CN109039176B - 一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法，检测装置包括：第一硬件电路、第二硬件电路、旋变角度解码器以及零位角检测器，第一硬件电路采样电机定子的感应反电动势，第二硬件电路采样旋变传感器的旋变，旋变角度解码器根据旋变计算旋变角度并输入零位角检测器，零位角检测器根据电机定子的感应反电动势和旋变角度计算旋变零位初始角并输出旋变零位初始角。不需要额外的外围电路，就可自动检测出旋变零位时磁极初始角，实现方法简单可靠，对永磁同步电机的参数、实验环境转速波动依赖小；控制器将此角度自动存入EEPROM中，即使断电后此角度也能保存。自动化程度高，精度满足控制要求，具有较高的稳定性。

Description

一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，特别是涉及一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法。

背景技术

永磁同步电机效率高、功率密度大，是电动汽车上的主流驱动电机。永磁同步电机的高质量控制需要准确地检测转子电气角度。旋转变压器简称旋变，是一种角度传感器，具有耐恶劣环境、耐振动、高可靠性、高精度等优点，获得越来越广泛的应用，使用旋转变压器作为角度传感器的永磁同步电机驱动方案是当前电动汽车驱动的主流方案。

新能源汽车、混动汽车电机转子上都安装有旋变传感器，旋变传感器用于测试永磁同步电机的转子位置。现有旋变零位检测方法一般是在安装旋变传感器时，需要借助仪器来校准旋变零位，此方法加大了工作量，也降低生产效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简单可靠、对永磁同步电机的参数和实验环境转速波动依赖小的永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法。

本发明的又一目的在于提供一种永磁同步电机正转时感应反电动势电压矢量超前转子磁链矢量90°，电机反转时电压矢量滞后磁链矢量90°的永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法。

本发明提供了一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置，所述永磁同步电机连接有电机控制器和旋变传感器、且所述永磁同步电机由驱动电机带动旋转；所述检测装置位于电机控制器，其包括：

第一硬件电路，与所述永磁同步电机连接；

第二硬件电路，与所述旋变传感器连接；

旋变角度解码器，与所述第二硬件电路连接，以及

零位角检测器，与所述第一硬件电路和所述旋变角度解码器连接；其中所述第一硬件电路采样永磁同步电机的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc；第二硬件电路采样所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos；所述旋变角度解码器根据所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos计算旋变角度并输入所述零位角检测器；所述零位角检测器根据所述感应反电动势u_ab、u_bc和所述旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至所述电机控制器，以使所述电机控制器的存储器存储所述旋变零位初始角θ₀。

进一步地，所述电机控制器包括交流直流逆变器，所述第一硬件电路与所述交流直流逆变器连接。

进一步地，所述零位角检测器包括：

线电压到相电压转换器，与所述第一硬件电路连接，配置成将所述感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压的转换，以输出相电压u_a、u_b；

clark坐标变换器，与线电压到相电压转换器连接，以根据所述相电压u_a、u_b输出两相信号u_α、u_β；和

定子相电压角度观测器，所述定子相电压角度观测器输出反馈角度所述定子相电压角度观测器配置成：

接收所述两相信号u_α、u_β和闭环反馈的所述反馈角度并根据所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度获取旋变零位初始角θ₀；

接收和所述旋变角度并根据所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，获取所述反馈角度以及

在所述定子相电压角度观测器稳定后，将识别的所述旋变零位初始角θ₀输出至所述电机控制器。

进一步地，所述定子相电压角度观测器包括：

park坐标变换器，连接所述clark坐标变换器和所述定子相电压角度观测器的输出端，配置成将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行park坐标变换，并具有q端输出u_q；

PI控制器，连接所述q端输出u_q；

输出限幅器，连接所述PI控制器，并输出所述旋变零位初始角θ₀；和

加法器，连接所述输出限幅器、所述旋变角度解码器和输入，配置成使所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀相加，得到所述反馈角度

本发明还提供了一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测方法，其包括如下步骤：

S1：将永磁同步电机和旋变传感器接与电机控制器相连；所述电机控制器具有上述任一种检测装置；

S2：利用驱动电机带动所述永磁同步电机正转，并使所述永磁同步电机的转速维持在预定转速区间内；

S3：所述检测装置中的第一硬件电路对所述永磁同步电机的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc进行采样，并输出至所述检测装置的零位角检测器；所述检测装置中的第二硬件电路对所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos进行采样；

S4：所述检测装置中的旋变角度解码器根据所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos计算出旋变角度并输出至所述零位角检测器；

S5：所述零位角检测器根据所述感应反电动势u_ab、u_bc和所述旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至所述电机控制器；

