CN108599658A - 一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法 - Google Patents

一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，包括如下步骤：步骤一，电机位置判断，控制电流以锁定电机d轴位置；步骤二，Z信号位置判断，通过开环控制电机转动，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号；步骤三，检测UVW信号相序，使用TI芯片检测UVW信号；步骤四，检测Z信号，设定当检测到Z信号时，触发锁存制，将计数结果寄存器QPOSCNT储存的值清零，并设定QPOSCNT为零；步骤五，取得零位与d轴的偏置角。本发明的一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法实现对d轴位置的矫正，此方法实现简单，且据此计算出的θ角的矫正精度高。

Description

一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，具体涉及一种同步磁阻电机的位置传感器零位自学习方法。
背景技术
目前，主流的变频控制方案为永磁同步电机加上永磁同步电机变频驱动器，这种方案的控制简单，方案成熟，但是电机的磁钢受温度影响较大，容易退磁甚至失磁，受使用环境以及使用年限的影响，电机的性能逐年下降，可靠性较低，而且电机的成本受磁钢或稀土材料的影响较大。而传统的可靠性更高的异步电机动态性能、调速效果相差，效率低存在明显的应用缺陷。近年来，国内的同步磁阻电机开始进入研发阶段，而像ABB已经有了同步磁阻电机系列化产品，电机内没有磁钢，可靠性与异步电机相当，且兼具永磁同步电机的高效、高调速性的特点。同步磁阻电机已经逐步成为的下一代新型高效电机的新选择。
矢量控制技术是常用的同步磁阻电机控制基准方法，所以同步磁阻电机的控制也同样离不开位置传感器零位自学习。而现有的永磁同步电机位置传感器零位自学习方法无法应用到同步磁阻电机上。
由于不同位置传感器厂家的正转方向定义不一致，所以导致同样电机逆时针转时传感器的A、B信号以及U、V、W信号相序不一致，所以需要进行专门的A、B信号检测和U、V、W相序检测。
发明内容
本发明是针对同步磁阻电机位置传感器的零位自学习方法。
为实现上述目的，本发明的一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，包括如下步骤：
步骤一，电机位置判断，控制电流以锁定电机d轴位置；
步骤二，Z信号位置判断，通过开环控制电机转动，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号；
步骤三，检测UVW信号相序，使用TI芯片检测UVW信号
步骤四，检测Z信号，设定当检测到Z信号时，触发锁存机制，将计数结果寄存器QPOSCNT储存的值清零，并设定QPOSCNT为零；
步骤五，取得零位与d轴的偏置角；
所述步骤一中，将电机的U、V、W三相与坐标系下的A、B、C一一对应，d轴的角预设为θ角，将θ角设置为零，然后通过控制d轴与q轴的电流来锁定电机d轴的位置；
所述步骤二中，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号，包括通过DSP的EQEP模块检测位置传感器的零点信号Z信号，以及AB计数信号及计数结果寄存器QPOSCNT储存的值；
所述步骤三中，通过TI芯片检测UVW信号相序，包括通过DSP的ADC采样模块采样的位置传感器U、V、W信号的值，并以此判断U、V、W信号的高低电平；
所述步骤五中，输入θ角数值，并控制电流线性增加到电机额定电流至电机静止，记录计数结果寄存器QPOSCNT显示数值，得出偏置数，并计算偏置角。
进一步地，所述步骤一包括：
给定Id＝Iq，并使电流值从零线性增加，使合成矢量电流值小于或等于电机额定电流；
设定电机电流降为零，并只给定Id，并使Id线性增加到电机额定电流并持续至电机静止不动；
设定θ角为零，将电机的A相的对齐位置认定为电机的d轴位置。
