CN110336500A - 一种永磁同步电机转子初始位置检测方法 - Google Patents

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，所述方法包括：对转子施加多个不同电角度的测量用电压矢量，获取每个测量用电压矢量对应的电流幅值；确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量；根据对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角，其中，对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角是所有测量用电压矢量中最接近转子初始位置角的电压矢量角。本发明所提方法能准确静止检测永磁同步电机的初始角度且不受负载大小的影响；相较于现有技术，本发明的永磁同步电机转子初始位置检测方法不仅具备较高的精度，还具有良好的带载能力和广泛的适用性。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法
技术领域
本发明涉及轨道交通领域，具体涉及一种永磁同步电机转子初始位置检测方法。
背景技术
永磁同步电机转子初始位置检测是永磁同步电机调速系统中必不可少的环节。永磁同步电机转子初始位置检测的准确性直接影响到永磁同步电机的启动力矩，及启动稳定性。转子初始位置检测失误，会影响转子位置的计算，以致无法正确实现电机控制的一系列算法，将造成电机运转的紊乱，使之无法进入正常的运行状态。具体的，转子初始位置偏差将引起电机启动电流过大，甚至会造成电机过流或发生反转，负载较大时情况更加严重。因此，转子初始位置检测一直是工程技术界研究的热点和难点问题之一。
基于位置传感器的转子预定位法是目前电动汽车领域常用的永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法通过采用固定的开关状态向电机施加一个固定方向的定子磁势，将转子定位到定子磁势方向，该方法的缺点是精度受负载影响较大，而且定位过程中转子需要旋转，并不完全适用于电动汽车要求定位过程中保持转子完全静止的场合。虽然采取多次试探的方法可以减小预定位时转子的旋转范围，但仍无法实现估计过程转子完全静止，这将导致定位的出现偏差，转子初始位置偏差将造成电机驱动系统无法准确的控制交轴电流并产生不可控的直轴电流。这部分不可控的直轴电流并没有产生转矩，而是产生不必要的电枢反应，造成电机的损耗增大，相同电磁转矩下需要的绕组电流也增大。且进行弱磁控制时，不可控的电枢反应也将影响弱磁控制的效果和调速范围。
发明内容
本发明提供了一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，所述方法包括：
对转子施加多个不同电角度的测量用电压矢量，获取每个测量用电压矢量对应的电流幅值；
确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量；
根据对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角，其中，对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角是所有测量用电压矢量中最接近转子初始位置角的电压矢量角。
在一实施例中，所述方法包括：
对转子施加n0个测量用电压矢量，其中：
n0为大于等于2的整数；
在电角度0°～360°范围内，n0个测量用电压矢量以360°/n0电角度为间距等间距分布；
每个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
方向相反的两个测量用电压矢量连续施加；
检测每个测量用电压矢量对应的电流幅值，确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角，记为第一电压矢量角；
根据所述第一电压矢量角确定转子初始位置角。
在一实施例中，根据所述第一电压矢量角确定转子初始位置角，包括：
设定m个不同级别的电角度范围，级别编号依次为1～m，m为大于等于1的整数；
针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角；
根据对应m级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角；
其中：
除1级电角度范围外，每级的电角度范围的中心为对应上一级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，所述第1级电角度范围的中心为所述第一电压矢量角；
除第1级电角度范围外，每级的电角度范围为对应上一级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔，所述第1级电角度范围为360°/n0；
针对每级电角度范围，相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为(本级电角度范围)/(本级施加的测量用电压矢量数量-1)；
针对每级电角度范围，多个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
