CN110504882A - 永磁同步电机的直轴判断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的直轴判断方法，采用脉振高频电流注入法构建转子闭环系统，获取直轴电压响应；记录直轴电压响应在注入电流信号相位为时的幅值；比较两个幅值大小，判断直轴正方向，得到直轴正方向判断后的补偿值。本发明在判断直轴正方向过程中，注入的电流始终为正弦高频信号，无需注入正负脉冲等其它形式的信号，简化估计过程；对电机运行无影响，结构简单，可靠性高，降低操作的复杂性，简化初始位置估计过程。

Description

永磁同步电机的直轴判断方法

技术领域

本发明涉及电机领域，特别是一种永磁同步电机的直轴正方向判断方法。

背景技术

正常情况下，由于表贴式永磁同步电机转子结构设计的独特性，导致它的转子不存在结构上的凸极性，这对旋转高频信号注入法的应用带来了限制。但当人为利用逆变电路在两相同步旋转坐标系中，在电机的基波中注入高频正弦信号后，此时表贴式永磁同步电机的直轴磁路发生变化，以致电机的交、直轴电感不再相等，这种现象被称之为定子电感的非线性饱和特性。同时由于电机转子是静止的，无法通过检测电机反电势来估计转子初始位置。

刘颖,周波,李帅,等.转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J].中国电机工程学报,2011,31(18):48-54.在估计转子同步旋转坐标系的直轴注入高频正弦电压信号，检测交轴高频电流响应并建立位置估计闭环得到转子位置的初次估计值。再在估计的直轴方向注入正负电压脉冲，利用正负电流作用下直轴等效时间常数的不同判断直轴正方向，这类方法在初始位置估计全过程中需注入两种类型的信号，实现比较复杂。磁极正方向判断过程需要注入正负电压脉冲再比较电流响应衰减到0所用的时间，这也需要花费一定的时间。刘颖,周波,赵承亮,等.基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制[J].中国电工技术学报,2012,7(27):139-145.首次采用脉振高频电流注入法实现SPMSM转子位置估计，但是没有提及如何对直轴正方向进行判断。

根据现有文献查阅的情况，目前还没有文章专门针对脉振高频电流注入法中的直轴正方向判断展开研究。

发明内容

本发明针对永磁同步电机结构复杂的特点，在高频电流注入的方法下，提出了一种永磁同步电机的直轴判断方法，无需注入正负脉冲等其它形式的信号，简化估计过程；对电机运行无影响，结构简单，可靠性高，降低操作的复杂性，简化初始位置估计过程。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种永磁同步电机的直轴判断方法，包括如下步骤：

步骤一、采用脉振高频电流注入法构建转子闭环系统，获取直轴电压响应；

步骤二、记录直轴电压响应在注入电流信号相位为π/2、3π/2时的幅值；

步骤三、比较两个幅值大小，判断直轴正方向，得到直轴正方向判断后的补偿值。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

(1)本发明在判断直轴正方向过程中，注入的电流始终为正弦高频信号，无需注入正负脉冲等其它形式的信号，简化了估计过程；

(2)由于不用注入正负脉冲电压，减少了转子初始位置估计的时间，同时因不需要检测响应电流信号的峰值，所以对采样电路的精度要求不是很高，减少硬件成本。

(3)本发明记录d轴电压响应在注入电流信号相位为π/2和3π/2时的电压幅值，通过比较幅值大小判断d轴正方向，该过程在一个注入电流信号的周期内即可完成，缩短了d轴正方向判断过程所需时间。

(4)本发明d轴判断方法非常适合高频电流注入法，对电机运行无影响，结构简单，可靠性高，降低了操作的复杂性，简化了初始位置估计过程。

附图说明

图1为直轴正方向判断的信号提取与调制过程的原理框图。

图2为表贴式永磁同步电机转子基于高频电流注入法的转子闭环控制框图。

图3为两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图。

图中：1为记录电压幅值，2为低通滤波器，3为比例积分调节器(PI)，4为Park逆变换，5为空间矢量脉宽调制，6为3相逆变器，7为表贴式永磁同步电(SPMSM)，8为Clarke变换，9为Park变换。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供一种永磁同步电机的直轴判断方法，具体包括以下步骤：

