CN108258968B - 电机动子磁极初始位置辨识系统及方法 - Google Patents

电机动子磁极初始位置辨识系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种电机动子磁极初始位置辨识方法及系统，所述方法包括以下步骤：根据所述电机的电机参数计算第一电压幅值；将所述第一电压幅值分别与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量后，分别注入所述电机的线圈，并分别采样所述电机的线圈获得多个第一电流响应峰值；根据所述多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置，并从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置。本发明通过将同一电周期内多个幅值相同、相位角不同的电压矢量注入电机的线圈，并根据响应电流计算获得动子磁极初始位置，可大大提高磁极辨识精度和可靠性。

Description

电机动子磁极初始位置辨识系统及方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，更具体地说，涉及一种电机动子磁极初始位置辨识系统及方法。
背景技术
直驱直线电机(Direct DriverLine，DDL)，是一种将电能直接转化为直线运动机械能，而无需其他任何转换机构的装置。根据结构形态，直驱直线电机既可以为“动初级”，又可以成“动次级”，通常将可动部件成为“动子”，固定部件称为“定子”。直驱直线电机具有推力强、损耗低、时间常数小、响应快等特点，同时，省去了传统旋转电机实现直线运动所必须的中间传动环节，使得伺服性能和加工效率大大提高。
实际应用中，直驱直线电机一般采用增量型光栅尺作为位置反馈元件，并且，为了实现对直驱直线电机的矢量控制，必须获得动子初始位置信息。一旦初始位置信息辨识结果有误，会造成无法启动，甚至反向运行飞车。而由于直驱直线电机特有的直线直驱运动方式，飞车带来的影响远比旋转运动恶劣。
目前一般采用微动法、预定位法和信号注入法等获取动子初始位置信息。
预定位法通过直接向直驱直线电机施加既定位置的电流空间矢量，并不断加大矢量幅值，使动子在电磁力的作用下发生位移并被约束于施加矢量的空间位置。预定位法虽然简单，但是存在以下两个问题：(1)磁极辨识过程中运动距离偏大，最大为二分之一极距(N-S)，一般为厘米级别；(2)无法在所有应用场合有效区分施加矢量的既定位置和与既定位置偏离180°电角度位置(例如，施加矢量既定位置为0°，而动子初始位置恰好处于180°电角度处时，预定位法无法区分)，易造成反向运行飞车。
微动法在一定程度上改善了预定位法的上述不足，其通过尝试施加不同位置的电流空间矢量，并根据编码器反馈信息估计动子初始位置，不断迭代，直至控制坐标系收敛到动子初始位置。微动法的辨识过程中，运动距离一般为mm级别，但是逻辑复杂。同时，在摩擦力较大、负载较大等场合，微动法的辨识过程容易受到干扰，也就是抗扰性和鲁棒性不好。另外，微动法不适用于使用垂直轴的场合的应用。
信号注入法分为脉冲电压注入法和高频电压注入法，其中脉冲电压注入法，为向电机绕组注入特定的脉冲电压串，根据响应电流特征，确认磁极位置；高频电压注入法，提供的激励信号为高频正弦形态，根据高频电流响应二次项提取磁极位置。但电压注入法存在注入电压的幅值选择问题，幅值过大容易引起电机振动；幅值过小，电流响应信噪比低，而滤波会引入信号延迟或者信号失真，容易造成磁极误判。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对上述直驱电机初始位置辨识存在误判、控制逻辑复杂的问题，提供一种新的电机动子磁极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，提供一种电机动子磁极初始位置辨识方法，包括以下步骤：
根据所述电机的电机参数计算第一电压幅值；
将所述第一电压幅值分别与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量后，分别注入所述电机的线圈，并分别采样所述电机的线圈获得多个第一电流响应峰值；