进一步地，通过开环的电机旋转进行控制，所述步骤二包括：
给定固定的θ增量来控制Id与Iq值的变换，使电机保持较低的速度旋转；
同时通过EQEP模块采集的位置传感器的A、B脉冲信号计数值QPOSCNT增加减少情况来判断该转动方向下位置传感器A信号与B信号的超前滞后关系以判定电机旋转方向与编码器方向一致。
进一步地，所述步骤三包括如下步骤：启动电机，通过DSP芯片的ADC模块采集位置传感器U、V、W的电压信号，根据U、V、W的电压信号所对应的逻辑信号1或者0的变化，选用公式N＝4U+2V+W，并以此判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序一致。
进一步地，判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序不一致时，选用N＝4U+2W+V再次进行判断。
本发明的通过给定的d、q轴电流锁定电机的位置，然后通过控制电机三相电流转动电机，检测Z信号并保存QPOSCNT模块的计数值，锁定电机到一个特定位置，并保存QPOSCNT计数值，通过比对两次QPOSCNT计数值计算出Z信号与电机d轴的相对位置，利用d轴的的相对位置计算出用于电机矢量控制的θ角，实现对d轴位置的矫正，此方法实现简单，且据此计算出的θ角的矫正精度高。
附图说明
图1为实施例1的自学习方法示意图；
图2为实施例1的空间矢量坐标d、q轴与电机三相坐标示意图；
图3为实施例1的位置传感器U、V、W信号关系示意图；
图4为实施例1的电流变化时自学习结果与真实值的差值。
具体实施方式
下面通过应用实例，并结合附图，对本发明作进一步详细描述：
实施例1
如图1-4所示，本发明的一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，包括如下步骤：
步骤一，电机位置判断，控制电流以锁定电机d轴位置；
步骤二，Z信号位置判断，通过开环控制电机转动，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号；
步骤三，检测UVW信号相序，使用TI芯片检测UVW信号
步骤四，检测Z信号，设定当检测到Z信号时，触发锁存机制，将计数结果寄存器QPOSCNT储存的值清零，并设定QPOSCNT为零；
步骤五，取得零位与d轴的偏置角；
所述步骤一中，将电机的U、V、W三相与坐标系下的A、B、C一一对应，d轴的角预设为θ角，将θ角设置为零，然后通过控制d轴与q轴的电流来锁定电机d轴的位置；
所述步骤二中，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号，包括通过DSP的EQEP模块检测位置传感器的零点信号Z信号，以及AB计数信号及计数结果寄存器QPOSCNT储存的值；
所述步骤三中，通过TI芯片检测UVW信号相序，包括通过DSP的ADC采样模块采样的位置传感器U、V、W信号的值，并以此判断U、V、W信号的高低电平；
所述步骤五中，输入θ角数值，并控制电流线性增加到IMAX，直到电机静止，记录计数结果寄存器QPOSCNT显示数值，得出偏置数，并计算偏置角。其中，IMAX为输入电机的电流，In为电机的额定电流，N为IMAX/In
所述步骤一包括：
给定Id＝Iq，并使电流值从零线性增加，使合成矢量电流值达到IMAX，经过实验验证，当IMAX/In的比值N在0.8～1.1范围内时，效果最好；
设定电机电流降为零，并只给定Id，并使Id线性增加到电机额定电流并持续至电机静止不动；
设定θ角为零，将电机的A相的对齐位置认定为电机的d轴位置。
通过开环的电机旋转进行控制，所述步骤二包括：
给定固定的θ增量来控制Id与Iq值的变换，使电机保持较低的速度旋转；
同时通过EQEP模块采集的位置传感器的A、B脉冲信号计数值QPOSCNT增加减少情况来判断该转动方向下位置传感器A信号与B信号的超前滞后关系以判定电机旋转方向与编码器方向一致。
所述步骤三包括如下步骤：启动电机，通过DSP芯片的ADC模块采集位置传感器U、V、W的电压信号，根据U、V、W的电压信号所对应的逻辑信号1或者0的变化，选用公式N＝4U+2V+W，并以此判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序一致。
