CN106100486A - 基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法，包括以下步骤：第一步：给永磁同步电机施加电压矢量V₆（1，0，1），使永磁同步电机的d轴转动到V₆附近。第二步：给永磁同步电机施加电压矢量V₁（1，0，0），永磁同步电机的d轴将转动到α轴偏下的位置，将编码器位置θ _en清零。第三步：给永磁同步电机施加电压矢量V₂（1，1，0），使永磁同步电机的d轴转动到V₂附近。第四步：再次给永磁同步电机施加电压矢量V₁（1，0，0），永磁同步电机的d轴将转动到α轴偏上的位置，记录此时编码器位置θ _en=Δθ，则永磁同步电机的转子位置θ和编码器位置之间的关系为：θ=θ _en‑Δθ/2。本发明涉及的永磁同步电机转子初始位置确定方法具有精度高、成本低、可靠性高、简单易行等优点。

Description

基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法

技术领域

本发明是基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法，属于电机驱动与控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机(permanent magnet synchronous motor，PMSM)具有高效率、高转矩密度、高功率密度等优点，在电动汽车、轨道交通、风力发电以及高性能伺服系统中广泛应用。在永磁同步电机驱动系统中，转子位置尤为关键，主要有两种获取方式：机械位置传感器和无位置传感器技术。无论是采用光电编码器、旋转变压器等机械位置传感器，还是采用无位置传感器技术，转子初始位置检测一直是永磁同步电机顺利起动的关键之一，而且转子初始位置的准确性对永磁同步电机的控制性能和控制效果影响很大。目前，永磁同步电机转子初始位置确定方法大致可分为以下两类：

1.传统的单定向电压矢量初始位置确定方法

这一类方法直接给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，将永磁同步电机在该电压矢量的作用下转动到的位置作为转子的零位置。零位置表示永磁同步电机的d轴和α轴重合。然而，当永磁同步电机的d轴和α轴之间的夹角θ在(-0.5π，0.5π)之间时，θ的绝对值越小，电压矢量V₁(1，0，0)所产生的转矩就越小。由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，当摩擦转矩和电压矢量V₁(1，0，0)所产生的转矩相平衡时永磁同步电机就会停止转动，而此时θ不等于0，也就是说d轴和α轴并没有重合。所以单定向电压矢量初始位置确定方法确定的永磁同步电机转子初始位置必然存在误差。

2.无位置传感器初始位置检测方法

这一类方法通过给永磁同步电机注入高频电压信号、高频电流信号或脉冲信号，得到相应的响应信号，其响应信号中含有转子的位置信息，通过对响应信号进行处理得到转子的位置，在理论上可以确保永磁同步电机转子初始位置检测的可行性。其优点是初始位置检测过程中永磁同步电机不需要转动；其缺点是对响应信号的解调算法复杂，运算量大，理论性强，并且在实际应用中该方法的检测精度没有使用定向电压矢量的方法高。

发明内容

技术问题：本发明的目的就是提供一种基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法，该方法适用于初始位置确定过程中允许永磁同步电机转子转动的场合(例如永磁风力发电机和永磁同步电机对拖实验平台)，利用永磁同步电机转子的对称性，通过两次从不同方向施加定向电压矢量来确定转子初始位置，消除了传统的单定向电压矢量确定初始位置时存在的误差，提高了转子初始位置确定的精度，增强了控制系统的可靠性。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提出了基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法，依次包含以下步骤：

第一步：给永磁同步电机施加电压矢量V₆(1，0，1)，使永磁同步电机的d轴转动到V₆附近，所述d轴为永磁同步电机转子磁极轴线，所述V₆附近是指由于定子和转子之间摩擦转矩的存在而使得d轴在V₆(1，0，1)的作用下不能完全转动到和V₆重合的位置。

第二步：给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₆附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏下的位置，将编码器位置θ_en清零，即θ_en＝0；设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ1，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ1，所述α轴为永磁同步电机U相定子绕组轴线，所述永磁同步电机转子位置θ为d轴与α轴的夹角，θ以逆时针为正方向。

第三步：给永磁同步电机施加电压矢量V₂(1，1，0)，使永磁同步电机的d轴转动到V₂附近，所述V₂附近是指由于定子和转子之间摩擦转矩的存在而使得d轴在V₂(1，1，0)的作用下不能完全转动到和V₂重合的位置。

第四步：再次给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₂附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏上的位置，记录此时编码器位置θ_en＝Δθ。设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ2，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ2。由于永磁同步电机转子的对称性，理论上|θ_δ1|＝|θ_δ2|，又因为|θ_δ1|+|θ_δ2|＝Δθ，于是|θ_δ1|＝|θ_δ2|＝Δθ/2，θ_δ1＝-Δθ/2，θ_δ2＝Δθ/2。

第五步：由第一步至第四步可知：当θ_en＝0时，θ＝-Δθ/2；当θ_en＝Δθ时，θ＝Δθ/2，故永磁同步电机转子位置θ和编码器位置θ_en之间的关系为：

θ＝θ_en-Δθ/2 式(1)