S6：所述电机控制器的存储器存储所述旋变零位初始角θ₀。

进一步地，所述零位角检测器具有定子相电压角度观测器，且所述定子相电压角度观测器输出反馈角度且，在步骤S5中，包括以下子步骤：

S51：将所述感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压的转换，后进行clark坐标变换，以输出两相信号u_α、u_β；

S52：所述定子相电压角度观测器接收所述两相信号u_α、u_β和闭环反馈的所述反馈角度并根据所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度获取所述旋变零位初始角θ₀；

S53：所述定子相电压角度观测器接收和所述旋变角度并根据所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，获取所述反馈角度

S54：在所述定子相电压角度观测器稳定后，将识别的所述旋变零位初始角θ₀输出至所述电机控制器。

进一步地，在所述步骤S52中：将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行变换得到输出后经PI控制器传递和输出限幅控制后，得到所述旋变零位初始角θ₀；

在所述步骤S53中：将所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，经过加法器运算，得到所述反馈角度

进一步地，将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行park坐标变换，且其q端输出u_q为所述输出

本发明永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法，不需要额外的外围电路；本发明依据为永磁同步电机空转情况下，将永磁同步电机拖动到一定转速下，通过检测永磁同步电机定子感应反电动势、旋变输出u_sin、u_cos信号，通过软件算法自动检测出旋变零位时磁极初始角，实现方法简单可靠，对永磁同步电机的参数、实验环境转速波动依赖小；旋变零位初始角自动检测完成之后，控制器将此角度自动存入EEPROM中，即使断电后此角度也能保存；永磁同步电机正转时感应反电动势电压矢量超前转子磁链矢量90°，电机反转时电压矢量滞后磁链矢量90°；本发明不仅提高了自动化程度，且精度满足控制要求，具有较高的稳定性。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明一个实施例的永磁同步电机正转空转的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的永磁同步电机反转空转的示意图；

图3是根据图1所示正转时旋变零位初始角θ₀的矢量图；

图4是根据本发明永磁同步电机旋变零位初始角自动检测的框图；

图5是图4中零位角检测器的结构框图；

图6为图5中零位角检测器的示意性原理图；

图7是根据本发明一个实施例的永磁同步电机旋变零位初始角的检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置及检测方法，本检测装置和检测方法基于的原理为：在三相永磁同步电机空转或自由旋转时，永磁同步电机的定子三相绕组必定会感应出三相交流电压(感应反电动势)，此时定子电流为0，测到的定子端口电压即为感应电动势；当永磁同步电机正传时，定子相电压矢量u_s超前转子磁链矢量ψ_f 90°，如图1所示；当永磁同步电机反转时，定子相电压矢量u_s滞后转子磁链矢量ψ_f90°，如图2所示。图3所示是永磁同步电机正转时旋变零位初始角θ₀的矢量图，且 即：其中，旋变角度为

图4是根据本发明永磁同步电机旋变零位初始角自动检测的框图，用于旋变零位初始角自动检测，通常是未安装到汽车之前进行实验的，可包括充电电池10、与充电电池10连接的电机控制器20、与电机控制器20连接的被测的永磁同步电机30、通过联轴器(图未示)与被测的永磁同步电机30连接的驱动电机40，且被测的永磁同步电机30连接有旋变传感器31。

其中，电机控制器20包括与充电电池10并联连接的电容21以及与电容21并联连接的交流直流逆变器(DC/AC)22。

永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置位于电机控制器20内，其包括与交流直流逆变器(DC/AC)22连接的第一硬件电路23、与旋变传感器31连接的第二硬件电路24、与第二硬件电路24连接的旋变角度解码器25以及均与第一硬件电路23和旋变角度解码器25连接的零位角检测器26。

驱动电机40的作用是带动被测的永磁同步电机30旋转，其包括定子转子部41、以及与定子转子部41连接的驱动电机变频器41；其中，驱动电机40可以是永磁电机、也可以是感应异步电机或直流电机等类型电机。

其中，第一硬件电路23用于永磁同步电机30的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc采样；第二硬件电路24用于旋变传感器31的旋变输出u_sin、u_cos采样。

零位角检测器根据感应反电动势u_ab、u_bc和旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至电机控制器，以使电机控制器的存储器存储旋变零位初始角θ₀。

进一步地，如图5和图6所示，零位角检测器26包括：线电压到相电压转换器61、clark坐标变换器62和定子相电压角度观测器70。线电压到相电压转换器61与第一硬件电路连接，配置成将感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压u_a、u_b的转换。clark坐标变换器62与线电压到相电压转换器61连接，以输出两相信号u_α、u_β。定子相电压角度观测器70输出反馈角度定子相电压角度观测器70配置成：接收两相信号u_α、u_β和闭环反馈的反馈角度并根据两相信号u_α、u_β和反馈角度获取旋变零位初始角θ₀；接收和旋变角度并根据旋变角度和旋变零位初始角θ₀，获取反馈角度在定子相电压角度观测器70稳定后，将识别的旋变零位初始角θ₀输出至电机控制器。旋变零位初始角θ₀也可被称为旋变零位初始位置角θ₀。

