CN107959455B - 永磁同步电机的转子初始位置检测装置 - Google Patents

永磁同步电机的转子初始位置检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置，所述装置包括初始位置检测数字计算模块、驱动电路、三相逆变器模块、永磁同步电机与电流传感器以及采样电路，所述驱动电路接收初始位置检测数字计算模块1的信号，产生IGBT的驱动信号，述的三相逆变器模块根据驱动电路产生的驱动信号，控制各相上、下桥臂IGBT开通和关断，所述的永磁同步电机的三相定子与三相逆变器模块连接，所述电流传感器与采样电路采集永磁同步电机的a、b与c三相定子电流ia、ib与ic，本发明的定位精度受电机的凸极率、饱和特性、电流传感器的精度以及电流采样装置零漂的影响大大减小，有效地提高了转子初始位置检测的精度。

Description

永磁同步电机的转子初始位置检测装置
技术领域
本发明涉及一种检测装置，具体涉及一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置，属于永磁同步电机控制技术领域。
背景技术
永磁同步电机运行效率高、功率密度大、控制性能优异，被广泛应用于电动汽车、电梯、矿井提升机、风力发电等电力传动领域。
获取永磁同步电机的转子位置是实现高性能调速的必要条件之一，在实际的永磁同步电机调速系统中，主要采取两大类方法来获取转子位置。一是通过在电机轴端安装转子位置传感器，如霍尔传感器、增量式光电编码器、绝对式光电编码器、旋转变压器等。二是采用无位置传感器技术，即采用转子位置观测器计算的方法估算转子位置。
无论采用哪种转子位置检测方法，都首先要检测出转子的初始位置。对于采用霍尔传感器与增量式编码器测量转子位置的场合，在电机每次启动时都要进行转子初始位置检测。而对于采用绝对式光电编码器、旋转变压器测量转子位置的场合，在安装后必须测量出位置传感器零位与转子位置零位的偏差，因此也需要一次转子初始位置检测。对于无位置传感器技术，在电机起动时需要检测出转子初始位置以作为转子位置观测器的初始值。
传统的初始位置检测方法可以分为通直法、转子微动法、高频电压注入法和脉冲电压注入法等。通直法通过向电机定子施加直流电压，将转子拉动至特定位置，此种方法需要转动电机，而且转动方向不确定，因此在大部分场合中应用受限。转子微动法通过短时注入不同位置的电压空间矢量，并根据位置传感器检测出转子运动方向，逐步逼近计算出转子初始位置，但是此种方法的控制精度依赖于机械轴的转动惯量，当机械在转动惯量增加时，初始位置检测精度明显下降。高频电压注入法通过向电机定子注入高频电压，并根据电机的数学模型计算出转子初始位置，此种方法依赖于电机参数，而且实现复杂。脉冲电压注入法通过注入不同方向的电压空间矢量，设计合理的电流判据来计算转子初始位置，在现有技术中，申请号为201510916273.5的发明专利中，根据电流传感器采集到的三相电流的大小以及注入电压矢量的角度计算而来的假定坐标系下的d轴电流幅值判断转子初始位置，并通过调节注入电压空间矢量的幅值确保电机在初始位置检测过程中保持静止，但此种方法的检测精度依赖于电机的凸极率和饱和特性以及电流传感器的精度，并且受到电流采样装置零漂的影响，对于精度不高、凸极率较小以电机非饱和区宽广的永磁电机而言，此种方法转子初始位置检测精度不高。鉴于现有技术中针对初始位置检测方法一直不理想，因此，迫切的需要一种新的方案解决该技术问题。
发明内容
本发明正是针对现有技术中存在的技术问题，提供一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置，该方案实现简便，可保持电机静止，既适应于安装位置传感器的场合，也适应于采用无位置传感器控制的场合，相比于传统的脉冲电压注入初始定位方法，本发明的定位精度受电机的凸极率、饱和特性、电流传感器的精度以及电流采样装置零漂的影响大大减小，有效地提高了转子初始位置检测的精度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于，所述装置包括初始位置检测数字计算模块、驱动电路、三相逆变器模块、永磁同步电机与电流传感器以及采样电路，所述驱动电路接收初始位置检测数字计算模块的信号，产生IGBT的驱动信号，所述的三相逆变器模块根据驱动电路产生的驱动信号，控制各相上、下桥臂IGBT开通和关断，所述的永磁同步电机的三相定子与三相逆变器模块连接，所述电流传感器与采样电路采集永磁同步电机的a、b与c三相定子电流(ia、ib与ic)。
作为本发明的一种改进，所述初始位置检测数字计算模块包括数字计时器、角度更新、参考电压矢量生成、SVPWM、3/2变换、2s/2r变换以及位置计算模块，