根据所述多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置，并从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，所述根据所述电机的电机参数计算第一电压幅值包括：
(a1)将第一尝试电压矢量注入到所述电机的线圈，并采样所述电机的线圈获得第二电流响应峰值，所述第一尝试电压矢量的相位角为零；
(a2)在所述第二电流响应峰值的幅值未达到第一预设值时调整所述第一尝试电压矢量的幅值，并返回步骤(a1)，否则根据所述电机参数和第二电流响应峰值计算获得第一电压幅值。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，所述第一电压幅值U通过以下计算式(1)计算获得：
Figure GDA0002600115690000031
其中，ud为第一电压的d轴分量，uq为第一电压的q轴分量，id为第二电流响应峰值的d轴分量，iq为第二电流响应峰值的q轴分量，Rs为所述电机电路的等效电阻，Ld为所述电机电路在d轴方向的等效电感，Lq为所述电机电路在q轴方向的等效电感，τ为所述电机的极距，v为所述电机的动子运行速度，Ψq为所述电机电路在q轴的磁通分量，Ψd为所述电机电路在d轴的磁通分量。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，将电机额定电流幅值的20％～30％作为第二电流响应峰值的幅值代入计算式(1)，并将计算获得的第一电压幅值U作为第一尝试电压矢量的幅值的初始值。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，所述根据所述多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置包括：
对所述多个第一电流响应峰值进行曲线拟合获得d轴电流拟合曲线和q轴电流拟合曲线；
将所述d轴电流拟合曲线的最大值位置以及所述q轴电流拟合曲线的零点位置分别作为磁极辨识位置。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，对所述多个第一电流响应峰值进行曲线拟合时，采用三参数正弦曲线函数对测量向量进行拟合。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，所述从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置包括：
将具有第二电压幅值且方向相反的两个电压矢量注入所述电机的线圈，并采样获得两个第三电流响应峰值；
将两个第三电流响应峰值中绝对值较大的一个对应的相位角作为控制坐标系的d轴辨识位置；
将所述d轴辨识位置对应的一个磁极辨识位置作为动子磁极初始位置。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，所述第二电压幅值通过以下步骤获得：
(b1)将第二尝试电压矢量注入到所述电机的线圈，并采样所述电机的线圈获得第四电流响应峰值，所述第二尝试电压矢量的相位角为所述d轴电流拟合曲线的最大值位置处的d轴位置；
(b2)在所述第四电流响应峰值的幅值未达到第二预设值时调整所述第二尝试电压矢量，并返回步骤(b1)，否则根据所述电机参数和第四电流响应峰值计算获得第二电压幅值，所述第二预设值为额定电流幅值的90％～100％。
在本发明所述的电机动子磁极初始位置辨识方法中，将所述第一电压幅值与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量，分别注入所述电机的线圈时，将相位角相差180°的两个第一电压矢量为一组依次注入所述电机的线圈。
本发明还提供一种电机动子磁极初始位置辨识系统，包括存储单元和处理器，所述存储单元中存储有供所述处理器处理的指令以实现如上所述的电机动子磁极初始位置辨识方法。
本发明的电机动子磁极初始位置辨识系统及方法，通过将同一电周期内多个幅值相同、相位角不同的电压矢量注入电机的线圈，并根据响应电流计算获得动子磁极初始位置，可大大提高磁极辨识精度和可靠性。同时，本发明不受负载、摩擦和重力影响，辨识过程中动子动作在10um级别，满足静态磁极辨识的应用需求。
