CN106655952A - 一种检测永磁同步电机转子初始位置的电流包络线法 - Google Patents

Abstract

一种检测永磁同步电机转子初始位置的电流包络线法，属于永磁同步电机控制领域。向永磁同步电机估算两相旋转坐标系注入脉振高频电压信号，控制估算坐标系以一低频频率旋转，提取交轴电流响应正包络线零值处所对应的低频旋转位置给定值获取转子初始位置的初次估算值，提取直轴电流响应正包络线最大值处所对应的低频旋转位置给定值来获取永磁体的正方向，经过位置补偿后获得电机转子初始位置。本发明能适用于表贴式永磁同步电机和内置式永磁同步电机，仅需注入一次电压信号，无需使用滤波器、积分器等环节且检测方法不依赖电机参数，实现简单快速。

Description

一种检测永磁同步电机转子初始位置的电流包络线法

技术领域

本发明涉及一种基于交直轴电流响应包络线的永磁同步电机转子初始位置检测方法，属于电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机由于自身功率因素高、功率密度大和高效率等优点，被广泛使用。永磁同步电机通常采用矢量控制，精确的转子位置必不可少。机械位置传感器能实现转子位置的高精度检测，但通常价格高昂，易受环境条件限制，而且存在增加电机转子转动惯量、增大系统体积及系统可靠性降低等缺点，因此，无位置传感器控制算法应运而生。在无位置传感器控制算法中，零速和低速下的转子位置是难点，特别是表贴式永磁同步电机，其直轴和交轴电感近似相等，相对于内置式永磁同步电机检测难度更高。

针对永磁同步电机转子初始位置的检测问题，国内外进行了许多探讨。“基于高频注入法的永磁同步电机转子初始位置检测研究”(见《中国电机工程学报》，2007)通过向三相绕组注入高频电压信号导致电机电感参数变化，根据高频阻抗的大小和信号注入的位置之间的关系来获取转子初始位置，再向电机注入正反向的电压脉冲，通过检测电流响应来判断永磁体的正方向。“转子磁钢永磁同步电机转子初始位置检测”(见《中国电机工程学报》，2011)在估算坐标系中注入高频正弦电压信号，通过闭环调节获得电机转子初始位置，通过向直轴注入电压脉冲，检测电压脉冲产生的电流衰减为零所需时间多少来判断永磁体正方向。以上两种方法均需要向电机注入多次不同形式的电压信号，实现过程复杂耗时。CN103986395 A在利用高频电压注入法实现初次初始位置估算的基础上，通过提取d轴电流响应的高次谐波信号来进行d轴正方向的判断，虽然解决了多次注入电压信号的问题，但是信号的提取需要设计相应的滤波器和积分环节，计算复杂，对系统硬件要求较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于交直轴电流响应包络线的永磁同步电机转子初始位置检测方法，向永磁同步电机估算两相旋转坐标系注入脉振高频电压信号，控制估算坐标系低频旋转，提取交轴电流响应正包络线零值处所对应的低频旋转位置给定值获取转子初始位置的初次估算值，提取直轴电流响应正包络线最大值处所对应的低频旋转位置给定值来获取永磁体的正方向，经过位置补偿后获得电机转子初始位置。全程只需要注入一次电压信号，无需使用滤波器、积分器等环节且不依赖电机参数。

为了实现上述检测方法，本发明采用如图1所示的系统来实现，包括：检测控制器、电压源逆变桥、永磁同步电机、相电流传感器四个部分，检测控制器输出的PWM信号送到电压源逆变桥；电压源逆变桥交流侧与永磁同步电机的三相绕组连接；相电流传感器检测永磁同步电机的相绕组电流，其输出的信号送到检测控制器。

检测控制器包含派克逆变换模块、PWM模块、克拉克变换模块、派克变换模块、正包络线提取模块、磁极正方向判断模块、初始位置初值检测模块、位置补偿模块、误差补偿模块。派克逆变换模块的输入为注入的脉振高频电压信号和人为给定的低频旋转位置给定，输出至PWM模块；PWM模块输出的PWM信号到电压源逆变桥；克拉克变换模块的输入为相电流传感器输出的电流信号，输出到派克变换模块；派克变换模块的输入为克拉克变换模块的输出和人为给定的低频旋转位置给定，输出到正包络线提取模块；正包络线提取模块输出分别至磁极正方向判断模块和初始位置初值检测模块；磁极正方向判断模块和初始位置初值检测模块的输出共同给到位置补偿模块；位置补偿模块的输出至误差补偿模块。

