CN106357187A - 电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法，所述辨识系统包括励磁控制单元、电流采样单元、坐标变换单元以及位置计算单元，其中：所述励磁控制单元，用于使定子的三相绕组保持短接，并向转子绕组施加直流励磁；所述电流采样单元，用于采样定子绕组中的电流；所述坐标变换单元，用于将所述采样电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流；所述位置计算单元，用于根据坐标变换获得的电流，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度。本发明通过在定子三相绕组短接状态下向转子绕组施加直流励磁，并根据定子绕组中的采样电流计算转子初始位置，在不增加成本和复杂性的前提下即可实现的转子初始位置的准确辨识。

Description

电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法

技术领域

本发明涉及电励磁同步电机领域，更具体地说，涉及一种电励磁同步电机转子初始位置辨识方法。

背景技术

电励磁同步电机以其效率高、功率因数可调、过载能力强等优点，在工业传动尤其是在大功率传动领域中广泛使用。为了使电励磁同步电机顺利起动，并获得最大的起动转矩，需要对电机转子的初始位置进行辨识。

在实际应用中，可通过光电编码器等装置来确定转子位置。该方案虽然简单，但电励磁同步电机中必须安装有编码器，不适用于无编码器以及编码器失效的场合。

对于无编码器等位置检测装置的电励磁同步电机，目前主要有三类方法来辨识转子初始位置：

(1)保持定子绕组开路，在转子绕组突加直流励磁或加载交流励磁，然后通过检测电机定子绕组的感应电压，并利用数字锁相环等相关计算得到转子位置。但该类方法中，需要在同步电机定子绕组输入侧增加电压传感器，从而造成成本增加。

(2)保持定子绕组三相短路，在转子绕组加载交流励磁，然后通过检测定子绕组电流并进行相关计算得到转子位置。该类方法虽不需要电压传感器，但需要对传统励磁系统进行改造，使之能在转子绕组产生高频交流电流。因此该方法不仅增加成本，实现复杂，而且辨识过程中噪声较大，并不实用。

(3)在转子绕组施加直流励磁，定子绕组多次施加相同幅值、不同角度的电压矢量，采集每次施加过程中定子电流响应的最大值i_A、i_B、i_C，通过坐标变换得到d轴电流，根据不同电压矢量对应的d轴电流进行曲线拟合，并进一步估计得到电励磁同步电机转子初始位置值。该类方法无需对硬件进行改造，但是对电流采样带宽、精度以及时刻要求很高，在实际中估计得到的转子位置误差相对较大；此外，一系列电压矢量脉冲可能会带来电机噪声，以及电机转子来回振动。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对上述电励磁同步电机在转子初始位置辨识时成本较高、控制复杂、存在误差的问题，提供一种新的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种电励磁同步电机转子初始位置辨识系统，包括励磁控制单元、电流采样单元、坐标变换单元以及位置计算单元，其中：所述励磁控制单元，用于使定子的三相绕组保持短接，并向转子绕组施加直流励磁；所述电流采样单元，用于采样定子两相或三相绕组中的电流；所述坐标变换单元，用于将所述采样电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流i_sα、i_sβ；所述位置计算单元，用于根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统中，所述位置计算单元通过以下计算式之一计算获得转子的初始角度θ_r：

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统中，所述励磁控制单元通过使逆变器向定子输出零矢量使得定子的三相绕组短接。

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统中，所述励磁控制单元在向转子绕组施加直流励磁或强行励磁时，向励磁装置发送励磁指令使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内达到额定功率下磁场强度的60％～100％。

本发明还提供一种电励磁同步电机转子初始位置辨识方法，包括以下步骤：

(a)使定子的三相绕组保持短接，并向转子绕组施加直流励磁；

(b)采样定子两相或三相绕组中的电流，并将所述采样电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流i_sα、i_sβ；

(c)根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法中，所述反三角函数为以下计算式之一：

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法中，所述步骤(a)中，通过逆变器向定子输出零矢量使得定子的三相绕组短接。

在本发明所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法中，所述步骤(a)在向转子绕组施加直流励磁或强行励磁时，通过励磁装置使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内达到额定功率下磁场强度的60％～100％。

本发明的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统及方法，通过在定子三相绕组短接状态下向转子绕组施加直流励磁，并根据定子绕组中的采样电流计算转子初始位置，无需增加电压传感器或接触器等硬件，也无需对现有的励磁装置进行改造，在不增加成本和复杂性的前提下即可实现的转子初始位置的准确辨识，有助于提高电机的启动性能。

附图说明

图1是本发明电励磁同步电机转子初始位置辨识系统实施例的示意图。

图2是同步电机参考坐标系的示意图。

图3是本发明电励磁同步电机转子初始位置辨识方法实施例的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，是本发明电励磁同步电机转子初始位置辨识系统实施例的示意图，该电励磁同步电机转子初始位置辨识系统可集成到用于控制电励磁同步电机运行的变频器10，并自动在电励磁同步电机开始运行时进行转子初始位置辨识，从而有助于提高电励磁同步电机的启动性能。