附图说明
图1是本发明电机动子磁极初始位置辨识方法实施例的流程示意图；
图2是本发明电机动子磁极初始位置辨识方法中，将第一电压矢量注入电机的线圈实施例的示意图；
图3是本发明电机动子磁极初始位置辨识方法中第二电流响应峰值曲线与d轴、q轴电流拟合曲线的示意图。
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，是本发明电机动子磁极初始位置辨识方法实施例的流程示意图，该方法可用于电机的动子的磁极初始位置辨识，可大大提高磁极初始位置辨识的精度和可靠性。该方法特别适用于交流永磁同步直线电机，当然，该方法也可应用于交流永磁同步旋转电机。本实施例中的电机动子磁极初始位置辨识方法包括以下步骤：
步骤S1：根据电机的电机参数计算第一电压幅值。上述电机参数为电机本身的参数，具体可包括等效电阻、等效电感、极距、磁通等。
在该步骤中，具体可通过以下方式计算第一电压幅值：首先将第一尝试电压矢量经矢量控制和功率变换后注入(即施加)到电机的线圈，并采样电机的线圈获得第二电流响应峰值，该第一尝试电压矢量的相位角为零；如果第二电流响应峰值的幅值未达到第一预设值，则调整第一尝试电压矢量的幅值(调整规则可预先设定)，并重新注入到电机的线圈以及重新采样获得第二电流响应峰值，直到第二电流响应峰值的幅值达到第一预设值；然后根据电机参数和最后获得的第二电流响应峰值(即达到第一预设值的第二电流响应峰值)计算获得第一电压幅值。
具体地，上述第一电压幅值U可通过以下d-q坐标系下的计算式(1)计算获得：
Figure GDA0002600115690000051
在式(1)中，ud为第一电压的d轴分量，uq为第一电压的q轴分量，id为第二电流响应峰值的d轴分量，iq为第二电流响应峰值的q轴分量，Rs为电机电路的等效电阻，Ld为电机电路在d轴方向的等效电感，Lq为电机电路在q轴方向的等效电感，τ为电机的极距，v为电机的动子运行速度(在获得第一电压幅值过程中，电机保持静止)，Ψq为电机电路在q轴的磁通分量，ψd为电机电路在d轴的磁通分量。
特别地，上述第一尝试电压矢量的幅值的初始值(即第一次注入到电机线圈的第一尝试电压矢量的幅值)根据计算式(1)计算获得。具体地，可将第一预设值作为第二电流响应峰值的幅值(即
Figure GDA0002600115690000061
此时该第二电流响应峰值的相位角可默认为零)代入计算式(1)中，并将计算获得的第一电压幅值U作为第一尝试电压矢量的幅值的初始值。
为了提高信噪比，综合考虑磁场非线性特征和动子保持静止状态条件约束，上述第一预设值可在电机额定电流幅值的20％～30％之间。
步骤S2：将第一电压幅值U分别与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量，然后将该多个第一电压矢量分别经过矢量控制和功率变换后注入电机的线圈，并分别采样获得多个第一电流响应峰值。
在该步骤中，多个电压相位角在同一电周期内按设定步长依次增加，例如电压相位角设定的增加步长为θu，则一个电周期内注入电机线圈的第一电压矢量个数为
Figure GDA0002600115690000062
上述增加步长为θu越小，磁极初始位置的辨识精度越高，但相应的运算量也越大。
为了保证在第一电压矢量注入过程中，电机动子保持静止，可采取两个正、反向第一电压矢量为一组的施加方式。例如，如图2所示，将第一电压矢量us1和第一电压矢量us2为一组，施加完第一电压矢量us1，后马上施加反向位置的第一电压矢量us2，然后再施加第一电压矢量us3。也就是在将第一电压矢量注入电机的线圈时，将相位角相差180°的两个第一电压矢量依次注入电机的线圈。在每次注入第一电压矢量后，都需采样对应的第一电流响应峰值，磁极初始位置信息被调制在电流响应波形里。将上述第一电流响应峰值按控制坐标系中的电角度进行顺序排列，得到电流响应采样序列
Figure GDA0002600115690000071
式(2)中，M为大于2的整数。
步骤S3：根据多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置，并从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置。