派克逆变换模块实现估算两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，其中，估算两相旋转坐标系的直轴与两相静止坐标系的α轴的夹角为低频旋转位置给定角度θ′，变换方程为

式中u_α和u_β为两相静止坐标系α轴和β轴的电压矢量，u_d′和u_q′分别为估算两相旋转坐标系直轴和交轴的电压矢量，派克逆变换模块5的电压输入为如下的脉振高频电压信号

式中U_m为注入的脉振电压幅值、ω_h为脉振角速度；

派克变换模块为两相静止坐标系到估算两相旋转坐标系的变换，其变换方程为

式中i_d′和i_q′为估算两相旋转坐标系下的直轴和交轴电流响应、i_α和i_β两相静止坐标系下的α轴和β轴的电流响应；

派克逆变换模块和派克变换模块中的θ′通过人为给定，给定值为θ′＝ω_lt，ω_l为低频旋转角速度、t为当前时刻；

正包络线提取模块实现交直轴电流响应正包络线的提取，交轴和直轴电流响应正包络线用和表示，其表达式为

式中θ为永磁同步电机转子初始位置、Z_q和Z_d为电机的交轴和直轴阻抗， 分别为电机的均值阻抗和差值阻抗，交直轴电流响应正包络线是通过采集每个高频周期内交直轴电流响应的最大值，经过零阶保持后得到；

磁极正方向判断模块通过检测直轴电流响应正包络线的最大值时刻对应的θ′值，实现永磁体磁极正方向的判断，永磁体磁极正方向位置θ_d＝θ_max1，θ_max1为取得最大值时刻的θ′值；

初始位置初值检测模块通过检测交轴电流响应正包络线取零值时刻对应的θ′值，实现转子初始位置的初次估算，转子初始位置初值θ_q＝θ₀，θ₀为时刻的θ′值。

位置补偿模块联立磁极正方向θ_d及初始位置的初次估算值θ_q，做如下位置补偿后获得转子初始位置估算值θ_e：

当θ_d＝θ_q时，θ_e＝θ_q；

当θ_d>θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q+π；

若则

当θ_d<θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q-π；

若则

误差补偿模块实现对转子初始位置估算值θ_e进行多次估算取平均，以减小初始位置检测误差，表达式为式中n为估算次数。

本发明与现有技术相比具有以下显著优点：(1)本发明无需注入正负脉冲电压，仅需要检测几个低频旋转信号周期时间就能完成转子初始位置的检测，检测过程得到简化，缩短了检测时间。(2)在检测过程中，无需使用滤波器、积分环节等需要大量计算的模块，节约系统资源，提高运算速度。(3)在检测过程中，避免了电机转子易发生抖动的问题。(4)能适用于表贴式和内置式两种永磁同步电机转子初始位置的检测。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明：

附图说明

图1永磁同步电机转子初始位置检测系统结构框图；

图2估算两相旋转坐标系、实际两相旋转坐标系及两相静止坐标系的相对关系图；

图3直轴电流响应正包络线的极值关系图；

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种基于交直轴电流响应包络线的永磁同步电机转子初始位置检测方法，向永磁同步电机估算两相旋转坐标系注入脉振高频电压信号，控制估算坐标系以一低频频率旋转，提取交轴电流响应正包络线零值处所对应的低频旋转位置给定值获取转子初始位置的初次估算值，提取直轴电流响应正包络线最大值处所对应的低频旋转位置给定值来获取永磁体的正方向，经过位置补偿后获得电机转子初始位置，具体实施方法如下：

在估算两相旋转坐标系下，向d′轴注入脉振高频电压信号，q′轴电压为零，注入的高频电压信号为

人为控制估算两相旋转坐标系以一低频旋转位置给定值θ′低频旋转，低频旋转位置给定值θ′为：

θ′＝ω_lt

注入信号经过派克逆变换模块得到两相静止坐标系下的电压分量u_α、u_β，再经过PWM模块生成电压源逆变桥的开关控制PWM信号驱动永磁同步电机。相电流传感器采集到的相电流，经过克拉克变换模块得到两相静止坐标系下的电流i_α、i_β，再经过派克变换模块得到估算两相旋转坐标系下的交直轴电流i_d′、i_q′响应。

在每个低频旋转周期内，通过正包络线提取模块提取交轴电流响应i_q′的正包络线初始位置初值检测模块获得时所对应的低频旋转位置给定值θ₀，即得到初始位置的初次估算值θ_q＝θ₀。