本实施例中的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统包括励磁控制单元11、电流采样单元12、坐标变换单元13以及位置计算单元14，上述励磁控制单元11、电流采样单元12、坐标变换单元13以及位置计算单元14可由运行于变频器10的控制芯片的软件实现，也可由单独的硬件和软件实现。

励磁控制单元11用于使定子三相绕组30保持短接，并向转子绕组施加直流励磁(或强行励磁)。在本实施例中，励磁控制单元11可通过使变频器中的逆变器向定子三相绕组30输出零矢量，使得定子三相绕组30短接。该励磁控制单元11在向转子绕组施加直流励磁(或强行励磁)时，向励磁装置20发送励磁指令使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内(具体时间可根据电励磁同步电机的参数、应用场合等选择设置)达到额定功率下磁场强度的60％～100％(具体磁场强度值可根据电励磁同步电机的参数、应用场合等选择设置，且可采用匀加速度方式或阶跃方式提高磁场强度)。

电流采样单元12用于采样定子两相或三相绕组中的电流，该电流采样单元12可采用与现有变频器中电流采样相同的方式运行。坐标变换单元13用于将所述采样电流进行坐标变换获得两相静止坐标系(即αβ坐标系)下的电流i_sα、i_sβ。具体地，坐标变换单元13可通过PARK变换和旋转变换方式实现电流转换。

位置计算单元14用于根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。

针对电励磁同步电机，其定子参考坐标系如图1所示。其中，dq为实际转子坐标系，d轴方向与转子N极方向一致；αβ为定子静止坐标系，α轴与定子A相绕组轴线一致。d轴与α轴的实际角度为θ_r即可视为转子的位置。

根据电励磁同步电机基本理论，可得到基于dq轴等值电路的模型以及相关dq轴磁链方程(1)和电压方程(2)。

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\Ψ}}_{sd}=L_d{i}_{sd}+L_{mf}{i}_f+L_{md}{i}_D\\ {\mathrm{\Ψ}}_{sq}=L_q{i}_{sq}+L_{mf}{i}_Q\\ {\mathrm{\Ψ}}_f=L_{md}{i}_{sd}+L_f{i}_f+L_{fD}{i}_D\\ {\mathrm{\Ψ}}_D=L_{md}{i}_{sd}+L_{fD}{i}_f+L_D{i}_D\\ {\mathrm{\Ψ}}_Q=L_{mq}{i}_Q+L_Q{i}_Q\end{array}\right.---\left(1\right)$

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sd}=r_S{i}_{sd}+{\mathrm{p\Ψ}}_{sd}-{\mathrm{\ω\Ψ}}_{sq}\\ u_{sq}=r_S{i}_{sq}+{\mathrm{p\Ψ}}_{sq}+{\mathrm{\ω\Ψ}}_{sd}\\ U_f=r_f{i}_f+{\mathrm{p\Ψ}}_f\\ 0=r_D{i}_D+{\mathrm{p\Ψ}}_D\\ 0=r_Q{i}_Q+{\mathrm{p\Ψ}}_Q\end{array}\right.---\left(2\right)$

式中，ψ_sd、ψ_sq为定子直、交轴磁链，ψ_f为转子励磁磁链，ψ_D、ψ_Q为阻尼绕组直、交轴磁链，i_sd、i_sq为定子直、交轴电流，i_f为转子励磁电流，i_D、i_Q为阻尼绕组直、交轴电流，L_d,L_q为直、交轴电感，L_mf、L_md、L_mq为定子绕组与转子励磁绕组及直、交轴阻尼绕组之间的互感，L_fD为转子励磁绕组与直轴阻尼绕组之间的互感，L_f、L_D、L_Q为励磁绕组及直交轴阻尼绕组自感，u_sd、u_sq为定子直、交轴电流，ω为转子旋转电角速度,r_Q、r_D为阻尼绕组直、交轴绕组的直流电阻、r_s为定子绕组的直流电阻，r_f为励磁绕组的直流电阻，p为微分算子，U_f为转子励磁电压。

由于此时转子静止，且转子旋转电角速度ω为零。则根据上述磁链方程(1)和电压方程(2)，可得在dq坐标系中定子电压方程如

$\left\{\begin{array}{c}{u}_{sd}=(L_d-\frac{1.5{L_{md}}^2}{L_D})\frac{{\mathrm{di}}_{sd}}{dt}+(L_{mf}-\frac{L_{fD}{L}_{md}}{L_D})\frac{{\mathrm{di}}_f}{dt}\\ u_{sq}=(L_q-\frac{1.5{L_{mq}}^2}{L_Q})\frac{{\mathrm{di}}_{sq}}{dt}\end{array}\right.---\left(3\right)$

