CN109450326A - 转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质，所述转子初始位置检测方法包括：将高频方波电压叠加到电流调节器输出的d轴电压，并根据逆变器输出的三相电流的反馈值获得转子位置初值；依次将第一预设电流和第二预设电流分别作为d轴电流指令值施加在逆变器的电流调节器，并根据逆变器输出的三相电流的反馈值获得磁极位置调整量，第一预设电流与第二预设电流持续时间相等、幅值相等、幅值符号相反；根据磁极位置调整量调整转子位置初值，获得转子初始位置。本发明通过将高频方波注入法与给定正负直轴电流磁极辨识法相结合，无需带通滤波器，且注入电压幅值可提前确定，上述方法还提高了高频响应电流幅值，增加了信噪比。

Description

转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质

技术领域

本发明涉及永磁同步电机领域，更具体地说，涉及一种转子初始位置检测 方法、设备及计算机可读存储介质。

背景技术

在现有的永磁同步电机中，转子位置通常使用位置传感器进行检测获得。 但由于位置传感器增加了系统的成本、体积、噪声和可靠性等问题，出现了永 磁同步电机的无位置传感器控制技术。永磁同步电机无位置传感器控制技术主 要分为中高速的反电动势法和低速(零速)的凸极跟踪法。因为静止时电机反 电动势为零，获得转子初始位置成为了一个难点。

现有的永磁同步电机转子初始位置检测方法主要包括两类：正弦波高频信 号注入法、电压脉冲注入法。

正弦波高频信号注入法又主要分为脉振高频信号注入和旋转高频信号注 入，其通过注入高频电压信号，从响应的高频电流中提取与转子位置误差相关 的信息，进一步经过锁相环或者龙贝格观测器得到正确的磁极位置。电压脉冲 法则以磁极位置初定值为矢量角，采用短脉冲注入法，往定子绕组注入两个方 向相反的脉冲电压矢量，通过比较激励的d轴电流的大小可以简单的判断出磁 极极性。

由于正弦波高频注入法需要使用带通滤波器和低通滤波器来提取转子位 置信息，这些滤波器降低了系统带宽，增加了计算量和复杂程度，使得系统性 能下降。并且单独的正弦波高频注入不能区分N、S极，一般要额外注入两个 正负电压脉冲来辨识N、S极。考虑到电机通用性，注入正负电压脉冲法存在 注入电压幅值难以确定的缺点：一方面，当注入电压幅值过小时，N、S磁极 的响应电流差别不明显，可能导致磁极辨识错误，造成启动反转甚至无法启动； 另一方面，当注入电压幅值过大时，容易导致注入电流过大，从而造成电机定 子绕组烧毁、永磁体不可逆退磁。并且，注入电压脉冲时，电流上升的变化率 很大，会产生明显的噪声。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于在现有的永磁同步电机转子初始位置检测 方法中，正弦波高频注入法使得系统性能下降，且单独的正弦波高频注入不能 区分N、S极，注入正负电压脉冲法存在注入电压幅值难以确定的问题，针对 上述的问题，提供一种转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提供一种转子初始位置检测方 法，包括：

将高频方波电压叠加到电流调节器输出的d轴电压，并根据逆变器输出的 三相电流的反馈值获得转子位置初值；

依次将第一预设电流和第二预设电流分别作为d轴电流指令值施加在所述 逆变器的电流调节器，并根据所述逆变器输出的三相电流的反馈值获得磁极位 置调整量，所述第一预设电流与第二预设电流持续时间相等、幅值相等、幅值 符号相反；

根据所述磁极位置调整量调整所述转子位置初值，获得转子初始位置。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，在将高频方波电压叠加到电流 调节器输出的d轴电压时，所述电流调节器的d轴电流指令值和q轴电流指令值 分别为零，叠加到所述电流调节器输出的q轴电压的值为零；

依次将第一预设电流和第二预设电流分别作为d轴电流指令值施加在所 述逆变器的电流调节器时，叠加到所述电流调节器输出的d轴电压给定值和q 轴电压的值分别为零。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述根据所述逆变器输出的三 相电流的反馈值计算转子位置初值包括：

将所述逆变器输出的三相电流的反馈值进行坐标变换，得到估计的转子参 考坐标系下的q轴电流；

将相邻周期的q轴电流依次输入锁相环获得转子位置初值

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述锁相环的传递函数表达式 为：其中，为相邻周期q轴电流之差；sign 表示取符号运算；V_inj为注入的高频方波电压的幅值；Kp，Ki为锁相环参数； 表示积分环节，∫表示积分。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述第一预设电流符号为正， 所述第二预设电流的符号为负，所述根据所述逆变器输出的三相电流的反馈值 获得磁极位置调整量包括：