在本发明的一些实施例中，如图5和图6所示，定子相电压角度观测器70包括：park坐标变换器71、PI控制器72、输出限幅器73和加法器74。park坐标变换器71连接clark坐标变换器62和定子相电压角度观测器70的输出端，配置成将两相信号u_α、u_β和反馈角度进行park坐标变换，并具有q端输出u_q。PI控制器72连接q端输出u_q。输出限幅器73连接PI控制器72，并输出旋变零位初始角θ₀。加法器74连接输出限幅器73、旋变角度解码器和输入，配置成使旋变角度和旋变零位初始角θ₀相加，得到反馈角度

本发明实施例还提供了一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测方法，如图7所示，可包括如下步骤：

S1：将永磁同步电机和旋变传感器接与电机控制器相连。电机控制器具有上述任一实施例中的检测装置。

S2：利用驱动电机带动永磁同步电机正转，并使永磁同步电机的转速维持在预定转速区间内。

S3：检测装置中的第一硬件电路对永磁同步电机的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc进行采样，并输出至检测装置的零位角检测器。检测装置中的第二硬件电路对旋变传感器的旋变输出u_sin、u_cos进行采样。

S4：检测装置中的旋变角度解码器根据旋变输出u_sin、u_cos计算出旋变角度并输出至零位角检测器。

S5：零位角检测器根据感应反电动势u_ab、u_bc和旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至电机控制器。

S6：电机控制器的存储器存储旋变零位初始角。

在本发明的一些实施例中，零位角检测器具有定子相电压角度观测器，且定子相电压角度观测器输出反馈角度且，在步骤S5中，包括以下子步骤：

S51：将感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压u_a、u_b的转换，后进行clark坐标变换，以输出两相信号u_α、u_β。

S52：定子相电压角度观测器接收两相信号u_α、u_β和闭环反馈的反馈角度并根据两相信号u_α、u_β和反馈角度获取旋变零位初始角θ₀。

S53：定子相电压角度观测器接收和旋变角度并根据旋变角度和旋变零位初始角θ₀，获取反馈角度

S54：在定子相电压角度观测器稳定后，将识别的旋变零位初始角θ₀输出至电机控制器。

在本发明的一些实施例中，在步骤S52中：将两相信号u_α、u_β和反馈角度进行变换得到输出后经PI控制器传递和输出限幅控制后，得到旋变零位初始角θ₀。

在步骤S53中：将旋变角度和旋变零位初始角θ₀，经过加法器运算，得到反馈角度

将两相信号u_α、u_β和反馈角度进行park坐标变换，且其q端输出u_q为输出可选地，也可采用其他电路结构，使得可将两相信号u_α、u_β和反馈角度进行变换得到输出

本发明实施例中不需要额外的外围电路。将电机拖动到一定转速范围区间，通过检测此时永磁同步电机定子感应反电动势、旋变输出信号，软件自动检测出旋变零位时磁极初始角。旋变零位初始角自动检测完成之后，电机控制器将此角度自动存入存储器(如EEPROM)中，即使断电后此角度也能保存。

在本发明实施例中，电机定子感应反电动势u_ab、u_bc经线电压到相电压u_a、u_b转换，可得到电机定子三相相电压为：

其中，u_A、u_B、u_C为电机定子三相相电压。U_m为电机定子相电压幅值。ω_r为电机定子相电压角速度。ω_rt为电机定子A相相电压角度。

电机定子三相相电压经过坐标变换后(三相静止(ABC)到两相静止(αβ)，可得电机定子两相信号u_α、u_β，即：

电机定子两相信号u_α、u_β写成矢量形式，为

其中，矢量形式即为u_α、u_β用极坐标的形式表示出来，说明电机定子合成电压矢量为幅值固定、角度按逆时针旋转，其中幅值为U_S，角速度为ω_rt，U_S即为当前转速下，电机定子相电压合成矢量的幅值大小，即电压矢量的长度。为定子相电压合成矢量角度，可用来表示。

实际电机定子相电压矢量角度为定子相电压角度观测器反馈角度为则定子相电压角度观测器的原理为：

上式中的即为u_β、-u_α，则上式可写为：

当趋近于时，趋近于0，也趋近于0，同时有根据此原理构建闭环传递的定子相电压角度观测器。

首先可计算角度误差计算过程为：

即，将两相信号u_α、u_β和反馈角度进行变换得到输出

经过PI控制器(PI调节器是一种线性控制器，它根据给定值与实际输出值构成控制偏差，将偏差的比例和积分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制)输出(一般还需经过输出限幅控制，限幅±π，旋变零位初始角在±π之间，即±180°)旋变零位初始角θ₀，PI控制器传递函数为：经PI控制器传递函数输出旋变零位初始角θ₀。

