CN110022108B - 一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其包括以下步骤：在非使用状态下对电机进行测试，得到电机的励磁电压Va和达到额定电流的激励时间T；于使用状态时，对伺服定子输入按设计励磁顺序，对电机依次施加时长为T的Va幅值的矢量电压，通过检测得到第一最大电流值与第二最大电流值对应的电压矢量区间按照前述条件进行最大电流值的对应电压矢量区的迭代，得到电流值最大值对应的电压激励矢量的电角度即为检测出直轴的位置。采用本发明的技术方案，通过优化励磁电压矢量组合，令励磁步骤最少，实现最快速的检测磁极位置；因检测时间远小于机电时间常数，电机在检测时不会移动，从而实现电机静止地启动。
Description
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法。
背景技术
三相永磁交流伺服电机广泛用于各种机电设备，主要应用为速度和位置控制应用，在电机启动时，伺服电机必须能够输出额定转矩，并且缺省认为除了按外部给定运动信号于驱动器，驱动器不能随意控制电机移动、即要求静止地启动。由伺服电机控制理论，必须检测出电机磁极即D轴的位置，驱动器以此实现算法控制，通常可采用的装置为例如与电机转子固联的增量编码器、例如有带UVW信号或省线制的增量编码器，它们都能输出磁极位置的检测值，但是上述方法实现此功能必须额外的硬件和/或必须的信号输出接线，也必须安装时确定编码器与转子的相对位置对每个电机进行，定位精度限制在30电角度，精度越高，电机驱动效果越好。如果能通过控制电机的励磁方式，确定驱动器上电时电机的磁极位置，实现定位精度更高，降低编码器的成本，减少编码器检测磁极位置的需求和编码器安装限制，在本领域具有更广的应用。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，实现磁极初始位置即D轴或直轴位置的快速检测确认，保证电机静止地启动。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其包括以下步骤：
步骤S1，在非使用状态下对电机进行测试，得到电机的励磁电压Va和达到额定电流的激励时间T；
步骤S2，于使用状态时，对伺服定子输入设定的N个励磁顺序，对电机依次施加激励时间为T的矢量电压Va，记录每次测试得最大电流值，并从最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择第二次激励电压矢量的电角度；其中，N为不小于3的自然数；
步骤S3，按照步骤S2选择的第二次激励电压矢量的电角度，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S2中测得的最大电流值与第二大电流值进行对比，获得第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量，并从该第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择第三次激励电压矢量的电角度；
步骤S4，按照步骤S3选择的第三次激励电压矢量的电角度，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S3中测得的最大电流值与第二大电流值进行对比，三者中电流值最大者对应的电压激励矢量的电角度即为检测出直轴的位置。
采用此技术方案，通过给定矢量电压的最少组合与每个矢量电压最短的激励时间，实现快速检测，获得了最短磁极初始电角度的检测总时间，从而加速电机驱动控制的启动时间。
进一步的，N的取值满足3≤N≤6。N可以选3、4、5或6，即先选择三个、四个、五个或六个矢量电压，按照角度顺序依次进行测试。
作为本发明的进一步改进，N个励磁顺序相互之间的矢量电压的夹角相同。即采用360度电角度中均分的矢量电压进行首次测试，从中得到的最大和次之的电流值对应的电压矢量夹角中选择下一次测试的电压矢量，依次进行重复迭代，大大缩小了范围，解决了测试的次数和时间。如果N为3，则矢量电压相互之间的夹角为120度；若N为4，则矢量电压相互之间的夹角为90度；若N为5，则矢量电压相互之间的夹角为72度；若N为6，则矢量电压相互之间的夹角为60度。N取值越大，测试得到的初始位置越精准。
作为本发明的进一步改进，N为4，4个励磁顺序相互之间的矢量电压的夹角为90度。
作为本发明的进一步改进，4个励磁顺序分别为第一电压矢量、第二电压矢量、第三电压矢量和第四电压矢量，所述第一电压矢量的电角度为0度。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，所述第二次激励电压矢量的电角度为该步骤中最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角的中值。即采用该步骤中最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角的平均值进行下一步测试的电压矢量，这样可以缩小范围，有助于快速检测。
作为本发明的进一步改进，步骤S3中，所述第三次激励电压矢量的电角度为该步骤中最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角的中值。
作为本发明的进一步改进，步骤S1包括如下步骤：采用驱动器对电机进行激励，采用SVPWM矢量控制方式，以单个SVPWM周期电压激励为阶跃电压，测试电压激励时的电机相电流，当相电流达到电机额定电流时停止，记录对应的控制电压量为Va，达到额定电流的激励时间为T。