所述数字计时器从初始位置检测过程开始时刻开始计时，其输出为时间t；
所述角度更新根据时间t以及位置计算模块的输出θ0计算注入的电压矢量角度θ，
所述的参考电压矢量生成，根据θ、电压矢量幅值um以及时间t计算参考电压矢量的α轴电压参考值
Figure BDA0001530668940000021
和β轴电压参考值
Figure BDA0001530668940000022
所述的SVPWM根据和
Figure BDA0001530668940000024
计算三相IGBT的导通占空比；
所述的3/2变换将三相电流ia、ib与ic转化为两相静止坐标系下的α轴电流(iα)和β轴电压参考值(iβ)，
所述的2s/2r变换106将iα与iβ转化为以角度θ作为旋转角度的两相旋转坐标系下的d轴电流
Figure BDA0001530668940000025
和q轴电流
Figure BDA0001530668940000026
所述位置计算根据时间t、
Figure BDA0001530668940000027
和
Figure BDA0001530668940000028
计算当前阶段的最优转子位置(θ0)。
作为本发明的一种改进，所述角度更新根据时间t以及位置计算模块的输出θ0计算注入的电压矢量角度θ，计算过程如下：
当0≤t＜T0时，θ为0度；当T0≤t＜2T0时，θ为180度；当2T0≤t＜3T0时，θ为30度；当3T0≤t＜4T0时，θ为210度；当4T0≤t＜5T0时，θ为60度；当5T0≤t＜6T0时，θ为240度；当6T0≤t＜7T0时，θ为90度；当7T0≤t＜8T0时，θ为270度；当8T0≤t＜9T0时，θ为120度；当9T0≤t＜10T0时，θ为300度；当10T0≤t＜11T0时，θ为150度；当11T0≤t＜12T0时，θ为330度；当12T0≤t＜13T0时，θ为θ0度；当13T0≤t＜14T0时，θ为(θ0-15)度；当14T0≤t＜15T0时，θ为(θ0+15)度；当15T0≤t＜16T0时，θ为(θ0-7.5)度；当16T0≤t＜17T0时，θ为(θ0+7.5)度；当17T0≤t＜18T0时，θ为(θ0-3.75)度；当18T0≤t＜19T0时，θ为(θ0+3.75)度；当19T0≤t＜20T0时，θ为(θ0-1.875)度；当20T0≤t＜21T0时，θ为(θ0+1.875)度；当21T0≤t＜22T0时，θ为(θ0-0.9375)度；22T0≤t＜23T0时，θ为(θ0+0.9375)度，
,其中T0为正常数，其数值得选取依据是保证每个T0时间段电机定子电流衰减为0。
作为本发明的一种改进，所述的参考电压矢量生成，根据θ、电压矢量幅值um以及时间t计算参考电压矢量的α轴电压参考值和β轴电压参考值
Figure BDA0001530668940000032
计算过程如下：
当kT0≤t＜(kT0+T1)时，
Figure BDA0001530668940000033
为umcos(θ)，
Figure BDA0001530668940000034
为umsin(θ)；当(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时，
Figure BDA0001530668940000035
为0，为0；
其中k计算如下：
k＝Floor(t/T0)，其中Floor为向负无穷方向取整函数；
T1表示脉冲电压注入的时间，小于T0，T1的选取既应该保证电机静止，也要保证电机定子电流足够大，T0的选取要保证电机定子电流在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内，电机定子电流衰减至0。
电压矢量幅值um的选取既应该保证电机静止，也要保证电机定子电流足够大。
作为本发明的一种改进，所述3/2变换将三相电流ia、ib与ic转化为两相静止坐标系下的α轴电流(iα)和β轴电压参考值(iβ)，计算过程如下：
Figure BDA0001530668940000041
作为本发明的一种改进，所述2s/2r变换将iα与iβ转化为以角度θ作为旋转角度的两相旋转坐标系下的d轴电流
Figure BDA0001530668940000042
和q轴电流
Figure BDA0001530668940000043
计算过程如下：
Figure BDA0001530668940000044
作为本发明的一种改进，所述位置计算107包含三个步骤，如下：
第一步：初始化；
第二步：计算kT0≤t＜(kT0+T1)时间段内的判据电流(Ijudge)的最大值
Figure BDA0001530668940000045
第三步：在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内更新最优转子位置(θ0)和Imax。
