CN109962652A - 一种永磁同步电动机转子初始位置的检测 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，判定过程包括如下步骤：S1：在开环控制模式下，向电机的直轴方向上，施加12组幅值相同、方向角度按照从0°，180°开始,依次增加为0°+θ,180°+θ,0°+2θ,180°+2θ,0°+3θ,180°+3θ,0°+4θ,180°+4θ的电压空间矢量S2：检测各个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr，其中0°<θ≤30°。本发明的一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法操作简便、缩短了检测的时间、提高了检测精度。
Description
技术领域
本发明属于电机控制领域，特别涉及一种基于凸极效应的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法。
背景技术
在伺服系统中，比较常用的编码器有增量式和绝对式之分。在伺服系统掉电后，增量式编码器不具备存储转子位置角度的功能。因此，伺服系统再次上电后，永磁同步电动机的转子初始位置角是未知的，这样会带来电机启动困难的问题。同时，绝对式编码器虽具备掉电后可保存转子位置角度的功能，但需要电池供电，存在着成本较大的问题。可见，从伺服驱动器的软件上来解决转子初始位置角的检测是必要的。
目前，在高校中常用的转子初始角度的检测方法是载波频率成分法。在定子绕组中注入高频电压(或电流)信号，利用凸极结构的永磁同步电动机中的凸极效应来判断出实际的d轴方向。但是，这种方法受被检测对象的结构的影响，其适用范围比较局限。而且，伺服系统中比较常见的永磁同步电动机结构是隐极式。因此，此方法在伺服系统中不具备普遍适用性。南京航空航天大学的李洁等人在《一种永磁同步电机转子初始位置检测方法》中，采用SPWM(Surface-mounted Permanent Magnet Synchronous Motor表贴式永磁同步电机)调制方式，提取逆变器输出线电压的频谱中含有载波和载波谐波成分，利用三相载波成分在脉振高频信号产生的“饱和凸极性”的影响下产生的磁饱和分量进行磁极的判断。
北京交通大学的唐芬等人在专利《无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法》中，通过向定子绕组注入三相导通电压矢量和两相导通电压矢量共12组等宽电压脉冲，并通过对定子电流变化率进行比较，得到转子初始位置角。此方法基于SVPWM(Space-Vector Pulse-Width Modulation电压空间矢量脉宽调制)矢量控制的思想来进行位置角的检测，对永磁同步电动机的结构没有要求，但对硬件电路的采样精度要求较高。
传统的载波频率成分法简单易行，但存在着受电动机结构的限制问题，不适用于伺服系统。《一种永磁同步电机转子初始位置检测方法》对传统的位置检测方法进行了改进，但缺点在于存在着提取载波及其谐波信号的过程，且需进行磁极的判断，不可避免的加大了检测的时间。
《无位置传感器永磁同步电机转子初始位置检测方法》采取了施加等宽电压脉冲的方法，不受电动机结构的限制。但是，由于注入的等宽电压脉冲是12组，且没有进一步细分不同电压脉冲的角度值，导致转子初始位置角的检测精度降低。而且，依据相电流变化率的大小来判断转子初始位置角，其检测精度也会有所下降。
鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本领域亟待解决的问题。
发明内容
为了克服现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，包括：判定过程，判定过程包括如下步骤：
S1：在开环控制模式下，向电机的直轴方向上，施加12组幅值相同、方向角度按照从0°，180°开始,依次增加为0°+θ,180°+θ,0°+2θ,180°+2θ,0°+3θ,180°+3θ,0°+4θ,180°+4θ的电压空间矢量
S2：检测各个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr，其中0°<θ≤30°。
进一步，还包括如下步骤：
S3：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1(270°)进一步细分至5°，即θr-180°θr θr-175° θr+5° θr-170° θr+10° θr-165° θr+15° θr-160° θr+20°θr-155° θr+25° θr-150° θr+30°，且保持幅值相同；
S4：上述12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
更进一步，还包括如下步骤：
S5：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1进一步细分至5°，即θr-180°θr θr-175° θr+5° θr-170° θr+10° θr-165° θr+15° θr-160° θr+20° θr-155°θr+25° θr-150° θr+30°，且保持幅值相同；
S6：此12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