判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序不一致时，选用N＝4U+2W+V再次进行判断。
如图所示，本发明的一种同步磁阻电机位置传感器零位自学习方法，包括了通过控制电流锁定电机d轴位置，通过开环控制电机转动，基于TI芯片检测AB信号及Z信号，通过TI芯片检测UVW信号，通过控制电机电流锁定电机位置。
通过TI的芯片检测AB信号及Z信号，指通过DSP的EQEP模块，检测位置传感器的零点信号，即Z信号，以及AB计数信号及计数结果寄存器QPOSCNT储存的值。
通过TI芯片检测UVW信号，指通过DSP的ADC采样模块采样的位置传感器U、V、W信号的值来判断此时的U、V、W信号的高低电平情况。
位置角度程序根据图2所示的空间矢量坐标d、q轴与电机三相坐标示意图来给定d轴电流与q轴电流的值，通过矢量控制方法进行坐标变换以及SVPWM控制后，形成了电机U、V、W三相电流。
通常我们将电机的U、V、W三相与坐标系下的A、B、C一一对应，由图2我们可知，当θ角为零时，d、q坐标系下的d轴与电机A相完全重合。
所以，为了方便描述以及控制，本方法直接将θ先置位零，然后通过控制d轴与q轴的电流来锁定电机d轴的位置。
根据坐标变换公式可知，当θ为零时本公式可简化为根据变换结果进行快速的计算。
实际控制的时候先给定Id＝Iq，并使电流值从零线性增加，使合成矢量电流值小于等于电机额定电流，此时根据图2我们可知，电机d轴会转到A相与C-之间，如此设定的目的是防止电机d轴与A相刚好成90度夹角时，电机无法转动并锁定d轴与A相重合的位置。
其次，使电机电流下降到零，并只给定Id，并使Id线性增加到电机额定电流，并使该电流持续一段时间T1，T1一般取1～3秒，直到电机静止不动，此时电机的d轴与电机的A相完全对其，此时再次将θ角置零，并认定d轴位置锁定完成。不同厂家的位置传感器的
d轴位置锁定完成后，下一步进行开环的电机旋转控制。通过给定固定的θ增量来控制Id与Iq值的变换，使电机保持较低的速度旋转。同时通过EQEP模块采集的位置传感器的A、B脉冲信号计数值QPOSCNT增加减少情况来判断该转动方向下位置传感器A信号与B信号的超前滞后关系，如果QPOSCNT值一直在增加，则判断为电机旋转方向与编码器信号方向一致，如果QPOSCNT一直减少，则判断电机旋转方向与编码器信号方向相反。
位置传感器方向与电机方向一致性判断完成后，进行位置传感器的U、V、W信号的相序判断。电机旋转的时候，通过DSP芯片的ADC模块采集位置传感器U、V、W的电压信号，根据U、V、W的电压信号所对应的逻辑信号1或者0的变化，我们通过公式N＝4U+2V+W我们会得到如图3所示结果。如果N的值变换是与图3所示一致，既N循环变化顺序[5 4 6 2 3 1]则判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序一致，否则为不一致，我们将公式更改为N＝4U+2W+V。
位置传感器的U、V、W相序判断结束后，进行Z信号检测。电机继续按照开环转动，当检测到Z信号时立即触发锁存机制，此刻的QPOSCNT的值进行清零，既此时QPOSCNT＝0。
Z信检测完成后，此时给θ角一个已知电机位置的角度，如给定θ角＝30度，因为根据图2我们知道，θ角等于30度时代表了此时d轴超前A相30度，也就是我们给电机通了一个A相进C相出的直流电。控制电流线性增加到电机额定电流并持续一段时间T2一般取1～5秒，等电机静止(既QPOSCNT不发生变化)后，再次记录QPOSCNT的值X1。
所有步骤执行完毕，最后进行零位偏置角的计算，则偏置数Y＝X1-0＝X1，假设该位置传感器AB信号线数为Nx，极对数为p，则偏置角度ω1＝(360×Y)/(4×Nx×p)，由于此时d轴超前A相30度，所以实际的偏置角度ω＝30°-ω1，将ω进行0°～360°范围处理后，最终得到的ω角就是零位与d轴(电机A相)的偏置角。
在进行同步磁阻电机矢量控制时，用于矢量变换(Park变换、Park逆变换等)的θ角需用通过ω角进行校正，基本的矫正方法如下：