作为本发明的一种改进，所述的位置计算的第一步在转子初始位置检测之前进行，将θ0初始化为0，将Imax初始化为负无穷大。
作为本发明的一种改进，所述的位置计算的第二步中的判据电流(Ijudge)计算过程如下：
Figure BDA0001530668940000046
并计算kT0≤t＜(kT0+T1)时段的判据电流(Ijudge)的最大值
Figure BDA0001530668940000047
作为本发明的一种改进，所述的位置计算第三步执行如下过程：
如果
Figure BDA0001530668940000048
那么并将θ0更新为θ，否则，不做任何处理，
当t≥23T0时的θ0为最终的永磁同步电机转子初始位置，并且转子初始位置检测过程结束。
相对于现有技术，本发明具有如下优点，1)该方案实现简便，可保持电机静止，既适应于安装位置传感器的场合，也适应于采用无位置传感器控制的场合，2)相比于传统的脉冲电压注入初始定位方法，本发明的定位精度受电机的凸极率、饱和特性、电流传感器的精度以及电流采样装置零漂的影响大大减小，有效地提高了转子初始位置检测的精度。
附图说明
图1为本发明检测装置整体结构示意图；
图中：1、初始位置检测数字计算模块，2、驱动电路，3、三相逆变器模块，4、永磁同步电机，5电流传感器与采样电路，101、数字计时器，102、角度更新，10,3、参考电压矢量生成，104、SVPWM，105、3/2变换，10,6、2s/2r变换，107、位置计算模块。
具体实施方式：
为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。
实施例1：如图1所示，一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置包括初始位置检测数字计算模块1、驱动电路2、三相逆变器模块3、永磁同步电机4与电流传感器与采样电路5，所述驱动电路2接收初始位置检测数字计算模块1的信号，产生IGBT的驱动信号，
所述的三相逆变器模块3根据驱动电路2产生的驱动信号，控制各相上、下桥臂IGBT开通和关断，所述的永磁同步电机4的三相定子与三相逆变器模块连接，所述电流传感器与采样电路5采集永磁同步电机4的a、b与c三相定子电流(ia、ib与ic)。
所述的初始位置检测数字计算模块1包括数字计时器101、角度更新102、参考电压矢量生成103、SVPWM104、3/2变换105、2s/2r变换106与位置计算模块107；
所述的数字计时器101从初始位置检测过程开始时刻开始计时，其输出为时间t。
所述的角度更新102根据时间t以及位置计算模块的输出θ0计算注入的电压矢量角度θ，计算过程如下：
当0≤t＜T0时，θ为0度；当T0≤t＜2T0时，θ为180度；当2T0≤t＜3T0时，θ为30度；当3T0≤t＜4T0时，θ为210度；当4T0≤t＜5T0时，θ为60度；当5T0≤t＜6T0时，θ为240度；当6T0≤t＜7T0时，θ为90度；当7T0≤t＜8T0时，θ为270度；当8T0≤t＜9T0时，θ为120度；当9T0≤t＜10T0时，θ为300度；当10T0≤t＜11T0时，θ为150度；当11T0≤t＜12T0时，θ为330度；当12T0≤t＜13T0时，θ为θ0度；当13T0≤t＜14T0时，θ为(θ0-15)度；当14T0≤t＜15T0时，θ为(θ0+15)度；当15T0≤t＜16T0时，θ为(θ0-7.5)度；当16T0≤t＜17T0时，θ为(θ0+7.5)度；当17T0≤t＜18T0时，θ为(θ0-3.75)度；当18T0≤t＜19T0时，θ为(θ0+3.75)度；当19T0≤t＜20T0时，θ为(θ0-1.875)度；当20T0≤t＜21T0时，θ为(θ0+1.875)度；当21T0≤t＜22T0时，θ为(θ0-0.9375)度；22T0≤t＜23T0时，θ为(θ0+0.9375)度。
其中T0为正常数。
所述的参考电压矢量生成103，根据θ、电压矢量幅值um以及时间t计算参考电压矢量的α轴电压参考值和β轴电压参考值
Figure BDA0001530668940000062
计算过程如下：
当kT0≤t＜(kT0+T1)时，
Figure BDA0001530668940000063
为umcos(θ)，
Figure BDA0001530668940000064
为umsin(θ)；当(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时，
Figure BDA0001530668940000065
为0，
Figure BDA0001530668940000066
为0。
其中k计算如下：