针对所有级电角度范围，每个测量用电压矢量施加完毕后在其反方向施加一大小相等的测量用反向电压矢量并保持一段相同的作用时间。
在一实施例中，根据所述转子初始位置角的需求精度确定m的大小，其中，对应m级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为最终获取到的所述转子初始位置角的精度。
在一实施例中，针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，其中：
确定对应本级电角度范围的多个测量用反向电压矢量中最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量；
判断最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量与最大电流幅值对应的测量用电压矢量是否对应，如不对应，则重新进行所述测量用电压矢量施加以及电流幅值的对比。
在一实施例中，n0为12。
在一实施例中，对应每级电角度范围的测量用电压矢量数量为3。
在一实施例中，所述方法还包括：
根据电机电抗参数和额定电流确定所述测量用电压矢量的大小。
在一实施例中，所述测量用电压矢量的施加时间小于1ms。
在一实施例中，根据电机电抗参数和额定电流确定所述测量用电压矢量的大小，包括：
步骤一，分别在定子A、B、C轴的正方向以及负方向注入第一幅值的试验用电压矢量，计算获取每个试验用电压矢量对应的响应电流的最大值，记为最大响应电流值；
步骤二，计算每个轴对应的两个最大响应电流值的平均值，记为平均响应电流值；
步骤三，确定三个轴中平均响应电流值最大的轴，计算该轴对应的两个最大响应电流值的差值，记为响应电流差值；
步骤四，判断所述响应电流差值是否满足电流采样的精度，如果满足，则以所述第一幅值为所述测量用电压矢量的大小，如果不满足，则提高所述第一幅值，再次执行步骤一到步骤三，直到所述响应电流差值满足电流采样的精度。
本发明所提方法能准确静止检测永磁同步电机的初始角度且不受负载大小的影响；相较于现有技术，本发明的永磁同步电机转子初始位置检测方法不仅具备较高的精度，还具有良好的带载能力和广泛的适用性。
本发明的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本发明的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本发明而被了解。本发明的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1以及图2根据本发明实施例的方法流程图；
图3是根据本发明一实施例的方法部分流程图；
图4以及图5是根据本发明实施例的测量用电压矢量施加方向示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此本发明的实施人员可以充分理解本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程并依据上述实现过程具体实施本发明。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
永磁同步电机转子初始位置检测是永磁同步电机调速系统中必不可少的环节。永磁同步电机转子初始位置检测的准确性直接影响到永磁同步电机的启动力矩，及启动稳定性。转子初始位置检测失误，会影响转子位置的计算，以致无法正确实现电机控制的一系列算法，将造成电机运转的紊乱，使之无法进入正常的运行状态。具体的，转子初始位置偏差将引起电机启动电流过大，甚至会造成电机过流或发生反转，负载较大时情况更加严重。因此，转子初始位置检测一直是工程技术界研究的热点和难点问题之一。
基于位置传感器的转子预定位法是目前电动汽车领域常用的永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法通过采用固定的开关状态向电机施加一个固定方向的定子磁势，将转子定位到定子磁势方向，该方法的缺点是精度受负载影响较大，而且定位过程中转子需要旋转，并不完全适用于电动汽车要求定位过程中保持转子完全静止的场合。虽然采取多次试探的方法可以减小预定位时转子的旋转范围，但仍无法实现估计过程转子完全静止，这将导致定位的出现偏差，转子初始位置偏差将造成电机驱动系统无法准确的控制交轴电流并产生不可控的直轴电流。这部分不可控的直轴电流并没有产生转矩，而是产生不必要的电枢反应，造成电机的损耗增大，相同电磁转矩下需要的绕组电流也增大。且进行弱磁控制时，不可控的电枢反应也将影响弱磁控制的效果和调速范围。
针对上述问题本发明提出一种永磁同步电机转子初始位置检测方法。
基于电感饱和凸极效应，永磁同步电机的dq轴电压方程为：
其中ud、uq分别为dq轴定子电压，Rs为定子相电阻，Ld、Lq分别为dq轴定子电感，id、iq分别为dq轴定子电流，ωr为转子电角速度，ψf为永磁体磁链，p为微分算子。
电感饱和凸极效应：永磁同步电机饱和凸极效应是由于定子铁心发生饱和，引起交、直轴电感不相等而产生的。饱和程度由绕组电流的大小和电机参数决定。绕组电流越大，则饱和程度越深，d轴电感越小。
当ωr＝0时，由(1)式可得：