在每个低频旋转周期内，通过正包络线提取模块提取直轴电流响应i_d′的正包络线通过磁极正方向判断模块求取的最大值时刻对应的低频旋转位置给定值θ_max1，即为永磁体磁极正方向θ_d＝θ_max1。

经过位置补偿模块对检测到的初次估算值进行补偿获得转子初始位置估算值θ_e，位置补偿方法如下：

当θ_d＝θ_q时，θ_e＝θ_q；

当θ_d>θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q+π；

若则

当θ_d<θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q-π；

若则

经过误差补偿模块对检测到的转子初始位置估算值进行多次检测取平均值，以减小误差，最后获得永磁同步电机的转子初始位置

对上述检测原理进行理论分析如下：

永磁同步电机静止条件下的数学模型为

式中，Z_d、Z_q分别为永磁同步电机的d-q轴阻抗、i_d、i_q分别为d轴和q轴电流u_d、u_q分别为d轴和q轴电压。

在图2估算两相旋转坐标系、实际两相旋转坐标系及两相静止坐标系的相对关系图中，d′-q′坐标系为估算两相旋转坐标系；d-q为实际两相旋转坐标系；α-β为两相静止坐标系，由坐标系变换可得

经化简后能得到估算坐标系下永磁同步电机的电流响应表达式为

代入注入的电压信号，可将永磁同步电机的电流响应表达式化简为

设函数函数包络线求取方程应满足条件，F₍′_t)为F_(t)的一阶导数。函数的导数为

联立方程得出交直轴响应电流的包络线表达式为

分别为直轴、交轴电流响应包络线。

位置检测分析：

交轴电流响应包络线表达式为

取交轴电流响应的正包络线为

的解为

可知，当注入的低频旋转位置信号与转子位置重合即θ′＝θ时，交轴电流响应正包络线取得零点，交轴电流响应正包络线的零值位置所对应的低频旋转位置给定值θ′的大小为θ₀，转子的初始位置初次估算值为

θ_q＝θ₀

在一个电角度周期内，交轴电流响应正包络线存在4个零点，分别对应着4个低频旋转位置给定值，因此还需要检测出永磁体磁极正方向才能获得转子初始位置。

磁极检测分析：

直轴电流响应包络线表达式为

取直流电流响应的正包络线为

对进行求导并令导数等于0，可以求得

则可知当时，在对应的角度位置处取得2个极大值和2个极小值，极大值、极小值对应的低频旋转位置给定值θ′分别用θ_max1、θ_max2、θ_min1、θ_min2表示。由电机磁饱和效应可知，当定子转子磁场方向重合，电枢反应起纯助磁作用，磁路更加饱和，饱和电感最小，电流峰值最大，即当低频旋转位置给定与转子位置重合即θ′＝θ时，直轴电流响应正包络线取得最大值，如图3所示，θ_max1处对应的极大值也是最大值，则永磁体正方向为

θ_d＝θ_max1

由交直轴电流响应正包络线表达式可看出，该检测方法的关键在于ΔZ≠0，ΔZ值越大，检测效果越好。永磁同步电机永磁体磁导率与空气磁导率相当，致使表贴式永磁同步电机交直轴电感近似相等，但直轴电感的大小会随着电机直轴磁路的饱和而变小，由于交轴磁路工作点为原点，通常不会进入饱和状态，交轴电感值不变，致使表贴式永磁同步电机直轴电感小于交轴电感，呈现出一定的凸极性。向表贴式永磁同步电机注入高频脉振电压信号能改变直轴磁路的饱和程度，使得表贴式永磁同步电机的交直轴电感值不相等，以实现转子位置的检测。内置式永磁同步电机自身具有凸极性，交直轴电感差异较大，因此，该方法同样适用于内置式永磁同步电机的初始位置检测。

Claims (2)

1.一种检测永磁同步电机转子初始位置的电流包络线法，其特征在于：该方法的检测系统包括检测控制器(1)、电压源逆变桥(2)、永磁同步电机(3)、相电流传感器(4)；检测控制器(1)输出的PWM信号送到电压源逆变桥(2)；电压源逆变桥(2)交流侧与永磁同步电机(3)的三相绕组连接；相电流传感器(4)检测永磁同步电机(3)的相绕组电流，其输出的信号送到检测控制器(1)；