步骤一、采用脉振高频电流注入法构建转子闭环系统，获取直轴电压响应；

步骤二、记录直轴电压响应在注入电流信号相位为π/2、3π/2时的幅值；

步骤三、比较两个幅值大小，判断直轴正方向，得到直轴正方向判断后的补值。

进一步，步骤一中，永磁同步电机的定子磁链由三相定子电流和转子永磁体共同作用产生，与转子位置有关，磁链方程表示为：

式中，ψ_A、ψ_B、ψ_C为三相电枢绕组的磁链；对于表贴式永磁同步电机而言，因为气隙均匀，三相绕组的自感和互感都与转子位置无关，均为常值，每相绕组的自感为L_AA＝L_BB＝L_CC；两相绕组间的互感M_AB＝M_BA＝M_BC＝M_CB＝M_AC＝M_CA。由此，得到定子电压方程为：

式中，u_A、u_B、u_C是三相定子电枢绕组的相电压，i_A、i_B、i_C是三相定子电枢绕组的相电流，R_A＝R_B＝R_C＝R_S为三相定子电枢绕组的电阻，p为微分算子。

从上面两个方程可以看出，永磁同步电机在三相静止坐标系下建立的数学模型是一个非线性和耦合的多变量系统，不利于分析与控制。

为了简化分析，定义定子电流空间矢量i_s为：

式中，算子a＝e^j2π/3、a²＝e^j4π/3。

定子电流空间矢量的实轴为a轴，与定子绕组的A相轴线as重合；虚轴为β轴，超前α轴90°电角度。这实现了三相静止坐标系向两相静止坐标系的变换，称为Clarke变换，电流关系和变换矩阵为：

式中，i_α、i_β分别为α、β轴电流。

量控制中采用转子磁场定向控制，设定永磁体磁场N极所指方向为直轴(d轴)，按照电机正向旋转方向超前d轴10电角度的轴线为交轴，构成两相旋转坐标系，将两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系，称为Park变化，电流关系和变换矩阵为：

式中，i_d、i_q分别为d、q轴电流。

上述变换关系同样适用于电压与磁链，为满足变换前后功率不变，两相坐标系下每相绕组的匝数为原三相坐标系下每相绕组有效匝数的倍。利用上述两种坐标变换矩阵，可以建立永磁同步电机两相旋转坐标系下的数学模型。

(1)磁链方程

式中，ψ_d、ψ_q和L_d、L_q分别为d、q轴的磁链和电感。

(2)电压方程

式中，U_d、U_q分别为d、q轴电压，并且认为pψ_f＝0。在稳态情况下，电压方程可以写出：

(3)转矩方程

T_e＝pn(ψ_di_q-ψ_qi_d)＝pn[ψ_fi_q+(L_d-L_q)i_di_q] (9)

式中，p_n是永磁同步电机的极对数。转矩由两部分组成，第一部分是主电磁转矩，由定子旋转磁场和永磁磁场相互作用所产生，与q轴电流成正比；第二部分是磁阻转矩，是由于交、直轴电感不同而产生的，且与凸极比率成正比。

研究对象是表贴式永磁同步电机，通常情况下，交、直轴电感基本相等，则它的转矩方程可简化为

T_e＝pnψ_fi_q (10)

可见转矩方程中没有磁阻转矩，仅包含与q轴电流成正比的电磁转矩，非常便于转矩控制。

从式(10)可以看出，采用矢量控制后，在两相旋转坐标系下永磁同步电动机的转矩由q轴电流和磁场共同决定，而永磁体磁场保持不变，对电机转矩的控制可以归结为对定子电流中交、直轴电流分别进行控制。矢量控制的本质就是通过坐标变换理论，把定子电流矢量分解成转矩电流分量i_q和励磁电流分量i_d两项，实现转矩和磁通的解耦控制。