S7：重复步骤S1-S4，并对所得到的转子初始位置角θ′r取平均值作为最终的结果。
较佳地，上述步骤中θ＝30°。
较佳地，上述S7的重复次数为2次。
进一步，在判定过程之前还包括如下过程：
转化过程：从静止坐标系dq轴坐标系到旋转坐标系αβ轴坐标系的转化；
电压空间矢量脉宽调制过程：利用α轴电压空间矢量uα和β轴电压空间矢量uβ作为输入量，通过SVPWM理论方法，生成驱动信号，实现对逆变器中三相上下桥臂的6个IGBT的控制；
逆变器过程：主要是根据电压空间矢量脉宽调制过程产生的IGBT驱动信号来产生三相电压，从而驱动永磁同步电动机转动；
电流采集过程：采集永磁同步电动机中的A相电流ia和B相电流ib；
电流数据处理：利用A相和B相电流，从而计算出C相电流ic。
较佳地，转化过程中，交轴电压空间矢量设定为0；直轴电压空间矢量的幅值相同；方向角度θ1的增幅相同。
较佳地，步骤S2中，通过电流传感器检测C相电流幅值。
较佳地，通过电流传感器检测A相电流、B相电流。
与现有技术相比较，本发明所提供的一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法采取了在开环模式下，施加电压空间矢量Ud，分别按照初步判定和细分判定的方式来进行转子初始位置的检测。而且，提出了对转子初始位置角进行至少两次的检测过程，并对结果值进行取平均值的方式，降低了检测误差，具有以下优点：
1)不需要提取载波及其谐波信号和判断磁极的方向，缩短了检测的时间；
2)通过注入电压空间矢量的方式，先初步判定转子初始位置角，再细分不同电压空间矢量的角度偏差，提高了检测精度；
3)对转子初始位置角检测进行取平均值，可进一步降低检测误差。
附图说明
包含在本说明书中并构成本说明书一部分的附图示出了符合本发明的装置和方法的实施方案，并与详细描述一起用于解释符合本发明的优点和原理。
图1是本发明的一个较佳实施例的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法的结构框架图；
图2a是本发明的一个较佳实施例的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法的C相电流的第一次角度测试结果一的示意图；
图2b是本发明的一个较佳实施例的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法的C相电流的第一次角度测试结果二的示意图；
图3a是本发明的一个较佳实施例的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法的C相电流的第二次角度测试结果一的示意图；
图3b是本发明的一个较佳实施例的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法的C相电流的第二次角度测试结果二的示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。然而，本发明并不局限于以下描述的实施方式。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合，且本发明的技术理念可以与其他公知技术或与那些公知技术相同的其他技术组合实施。
如无特别说明，本文中出现的类似于“第一”、“第二”的限定语并非是指对时间顺序、数量、或者重要性的限定，而仅仅是为了将本技术方案中的一个技术特征与另一个技术特征相区分。同样地，本文中在数词前出现的类似于“大约”、“近似地”的修饰语通常包含本数，并且其具体的含义应当结合上下文意理解。同样地，除非是有特定的数量量词修饰的名词，否则在本文中应当视作即包含单数形式又包含复数形式，在该技术方案中既可以包括单数个该技术特征，也可以包括复数个该技术特征。
在以上具体实施例的说明中，方位术语“上”、“下”、”左”、“右”、“顶”、“底”、“竖向”、“横向”和“侧向”等的使用仅仅出于便于描述的目的，而不应视为是限制性的。
本发明的一个较佳实施例提供了一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，包括：判定过程，判定过程包括如下步骤：
S1：在开环控制模式下，向电机的直轴方向上，施加12组幅值相同、方向角度按照从0°，180°开始,依次增加为0°+θ,180°+θ,0°+2θ,180°+2θ,0°+3θ,180°+3θ,0°+4θ,180°+4θ的电压空间矢量
S2：检测各个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr，其中0°<θ≤30°。
进一步，还包括如下步骤：
S3：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1(270°)进一步细分至5°，即θr-180°θr θr-175° θr+5° θr-170° θr+10° θr-165° θr+15° θr-160° θr+20°θr-155° θr+25° θr-150° θr+30°，且保持幅值相同；
S4：上述12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
更进一步，还包括如下步骤：