k＝Floor(t/T0)，其中Floor为向负无穷方向取整函数。
T1表示脉冲电压注入的时间，小于T0。T1的选取既应该保证电机静止，也要保证电机定子电流足够大，T0的选取要保证电机定子电流在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内，电机定子电流衰减至0。
电压矢量幅值um的选取既应该保证电机静止，也要保证电机定子电流足够大。
所述的SVPWM104根据
Figure BDA0001530668940000067
和
Figure BDA0001530668940000068
计算三相IGBT的导通占空比。
所述的3/2变换105将三相电流ia、ib与ic转化为两相静止坐标系下的α轴电流(iα)和β轴电压参考值(iβ)，计算过程如下：
Figure BDA0001530668940000069
所述的2s/2r变换106将iα与iβ转化为以角度θ作为旋转角度的两相旋转坐标系下的d轴电流
Figure BDA00015306689400000610
和q轴电流计算过程如下：
Figure BDA0001530668940000071
所述的位置计算107根据时间t、
Figure BDA0001530668940000072
和计算当前阶段的最优转子位置(θ0)。
所述的位置计算107包含三个步骤，如下：
第一步：初始化；
第二步：计算kT0≤t＜(kT0+T1)时间段内的判据电流(Ijudge)的最大值
Figure BDA0001530668940000074
第三步：在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内更新最优转子位置(θ0)和Imax。
进一步，所述的位置计算107的第一步在转子初始位置检测之前进行，将θ0初始化为0，将Imax初始化为负无穷大。
进一步，所述的位置计算107的第二步中的判据电流(Ijudge)计算过程如下：
并计算kT0≤t＜(kT0+T1)时段的判据电流(Ijudge)的最大值
Figure BDA0001530668940000076
进一步，所述的位置计算107第三步执行如下过程：
如果
Figure BDA0001530668940000077
那么
Figure BDA0001530668940000078
并将θ0更新为θ，否则，不做任何处理。
进一步，当t≥23T0时的θ0为最终的永磁同步电机转子初始位置，并且转子初始位置检测过程结束。
针对一台额定功率为30kW的永磁同步电机，采用本发明进行初始定位，表1给出了转子初始位置为83度时的初始定位数据，最终初始位置检测为82.5度，误差为0.5度，表1如下：
Figure BDA0001530668940000081
可以看出，本发明的定位精度受电机的凸极率、饱和特性、电流传感器的精度以及电流采样装置零漂的影响大大减小，大大地提高了转子初始位置检测的精度。
需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于，所述装置包括初始位置检测数字计算模块、驱动电路、三相逆变器模块、永磁同步电机与电流传感器以及采样电路，所述驱动电路接收初始位置检测数字计算模块的信号，产生IGBT的驱动信号，所述的三相逆变器模块根据驱动电路产生的驱动信号，控制各相上、下桥臂IGBT开通和关断，所述的永磁同步电机的三相定子与三相逆变器模块连接，所述电流传感器与采样电路采集永磁同步电机的a、b与c三相定子电流ia、ib与ic；
所述初始位置检测数字计算模块包括数字计时器、角度更新、参考电压矢量生成、SVPWM、3/2变换、2s/2r变换以及位置计算模块，
所述数字计时器从初始位置检测过程开始时刻开始计时，其输出为时间t；
所述角度更新根据时间t以及位置计算模块的输出θ0计算注入的电压矢量角度θ，
所述的参考电压矢量生成，根据θ、电压矢量幅值um以及时间t计算参考电压矢量的α轴电压参考值
Figure FDA0002246878360000011
和β轴电压参考值
所述的SVPWM根据
Figure FDA0002246878360000013
和计算三相IGBT的导通占空比；
所述的3/2变换将三相电流ia、ib与ic转化为两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电压参考值iβ，
所述的2s/2r变换将iα与iβ转化为以角度θ作为旋转角度的两相旋转坐标系下的d轴电流
Figure FDA0002246878360000015
和q轴电流
Figure FDA0002246878360000016
根据时间t、
Figure FDA0002246878360000017
和