1、各参数说明：编码器线数为line；电机的极对数为p；QPOSCNT为编码器的计数值。
2、通过编码器反馈信号计算则θ1角：θ1＝QPOSCNT×p×360°/(4×line)(度)；
3、通过ω角校正得到θ角：θ1＝θ1+ω(度)。
如图4所示电流大小情况下自学习结果与真实值的差值，可见，电流大小直接影响影响ω角的学习精度，本实施例中，电流越大，ω角与真实值的差值越小。
基于实现本算法的载体，既硬件平台(下文简称驱动器)在实际的工程应用中对于自身以及所带电机的保护，会对驱动器的最大输出电流进行限制，所以无法使IMAX值无限大，通常取IMAX/In的比值N≤1.2，限制了自学习的精度，无法使ω角与真实值无限接近于零。
最后，需要注意的是，以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有很多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容中直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，包括如下步骤：
步骤一，电机位置判断，控制电流以锁定电机d轴位置；
步骤二，Z信号位置判断，通过开环控制电机转动，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号；
步骤三，检测UVW信号相序，使用TI芯片检测UVW信号
步骤四，检测Z信号，设定当检测到Z信号时，触发锁存机制，将计数结果寄存器QPOSCNT储存的值清零，并设定QPOSCNT为零；
步骤五，取得零位与d轴的偏置角；
所述步骤一中，将电机的U、V、W三相与坐标系下的A、B、C一一对应，d轴的角预设为θ角，将θ角设置为零，然后通过控制d轴与q轴的电流来锁定电机d轴的位置；
所述步骤二中，使用TI芯片检测A信号、B信号及Z信号，包括通过DSP的EQEP模块检测位置传感器的零点信号Z信号，以及AB计数信号及计数结果寄存器QPOSCNT储存的值；
所述步骤三中，通过TI芯片检测UVW信号相序，包括通过DSP的ADC采样模块采样的位置传感器U、V、W信号的值，并以此判断U、V、W信号的高低电平；
所述步骤五中，输入θ角数值，并控制电流线性增加到电机额定电流至电机静止，记录计数结果寄存器QPOSCNT显示数值，得出偏置数，并计算偏置角。
2.如权利要求1所述的同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，其特征在于：所述步骤一包括：
给定Id＝Iq，并使电流值从零线性增加，使合成矢量电流值小于或等于电机额定电流；
设定电机电流降为零，并只给定Id，并使Id线性增加到电机额定电流并持续至电机静止不动；
设定θ角为零，将电机的A相的对齐位置认定为电机的d轴位置。
3.如权利要求1或2所述的同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，其特征在于：通过开环的电机旋转进行控制，所述步骤二包括：
给定固定的θ增量来控制Id与Iq值的变换，使电机保持较低的速度旋转；
同时通过EQEP模块采集的位置传感器的A、B脉冲信号计数值QPOSCNT增加减少情况来判断该转动方向下位置传感器A信号与B信号的超前滞后关系以判定电机旋转方向与编码器方向一致。
4.如权利要求1或2所述的同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，其特征在于：所述步骤三包括如下步骤：启动电机，通过DSP芯片的ADC模块采集位置传感器U、V、W的电压信号，根据U、V、W的电压信号所对应的逻辑信号1或者0的变化，选用公式N＝4U+2V+W，并以此判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序一致。
5.如权利要求4所述的同步磁阻电机的位置传感器的零位自学习方法，其特征在于：判定位置传感器的U、V、W信号与电机的A、B、C相序不一致时，选用N＝4U+2W+V再次进行判断。
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