将所述逆变器输出的三相电流的反馈值进行坐标变换，得到估计的转子参 考坐标系下的d轴电流；

将施加所述第一预设电流时获得的所述d轴电流进行累加获得第一累加 值，并将施加所述第二预设电流时获得的所述d轴电流进行累加获得第二累加 值；

在所述第一累加值大于所述第二累加值时，使所述磁极位置调整量为零， 否则使所述磁极位置调整量为π。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述第一预设电流和第二预设 电流的持续时间不小于所述逆变器输出的三相电流的反馈值达到稳定值的时 间。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述第一累加值包括：从施加 所述第一预设电流到所述逆变器的电流调节器，至所述三相电流的反馈值达到 稳定期间所有的d轴电流；所述第二累加值包括：从施加所述第二预设电流到 所述逆变器的电流调节器，至所述三相电流的反馈值达到稳定期间所有的d轴 电流。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述高频方波电压的频率为所 述逆变器开关频率的n分之一，所述n为正整数。

在本发明所述的转子初始位置检测方法中，所述第一预设电流和第二预设 电流的幅值为永磁同步电机电机额定电流的50％～150％。

本发明还提供一种转子初始位置检测设备，所述设备包括存储器和处理 器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执 行所述计算机程序时实现如上所述转子初始位置检测方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程 序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述转子初始位置检测方法的 步骤。

本发明的转子初始位置检测方法、设备及计算机可读存储介质，通过将高 频方波注入法与给定正负直轴电流磁极辨识法相结合，无需带通滤波器，且注 入电压幅值可提前确定，上述方法还提高了高频响应电流幅值，增加了信噪比。 本方法实现简单，可行性高，可靠性高。

附图说明

图1是本发明转子初始位置检测方法第一实施例的流程示意图；

图2是本发明转子初始位置检测方法第一实施例的系统框图；

图3是本发明转子初始位置检测方法中实际的转子参考坐标系、估计的转 子参考坐标系和两相静止坐标系之间的关系示意图；

图4是本发明转子初始位置检测方法第二实施例的流程示意图；

图5是本发明转子初始位置检测方法中加正id时的电机磁场示意图；

图6是本发明转子初始位置检测方法中加负id时的电机磁场示意图；

图7是本发明转子初始位置检测方法中施加正id、负id时的电机直轴电 感示意图；

图8是本发明转子初始位置检测方法中电机相电流整体波形示意图；

图9是本发明转子初始位置检测方法中采用+id*和-id*直轴电流给定法 辨识磁极时的相电流波形示意图；

图10是本发明转子初始位置检测方法中转子位置角度的估计误差示意 图。

图11是本发明转子初始位置检测设备实施例的示意图；

图12是本发明计算机可读存储介质实施例的示意图。

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。

本发明转子初始位置检测方法主要包括两个阶段：转子位置初值估计 阶段、磁极辨识阶段。

如图1所示，是本发明转子初始位置检测方法第一实施例的流程示意图， 该转子初始位置检测方法可应用于PMSM(permanent magnet synchronous motor，永磁同步电机)，并实现转子初始位置识别。本实施例的转子初始位 置检测方法具体包括以下步骤：

步骤S11：在转子位置初值估计阶段，将高频方波电压V_inj叠加到电流 调节器6输出的d轴电压。叠加后的值作为d轴电压给定值V_d*注入坐标变换单元 2。

结合图2所示，是本发明转子初始位置检测方法第一实施例的系统框图， 在该步骤中，为了保持电机转子静止，电流调节器的d轴电流指令值i_d*和q轴 电流指令值i_q*都为0(即图2中的开关连接在A端)，且叠加到电流调节器6输 出的q轴电压的值V_q为零。并且注入的高频方波电压V_inj的频率可以为开关频率 n分之一，其中n为整数(例如n＝1,2,3，…等)，一般频率在200Hz至20kHz范 围内。注入的高频方波电压V_inj通过坐标变换单元2和SVM(Space Vector Modulation，空间矢量调制)单元3输出到逆变器1。

步骤S12：根据逆变器1输出的三相电流的反馈值获得转子位置初值。在该 步骤中，需将从逆变器1采集获得的三相电流i_a、i_b和i_c，进行坐标变换得到估 计的转子参考坐标系下的q轴电流，并计算由于注入高频方波电压引起的q轴电 流差(i_q1-i_q0)，其中i_q1为当前时刻的q轴电流，i_q0为上一时刻的q轴电流，经过 锁相环7得到转子位置初值