作为本发明的进一步改进，步骤S2中，按设定给出电压矢量对电机进行激励时，在按照首个电压矢量测试时观测每个PWM周期中电流变化，如果电流幅值小于额定值50%，进行再次PWM激励，否则记录最大电流值，同时记录激励的PWM周期数为n，然后余下的电压矢量各自激励同样n个周期，于同一记录时刻记录最大电流值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
采用本发明的技术方案，通过确定磁极检测时励磁电压、相序、时间，并采取设计好有限的励磁矢量，通过检测每次励磁的电流，间接的获取电机磁路的状态，从而对磁极位置即D轴的位置进行判断，得到精度可控的磁极位置值；通过优化励磁电压矢量组合，令励磁步骤最少，实现最快速的检测磁极位置；因检测时间远小于机电时间常数，电机在检测时不会移动，从而实现电机静止地启动。
采用本发明的技术方案，电机存在机电时常，励磁系统时间常数比机电时常小约一个数量级，并且每个电压矢量激励产生的效应不积累，尽量短的磁极初始电角度检测时间决定电机启动时磁极定位无抖动，满足交流伺服驱动控制各种场合启动运行时静止的应用需求。
本发明的技术方案用于电机使用状态下上电时的转子磁极初始电角度的检测，属于电流，磁场，电阻，电感等物理量、信号检测处理领域，广泛用于相应的机电系统，此方法并可用于其他永磁交流电机定义磁极位置的判断。
附图说明
图1是本发明一种实施例的第一电压矢量~第四电压矢量的示意图。
图2是本发明一种实施例的第五电压矢量的示意图。
图3是本发明一种实施例的第六电压矢量的示意图。
图4是电机磁路示意图。
图5是本发明对比例的相隔30度电角度电压矢量激励图。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，如电机磁路示意图图4中通过电机定子线圈的磁场归一化为NS磁体（转子磁体）发出，由于漏磁通的存在，当直轴即转子S极指向N极轴线与线圈轴心线重合，漏磁通最小，磁路磁场强度最高，由铁芯铁磁材料饱和变化的特性，此时表现出的电感效应（指定子励磁对应定子电流变化表现出的电感效应）即电感值Ld最小，同样的激励电压幅值给定同样的电压激励时间，绕组电流最大。
由此，我们得到如此的测试方法，其包括以下步骤：
步骤S1，在非使用状态下对电机进行测试，采用驱动器对电机进行激励，采用SVPWM矢量控制方式，以单个SVPWM周期电压激励为阶跃电压，测试电压激励时的电机相电流，当相电流达到电机额定电流时停止，记录对应的控制电压量为Va，达到额定电流的激励时间为T，得到电机的励磁电压Va和达到额定电流的激励时间T。
步骤S2，于使用状态时，对伺服定子输入设定的四个励磁顺序，对电机依次施加激励时间为T的矢量电压Va，记录每次测试得最大电流值，其中，四个励磁顺序分别为第一电压矢量、第二电压矢量、第三电压矢量和第四电压矢量，如图1所示，第一电压矢量~第四电压矢量的电角度为0度、90度、180度和270度。比较四个电压矢量测得的最大电流值，并从最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择两者的平均值即夹角的中值作为第二次激励电压矢量的电角度。如本实施例对应第二电压矢量测试电流最大，对应第三电压矢量测试电流第二大，它们的夹角I中阴影部分为直轴必在的区域，选择第二电压矢量、第三电压矢量的电角度的和除以2，作为第二次激励电压矢量的电角度，即得到第五电压矢量。
步骤S3，如图2所示，按照步骤S2选择得到的第五电压矢量，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S2中测得的最大电流值与第二大电流值三者进行对比，获得第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量，本实施例中为第二电压矢量、第五电压矢量，对应电压矢量如图2中阴影部分为直轴必在的区域。从该第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择第三次激励电压矢量的电角度；即选择第二电压矢量、第五电压矢量的电角度的和除以2，作为第三次激励电压矢量的电角度，即得到第六电压矢量。
步骤S4，如图3所示，按照步骤S3选择的第六电压矢量，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S3中测得的最大电流值与第二大电流值进行对比，三者中电流值最大者对应的电压激励矢量的电角度即为检测出直轴的位置，在此举例为第六电压矢量为直轴的位置。
采用上述方法，直轴位置的精度为11.25电角度（360/4/4/2），励磁次数为6次，远高于常用增量编码器角度检测分辨率30电角度。本实施例对检测过程进行二分法操作，操作速度为指数逼近趋势，提高检测速度和精度。
对于电机运行始直轴定位时电机必须静止的要求，由于励磁时间常数即定子电流上升时间对应于电压激励的时间间隔、和电机机电时常比较，前者约比后者小一个数量级，并且每个电压矢量激励产生的效应不积累（每个电压矢量激励后电流下降到0才进行下次激励），由此本方法在电机启动的直轴检测过程保证了电机静止。