由于电机的定子电阻很小，(2)中的定子电阻压降部分可以忽略不计。因此，由(2)式可知，对d轴注入电压矢量ud并保持转子静止时，id变化率与ud幅值成正比，与电感Ld成反比。id峰值与变化率和矢量作用时间成反比。当给绕组注入幅值相等，角度不同的电压矢量时，根据电感饱和效应可知，转子磁极附近的电流矢量最大值imax更大。同时，由于N，S极处的直轴磁链均较大，对应的电流矢量也都较大。根据定子铁芯的磁化特性，电流矢量幅值在增磁方向要比去磁方向大。所以，在N极对应的电流矢量最大值最大，在S极对应的电流矢量最大值略小于N极对应的电流矢量最大值。因此，只要找到最大电流值对应的电压矢量角，即可检测出电机的转子初始位置角。
基于上述分析，在本发明的方法中，从不同的电角度向转子注入电压矢量，通过响应的电流矢量来确定与转子初始位置角最接近的电压矢量角。
接下来基于流程图详细描述本发明实施例的实施过程。附图的流程图中示出的步骤可以在包含诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。虽然在流程图中示出了各步骤的逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
如图1所示，在一实施例中，转子初始位置检测方法包括以下步骤。
对转子施加多个不同电角度的测量用电压矢量(S111)，获取每个测量用电压矢量对应的电流幅值(S112)；
确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量(S120)；
根据对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角(S130)，其中，对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角是所有测量用电压矢量中最接近转子初始位置角的电压矢量角。
具体的，在一实施例中，转子初始位置检测方法包括以下步骤：
对转子施加n0个测量用电压矢量，其中：
n0为大于等于2的整数；
在电角度0°～360°范围内，n0个测量用电压矢量以360°/n0电角度为间距等间距分布；
每个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
方向相反的两个测量用电压矢量连续施加；
检测每个测量用电压矢量对应的电流幅值，确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角，记为第一电压矢量角；
根据第一电压矢量角确定转子初始位置角。
进一步的，为提高检测精度，在一实施例中，在根据第一电压矢量角确定转子初始位置角的过程中：
设定m个不同级别的电角度范围，级别编号依次为1～m，m为大于等于1的整数；
针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角；
根据对应m级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角；
其中：
除1级电角度范围外，每级的电角度范围的中心为对应上一级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，第1级电角度范围的中心为所述第一电压矢量角；
除第1级电角度范围外，每级的电角度范围为对应上一级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔，第1级电角度范围为360°/n0；
针对每级电角度范围，相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为(本级电角度范围)/(本级施加的测量用电压矢量数量-1)；
针对每级电角度范围，多个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
针对所有级电角度范围，每个测量用电压矢量施加完毕后在其反方向施加一大小相等的测量用反向电压矢量并保持一段相同的作用时间。
具体的，在一实施例中，基于饱和凸极效应的转子初始位置检测的软件流程图如图2所示。首先注入一个电压矢量Un(S210)。计算电压矢量Un所对应的电流幅值imax n(S220)。
比较imax n的值与当前imax的值(S230)，如果imax n的值大于当前imax的值则令imax的值为imax n的值(S231)，然后判断电压矢量是否注入完毕(S240)。
如果imax n的值小于等于当前imax的值则直接判断电压矢量是否注入完毕(S240)。
如果电压矢量没有注入完毕，则跳回步骤S210，注入一个新的电压矢量。
如果电压矢量注入完毕，则可以确认当前imax的值所对应的电压矢量的电角度为当前已注入的所有电压矢量的电角度中最接近转子初始位置角的。此时以当前imax的值所对应的电压矢量的电角度为中心继续细分注入电压矢量(S250)，电角度精度提高后判断电角度精度是否满足精度要求(S260)，如果满足，则结束，如果不满足，则跳回步骤S250，继续提高精度。
整个软件在DSP定时器中断中处理，中断频率应在10KHz以上，以保证有足够多的采样点来准确判断id的大小。其中，注入的脉冲电压矢量的幅值一般为几伏到十几伏，作用时间较短，一般小于1ms。