Figure FDA0002246878360000018
计算当前阶段的最优转子位置θ0；
位置计算包含三个步骤，如下：
第一步：初始化；
第二步：计算kT0≤t＜(kT0+T1)时间段内的判据电流Ijudge的最大值
Figure FDA0002246878360000019
第三步：在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内更新最优转子位置(θ0)和Imax；
所述的位置计算的第一步在转子初始位置检测之前进行，将θ0初始化为0，将Imax初始化为负无穷大；
所述的位置计算的第二步中的判据电流Ijudge计算过程如下：
Figure FDA0002246878360000021
并计算kT0≤t＜(kT0+T1)时段的判据电流Ijudge的最大值
Figure FDA0002246878360000022
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于：所述的角度更新根据时间t以及位置计算模块的输出θ0计算注入的电压矢量角度θ，计算过程如下：
当0≤t＜T0时，θ为0度；当T0≤t＜2T0时，θ为180度；当2T0≤t＜3T0时，θ为30度；当3T0≤t＜4T0时，θ为210度；当4T0≤t＜5T0时，θ为60度；当5T0≤t＜6T0时，θ为240度；当6T0≤t＜7T0时，θ为90度；当7T0≤t＜8T0时，θ为270度；当8T0≤t＜9T0时，θ为120度；当9T0≤t＜10T0时，θ为300度；当10T0≤t＜11T0时，θ为150度；当11T0≤t＜12T0时，θ为330度；当12T0≤t＜13T0时，θ为θ0度；当13T0≤t＜14T0时，θ为(θ0-15)度；当14T0≤t＜15T0时，θ为(θ0+15)度；当15T0≤t＜16T0时，θ为(θ0-7.5)度；当16T0≤t＜17T0时，θ为(θ0+7.5)度；当17T0≤t＜18T0时，θ为(θ0-3.75)度；当18T0≤t＜19T0时，θ为(θ0+3.75)度；当19T0≤t＜20T0时，θ为(θ0-1.875)度；当20T0≤t＜21T0时，θ为(θ0+1.875)度；当21T0≤t＜22T0时，θ为(θ0-0.9375)度；22T0≤t＜23T0时，θ为(θ0+0.9375)度，
其中T0为正常数，其数值得选取依据是保证每个T0时间段电机定子电流衰减为0。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于：所述的参考电压矢量生成，根据θ、电压矢量幅值um以及时间t计算参考电压矢量的α轴电压参考值
Figure FDA0002246878360000023
和β轴电压参考值
Figure FDA0002246878360000024
计算过程如下：
当kT0≤t＜(kT0+T1)时，为umcos(θ)，为umsin(θ)；当(kT0+T1)≤t＜k(+T1)0时，
Figure FDA0002246878360000033
为0，为0；
其中k计算如下：
k＝Floor(t/T0)，其中Floor为向负无穷方向取整函数；
T1表示脉冲电压注入的时间，小于T0，T0的选取要保证电机定子电流在(kT0+T1)≤t＜(k+1)T0时间段内，电机定子电流衰减至0。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于：3/2变换将三相电流ia、ib与ic转化为两相静止坐标系下的α轴电流iα和β轴电压参考值iβ，计算过程如下：
Figure FDA0002246878360000035
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于：2s/2r变换将iα与iβ转化为以角度θ作为旋转角度的两相旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流
Figure FDA0002246878360000037
计算过程如下：
Figure FDA0002246878360000038
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的转子初始位置检测装置，其特征在于：位置计算第三步执行如下过程：
如果
Figure FDA0002246878360000039
那么
Figure FDA00022468783600000310
并将θ0更新为θ，否则，不做任何处理，
当t≥23T0时的θ0为最终的永磁同步电机转子初始位置，并且转子初始位置检测过程结束。
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