如图3所示，是本发明转子初始位置检测方法中实际的转子参考坐标系、 估计的转子参考坐标系和两相静止坐标系之间的关系示意图。其中，和构 成的坐标系为估计的转子参考坐标系，q和d构成的坐标系为实际的转子参考 坐标系，α和β构成的坐标系为两相静止坐标系。(实际的转子参考坐标系是没 办法获得的，因此与现有技术相同，所有的计算都是基于估计的转子参考坐标 系)

步骤S13：在获得转子位置初值后，依次将第一预设电流+i_d*和第二预设 电流-i_d*分别作为d轴电流指令值施加在逆变器的电流调节器6，并根据逆变器1 输出的三相电流的反馈值获得磁极位置调整量(此时图2所示的开关连接到B 端，且停止注入高频方波电压)，第一预设电流+i_d*与第二预设电流-i_d*持续时 间相等、幅值相等、幅值符号相反，且持续时间不小于逆变器1输出的三相电 流的反馈值达到稳定值的时间。上述第一预设电流+i_d*和第二预设电流-i_d*一般 为电机额定电流的50％～150％，以满足能够区分N、S磁极为准。

步骤S14：根据逆变器1输出的三相电流的反馈值获得磁极位置调整量。在 该步骤中，可分别计算d轴电流指令值为第一预设电流+i_d*和第二预设电流-i_d* 时的反馈电流累加值sum(+id)和sum(-id)，第一预设电流+i_d*符号为正，第二 预设电流-i_d*的符号为负，并通过比较sum(+id)和sum(-id)的大小来获得磁极位 置调整量，例如在|sum(+id)|>|sum(-id)|时，确认磁极位置调整量为零，否则 确认磁极位置调整量为π。

步骤S15：根据磁极位置调整量调整转子位置初值，获得转子初始位置例如转子初始位置为转子位置初值与磁极位置调整量之和。

上述转子初始位置检测方法将高频方波注入法与给定正负直轴电流磁极 辨识法相结合，无需带通滤波器，且注入电压幅值可提前确定，上述方法还提 高了高频响应电流幅值，增加了信噪比。

如图4所示，是本发明转子初始位置检测方法第二实施例的流程示意图， 包括以下步骤：

步骤S41：将高频方波电压V_inj叠加到电流调节器输出的d轴电压，为了保 持电机转子静止，d轴电流指令值i_d*和q轴电流指令值i_q*分别为零，且叠加到 电流调节器输出的q轴电压的值V_q为零。注入的高频方波电压V_inj的频率为逆变 器1开关频率的n分之一，其中n为正整数，一般注入频率在200Hz至20kHz范围 内。

步骤S42：采集逆变器1输出的三相电流i_a、i_b和i_c的反馈值，并对上述反馈 值进行坐标变换，得到估计的转子参考坐标系下的q轴电流。

上述三相电流i_a、i_b和i_c可先通过克拉克变换单元4和帕克变换单元5转换为 估计的转子参考坐标系下的d轴电流和q轴电流。由于q轴电流的差值包含转子 位置误差信息，因此可在乘以注入电压符号去极性化后，将相邻周期的q轴电 流依次输入PI类型锁相环7获得转子位置初值上述相邻周期的q轴电流为 iq1和iq0，其中iq1为当前周期的q轴电流，iq0为上一周期的q轴电流，并计算 由于注入电压引起的q轴电流差(iq1-iq0)，经过锁相环7得到转子位置初值

上述锁相环的传递函数表达式具体可以为：

其中，为相邻周期q轴电流之差；sign表示取符号运算，大于0为1， 小于0为-1；V_inj为注入的高频方波电压的幅值；Kp，Ki为锁相环参数；表 示积分环节，∫表示积分。

以上高频方波注入的基本原理可由以下计算式(2)～(7)表达：

电机在零速时的电压方程为：

其中v_dh、v_qh、i_dh、i_qh分别是估计的转子参考坐标系下d、q轴注入电压和 电流分量，L_d是d轴电感，L_q是q轴电感，p表示微分算子。

仅注入d轴高频电压时的表达式为：

其中V_inj为注入电压幅值，分别为估计的转子参考坐标系下的d、q轴电压。

把式(2)中的微分项用电流差Δi和控制周期ΔT表示，得到：

把电流项移到等式左边，电压用估计的转子参考坐标系的注入电压表示得 到：

把电流转化到估计的转子参考坐标系得到：

化简得到估计的转子参考坐标系的高频响应电流如下：

式(7)中包含转子位置误差信息，当角度误差θ％很小时，sin(2θ％)可以近似表达为2θ％。

上述步骤S41、S42，直接利用相邻周期的电流差得到转子位置初值不需要使用带通滤波器，提高了系统带宽，减小了计算量。通过降低注入频率， 提高了高频响应电流幅值，信噪比的增加，减小了AD采样、零飘、温度等引 起的电流测量误差的影响，提高了系统鲁棒性。