进一步的，在一实施例中，根据转子初始位置角的需求精度确定m的大小，其中，对应m级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为最终获取到的转子初始位置角的精度。
进一步的，为了防止电流采样干扰等因素引起转子初始位置角的误判断，在一实施例中，增加限制条件，以提高初始角度检测的可靠性。具体的，针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，其中：
确定对应本级电角度范围的多个测量用反向电压矢量中最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量；
判断最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量与最大电流幅值对应的测量用电压矢量是否对应，如不对应，则重新进行所述测量用电压矢量施加以及电流幅值的对比。
通过提高注入电压矢量的幅值可以提高响应电流的大小，从而提高各个电流矢量最大值的差异。但是一味的增大电压矢量幅值会导致电机的转矩随之增大，从而使转子发生转动，影响检测精度。而且不同的电机具有不同的参数，所需要的电压矢量幅值也不一样。因此，在一实施例中，根据电机电抗参数和额定电流确定测量用电压矢量的大小。
进一步的，在一实施例中，通过对测量用电压矢量幅值进行优化来提高初始角检测的精度。具体的，如图3所示，根据电机电抗参数和额定电流确定测量用电压矢量的大小，包括：
步骤一，分别在定子A、B、C轴的正方向以及负方向注入第一幅值的试验用电压矢量(S310)，计算获取每个试验用电压矢量对应的响应电流的最大值，记为最大响应电流值(S320)；
步骤二，计算每个轴对应的两个最大响应电流值的平均值，记为平均响应电流值(S330)；
步骤三，确定三个轴中平均响应电流值最大的轴，计算该轴对应的两个最大响应电流值的差值，记为响应电流差值(S340)；
步骤四，判断响应电流差值是否满足电流采样的精度(S350)，如果满足，则以第一幅值为测量用电压矢量的大小，如果不满足，则提高第一幅值(S360)，再次执行步骤一到步骤三，直到响应电流差值满足电流采样的精度。
具体的，在一实施例中：
(1)在定子A轴正方向注入幅值较小的电压矢量，计算出响应电流的最大值imax A+；然后在A轴的负方向注入电压矢量，计算出响应电流的最大值imax A-。
计算出平均值：
(2)按照(1)中方法向B、C轴正负方向注入电压矢量，计算得到IBov、ICov；
(3)选取IAav、IBav、ICav中的最大项。假设最大值为IAav，计算ΔIA＝|imax A+-imax A-|。如果ΔIA较小，无法满足电流采样的精度，则提高注入的电压矢量幅值，直到ΔIA满足采样精度为止，此时的电压矢量即为优化后的电压矢量。
本发明所提方法能准确静止检测永磁同步电机的初始角度且不受负载大小的影响；相较于现有技术，本发明的永磁同步电机转子初始位置检测方法不仅具备较高的精度，还具有良好的带载能力和广泛的适用性。
进一步的，在一应用场景中，设置n0为12。如图4所示，按图4所示顺序，在电角度0°～360°范围内，依次施加12个电压矢量，每个矢量之间间隔为30°电角度，并保持一段相同的作用时间，其中图中数字为电压矢量施加步骤。通过电流传感器检测各个矢量对应的电流幅值，比较得到最大id值，并记录其对应的矢量角度α。注入一个电压矢量后，下一次应注入与它方向相反的脉冲电压以防止转子位置发生偏移。
进一步的，在一实施例中，设置对应每级电角度范围的测量用电压矢量数量为3。如图5所示，在由图4实施例确定的电角度α左右，按图5所示顺序，以15°电角度为间隔施加6个电压矢量，记录正方向(奇数序号)中的最大id对应的矢量角。15°精度判断完后，同理以7.5°精度开始判断，依次细分判断，直到获得所需要的精度，所得到的id对应的角度即为转子初始位置角度。
进一步的，在一实施例中，如图5所示，假设第二波电压矢量检测到矢量B3对应的电流i3在奇数序号中最大，即电感最小时，对应的反向电感也应该在偶数序号中最小。因此，只有当i4＞i2且i4＞i6同时满足时，表明该角度检测正确，否则，该检测结果舍弃，重新注入电压矢量进行再次辨识。同理，假设检测到电压矢量B1对应的电流矢量i1最大时，只有同时满足i2＞i4＞i6时，才认为该角度检测正确。
本发明所提出的方法通过对注入的电压矢量幅值进行优化来提高初始角检测的精度，并且对初始位置检测方法增加限制条件，以提高初始角度检测的可靠性。
本发明所提出的方法的定位精度不受负载影响且定位过程中转子保持静止。同时针对传统电压脉冲注入方法准确性和可靠性的问题，提出了优化电压矢量的方法和限制条件来提高初始角检测的精度和可靠性，该方法简单有效，具有较大的工程应用价值。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。本发明所述的方法还可有其他多种实施例。在不背离本发明实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明做出各种相应的改变或变形，但这些相应的改变或变形都应属于本发明的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述方法包括：