有益效果：基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法利用永磁同步电机转子的对称性，通过两次从不同方向施加定向电压矢量来确定转子初始位置，简单易行。具体到本发明的技术方案，具有如下优点：

1.与传统的单定向电压矢量初始位置确定方法相比，本发明方法通过两次从不同方向施加定向电压矢量消除了其存在的固有误差，提高了初始位置确定的精度。

2.与现有的无位置传感器初始位置检测方法相比，本发明方法不需要复杂的检测算法，简单易行，且精度高。

附图说明

图1是永磁同步电机对拖实验平台示意图；

图2是基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法示意图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明的实施例进行说明。

本实施例的永磁同步电机对拖实验平台如图1所示，包括：直流电压源、逆变电路、永磁同步电机、负载电机、光电编码器、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，电流采样电路测量永磁同步电机三相电流。

本实施例中永磁同步电机的参数为：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。

基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法如图2所示，实施例包含的具体步骤如下：

第一步：给永磁同步电机施加电压矢量V₆(1，0，1)，使永磁同步电机的d轴转动到V₆附近，所述d轴为永磁同步电机转子磁极轴线，所述V₆附近是指由于定子和转子之间摩擦转矩的存在而使得d轴在V₆(1，0，1)的作用下不能完全转动到和V₆重合的位置。

第二步：给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₆附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏下的位置，将编码器位置θ_en清零，即θ_en＝0。设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ1，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ1，所述α轴为永磁同步电机U相定子绕组轴线，所述永磁同步电机转子位置θ为d轴与α轴的夹角，θ以逆时针为正方向。

第三步：给永磁同步电机施加电压矢量V₂(1，1，0)，使永磁同步电机的d轴转动到V₂附近，所述V₂附近是指由于定子和转子之间摩擦转矩的存在而使得d轴在V₂(1，1，0)的作用下不能完全转动到和V₂重合的位置。

第四步：再次给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₂附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏上的位置，记录此时编码器位置θ_en＝10°。设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ2，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ2。由于永磁同步电机转子的对称性，理论上|θ_δ1|＝|θ_δ2|，又因为|θ_δ1|+|θ_δ2|＝10°，于是|θ_δ1|＝|θ_δ2|＝5°，θ_δ1＝-5°，θ_δ2＝5°。

第五步：由第一步至第四步可知：当θ_en＝0时，θ＝-5°；当θ_en＝10°时，θ＝5°，故永磁同步电机转子位置θ和编码器位置θ_en之间的关系为：

θ＝θ_en-5° 式(1)

因此，如果在该实施例中使用传统的单定向电压矢量初始位置确定方法，即直接给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，将永磁同步电机在该电压矢量的作用下转动到的位置作为转子的零位置，那么永磁同步电机初始位置确定的误差将是θ_δ1(-5°)或θ_δ2(5°)。本发明提出的基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法可以消除传统单定向电压矢量法确定转子初始位置时存在的固有误差，提高转子初始位置确定的精度。

为了保证步骤一至五顺利实施，需要特别指出如下几点：

1.转子初始位置确定过程中施加的电压矢量所产生的电流幅值不应超过电机额定电流，且每次施加的电压矢量幅值相等。

2.编码器位置记录可以使用角度，也可以使用计数，在实施例中将编码器的计数换算成了电角度。实施例中的编码器每转一圈计数1024，所以1024等效机械角度的360°，等效电角度的p_n*360°。

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 (1)

1.基于双定向电压矢量的永磁同步电机初始位置确定方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步：给永磁同步电机施加电压矢量V₆(1，0，1)，使永磁同步电机的d轴转动到V₆附近，所述d轴为永磁同步电机转子磁极轴线；

第二步：给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₆附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏下的位置，将编码器位置θ_en清零，即θ_en＝0，设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ1，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ1，所述α轴为永磁同步电机U相定子绕组轴线，所述永磁同步电机转子位置θ为d轴与α轴的夹角，θ以逆时针为正方向；

第三步：给永磁同步电机施加电压矢量V₂(1，1，0)，使永磁同步电机的d轴转动到V₂附近；

第四步：再次给永磁同步电机施加电压矢量V₁(1，0，0)，使永磁同步电机的d轴从V₂附近向α轴转动，由于定子和转子之间摩擦转矩的存在，永磁同步电机的d轴只能转动到α轴偏上的位置，记录此时编码器位置θ_en＝Δθ，设此时永磁同步电机的d轴与α轴的夹角为θ_δ2，则此时永磁同步电机的实际转子位置θ＝θ_δ2；由于永磁同步电机转子的对称性，理论上|θ_δ1|＝|θ_δ2|，又因为|θ_δ1|+|θ_δ2|＝Δθ，于是|θ_δ1|＝|θ_δ2|＝Δθ/2，θ_δ1＝-Δθ/2，θ_δ2＝Δθ/2；

第五步：由第一步至第四步可知：当θ_en＝0时，θ＝-Δθ/2；当θ_en＝Δθ时，θ＝Δθ/2，故永磁同步电机转子位置θ和编码器位置θ_en之间的关系为：

θ＝θ_en-Δθ/2 式(1)。