由于向直流电机线圈施加电压激励(即第一电压矢量)后，d-q轴电流响应(即采样获得的第一电流响应峰值)会受到逆变器开关谐波和系统内其他设备的干扰，同时，驱动系统内各种非线性因素，也会使采样获得的第一电流响应峰值产生畸变，故需要对采样获得的第一电流响应峰值进行曲线拟合，提高采样信噪比。
由于在上述向电机注入多个第一电压矢量过程中，电机的动子基本处于静止状态(即v＝0)，故式(1)右侧反电势项可以忽略；又阻抗分压较小，故也可忽略，则式(1)可简化为：
udqdt＝Ldqdidq (3)
根据式(1)和式(2)可知，didq＝x，式(3)左侧为三角函数项，所以可用三参数正弦曲线函数对测量向量x进行拟合。
即式(2)可转换为
x[n]＝A0cos(2πf0tn)+B0sin(2πf0tn)+C0,n∈[1,M] (4)
其中，f0为多个第一电压矢量注入频率，tn为电流采样时刻，A0、B0、C0为待拟合系数。
令
Figure GDA0002600115690000072
则式(4)可转换为矩阵形式
x＝D0s0 (5)
根据拉格朗日极值定理，可以求得s0的最优估计获得拟合曲线：
Figure GDA0002600115690000081
如图3所示，(a)和(c)分别为第一电流响应峰值d轴分量和q轴分量；(b)为对(a)进行曲线拟合获得d轴电流拟合曲线，(d)为对(c)进行曲线拟合获得的q轴电流拟合曲线。式(2)中的M越大，采样点数越多，曲线拟合的精度也越高。
通过曲线拟合，可以极大的提高信号的信噪比，经过实验验证，该方法稳定性好，可靠性高。另外，当采样方式和采样点数固定时，上式中系数矩阵为常系数矩阵，可离线计算，然后将矩阵存入程序常量中，可以避免大量的高维矩阵运算，减小绝大部分计算量。
在获得d轴电流拟合曲线和q轴电流拟合曲线后，可将d轴电流拟合曲线的最大值(即幅值最大值)位置以及q轴电流拟合曲线的零点(即幅值零点)位置分别作为磁极辨识位置，例如可从图3所示的d轴电流拟合曲线和q轴电流拟合曲线中获得4个磁极辨识位置。
为了得到最终的磁极初始位置，还需获得控制坐标系的d轴位置。具体地，可通过在4个磁极辨识位置处，注入正反方向并具有第二电压幅值的两个电压矢量up1和up2。采样获得第三电流响应峰值ip1和ip2，并令ip＝max(||ip1||,||ip2||)，即控制坐标系d轴辨识位置为θp＝∠ip；并将d轴辨识位置对应的一个磁极辨识位置作为动子磁极初始位置。
上述第二电压幅值可按步骤S1同样的方式获取：先将第二尝试电压矢量注入到电机的线圈，并采样电机的线圈获得第四电流响应峰值，上述第二尝试电压矢量的相位角为d轴电流拟合曲线的最大值位置处的d轴位置(即相位角)；在第四电流响应峰值的幅值未达到第二预设值时调整第二尝试电压矢量幅值，并再次将调整后的第二尝试电压矢量注入电机的线圈并采样获得新的第四电流响应峰值，按此重复，直到第四电流响应峰值的幅值达到第二预设值，并根据电机参数和此时的第四电流响应峰值计算获得第二电压幅值。上述第二预设值应在电机额定电流幅值的90％～100％之间，以便使电机体现出饱和凸极效应。
本发明还提供一种电机动子磁极初始位置辨识系统，包括存储单元和处理器，上述存储单元中存储有供所述处理器处理的指令以实现如上所述的电机动子磁极初始位置辨识方法。
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 (10)

1.一种电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，包括以下步骤：
根据电机的电机参数和通过向所述电机的线圈注入第一尝试电压所获得的第二电流响应峰值计算第一电压幅值，所述电机参数包括等效电阻、等效电感、极距、磁通；
将所述第一电压幅值分别与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量后，分别注入所述电机的线圈，并分别采样所述电机的线圈获得多个第一电流响应峰值；
根据所述多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置，并从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置，所述磁极辨识位置分别为所述多个第一电流响应峰值中d轴电流幅值最大时对应的辨识位置和所述多个第一电流响应峰值中q轴电流幅值最小时对应的辨识位置。