步骤S43：在获得转子位置初值后，取消注入高频方波电压V_inj(即此 时叠加到电流调节器输出的d轴电压和q轴电压的值分别为零)，并为电流调节 器6设置d轴电流指令值为第一预设电流+i_d*(持续时间不小于逆变器1输出的 三相电流的反馈值达到稳定值的时间)，并对此时的反馈电流在估计的转子参 考坐标系下的d轴分量进行累加获得第一累加值sum(+id)。

上述第一预设电流+i_d*的大小一般为电机额定电流的50％～150％，以满足 能够区分N、S磁极为准。

步骤S44：将持续时间相等、幅值相等、幅值符号相反的第二预设电流-i_d* 作为d轴电流指令值施加到电流调节器6，并对此时的反馈电流在估计的转子参 考坐标系下的d轴分量进行累加获得第二累加值sum(-id)。上述第二累加值 sum(-id)中的d轴电压分量的数量与第一累加值sum(+id)中的d轴电压分量的数 量相同。

步骤S45：判断第一累加值sum(+id)和第二累加值sum(-id)的绝对值是否满 足如下关系式|sum(+id)|>|sum(-id)|，若第一累加值sum(+id)和第二累加值 sum(-id)的绝对值满足步骤S45的关系式，即第一累加值大于第二累加值 |sum(+id)|>|sum(-id)|时，执行步骤S46；否则执行步骤S47。

由于在计算第一累加值sum(+id)和第二累加值sum(-id)时，第一预设电流 +i_d*和第二预设电流-i_d*的持续时间不小于逆变器1输出的三相电流的反馈值达 到稳定值的时间，保证了第一累加值sum(+id)和第二累加值sum(-id)中d轴分量 的数量，提高了精度。

步骤S46：确认磁极位置调整量为零，并使转子初始位置角为

步骤S47：确认磁极位置调整量为π，并使转子初始位置角为

因为位置估计器不只一个稳定的收敛点，所以估计的转子位置初值可能在 N或S极。所以该实施例通过步骤S43～S47的正负直轴电流给定的方法来进行磁 极辨识，分别计算给定为第一预设电流+i_d*和第二预设电流-i_d*时d电流的累加 值，判断其绝对值的关系，决定是否需要在转子位置初值的基础上加π， 得到最终的转子初始位置角

图5和图6分别为本发明转子初始位置检测方法中施加第一预设电流+i_d* 时的电机磁场和施加负第二预设电流+i_d*时的电机磁场示意图，施加第一预设 电流+id*时，电机定子三相绕组通入电流而产生的电枢磁场与转子永磁体产生 的永磁磁场方向相同，电机直轴磁路更加饱和，磁阻增大，直轴电感较小。反 之，施加第二预设电流-i_d*时，电枢磁场与永磁磁场方向相反，电机直轴磁路 饱和程度降低，磁阻减小，直轴电感较大。如图7所示，给出了采用有限元法 计算的一个电周期内，施加第一预设电流+i_d*、第二预设电流-i_d*时的电机直轴 电感示意图，可见施加第一预设电流+i_d*时的直轴电感701小于施加第二预设电流-i_d*时的直轴电感702。基于磁极饱和原理，可以通过比较给定第一预设电 流+i_d*和第二预设电流-i_d*电流时，反馈电流的累加值的绝对值大小来决定是否 需要在转子位置初值的基础上加π，得到最终的转子初始位置角进而 判断N、S磁极。

图8为本发明转子初始位置检测方法中进行永磁同步电机转子位置估计 时，得到的电机相电流整体波形，其中0～300ms为转子位置初值估计阶段， 300～350ms为磁极辨识阶段。图9为采用第一预设电流+i_d*和第二预设电流-i_d* 直轴电流给定法辨识磁极时的相电流波形(即为图8磁极辨识阶段的放大图)， 可见正负的最大值区别明显，采用求累加值的方法，使得N、S磁极的辨识更 加可靠。