S5：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1进一步细分至5°，即θr-180°θr θr-175° θr+5° θr-170° θr+10° θr-165° θr+15° θr-160° θr+20° θr-155°θr+25° θr-150° θr+30°，且保持幅值相同；
S6：此12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
S7：重复步骤S1-S4，并对所得到的转子初始位置角θ′r取平均值作为最终的结果。
本实施例中，上述步骤中θ＝30°。
上述步骤S7的重复次数为2次。
进一步，在判定过程之前还包括如下过程：
转化过程：从静止坐标系dq轴坐标系到旋转坐标系αβ轴坐标系的转化；
电压空间矢量脉宽调制过程：利用α轴电压空间矢量uα和β轴电压空间矢量uβ作为输入量，通过SVPWM理论方法，生成驱动信号，实现对逆变器中三相上下桥臂的6个IGBT的控制；
逆变器过程：主要是根据电压空间矢量脉宽调制过程产生的IGBT驱动信号来产生三相电压，从而驱动永磁同步电动机转动；
电流采集过程：采集永磁同步电动机中的A相电流ia和B相电流ib；
电流数据处理：利用A相和B相电流，从而计算出C相电流ic。
较佳地，转化过程中，交轴电压空间矢量设定为0；直轴电压空间矢量的幅值相同；方向角度θ1的增幅相同。
本实施例通过电流传感器检测C相电流幅值、检测A相电流、B相电流。
具体判定过程如下：
初步判定：在开环控制模式下，向电机的直轴方向上，施加12组幅值相同、方向角度θ1依次按照[0° 180° 30° 210° 60° 240° 90° 270 °120° 300° 150° 330°]的电压空间矢量通过电流传感器检测各个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr。
步骤二
细分判定：在θr±30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1进一步细分至5°，且保持幅值相同。此12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
步骤三
最终结果：为了确保检测到的转子初始位置角的准确性，需进行至少两次的检测过程，并对检测到的角度θ′r进行取平均值的处理方式来减小检测角度的误差。
如图1所示，为永磁同步电动机转子初始位置检测的框架图。
图中相关表达式意义：交轴电压空间矢量给定；直轴电压空间矢量给定；uα：α轴电压空间矢量；uβ：β轴电压空间矢量；ia：A相电流；ib：B相电流；ic：C相电流；θ1：矢量角度给定；θr：初步判定的转子初始位置角度值；θ′r：细分判定的转子初始位置角度值；
(一)对图1中的各个模块进行以下的介绍：
①dq轴坐标系到αβ轴坐标系的转化模块。其中，dq轴坐标系又称为静止坐标系，αβ轴坐标系又称为旋转坐标系，在旋转坐标系中存在着矢量角度，即永磁同步电动机的电角度。而在dq轴坐标系中，不存在矢量角度的变量。因此，两个坐标系之间是需要转化的。
②SVPWM模块。此模块主要是利用α轴电压空间矢量uα和β轴电压空间矢量uβ作为输入量，通过SVPWM理论方法，生成驱动信号，实现对逆变器中三相上下桥臂的6个IGBT的控制。
③逆变器模块。此模块是驱动器中的硬件部分，主要是根据SVPWM模块产生的IGBT驱动信号来产生三相电压，从而驱动永磁同步电动机转动。
④电流传感器模块。此模块主要是采集永磁同步电动机中的A相电流ia和B相电流ib，
⑤电流数据处理模块。此模块主要是利用A相和B相电流，从而计算出C相电流ic。
⑥初步判定模块
按照图1中的开环控制模式，对电压幅值给定施加12组幅值相同、方向角度θ1依次按照[0° 180° 30° 210° 60° 240° 90° 270° 120° 300° 150° 330°]的电压空间矢量
图2和图3中，横坐标表示时间轴，单位是20ms/div；纵坐标表示：
Curs1 Y Pos a与Curs2 Y Pos b均是示波器上的测量标识，中文简称分别为光标1Y-位置a、光标2Y-位置b。在本发明中，利用两个光标来确定C相电流正向峰值的最大值。
如图2a所示，Curs1 Y Pos a的位置是C相电流的零值；Curs2 Y Pos b的位置是C相电流的正向峰值。
如图2b所示，Curs1 Y Pos a的位置是C相电流的零值；Curs2 Y Pos b的位置是C相电流的正向峰值。
如图3a所示，注:Curs1 Y Pos a的位置是C相电流的零值；Curs2 Y Pos b的位置是C相电流的正向峰值。
如图3b所示，Curs1 Y Pos a的位置是C相电流的零值；Curs2 Y Pos b的位置是C相电流的正向峰值。
通过电流传感器检测个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr。从图2上，可看出两次角度检测均是270°时，出现C相电流变化率最大。
⑦细分判定模块
在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1(270°)进一步细分至5°，即[θr-180°θr θr-175° θr+5° θr-170° θr+10° θr-165° θr+15° θr-160° θr+20°θr-155° θr+25° θr-150° θr+30°]，且保持幅值相同，即[90° 270° 95° 275° 100° 280°105° 285° 110° 290° 115° 295° 120° 300°]。此12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。从图3上，可看出细分判定后的两次角度检测值是285°和290°。