并且由于定子三相绕组短接，u_sd、u_sq均等于零，根据公式(3)可得定子绕组的直交轴电流(即实际的αβ轴电流)为

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{sd}=-\frac{L_{sff}}{L_{dd}}{i}_f\\ i_{sq}=0\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中，

将定子dq坐标系电流转换到αβ坐标系，可得

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{s\mathrm{\α}}=-\frac{L_{sff}}{L_{dd}}{i}_f{\mathrm{cos\θ}}_r\\ i_{s\mathrm{\β}}=\frac{L_{sff}}{L_{dd}}{i}_f{\mathrm{sin\θ}}_r\end{array}\right.---\left(5\right)$

从而，可进一步得到相应的转子角度为

${\mathrm{\θ}}_r={\tan }^{-1}(-\frac{i_{s\mathrm{\β}}}{i_{s\mathrm{\α}}})---\left(6\right)$

或是

${\mathrm{\θ}}_r={\cot }^{-1}(-\frac{i_{s\mathrm{\α}}}{i_{s\mathrm{\β}}})---\left(7\right)$

或是

${\mathrm{\θ}}_r={\sin }^{-1}\left(\frac{i_{s\mathrm{\β}}}{\sqrt{{i_{s\mathrm{\α}}}^2+{i_{s\mathrm{\β}}}^2}}\right)---\left(8\right)$

或是

${\mathrm{\θ}}_r={\cos }^{-1}\left(\frac{-i_{s\mathrm{\α}}}{\sqrt{{i_{s\mathrm{\α}}}^2+{i_{s\mathrm{\β}}}^2}}\right)---\left(9\right)$

其中，tan^-1、cot^-1、sin^-1、cos^-1分别表示反正切、反余切、反正弦、反余弦运算。

也就是说，位置计算单元14通过以下计算式之一计算获得转子的初始角度

特别地，电流采样单元12可在开始励磁后采样多组电流值，位置计算单元14根据该多组电流值分别计算多个转子的初始角度值(理论上该多个转子的初始角度值相等)，并以该多个转子的初始角度值的平均值作为转子的初始角度输出。

如图3所示，是本发明电励磁同步电机转子初始位置辨识方法实施例的流程示意图，该方法具体包括由变频器执行的以下步骤：

步骤S31：使定子的三相绕组保持短接。在该步骤中，可通过使逆变器向定子输出零矢量使得定子的三相绕组短接。

步骤S32：向转子绕组施加直流励磁。在该步骤中，可通过向励磁装置发送励磁指令，使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内达到额定功率下磁场强度的60％～100％(具体时间、磁场强度值可根据电励磁同步电机的参数、应用场合等选择设置)。

步骤S33：采样定子两相或三相绕组中的电流。

步骤S34：并将所述采样电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流i_sα、i_sβ。

步骤S35：根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。在该步骤中，反三角函数具体可采用以下计算式之一：

特别地，上述步骤S33中可采样多组电流值，相应地，步骤S34、S35中根据该多组电流值分别计算多个转子的初始角度值(理论上该多个转子的初始角度值相等)，并以该多个转子的初始角度值的平均值作为转子的初始角度输出。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种电励磁同步电机转子初始位置辨识系统，其特征在于：包括励磁控制单元、电流采样单元、坐标变换单元以及位置计算单元，其中：所述励磁控制单元，用于使定子的三相绕组保持短接，并向转子绕组施加直流励磁；所述电流采样单元，用于采样定子两相或三相绕组中的电流；所述坐标变换单元，用于将采样的电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流i_sα、i_sβ；所述位置计算单元，用于根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。

2.根据权利要求1所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统，其特征在于：所述位置计算单元通过以下计算式之一计算获得转子的初始角度θ_r：

3.根据权利要求1或2所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统，其特征在于：所述励磁控制单元通过使逆变器向定子输出零矢量使得定子的三相绕组短接。

4.根据权利要求1或2所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识系统，其特征在于：所述励磁控制单元在向转子绕组施加直流励磁时，向励磁装置发送励磁指令使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内达到额定功率下磁场强度的60％～100％。

5.一种电励磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于：包括以下步骤：

(a)使定子的三相绕组保持短接，并向转子绕组施加直流励磁；

(b)采样定子两相或三相绕组中的电流，并将采样的电流进行坐标变换获得两相静止坐标系下的电流i_sα、i_sβ；

(c)根据坐标变换获得的电流i_sα、i_sβ，并利用反三角函数计算获得转子的初始角度θ_r。

6.根据权利要求5所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于：所述反三角函数为以下计算式之一：

7.根据权利要求5或6所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于：所述步骤(a)中，通过逆变器向定子输出零矢量使得定子的三相绕组短接。

8.根据权利要求5或6所述的电励磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于：所述步骤(a)在向转子绕组施加直流励磁或强行励磁时，通过励磁装置使得转子绕组的磁场强度在0.5秒以内达到额定功率下磁场强度的60％～100％。