CN107994833B - 一种永磁同步电机的转子初始位置检测装置 - Google Patents

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

一种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u_m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

所述的SVPWM根据

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(i_α)和β轴电压参考值(i_β)，

所述的2s/2r变换106将i_α与i_β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

所述位置计算根据时间t、

和

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u_m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

计算过程如下：

当kT₀≤t<(kT₀+T₁)时，为u_mcos(θ)，

为u_msin(θ)；当(kT₀+T₁)≤t<(k+1)T₀时，

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u_m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(i_α)和β轴电压参考值(i_β)，计算过程如下：

。

作为本发明的一种改进，所述2s/2r变换将i_α与i_β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

计算过程如下：

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(I_judge)的最大值

第三步：在(kT₀+T₁)≤t<(k+1)T₀时间段内更新最优转子位置(θ₀)和I^max。

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I^max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(I_judge)计算过程如下：

并计算kT₀≤t<(kT₀+T₁)时段的判据电流(I_judge)的最大值

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u_m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

计算过程如下：

当kT₀≤t<(kT₀+T₁)时，

为u_mcos(θ)，

为u_msin(θ)；当(kT₀+T₁)≤t<(k+1)T₀时，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u_m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

和

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(i_α) 和β轴电压参考值(i_β)，计算过程如下：

所述的2s/2r变换106将i_α与i_β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

计算过程如下：

所述的位置计算107根据时间t、

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(I_judge)的最大值

第三步：在(kT₀+T₁)≤t<(k+1)T₀时间段内更新最优转子位置(θ₀)和I^max。

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I^max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(I_judge)计算过程如下：

并计算kT₀≤t<(kT₀+T₁)时段的判据电流(I_judge)的最大值

进一步，所述的位置计算107第三步执行如下过程：

如果

那么

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。

进一步，所述的永磁同步电机的转子初始位置检测方法及装置的原理是利用当注入的电压空间矢量角度(θ)与转子初始位置(θ_e)相同时判据电流的值最大的特点。

电机静止情况下的永磁同步电机在旋转坐标系下的数学模型如下：

其中，u_d与u_q为d、q轴电压，i_d与i_q为d、q轴电流，L_d与L_q为d、q轴电感，Rs为定子电阻。

将上述的数学模型离散化可得：

其中，T_s为离散采样周期，ξ_d(n)与ξ_q(n)满足：

以注入的电压矢量角度θ为旋转角度做旋转变换，可得虚拟d轴电流(i_dv)和虚拟q轴电流(i_qv)的表达式如下：

根据上式，可得当电压矢量角度θ与永磁同步电机转子初始位置θ_e相同时，判据电流取得最大值。

进一步，与申请号为201510916273.5的发明专利中仅将假定坐标系下的d轴电流(其值与本发明中的虚拟d轴电流

相同)作为判据的转子初始位置检测方法相比，

对电压矢量角度θ的导数如下：

根据上式，可得当电压矢量角度θ与永磁同步电机转子初始位置θ_e相同时，

对电压矢量角度θ的变化率接近于0，因此电压矢量角度θ处于永磁同步电机转子初始位置θ_e附近时，判据值变化率较小，因此此种方法受电机的凸极率、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很大。

本发明专利采用的判据电流

同时利用了

的信息，

对电压矢量角度θ的导数如下：

根据上式，可得当电压矢量角度θ与永磁同步电机转子初始位置θ_e相同时，对电压矢量角度θ的变化率最大，因此电压矢量角度θ处于永磁同步电机转子初始位置θ_e附近时，判据值

的变化量远大于

的变化量。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。

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：

作为一种对比，采用仅将假定坐标系下的d轴电流作为判据的转子初始位置检测方法进行初始定位，表2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78.77度，误差为4.23度，表2如下：

θ(度)	0	180	30	210	60	240	90	270	120	300	150	330
													i<sub>dx</sub>(A)	36.50	34.30	58.36	46.02	93.62	58.22	104.72	63.64	72.14	49.56	40.10	36.72
θ(度)	90	75	90	67.5	82.5	78.77	82.5	76.86	80.64	77.8	79.67
													i<sub>dx</sub>(A)	104.24	106.74	105.86	102.46	106.82	107.8	107.56	107.64	107.26	107.06	107.2

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I_judge的最大值

第三步：在(kT₀+T₁)≤t＜(k+1)T₀时间段内更新最优转子位置θ₀和I^max;

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I^max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I_judge计算过程如下：

并计算kT₀≤t＜(kT₀+T₁)时段的判据电流I_judge的最大值

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u_m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

所述的SVPWM根据

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i_α和β轴电压参考值i_β，

所述的2s/2r变换将i_α与i_β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

所述位置计算根据时间t、和

计算当前阶段的最优转子位置θ₀;

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：所述的参考电压矢量生成，根据θ、电压矢量幅值u_m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

计算过程如下：

当kT₀≤t＜(kT₀+T₁)时，

为u_mcos(θ)，

为u_msin(θ)；当(kT₀+T₁)≤t＜(k+1)T₀时，

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i_α和β轴电压参考值i_β，计算过程如下：

。

5.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2s/2r变换将i_α与i_β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

计算过程如下：

6.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：所述的位置计算第三步执行如下过程：

如果那么

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。