得到反馈角度的具体方法为：旋变零位初始角θ₀、旋变角度和电机正传时角度经加法器运算后即可得到反馈角度为

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置，所述永磁同步电机连接有电机控制器和旋变传感器、且所述永磁同步电机由驱动电机带动旋转；其特征在于：所述检测装置位于电机控制器，其包括：

第一硬件电路，与所述永磁同步电机连接；

第二硬件电路，与所述旋变传感器连接；

旋变角度解码器，与所述第二硬件电路连接，以及

零位角检测器，与所述第一硬件电路和所述旋变角度解码器连接；其中所述第一硬件电路采样永磁同步电机的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc；第二硬件电路采样所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos；所述旋变角度解码器根据所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos计算旋变角度并输入所述零位角检测器；所述零位角检测器根据所述感应反电动势u_ab、u_bc和所述旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至所述电机控制器，以使所述电机控制器的存储器存储所述旋变零位初始角θ₀；且

所述零位角检测器包括：

线电压到相电压转换器，与所述第一硬件电路连接，配置成将所述感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压的转换，以输出相电压u_a、u_b；

clark坐标变换器，与线电压到相电压转换器连接，以根据所述相电压u_a、u_b输出两相信号u_α、u_β；和

定子相电压角度观测器，所述定子相电压角度观测器输出反馈角度所述定子相电压角度观测器配置成：

接收所述两相信号u_α、u_β和闭环反馈的所述反馈角度并根据所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度获取旋变零位初始角θ₀；

接收和所述旋变角度并根据所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，获取所述反馈角度以及

在所述定子相电压角度观测器稳定后，将识别的所述旋变零位初始角θ₀输出至所述电机控制器；

所述定子相电压角度观测器包括：

park坐标变换器，连接所述clark坐标变换器和所述定子相电压角度观测器的输出端，配置成将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行park坐标变换，并具有q端输出u_q；

PI控制器，连接所述q端输出u_q；

输出限幅器，连接所述PI控制器，并输出所述旋变零位初始角θ₀；和

加法器，连接所述输出限幅器、所述旋变角度解码器和输入，配置成使所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀相加，得到所述反馈角度

2.根据权利要求1所述永磁同步电机旋变零位初始角的检测装置，其特征在于，所述电机控制器包括交流直流逆变器，所述第一硬件电路与所述交流直流逆变器连接。

3.一种永磁同步电机旋变零位初始角的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1：将永磁同步电机和旋变传感器与电机控制器相连接 ；所述电机控制器具有权利要求1至2中任一项所述的检测装置；

S2：利用驱动电机带动所述永磁同步电机正转，并使所述永磁同步电机的转速维持在预定转速区间内；

S3：所述检测装置中的第一硬件电路对所述永磁同步电机的电机定子的感应反电动势u_ab、u_bc进行采样，并输出至所述检测装置的零位角检测器；所述检测装置中的第二硬件电路对所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos进行采样；

S4：所述检测装置中的旋变角度解码器根据所述旋变传感器的输出u_sin、u_cos计算出旋变角度并输出至所述零位角检测器；

S5：所述零位角检测器根据所述感应反电动势u_ab、u_bc和所述旋变角度获取旋变零位初始角θ₀，并输出至所述电机控制器；

S6：所述电机控制器的存储器存储所述旋变零位初始角θ₀。

4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述零位角检测器具有定子相电压角度观测器，且所述定子相电压角度观测器输出反馈角度且，在步骤S5中，包括以下子步骤：

S51：将所述感应反电动势u_ab、u_bc进行线电压到相电压的转换，后进行clark坐标变换，以输出两相信号u_α、u_β；

S52：所述定子相电压角度观测器接收所述两相信号u_α、u_β和闭环反馈的所述反馈角度并根据所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度获取所述旋变零位初始角θ₀；

S53：所述定子相电压角度观测器接收和所述旋变角度并根据所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，获取所述反馈角度

S54：在所述定子相电压角度观测器稳定后，将识别的所述旋变零位初始角θ₀输出至所述电机控制器。

5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，

在所述步骤S52中：将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行变换得到输出后经PI控制器传递和输出限幅控制后，得到所述旋变零位初始角θ₀；

在所述步骤S53中：将所述旋变角度和所述旋变零位初始角θ₀，经过加法器运算，得到所述反馈角度

6.根据权利要求5所述的检测方法，其特征在于，

将所述两相信号u_α、u_β和所述反馈角度进行park坐标变换，且其q端输出u_q为所述输出