CN107036599B - 基于mems惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，将3轴加速度计和3轴陀螺仪的MEMS惯性器件安装在永磁同步电机转子转轴上，使得MEMS惯性器件加速度计的x轴与转子转轴轴心重合；在k时刻测得MEMS惯性器件y轴加速度，z轴加速度，测得MEMS惯性器件绕x轴旋转的角速度，指定逆时针为正，再计算k时刻前一个周期T内的转子位置增量Δθ(k)，得到电机在运行过程中的位置角θ。本发明所提供的基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法成本低，体积小。同时，转子位置利用反正切运算和积分运算得到，因此该方法运算量小，利于工程实现。

Description

基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法。
背景技术
近年来，永磁同步电机因其结构简单、功率密度高等诸多优点在高性能调速系统和伺服控制系统等工业领域得到了日益广泛的应用，见文献：“陆婉泉,林鹤云,韩俊林.永磁同步电机的扰动观测器无位置传感器控制[J].中国电机工程学报,2016,36(5):1387-1394.”和“谷善茂,何凤有,谭国俊,等.永磁同步电动机无传感器控制技术现状与发展[J].电工技术学报,2009,24(11):14-20.”。在永磁同步电机矢量控制系统中，需要检测转子位置信息，如果没有转子位置信息将会导致整个系统不能正常运行，见文献“陆婉泉,林鹤云,韩俊林.永磁同步电机的扰动观测器无位置传感器控制[J].中国电机工程学报,2016,36(5):1387-1394.”。目前，现有的技术主要分为两类，第一类是利用霍尔传感器、光电编码器及旋转变压器等传感器检测电机转子位置，但是这种方法成本高、体积大，见文献“鲁文其,胡育文,杜栩杨,等.永磁同步电机新型滑模观测器无传感器矢量控制调速系统[J].中国电机工程学报,2010,30(33):78-83.”。第二类是无传感器控制技术，这种技术算法复杂，难以实际应用，见文献“王丽梅,郑建芬,郭庆鼎.基于高频信号注入法的永磁同步电机无传感器控制[J].沈阳工业大学学报,2004,26(6):648-650.”。
综上所述，现有的文献和专利在永磁同步电机转子位置检测的方法上无法兼顾降低成本、减小体积且简化算法的要求。
发明内容
要解决的技术问题
为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，能够针对永磁同步电机转子位置进行实时检测。
技术方案
一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于：将3轴加速度计和3轴陀螺仪的MEMS惯性器件安装在永磁同步电机转子转轴上，使得MEMS惯性器件加速度计的x轴与转子转轴轴心重合；转子位置检测步骤如下：
步骤1：在k时刻测得MEMS惯性器件y轴加速度为aacy(k)，z轴加速度为aacz(k)，测得MEMS惯性器件绕x轴旋转的角速度为gyrox(k)，指定逆时针为正，设置aacy、aacz、gyrox的采样周期为T；
步骤2：当电机处于某一初始位置静止时，若gyro(k)＝0，电机转子的初始位置θ1为：
Figure BDA0001275172530000021
步骤3：当电机运转时，k时刻前一个周期T内的转子位置增量Δθ(k)为：
Δθ(k)＝gyrox(k)·T
步骤4：则电机在运行过程中的位置角θ为：θ(k)＝θ(k-1)+Δθ；
电机转子机械位置范围为0～2π，当θ(k)>2π，则：θ(k)＝θ(k)-2π。
当gyro(k)＝0时，电机为静止状态，测得电机初始位置之后，电机开始转动，认为k＝1时刻为电机开始转动，则：
Figure BDA0001275172530000022
有益效果
本发明提出的一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，由于MEMS惯性器件售价和体积均远远低于旋转变压器和光电编码器，因此本发明所提供的基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法成本低，体积小。同时，转子位置利用反正切运算和积分运算得到，因此该方法运算量小，利于工程实现。
附图说明
图1：MEMS惯性器件示意图
图2：MEMS惯性器件安装示意图
图3：转子初始位置确定示意图
图4：电机运行中转子位置确定示意图
具体实施方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：
将整合了三轴加速度计和三轴陀螺仪的MEMS惯性器件(如图1所示)安装至电机转子转轴上，使x轴与电机转子转抽轴心重合，如图2所示。在k时刻测得MEMS惯性器件y轴加速度为aacy(k)，z轴加速度为aacz(k)，测得MEMS惯性器件绕x轴旋转的角速度为gyrox(k)，即为电机旋转的角速度。设置aacy、aacz、gyrox的采样周期为T。
当电机处于某一初始位置时，如图3所示，则电机转子的初始位置θ1可以由以下式子求得：
Figure BDA0001275172530000031
当电机运行时，在一个采样周期T内，电机转子从一个位置转至下一个位置(从k-1时刻至k时刻)。如图3所示，电机转子由yz转至y'z'，则电机转子位置增量Δθ(k)可由下式求得：
Δθ(k)＝gyrox(k)·T
当求得该采样周期内电机转子位置增量后，则k时刻电机转子的实际位置θ(k)可由下式求得：
θ(k)＝θ(k-1)+Δθ
通过gyrox来确定电机是否开始运行，若gyro(k)＝0，则认为电机处于静止状态。认为k＝1时刻为首次采样到gyro(k)不为零，即电机刚开始转动，则有：
Figure BDA0001275172530000041
由于电机转子位置机械角度范围为0～2π，因此由上式求得的电机转子位置会大于2π。所以在使用转子位置时，对转子位置θ(k)做如下处理，若θ(k)＞2π，则：
θ(k)＝θ(k)-2π
因为MEMS惯性器件市场售价远远低于旋转变压器和光电编码器，如MPU6050的售价仅为$1.5左右；其次，MPU6050模块长约20mm，宽约15mm，厚度仅1mm左右，其体积远小于旋转变压器和光电编码器；另外，本发明所提供的方法运算量远小于基于高频注入的永磁同步电机转子位置检测等方法。

Claims (2)

1.一种基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于：将3轴加速度计和3轴陀螺仪的MEMS惯性器件安装在永磁同步电机转子转轴上，使得MEMS惯性器件加速度计的x轴与转子转轴轴心重合；转子位置检测步骤如下：
步骤1：在k时刻测得MEMS惯性器件y轴加速度为aacy(k)，z轴加速度为aacz(k)，测得MEMS惯性器件绕x轴旋转的角速度为gyrox(k)，指定逆时针为正，设置aacy、aacz、gyrox的采样周期为T；
步骤2：当电机处于某一初始位置静止时，若gyro(k)＝0，电机转子的初始位置θ1为：
Figure FDA0002321507340000011
步骤3：当电机运转时，k时刻前一个周期T内的转子位置增量Δθ(k)为：
Δθ(k)＝gyrox(k)·T
步骤4：则电机在运行过程中的位置角θ为：θ(k)＝θ(k-1)+Δθ(k)；
其中，θ(k)是k时刻电机转子的实际位置，θ(k-1)是k-1时刻电机转子的实际位置；电机转子机械位置范围为0～2π，当θ(k)>2π，则：θ(k)＝θ(k)-2π。
2.根据权利要求1所述基于MEMS惯性器件的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于：当gyro(k)＝0时，电机为静止状态，测得电机初始位置之后，电机开始转动，认为k＝1时刻为电机开始转动，则：
Figure FDA0002321507340000012
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