CN109873589B - 一种永磁同步电机转子零位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子零位检测方法，通过给定直轴电压U_d驱动电机转子到零位后，获取转子位置检测信息θ_mean，在得到θ_mean的后矢量控制中变换角度θ，通过给定交轴电压U_q控制电机转动，然后根据电机正反转的实际情况从而确定出转子零位信息。

Description

一种永磁同步电机转子零位检测方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种永磁同步电机转子零位检测方法。

背景技术

永磁同步电机PMSM凭借其高功率密度、高效率、启动特性好、控制性能好等优点，被广泛应用于不同的领域。由于用于确定电机转子位置和反应转速信息的旋转变压器在安装时存在偏差，并且对于永磁同步电机的磁场定向矢量控制(FOC)，转子零位是否准确直接影响电机的出力，导致控制的不稳定，严重时电机甚至没法启动。因此要对PMSM进行控制，首先必须获取的参数信息就是电机的转子零位。

目前电机控制器在无法获得PMSM转子零位时，具有代表性的获取转子零位的方法有高频信号注入法和反电动势法。其中高频信号注入法依赖电机类型，对凸极式电机效果明显，但是对隐极式电机不明显。并且对于高频电流响应信号的解调算法往往具有计算量大、算法复杂以及理论性强的特点，通用性较差。反电动势法则是通过检测三相绕组的电压或者电流来计算转子的位置。而反电动势的幅值和转速是成正比的关系，在转子静止或者转速很低的时候，无法检测出电机的零位，并且需要借助示波器来观察波形，增加了硬件需求，操作不便。此外还有文献采用神经网络、模型参考自适应等方法对转子的初始位置进行估计，但是此类方法都需要大量的运算和复杂的算法。本发明基于电机结构以及其数学模型，不依赖与电机的参数，不需要设计复杂的估计算法以及额外的硬件设备，将检测和验证零位两个模块相结合，不需要人为干预，电机控制器自动执行检测验证流程后即可获得电机PMSM的转子零位。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机转子零位检测方法，不需要人为干预，获得电机PMSM的转子零位。

为实现上述发明目的，本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将矢量控制dq坐标系下q轴开环电压U_q以及变换角度θ设定为0，单独给定d轴开环电压U_d；逐渐增大开环电压U_d，输出实际作用于电机的电压U_a、U_b、U_c；

(2)、设定的电流阈值I_{S_MAX}；采集三相定子电流采样值，判断三相定子电流采样值是否达到设定的电流阈值I_{S_MAX}，如果达到，则电机转子已经停止转动，且稳定在固定角度，进入步骤(3)；否则，返回步骤(1)；

(3)、停止增大开环电压U_d，等待一段时间t后，记录下N个旋转变压器输出角度采样值θ_j，j＝1,2,…,N，然后计算N个θ_j的算术平均值，记为θ_mean；

(4)、将开环电压U_d设定为0，将零位设置为步骤(3)得到的θ_mean，然后根据旋转变压器反馈的机械角度和θ_mean计算变换角度θ；

其中，P_PMSM为PMSM极对数，P_RotaryTran为旋转变压器极对数，θ_m为旋转变压器反馈的机械角度；

(5)、单独给定开环电压U_q；正向增加开环电压U_q，当U_q逐渐增加到U_q＝K时，K为电压幅值，判断电机转速是否为正，如果为正，则延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录下N₁个电机转速采样值ω_i，i＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_i的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤(1)；负向减小开环电压U_q，当开环电压U_q逐渐增加到U_q＝-K时，延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录N₁个电机转速采样值ω_k，k＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_k的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤(1)；

(6)、设定转速误差阈值Speed_Threshold；根据步骤(5)获取的稳定转速

和

计算电机的转速误差Δω，

然后判断转速误差Δω是否小于转速误差阈值Speed_Threshold，如果Δω小于Speed_Threshold，则判定步骤(4)中的θ_mean为电机转子零位；否则，返回步骤(1)。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法，通过给定直轴电压U_d驱动电机转子到零位后，获取转子位置检测信息θ_mean，在得到θ_mean的后矢量控制中变换角度θ，通过给定交轴电压U_q控制电机转动，然后根据电机正反转的实际情况从而确定出转子零位信息。

本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法具有以下有益效果：

(1)、从矢量控制基础出发，只需要电机控制器进行开环控制，不需要复杂的算法以及额外的辅助设备，不需要人工干预，整个过程电机控制器自动完成，并且检测过程不依赖电机参数。

(2)、整个检测验证过程执行时间短，电机控制器对一个零位参数未知的电机能够快速地进行检测和验证，得到可靠的零位。

附图说明

图1是本发明一种永磁同步电机转子零位检测原理框图；

图2是本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种永磁同步电机转子零位检测原理框图。

在本实施例中，如图1所示，永磁同步电机转子零位检测基本原理为：当向永磁同步电机的三相绕组中通入电流时，三相绕组便会产生磁场。往三相定子绕组中的其中一相通入大小恒定的直流电流时，这一相绕组上边会产生恒定的磁场。在电机空载的情况下，永磁同步电机转子在绕组磁场的作用下会发生转动，转子永磁体会被定子绕组产生的磁场吸引，转子永磁体旋转到其磁场与定子绕组产生的磁场同一位置上；