2.根据权利要求1所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，所述根据电机的电机参数和通过向所述电机的线圈注入第一尝试电压所获得的第二电流响应峰值计算第一电压幅值包括：
(a1)将第一尝试电压矢量注入到所述电机的线圈，并采样所述电机的线圈获得第二电流响应峰值，所述第一尝试电压矢量的相位角为零；
(a2)在所述第二电流响应峰值的幅值未达到第一预设值时调整所述第一尝试电压矢量的幅值，并返回步骤(a1)，否则根据所述电机参数和第二电流响应峰值计算获得第一电压幅值。
3.根据权利要求2所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，所述第一电压幅值U通过以下计算式(1)计算获得：
Figure FDA0002747173620000011
其中，ud为第一电压的d轴分量，uq为第一电压的q轴分量，id为第二电流响应峰值的d轴分量，iq为第二电流响应峰值的q轴分量，Rs为电机电路的等效电阻，Ld为所述电机电路在d轴方向的等效电感，Lq为所述电机电路在q轴方向的等效电感，τ为所述电机的极距，v为所述电机的动子运行速度，Ψq为所述电机电路在q轴的磁通分量，Ψd为所述电机电路在d轴的磁通分量。
4.根据权利要求3所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，将电机额定电流幅值的20％～30％作为第二电流响应峰值的幅值代入计算式(1)，并将计算获得的第一电压幅值U作为第一尝试电压矢量的幅值的初始值。
5.根据权利要求1所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，所述根据所述多个第一电流响应峰值获得多个磁极辨识位置包括：
对所述多个第一电流响应峰值进行曲线拟合获得d轴电流拟合曲线和q轴电流拟合曲线；
将所述d轴电流拟合曲线的最大值位置以及所述q轴电流拟合曲线的零点位置分别作为磁极辨识位置。
6.根据权利要求5所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，对所述多个第一电流响应峰值进行曲线拟合时，采用三参数正弦曲线函数对测量向量进行拟合。
7.根据权利要求5所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，所述从所述多个磁极辨识位置中选择一个作为动子磁极初始位置包括：
将具有第二电压幅值且方向相反的两个电压矢量注入所述电机的线圈，并采样获得两个第三电流响应峰值；
将两个第三电流响应峰值中绝对值较大的一个对应的相位角作为控制坐标系的d轴辨识位置；
将所述多个磁极辨识位置中与所述d轴辨识位置对应的一个磁极辨识位置作为动子磁极初始位置。
8.根据权利要求7所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，所述第二电压幅值通过以下步骤获得：
(b1)将第二尝试电压矢量注入到所述电机的线圈，并采样所述电机的线圈获得第四电流响应峰值，所述第二尝试电压矢量的相位角为所述d轴电流拟合曲线的最大值位置处的d轴位置；
(b2)在所述第四电流响应峰值的幅值未达到第二预设值时调整所述第二尝试电压矢量，并返回步骤(b1)，否则根据所述电机参数和第四电流响应峰值计算获得第二电压幅值，所述第二预设值为额定电流幅值的90％～100％。
9.根据权利要求1所述的电机动子磁极初始位置辨识方法，其特征在于，将所述第一电压幅值分别与多个位于同一电周期的电压相位角组成多个第一电压矢量后，分别注入所述电机的线圈时，将相位角相差180°的两个第一电压矢量为一组，依次注入所述电机的线圈。
10.一种电机动子磁极初始位置辨识系统，其特征在于，包括存储单元和处理器，所述存储单元中存储有供所述处理器处理的指令以实现如权利要求1-9中任一项所述的电机动子磁极初始位置辨识方法。
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