向401a和反磁化方向401b中流动的相应电流的大小的绝对值并且然后计算这些绝对值之间的差，即，电流差值(304)。在下文中，磁化方向401a电流的大小的绝对值和反磁化方向401b电流的大小的绝对值之间的差被定义为“电流差值”。

最大电流比较单元208将当前计算的电流差值和先前计算的电流差值(305)进行比较。比较出的电流差值的较大一个被存储在最大电流存储单元209中(306)。该过程继续直到贯穿定子绕组的全部区域以15°的间隔施加了电压矢量为止，如图4所示。因此，角度识别单元210确定角度命令的调整是否已经被完成，以便确认电压矢量是否贯穿定子绕组的全部区域已被施加(307)。重复步骤301至306直到电压矢量贯穿定子绕组的全部区域已被施加。

在图4中，当贯穿定子绕组的全部区域以15°的间隔施加了电压矢量并且电流差值的计算已经完成时，可以识别具有最大电流差值的电压相量，即，第一电压相量。此后，电压命令单元201和角度命令单元202生成具有与第一电压相量±7.5°角度偏移的电压命令并且因而两个电压矢量被施加到定子绕组上。分别地，转子位置检测单元206通过两个电压矢量来测量磁化方向(402a或403a)以及反磁化方向(402b或403b)电流的绝对值并且计算这些绝对值之间的差，即，电流差值。展现出所计算出的两个电流差值的较大一个的电压相量被识别为第二电压相量。

此后，电压命令单元201和角度命令单元202生成具有与第二电压相量±3.75°角度偏移的电压命令并且因而两个电压矢量被施加到定子绕组上。分别地，转子位置检测单元206通过两个电压矢量来测量磁化方向(404a或405a)以及反磁化方向(404b或405b)电流的绝对值并且计算这些绝对值之间的差，即，电流差值。展现出所计算出的两个电流差值的较大一个的电压相量被识别为第三电压相量。转子位置检测单元206将第三电压相量关于ds轴形成的角度θre决定为转子的磁极的初始位置(308)。

然而，根据如上所述的现有技术，需要电压矢量的角度调整以及因而其重复的施加，并且因此检测转子的磁极的初始位置所需要的时间和功耗也增加。例如，根据图2至图4的实施例，通过角度调整进行总共二十次的电压矢量的施加以及因而的电流差值的计算。

本公开克服了上述问题，并且其目的在于减少电压矢量被施加到定子绕组上的次数，从而节省检测转子的磁极的初始位置所需要的时间和功耗。在下文中,将参考图5至图7具体地描述根据本公开的实施例用于检测在永磁同步电机中的转子的磁极的初始位置的方法。

图5是根据本公开的实施例用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的装置的框图；并且图6是根据本公开的实施例用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的方法的流程图。进一步，图7是示出根据本公开的实施例当检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置时被施加到永磁电机上的向量的等价模型的图。

首先，如图5所示，根据本公开的实施例用于检测永磁电机中的转子的磁极的初始位置的装置包括电压命令单元501、角度命令单元502、坐标变换单元503、PWM输出单元504以及转子位置检测单元506。另外，转子位置检测单元506包括电流计算单元507以及角度计算单元508。

参考图6，电压命令单元501和角度命令单元502分别地生成构成了要被施加到定子绕组上的电压矢量的电压命令和角度命令(601)。具体地说，电压命令单元501生成d轴电压命令和q轴电压命令以便生成要被施加到永磁电机505中的定子的u相、v相以及w相上的电压矢量。角度命令单元502生成要被施加到电压矢量的角度命令，该电压矢量要被施加到永磁电机505中的定子的u相、v相以及w相上。

与现有技术不同，本公开没有以特定角度间隔生成多个电压矢量，而是仅生成了被施加到u相(601a、601b)、v相(602a、602b)以及w相(603a、603b)上的电压矢量，如图7所示。因此，角度命令单元502基于120°调整角度来生成角度命令。虽然在本实施例中由角度命令单元502基于120°调整角度，但是要被调整的角度可以根据实施例而变化。

进一步，要由电压命令单元501生成的d轴电压命令可以被生成为具有任何预定大小的电压命令并且q轴电压命令可以被生成为等于0。由电压命令单元501和角度命令单元502生成的d轴电压命令和q轴电压命令可以被表示为等式1，如上所述。

坐标变换单元503将由电压命令单元501和角度命令单元502生成的d轴电压命令和q轴电压命令即同步坐标系电压矢量，变换成等式2中指示的三相坐标系电压矢量以生成三相电压矢量(602)。