另外，假设磁极初始位置未知，采用一系列幅值为Va，电角度不同的电压矢量对电机进行激励，顺序增量的激励方法作为对比例，如图5所示，相隔30度电角度电压矢量激励图，共需12个电压矢量（整个激励周期为360电角度），在某个电压矢量激励后（Va作用，经历时间T），检测本次测试电流最大值，待电流下降到零，在进行下一个矢量激励测试，由此当进行完毕，得到检测电流最大值为12次测试值最大的，此时励磁电角度为直轴电角度，分辨率为正负15度电角度（360/12/2），经历的测试次数为12。可见，采用本实施例的励磁次数仅仅为对比的1/2，令励磁步骤最少，实现磁极位置检测最快速，因检测时间远小于机电时间常数，电机在检测时不会移动，从而实现电机静止地启动。而且精度较对比例的高。
下面结合具体的实施例进行说明，驱动器采用SVPWM调整（励磁控制）方式，电机采用一400瓦交流伺服电机，额定电压200V，额定电流2.8A。
步骤S1，Va测量值为450，驱动器设定的最大值为32768，对应最大的PWM调制度，如以此值调制可输出最大的励磁电压。励磁PWM周期为100微妙。
按步骤S2~步骤S4，设定方法给出电压矢量对电机进行激励，在首个电压矢量给出时观测每个PWM周期中电流变化，如果电流幅值小于额定值50%，进行再次PWM激励，否则记录电流值，同时记激励的PWM周期数为n，然后余下电压矢量各自激励同样n个周期，于同一记录时刻记录电流并按步骤S2的要求进行操作。步骤S2中每个电压矢量激励测试操作在1个PWM周期即能完成，结合方法计算等操作时间，步骤S2所有电压矢量激励过程在3ms内完成，远低于电机的机械时间常数，初始相位角检测快速有效。
由上述步骤得到的电角度用于伺服控制，对伺服给定额定速度阶跃信号，电机阶跃时间为8毫秒（3倍额定电流动作时间，以下同），与电机采用非省线制编码器采用编码器初始相位角检出的方式进行测试比较，采用编码器于电机同一位置检测相位角启动后进行测试，其时间为8.2毫秒，因此采用本方法测试得出的阶跃时间短于（略优于）此处采用编码器检出相位角阶跃测试的时间，本方法有效。
重复进行验证，将电机转子置于不同位置进行如上步骤进行的阶跃实验，记录各次阶跃时间并比较，各次实验时间偏差在10%之内，本方法满足实际要求。
本发明的技术方案适用广泛应用的三相交流伺服电机，对比常用伺服电机配套的增量编码器，系统上电时刻检出的转子磁极电角度精度为正负30电角度，而此述方法检出精度可达到并小于正负30电角度（精度更高）的需求。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S1，在非使用状态下对电机进行测试，得到电机的励磁电压Va和达到额定电流的激励时间T；
步骤S2，于使用状态时，对伺服定子输入设定的N个励磁顺序，对电机依次施加激励时间为T的矢量电压Va，记录每次测试得最大电流值，并从最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择第二次激励电压矢量的电角度；其中，N为不小于3的自然数；N为3、4、5或6；
步骤S3，按照步骤S2选择的第二次激励电压矢量的电角度，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S2中测得的最大电流值与第二大电流值进行对比，获得第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量，并从该第二次测试后的最大电流值、第二大电流值对应的电压矢量的夹角中选择第三次激励电压矢量的电角度；
步骤S4，按照步骤S3选择的第三次激励电压矢量的电角度，对电机施加激励时间为T的矢量电压Va，记录测试的最大电流值，并与步骤S3中测得的最大电流值与第二大电流值进行对比，三者中电流值最大者对应的电压激励矢量的电角度即为检测出直轴的位置;
步骤S1包括如下步骤：采用驱动器对电机进行激励，采用SVPWM矢量控制方式，以单个SVPWM周期电压激励为阶跃电压，测试电压激励时的电机相电流，当相电流达到电机额定电流时停止，记录对应的控制电压量为Va，达到额定电流的激励时间为T；
步骤S2中，按设定给出电压矢量对电机进行激励时，在按照首个电压矢量测试时观测每个PWM周期中电流变化，如果电流幅值小于额定值50%，进行再次PWM激励，否则记录最大电流值，同时记录激励的PWM周期数为n，然后余下的电压矢量各自激励同样n个周期，于同一记录时刻记录最大电流值。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其特征在于：N个励磁顺序相互之间的矢量电压的夹角相同。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其特征在于：N为4，4个励磁顺序相互之间的矢量电压的夹角为90度。
4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其特征在于：4个励磁顺序分别为第一电压矢量、第二电压矢量、第三电压矢量和第四电压矢量，所述第一电压矢量的电角度为0度。
5.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子初始相位的快速检测方法，其特征在于，步骤S2中，所述第二次激励电压矢量的电角度为该步骤中最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角的中值；
步骤S3中，所述第三次激励电压矢量的电角度为该步骤中最大电流值与第二大电流值对应的电压矢量的夹角的中值。
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Granted publication date: 20210608 |