永磁同步电机空载时正转反转时其机械特性相同，在电机零位是正确的条件下，当给定U_q＝K，U_d＝0与U_q＝-K，U_d＝0时，理论上两种条件下其转速应该是大小相等、方向相反，并且在U_q为正的条件下，电机为正转。如果零位不正确，则在上述条件下，其正U_q的转速与负U_q的转速应该是不相等的，基于此原理来验证所测到的零位。

图2是本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法流程图。

在本实施例中，如图2所示，本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法，包括以下步骤：

S1、将矢量控制dq坐标系下q轴开环电压U_q以及变换角度θ设定为0，单独给定d轴开环电压U_d；逐渐增大开环电压U_d，输出实际作用于电机的电压U_a、U_b、U_c；

在本实施例中，根据给定的开环电压U_d、U_q，最后得到控制电机转动的正弦波电压U_a、U_b、U_c，其中变换公式为：

其中，θ为矢量控制中的变换角度。

S2、设定的电流阈值I_{S_MAX}，电流阈值I_{S_MAX}的满足：

I_{S_MAX}＝k_s*I_MOTOR

其中，I_MOTOR为永磁同步电机的额定电流值，k_s为常数，取0.85。

安装在电机控制器三相输出线上的电流传感器基于霍尔效应原理，采集三相定子电流采样值，然后判断三相定子电流采样值是否达到设定的电流阈值I_{S_MAX}，如果达到，则电机转子已经停止转动，且稳定在固定角度，进入步骤S3；否则，返回步骤S1；

S3、停止增大开环电压U_d，等待一段时间t后，记录下N个旋转变压器输出角度采样值θ_j，j＝1,2,…,N，然后计算N个θ_j的算术平均值，记为θ_mean；

S4、将开环电压U_d设定为0，将零位设置为步骤S3得到的θ_mean，然后根据旋转变压器反馈的机械角度和θ_mean计算变换角度θ；

其中，P_PMSM为PMSM极对数，P_RotaryTran为旋转变压器极对数，θ_m为旋转变压器反馈的机械角度；

S5、单独给定开环电压U_q；正向增加开环电压U_q，当U_q逐渐增加到U_q＝K时，K为电压幅值，取正值，实例中取10判断电机转速是否为正，如果为正，则延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录下N₁个电机转速采样值ω_i，i＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_i的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤(1)；负向减小开环电压U_q，当开环电压U_q逐渐增加到U_q＝-K时，延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录N₁个电机转速采样值ω_k，k＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_k的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤S1；

S6、设定转速误差阈值Speed_Threshold，转速误差阈值Speed_Threshold满足：

其中，P为常数，取值为1％。

根据步骤S5获取的稳定转速

和

计算电机的转速误差Δω，

然后判断转速误差Δω是否小于转速误差阈值Speed_Threshold，如果Δω小于Speed_Threshold，则判定步骤S4中的θ_mean为电机转子零位；否则，返回步骤S1。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、将矢量控制dq坐标系下q轴开环电压U_q以及变换角度θ设定为0，单独给定d轴开环电压U_d；逐渐增大开环电压U_d，输出实际作用于电机的电压U_a、U_b、U_c；

(2)、设定的电流阈值I_{S_MAX}；采集三相定子电流采样值，判断U相定子电流采样值是否达到设定的电流阈值I_{S_MAX}，如果达到，则电机转子已经停止转动，且稳定在固定角度，进入步骤(3)；否则，返回步骤(1)；

(3)、停止增大开环电压U_d，等待一段时间t后，记录下N个旋转变压器输出角度采样值θ_j，j＝1,2,…,N，然后计算N个θ_j的算术平均值，记为θ_mean；

(4)、将开环电压U_d设定为0，将零位设置为步骤(3)得到的θ_mean，然后根据旋转变压器反馈的机械角度和θ_mean计算变换角度θ；

其中，P_PMSM为PMSM极对数，P_RotaryTran为旋转变压器极对数，θ_m为旋转变压器反馈的机械角度；

(5)、单独给定开环电压U_q；正向增加开环电压U_q，输出实际作用于电机的电压U_a、U_b、U_c，当U_q逐渐增加到U_q＝K时，判断电机转速是否为正，如果为正，则延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录下N₁个电机转速采样值ω_i，i＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_i的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤(1)；负向减小开环电压U_q，当开环电压U_q逐渐增加到U_q＝-K时，延时一段时间t₁，等待电机转速稳定之后，记录N₁个电机转速采样值ω_k，k＝1,2,…,N₁，然后计算N₁个ω_k的算术平均值，记为

并作为电机的稳定转速；否则，返回步骤(1)；

(6)、设定转速误差阈值Speed_Threshold；根据步骤(5)获取的稳定转速

和

计算电机的转速误差Δω，

然后判断转速误差Δω是否小于转速误差阈值Speed_Threshold，如果Δω小于Speed_Threshold，则判定步骤(4)中的θ_mean为电机转子零位；否则，返回步骤(1)。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，所述的电流阈值I_{S_MAX}的满足：

I_{S_MAX}＝k_s*I_MOTOR

其中，I_MOTOR为永磁同步电机的额定电流值，k_s为常数。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，所述的转速误差阈值Speed_Threshold满足：

其中，P为常数。

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