PWM输出单元504以PWM信号的形式将由坐标变换单元503生成的三相电压矢量施加到永磁电机505中(603)。如上所述，根据本公开，电压矢量分别被施加到u相、v相以及w相。

转子位置检测单元506中的电流计算单元507分别计算u相的电流差值、v相的电流差值以及w相的电流差值(604)。例如，电流计算单元507分别计算u相的磁化方向601a电流的绝对值和反磁化方向601b电流的绝对值，并且决定两个绝对值之间的差作为u相的电流差值。

进一步,转子位置检测单元506中的角度计算单元508使用u相的电流差值、v相的电流差值以及w相的电流差值来确定转子的磁极的初始位置。为了确定转子的磁极的初始位置，角度计算单元508计算定子绕组的d轴和转子绕组的d轴之间的角度，即，θ_re，如下。

假定首先分别被施加到u相、v相以及w相上的命令电流值是I0，则u相的电流差值Iu,v相的电流差值Iv以及w相的电流差值Iw可以被定义如下：

[等式3]

I_u＝I₀cosθ_re,

I_v＝I₀cos(θ_re-2π/3)，

I_w＝I₀cos(θ_re+2π/3)

考虑上述等式3所定义的u相的电流差值Iu、v相的电流差值Iv以及w相的电流差值Iw，θ_re可以被重新设置为正切项，如下：

[等式4]

$\frac{I_v-I_w}{2I_u-I_v-I_w}=\frac{\sqrt{3}{I}_0{\mathrm{sin\θ}}_{re}}{3I_0{\mathrm{cos\θ}}_{re}}=\frac{1}{\sqrt{3}}{\mathrm{tan\θ}}_{re}$

等式4也可以重新设置如下：

[等式5]

${\mathrm{tan\θ}}_{re}=\frac{\sqrt{3}(I_v-I_w)}{2I_u-I_v-I_w}$

基于等式5，θ_re可以被获得如下：

[等式6]

${\mathrm{\θ}}_{re}=\arctan \left(\frac{\sqrt{3}(I_v-I_w)}{2I_u-I_v-I_w}\right)$

根据本公开的实施例，角度计算单元508使用如等式6所示的u相的电流差值Iu、v相的电流差值Iv以及w相的电流差值Iw计算在定子绕组的d轴和转子绕组的d轴之间的角度，即θ_re，并且将计算出的θ_re决定为转子磁极的初始位置。

同样地，根据用于检测转子的磁极的初始位置的本公开的方法，与现有技术相比，能够通过减少的电压矢量施加和计算的次数来检测转子的磁极的初始位置。

上述本发明可以由本发明属于的本领域的技术人员进行各种代替、变更以及修改而没有偏离本公开的范围和精神。因此，本发明不限于上述示例性实施例以及附图。

Claims (5)

1.一种用于检测在永磁同步电机中的转子的磁极的初始位置的方法，所述电机包括定子和转子，所述方法包括：

生成要被施加到定子绕组的u相、v相以及w相上的三相电压矢量；

将所述三相电压矢量分别地施加到所述定子绕组的u相、v相以及w相上；

通过施加所述三相电压矢量使用在磁化方向中和反磁化方向中流动的所述定子绕组的电流，计算所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值；并且

使用所述u相的电流差值、所述v相的电流差值以及所述w相的电流差值，确定所述转子的磁极的初始位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其中由在所述定子的d轴和所述转子绕组的d轴之间形成的角度确定所述磁极的初始位置。

3.根据权利要求1所述的方法，其中生成三相电压矢量包括：

生成电压命令，其包括所述定子绕组的d轴电压命令和q轴电压命令；

生成要被施加到所述三相电压矢量的角度命令；

使用所述电压命令和所述角度命令生成同步坐标系电压矢量；并且

将所述同步坐标系电压矢量变换成三相坐标系电压矢量以生成所述三相电压矢量。

4.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述电流差值包括：

决定在所述磁化方向中流动的电流的绝对值和在所述反磁化方向中流动的电流的绝对值之间的差作为所述电流差值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述磁极的初始位置被确定如下：

${\mathrm{\θ}}_{re}=\arctan \left(\frac{\sqrt{3}(I_v-I_w)}{2I_u-I_v-I_w}\right)$

其中θ_re是在所述定子的d轴和所述转子绕组的d轴之间形成的角度，I_U是所述u相的电流差值，I_V是所述v相的电流差值并且I_W是所述w相的电流差值。