CN109639202A - 一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法，属于电机控制领域。本发明方法先在估计的同步旋转坐标系d _e q _e 中的直轴上注入高频电压信号，从交轴电流信号中获取转子位置初判值；然后在注入的高频信号上叠加两段幅值相同、脉宽相等、方向相反的脉冲电压信号，检测两次注入后的直轴电流，通过比较每次注入后电流极大值与极小值之间差值的大小来确定磁极极性，完成磁极极性判断。本发明方法能够解决现有磁极判断方法需要中断高频注入信号，处理过于复杂，容易产生极性误判等问题。

Description

一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法，属于电机控制领域。

背景技术

永磁同步电机具有功率密度高、体积小、结构简单、效率高等特点，已经成为许多工业应用的最佳选择，尤其在先进制造领域、电力驱动领域具有巨大的发展潜力。采用无位置传感器的永磁同步电机系统方案由于省去了位置传感器，因此降低了成本、增强了鲁棒性，成为电机控制领域的研究热点。

在零速和低速工作区域永磁同步电机的反电动势幅值小，通过反电势法来获取转子位置信息难度较大，因此通常基于电机的凸极效应或者饱和凸极效应采用高频信号注入的方法来估算转子位置信息。高频脉冲电压注入法是一种有效的转子位置估算方法，其通过在永磁同步电机的估计同步坐标系直轴上注入高频脉冲电压信号，利用检测到的定子绕组电流来估算转子位置。高频脉冲电压注入法仅能用于估算转子位置，却不能实现转子磁极极性辨识。如果磁极极性辨识错误，转子位置将产生180度偏差，从而导致启动失败、限制电机带载能力等，因此转子磁极的准确判断至关重要。

常用的转子磁极判断方法有瞬态短脉冲注入法和基于交叉饱和效应二次谐波法。瞬态短脉冲注入法是向估计同步坐标系直轴上注入正负脉冲电压，利用不同磁极下定子绕组电流从稳态值到零值的衰减时间来判断磁极方向。该方法鲁棒性较强，但在磁极极性判断过程要中断转子位置估算所需的高频脉冲电压信号注入，这将导致软件算法状态机切换任务的增加，从而使代码结构更为复杂。基于交叉饱和效应二次谐波法是通过提取高频电流响应中的二次谐波来获取含有转子磁极极性的信息，从而用于判断转子磁极极性。然而这种方法算法过于复杂，而且转子位置估算性能严重依靠定子电流检测的精度，一旦检测电流的信噪比偏小，将影响转子磁极极性判断的准确性。因此，有必要研究一种可靠实用的永磁同步电机转子磁极极性判断方法。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有的永磁同步电机(PMSM)转子磁极极性判断方法中存在的需要中断高频信号注入、易发生极性误判、实用性较差等问题，提供了一种可靠实用的永磁同步电机转子磁极极性判断方法。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法，具体包含以下步骤：

步骤一、在估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上注入高频电压信号，从交轴电流信号中获取转子位置初判值θ_e；

步骤二、获取到转子位置初判值θ_e后，在注入的高频电压信号上沿转子位置初判值θ_e方向和θ_e+π方向叠加两段幅值相同、脉宽相等的脉冲电压信号：向转子位置初判值θ_e方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，做差得到Δi₁；一段时间后，再向转子位置初判值θ_e+π方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，做差得到Δi₂；

步骤三、判断在转子位置初判值θ_e方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₁，是否大于在转子位置初判值θ_e+π方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₂；判断结果若为“是”，执行步骤四，判断结果若为“否”，执行步骤五；

步骤四、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为N极，转子初始位置θ＝θ_e，磁极极性判断完成；

步骤五、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为S极，转子初始位置θ＝θ_e+π，磁极极性判断完成。

所述步骤一中注入的高频电压信号是高频方波电压注入，或是高频脉振电压注入。

与现有技术相比，本发明具有如下实质性特点和显著优点：

本发明转子磁极极性判断方法，可以对永磁同步电机转子磁极极性进行判断。信号处理简单，可靠性高，实用，在不需要中断高频注入信号的情况下能完成转子磁极极性判断，适用于电机自由运行的条件下，能够广泛的用于永磁同步电机无位置传感器控制中。

附图说明

图1是两相同步旋转坐标系、两相估计的同步旋转坐标系，两相静止坐标系示意图。

图2是通过注入高频电压信号获取转子磁极位置初判值的原理图。

图3为磁路的饱和特性曲线和高频电流响应示意图。

图4是高频电压信号上叠加的转子磁极判断脉冲信号示意图。

图5是基于叠加的脉冲电压信号判断转子磁极极性的原理框图。

图6为本发明方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施例做进一步的说明。

如图6所示，本实施例一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法，具体包含以下步骤：

步骤一、在估计的同步旋转坐标系d_eq_e的直轴上注入高频电压信号U_inj，通过检测估计的同步旋转坐标系d_eq_e的交轴上电流响应i_q，经过信号处理，得到含有磁极位置信息的误差信号，基于此获取转子位置的初判值θ_e。

步骤二、获取到转子位置初判值后，在注入的高频信号上沿转子位置初判值θ_e方向和θ_e+π方向叠加两段幅值相同、脉宽相等的脉冲电压信号：向转子位置初判值θ_e方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号i_d稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，作差得到Δi₁；一段时间后，再向转子位置初判值θ_e+π方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号i_d稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，作差得到Δi₂。

步骤三、判断在转子位置初判值θ_e方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₁，是否大于在转子位置初判值θ_e+π方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₂，判断结果为“是”，执行步骤四，判断结果为“否”，执行步骤五。