(二)最终结果：
对θ′r的结果取平均值，可知287.5°为最终的结果。
与现有技术相比较，本发明所提供的一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法采取了在开环模式下，施加电压空间矢量Ud，分别按照初步判定和细分判定的方式来进行转子初始位置的检测。而且，提出了对转子初始位置角进行至少两次的检测过程，并对结果值进行取平均值的方式，降低了检测误差，具有以下优点：
1)不需要提取载波及其谐波信号和判断磁极的方向，缩短了检测的时间；
2)通过注入电压空间矢量的方式，先初步判定转子初始位置角，再细分不同电压空间矢量的角度偏差，提高了检测精度；
3)对转子初始位置角检测进行取平均值，可进一步降低检测误差。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，包括：判定过程，所述判定过程包括如下步骤：
S1：在开环控制模式下，向电机的直轴方向上，施加12组幅值相同、方向角度按照从0°，180°开始,依次增加为0°+θ,180°+θ,0°+2θ,180°+2θ,0°+3θ,180°+3θ,0°+4θ,180°+4θ的电压空间矢量
S2：检测各个矢量对应的C相电流幅值，按照C相电流变化率最大时的位置角度来判定转子初始位置角为θr，其中0°<θ≤30°。
2.根据权利要求1的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S3：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1(270°)进一步细分至5°，即θr-180°θrθr-175°θr+5°θr-170°θr+10°θr-165°θr+15°θr-160°θr+20°θr-155°θr+25°θr-150°θr+30°，且保持幅值相同；
S4：上述12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θr'。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，，还包括如下步骤：
S5：在θr到θr+30°的范围内，将施加的电压空间矢量的方向角度θ1进一步细分至5°，即θr-180°θrθr-175°θr+5°θr-170°θr+10°θr-165°θr+15°θr-160°θr+20°θr-155°θr+25°θr-150°θr+30°，且保持幅值相同；
S6：此12组电压空间矢量中，C相电流变化率最大时的位置角度为最终的转子初始位置角θ′r。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，还包括如下步骤：
S7：重复步骤S1-S4，并对所得到的转子初始位置角θ′r取平均值作为最终的结果。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，所述θ＝30°。
6.根据权利要求4所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，所述S7的重复次数为2次。
7.根据权利要求1所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，在判定过程之前还包括如下过程：
转化过程：从静止坐标系dq轴坐标系到旋转坐标系αβ轴坐标系的转化；
电压空间矢量脉宽调制过程：利用α轴电压空间矢量uα和β轴电压空间矢量uβ作为输入量，通过SVPWM理论方法，生成驱动信号，实现对逆变器中三相上下桥臂的6个IGBT的控制；
逆变器过程：主要是根据电压空间矢量脉宽调制过程产生的IGBT驱动信号来产生三相电压，从而驱动永磁同步电动机转动；
电流采集过程：采集永磁同步电动机中的A相电流ia和B相电流ib；
电流数据处理：利用A相和B相电流，从而计算出C相电流ic。
8.根据权利要求7所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，
所述转化过程中，交轴电压空间矢量设定为0；直轴电压空间矢量的幅值相同；方向角度θ1的增幅相同。
9.根据权利要求1所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，
所述步骤S2中，通过电流传感器检测所述C相电流幅值。
10.根据权利要求7所述的永磁同步电动机转子初始位置的检测方法，其特征在于，
通过电流传感器检测所述A相电流、B相电流。
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| CN113630053A (zh) * | 2021-07-30 | 2021-11-09 | 珠海格力电器股份有限公司 | 永磁同步电机转子初始位置角的检测方法、装置及设备 |
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