检测控制器(1)包含：派克逆变换模块(5)、PWM模块(6)、克拉克变换模块(7)、派克变换模块(8)、正包络线提取模块(9)、磁极正方向判断模块(10)、初始位置初值检测模块(11)、位置补偿模块(12)、误差补偿模块(13)；

PWM模块(6)的输入为派克逆变换模块(5)的输出，生成的PWM控制信号由检测控制器(1)输出到电压源逆变桥(2)；

克拉克变换模块(7)输入为相电流传感器(4)的输出电流信号，输出作为派克变换模块(8)的输入；

派克逆变换模块(5)实现估算两相旋转坐标系到两相静止坐标系的变换，其中，估算两相旋转坐标系的直轴与两相静止坐标系的α轴的夹角为低频旋转位置给定角度θ′，变换方程为

$\left[\begin{array}{c}{u}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ u_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\&theta;}}^{\&prime;}& -{\mathrm{sin\&theta;}}^{\&prime;}\\ {\mathrm{sin\&theta;}}^{\&prime;}& {\mathrm{cos\&theta;}}^{\&prime;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{u}_{d^{\&prime;}}\\ u_{q^{\&prime;}}\end{array}\right]$

式中u_α和u_β为两相静止坐标系α轴和β轴的电压矢量，u_d′和u_q′分别为估算两相旋转坐标系直轴和交轴的电压矢量，派克逆变换模块(5)的输入为如下信号

$\left[\begin{array}{c}{u}_{d^{\&prime;}}\\ u_{q^{\&prime;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}{U}_{m}cos\left({\mathrm{\&omega;}}_{h}t\right)\\ 0\end{array}\right]$

式中U_m为注入的脉振电压幅值、ω_h为脉振角速度；

派克变换模块(8)为两相静止坐标系到估算两相旋转坐标系的变换，其变换方程为

$\left[\begin{array}{c}{i}_{d^{\&prime;}}\\ i_{q^{\&prime;}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}{\mathrm{cos\&theta;}}^{\&prime;}& {\mathrm{sin\&theta;}}^{\&prime;}\\ -{\mathrm{sin\&theta;}}^{\&prime;}& {\mathrm{cos\&theta;}}^{\&prime;}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ i_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]$

式中i_d′和i_q′为估算两相旋转坐标系直轴和交轴电流响应、i_α和i_β两相静止坐标系α轴和β轴的电流响应；

派克逆变换模块(5)和派克变换模块(8)中的θ′通过人为给定，给定值为θ′＝ω_lt，ω_l为低频旋转角速度、t为当前时刻；

正包络线提取模块(9)实现交直轴电流响应正包络线的提取，交轴和直轴电流响应正包络线用和表示，其表达式为

$\left[\begin{array}{c}{\tilde{i}}_{d+}\\ {\tilde{i}}_{q+}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\frac{Z-\mathrm{\&Delta;}Z\cos 2\left({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;}\right)}{Z_d{Z}_q}{U}_m\\ \left|\frac{\mathrm{\&Delta;}Z\sin 2\left({\mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}-\mathrm{\&theta;}\right)}{Z_d{Z}_q}{U}_m\right|\end{array}\right]$

式中θ为永磁同步电机转子初始位置、Z_q和Z_d为电机的交轴和直轴阻抗，分别为电机的均值阻抗和差值阻抗，交直轴电流响应正包络线是通过采集每个高频周期内交直轴电流响应的最大值，经过零阶保持后得到；

磁极正方向判断模块(10)通过检测直轴电流响应正包络线的最大值时刻对应的θ′值，实现永磁体磁极正方向的判断，永磁体磁极正方向位置θ_d＝θ_max1，θ_max1为取得最大值时刻的θ′值；

初始位置初值检测模块(11)通过检测交轴电流响应正包络线取零值时刻对应的θ′值，实现转子初始位置的初次估计，转子初始位置初值θ_q＝θ₀，θ₀为时刻的θ′值；

位置补偿模块(12)联立磁极正方向θ_d及初始位置的初次估算值θ_q，做如下位置补偿后获得转子初始位置估算值θ_e：

当θ_d＝θ_q时，θ_e＝θ_q；

当θ_d>θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q+π；

若则

当θ_d<θ_q时，若则θ_e＝θ_q；

若则

若则θ_e＝θ_q-π；

若则

2.根据权利要求1所述的基于交直轴电流响应包络线的永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于：误差补偿模块(13)实现对转子初始位置估算值θ_e进行多次估算取平均，以减小初始位置检测误差，表达式为式中n为估算次数。