对转子施加多个不同电角度的测量用电压矢量，获取每个测量用电压矢量对应的电流幅值；
确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量；
根据对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角，其中，对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角是所有测量用电压矢量中最接近转子初始位置角的电压矢量角。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括：
对转子施加n0个测量用电压矢量，其中：
n0为大于等于2的整数；
在电角度0°～360°范围内，n0个测量用电压矢量以360°/n0电角度为间距等间距分布；
每个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
方向相反的两个测量用电压矢量连续施加；
检测每个测量用电压矢量对应的电流幅值，确定对应最大电流幅值的测量用电压矢量的电压矢量角，记为第一电压矢量角；
根据所述第一电压矢量角确定转子初始位置角。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，根据所述第一电压矢量角确定转子初始位置角，包括：
设定m个不同级别的电角度范围，级别编号依次为1～m，m为大于等于1的整数；
针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角；
根据对应m级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角确定转子初始位置角；
其中：
除1级电角度范围外，每级的电角度范围的中心为对应上一级电角度范围的最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，所述第1级电角度范围的中心为所述第一电压矢量角；
除第1级电角度范围外，每级的电角度范围为对应上一级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔，所述第1级电角度范围为360°/n0；
针对每级电角度范围，相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为(本级电角度范围)/(本级施加的测量用电压矢量数量-1)；
针对每级电角度范围，多个测量用电压矢量大小相等并保持一段相同的作用时间；
针对所有级电角度范围，每个测量用电压矢量施加完毕后在其反方向施加一大小相等的测量用反向电压矢量并保持一段相同的作用时间。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据所述转子初始位置角的需求精度确定m的大小，其中，对应m级电角度范围的相邻两个测量用电压矢量的电压矢量角间隔为最终获取到的所述转子初始位置角的精度。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，针对每级电角度范围，在本级电角度范围内施加多个测量用电压矢量，确定多个测量用电压矢量中最大电流幅值对应的测量用电压矢量的电压矢量角，其中：
确定对应本级电角度范围的多个测量用反向电压矢量中最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量；
判断最大电流幅值对应的测量用反向电压矢量与最大电流幅值对应的测量用电压矢量是否对应，如不对应，则重新进行所述测量用电压矢量施加以及电流幅值的对比。
6.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，n0为12。
7.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，对应每级电角度范围的测量用电压矢量数量为3。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
根据电机电抗参数和额定电流确定所述测量用电压矢量的大小。
9.根据权利要求1～7中任一项所述的方法，其特征在于，所述测量用电压矢量的施加时间小于1ms。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，根据电机电抗参数和额定电流确定所述测量用电压矢量的大小，包括：
步骤一，分别在定子A、B、C轴的正方向以及负方向注入第一幅值的试验用电压矢量，计算获取每个试验用电压矢量对应的响应电流的最大值，记为最大响应电流值；
步骤二，计算每个轴对应的两个最大响应电流值的平均值，记为平均响应电流值；
步骤三，确定三个轴中平均响应电流值最大的轴，计算该轴对应的两个最大响应电流值的差值，记为响应电流差值；
步骤四，判断所述响应电流差值是否满足电流采样的精度，如果满足，则以所述第一幅值为所述测量用电压矢量的大小，如果不满足，则提高所述第一幅值，再次执行步骤一到步骤三，直到所述响应电流差值满足电流采样的精度。
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