步骤四、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为N极，转子初始位置θ＝θ_e，磁极极性判断完成。

步骤五、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为S极，转子初始位置θ＝θ_e+π，磁极极性判断完成。

如图1所示，dq轴为两相同步旋转坐标系，q轴沿着旋转方向超前d轴90度，d_eq_e轴为两相估计的同步旋转坐标系，q_e轴沿着旋转方向超前d_e轴90度，αβ轴为两相静止坐标系，β轴沿着旋转方向超前α轴90度，规定α相所在的轴为参考轴，α相所在的轴为零度位置。则电机实际转子位置θ为d轴与α轴的夹角，转子位置的初判值θ_e为d_e轴与α轴的夹角，实际转子位置和转子位置的初判值的误差Δθ为d_e轴与d轴的夹角。本发明中提到的所有夹角角度均为电角度。

如图2所示，在估计的同步旋转坐标系d_eq_e的直轴上注入高频电压信号U_inj，将U_inj叠加直轴电压参考量和交轴电压参考量共同作为输入量，经过旋转坐标系到静止坐标系变换(dq-αβ变换)，得到两相静止坐标系下的电压参考量和将所述的电压参考量和作为输入量，采用空间矢量脉宽调制(SVPWM)的方法控制三相逆变器输出三相电压给永磁同步电机。检测永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c，通过三相坐标系到两相静止坐标系变换(abc-αβ变换)，得到两相静止坐标系下的α轴电流i_α和β轴电流i_β，再通过静止坐标系到旋转坐标系变换(αβ-dq变换)，将两相静止坐标系下的α轴电流i_α和β轴电流i_β转换为估计的同步旋转坐标系d_eq_e电流。通过检测估计的同步旋转坐标系d_eq_e的交轴电流响应i_q，经过信号处理，得到含有磁极位置信息的误差信号，从而获取转子位置的初判值θ_e和转速此时θ_e方向所指示的磁极可能是N极也可能是S极，即转子磁极位置初判值θ_e所指示的方向与转子磁场实际指示的方向可能相同也可能相反(相差180度)，所以需要具体判断转子磁极的极性。

如图3所示，Ψ_d是估计的两相旋转坐标系d_eq_e的直轴磁链。当在估计的两相旋转坐标系d_eq_e的直轴上叠加的脉冲电压方向与磁极极性相同时，位置X1处对应的直轴电流大小为i_f。由于磁路的饱和效应，X1处的电感值比初始值小，注入高频信号后直轴电流响应i_fh的幅值增大；当叠加的脉冲电压方向与磁极极性相反时，位置X2处对应的直轴电流大小为-i_f。X2处的电感值比初始值大，注入高频信号后直轴电流响应i_fh幅值减小。因此根据电流幅值的变化能够判断转子磁极的极性。

如图4所示，不中断高频电压注入信号U_inj，在转子磁极位置初判值θ_e和θ_e+π方向分别先后叠加两个脉冲电压信号U_bias，即在估计的两相旋转坐标系d_eq_e的直轴分别先后叠加一段正向脉冲电压和一段负向脉冲电压，所述两个脉冲电压信号的幅值相同、脉宽相等，注入的高频电压信号是高频方波电压注入，或是高频脉振电压注入。为了保证在施加第二个脉冲之前第一个脉冲激励产生的电流已经降为初始值，两个脉冲电压矢量的注入时间间隔应该大于4ms，本实施方案中选择4ms～6ms。

如图5所示，在估计的两相旋转坐标系d_eq_e的直轴电压参考量上注入高频电压信号U_inj，同时叠加一段正负脉冲电压信号U_bias。首先向转子位置初判值θ_e方向叠加一段正向脉冲电压信号(U_bias中的正值部分)，检测估计的同步旋转坐标系d_eq_e的直轴电流信号i_d，将其输入至磁极判断单元。记录稳定后的i_d的极大值和极小值，并作差得到Δi₁；间隔一段时间后，再向θ_e+π方向叠加一段负向脉冲电压信号(U_bias中的负值部分)，检测估计的同步旋转坐标系d_eq_e的直轴电流信号i_d，将其输入至磁极判断单元。记录稳定后的i_d的极大值和极小值，并作差得到Δi₂；若Δi₁>Δi₂，θ_e方向所对应的磁极是N极；若Δi₁<Δi₂，θ_e方向所对应的磁极是S极。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机转子磁极极性判断方法，其特征在于，具体包含以下步骤：

步骤一、在估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上注入高频电压信号，从交轴电流信号中获取转子位置初判值θ_e；

步骤二、获取到转子位置初判值θ_e后，在注入的高频电压信号上沿转子位置初判值θ_e方向和θ_e+π方向叠加两段幅值相同、脉宽相等的脉冲电压信号：向转子位置初判值θ_e方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，做差得到Δi₁；一段时间后，再向转子位置初判值θ_e+π方向叠加一段脉冲电压信号，待估计的同步旋转坐标系d_eq_e中的直轴上电流信号稳定后，记录此时电流的极大值和极小值，做差得到Δi₂；

步骤三、判断在转子位置初判值θ_e方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₁，是否大于在转子位置初判值θ_e+π方向注入脉冲电压信号时获得的电流响应的极大值和极小值的差值Δi₂；判断结果若为“是”，执行步骤四，判断结果若为“否”，执行步骤五；

步骤四、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为N极，转子初始位置θ＝θ_e，磁极极性判断完成；

步骤五、转子位置初判值θ_e方向指向的磁极为S极，转子初始位置θ＝θ_e+π，磁极极性判断完成。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子磁极极性判断方法，其特征在于，所述步骤一中注入的高频电压信号是高频方波电压注入，或是高频脉振电压注入。