图10给出了电机转子在0～360°电角度范围内的估计位置、实际位置及角 度误差，可见采用本发明转子初始位置检测方法在整个范围内都能准确估计转 子位置，角度误差在5°以内。

本发明采用给定持续时间相等、幅值相等、幅值符号相反的直轴电流，并 比较这两种条件下各自的电流累加值的方式来辨识N、S磁极。因为是给定电 流，注入电压幅值由PI控制器自动调节得到，可以避免注入正负电压脉冲法中 电压幅值难以确定的缺点。采用电流累加值的方法，N、S磁极的响应电流差 别较大，可以有效辨识磁极。给定电流可以很方便的控制在电机额定电流左右， 不会造成过流问题。PI调节产生的电流上升的变化率比较平缓，可以有效地减 小注入正负电压脉冲法产生的噪声。

本方法实现比较简单，可靠性高，可准确估计转子初始位置。

本发明还提供一种转子初始位置检测设备11，如图11所示，包括存储器111 和处理器112，存储器111中存储有可在处理器112上运行的计算机程序，处理 器112执行计算机程序时，实现如上所述转子初始位置检测方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质12，如图12所示，存储介质12上存 储有计算机程序121，计算机程序121被处理器执行时，实现如上所述转子初始 位置检测方法的步骤。

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 (11)

1.一种转子初始位置检测方法，其特征在于，包括：

将高频方波电压叠加到电流调节器输出的d轴电压，并根据逆变器输出的三相电流的反馈值获得转子位置初值；

依次将第一预设电流和第二预设电流分别作为d轴电流指令值施加在所述逆变器的电流调节器，并根据所述逆变器输出的三相电流的反馈值获得磁极位置调整量，所述第一预设电流与第二预设电流持续时间相等、幅值相等、幅值符号相反；根据所述磁极位置调整量调整所述转子位置初值，获得转子初始位置。

2.根据权利要求1所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，在将高频方波电压叠加到电流调节器输出的d轴电压时，所述电流调节器的d轴电流指令值和q轴电流指令值分别为零，叠加到所述电流调节器输出的q轴电压的值为零；

依次将第一预设电流和第二预设电流分别作为d轴电流指令值施加在所述逆变器的电流调节器时，叠加到所述电流调节器输出的d轴电压和q轴电压的值分别为零。

3.根据权利要求2所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述根据所述逆变器输出的三相电流的反馈值计算转子位置初值包括：

将所述逆变器输出的三相电流的反馈值进行坐标变换，得到估计的转子参考坐标系下的q轴电流；

将相邻周期的q轴电流依次输入锁相环获得转子位置初值

4.根据权利要求3所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述锁相环的传递函数表达式为：其中，为相邻周期q轴电流之差；sign表示取符号运算；V_inj为注入的高频方波电压的幅值；Kp，Ki为锁相环参数；表示积分环节，∫表示积分。

5.根据权利要求2所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述第一预设电流符号为正，所述第二预设电流的符号为负，所述根据所述逆变器输出的三相电流的反馈值获得磁极位置调整量，包括：

将所述逆变器输出的三相电流的反馈值进行坐标变换，得到估计的转子参考坐标系下的d轴电流；

将施加所述第一预设电流时获得的所述d轴电流进行累加获得第一累加值，并将施加所述第二预设电流时获得的所述d轴电流进行累加获得第二累加值；

在所述第一累加值大于所述第二累加值时，使所述磁极位置调整量为零，否则使所述磁极位置调整量为π。

6.根据权利要求5所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述第一预设电流和第二预设电流的持续时间不小于所述逆变器输出的三相电流的反馈值达到稳定值的时间。

7.根据权利要求6所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述第一累加值包括：从施加所述第一预设电流到所述逆变器的电流调节器，至所述三相电流的反馈值达到稳定期间所有的d轴电流；所述第二累加值包括：从施加所述第二预设电流到所述逆变器的电流调节器，至所述三相电流的反馈值达到稳定期间所有的d轴电流。

8.根据权利要求1所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述高频方波电压的频率为所述逆变器开关频率的n分之一，所述n为正整数。

9.根据权利要求1所述的转子初始位置检测方法，其特征在于，所述第一预设电流和第二预设电流的幅值为永磁同步电机额定电流的50％～150％。

10.一种转子初始位置检测设备，其特征在于，包括存储器和处理器，所述存储器中存储有可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1至9中任一项所述转子初始位置检测方法的步骤。

11.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至9中任一项所述转子初始位置检测方法的步骤。