根据对交、直轴电流控制方式的不同，可以把永磁同步电机矢量控制中电流控制策略分为：d轴电流为零控制、转矩电流比最大控制、单位功率因数控制和恒定磁链控制。其中单位功率因数控制和恒定磁链控制比较适合于大功率永磁同步电机控制系统，它们具有功率因数高和减小逆变器容量等优点。d轴电流为零控制，即i_d＝0控制，它是矢量控制中最简单的电流控制策略。该控制策略的优点是控制最简单、计算量小，不会产生去磁效应引起永磁体退磁而使电机性能变坏，因此得到了广泛应用。该控制策略的缺点是：1)负载增加后功率因数有所降低；2)不能输出磁阻转矩。转矩电流比最大控制是指在输出相同转矩条件下，电机定子电流最小，可以减小铜耗和逆变器损耗。本发明研究的表贴式永磁同步电机属于中小功率范围，电机本身就不具备输出磁阻转矩的能力，采用了i_d＝0控制策略，与转矩电流比最大的电流控制是一致的，原因在于此时定子电流全部用来产生转矩。

建立坐标系关系图，如图3所示，dq为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，αβ为实际两相静止坐标系，并且定义估计误差其中，θ为实际转子初始位置，为最终初始位置估计值，的初始值为0。如图2所示，将估计转子同步旋转坐标系q轴电流给定为0，d轴电流给定为一个脉振高频正弦信号I_mh sin(ω_h t)，其中，I_mh为在d轴注入高频电流的幅值，ω_h为在d轴注入高频电流的角频率，t表示当前时刻。采用比例积分调节器(PI)对估计的d轴电流和q轴电流进行控制，使其与给定一致；对比例积分调节器(PI)输出的电压和进行Park逆变换，得到两相静止αβ坐标系下的电压u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制策略得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机PMSM；检测电机三相绕组A/B/C中的A相和B相电流，如图2所示，先进性Clarke变换的到两相静止αβ坐标系下的电流i_α和i_β,再经过Park变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流和q轴电流将其反馈到PI调节器的输入端；提取转子同步旋转坐标系的d轴电压响应

进一步，步骤二中，如图1所示，对于表贴式永磁同步电机，d轴电流起增磁作用时磁场饱和，电感减小；d轴电流起去磁作用时磁场退饱和，电感增大。刘颖,周波,赵承亮,等.基于脉振高频电流注入SPMSM低速无位置传感器控制[J].中国电工技术学报,2012，7(27):139-145.给出了注入脉振高频电流后，永磁同步电机在估计的同步旋转坐标系d轴电压响应为:

完成初次初始位置估计后，位置估计误差Δθ为0或π，代入式(11)如得到：

式中，为平均阻抗，为半差阻抗。代入式(12)得：

式中，Z_d＝r_s+jω_hL_d为d轴高频阻抗，r_s为定子电阻，L_d为d轴电感。由于绕组的电阻远小于绕组的高频阻抗，因此可忽略定子绕组的电阻压降，由式(13)得：

当ω_ht＝π/2时，代入式(14)得记录下此时轴电压幅值|U₁|；当ω_ht＝3π/2时，记录下此时轴电压幅值|U₂|。

进一步，步骤三中，当Δθ＝0，ω_ht＝π/2时，定子电流产生的磁势与d轴正方向一致，磁路饱和，定子d轴电感变小，|U₁|较小；ω_ht＝3π/2定子电流产生的磁势与d轴正方向相反，磁路退饱和，定子d轴电感变大，|U₂|较大，因此|U₁|＜|U₂|。

当Δθ＝π，ω_ht＝π/2时，定子电流产生的磁势与d轴正方向相反，磁路退饱和，定子d轴电感变大，|U₁|较大；ω_ht＝3π/2，|U₂|较小，因此|U₁|＞|U₂|。

为了避免干扰和误判，直轴响应电压的值要经过滤波后才能用于比较运算。若|U₁|＜|U₂|，则d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0；若|U₁|＞|U₂|，则d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π。

Claims (5)

1.一种永磁同步电机的直轴判断方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一、采用脉振高频电流注入法构建转子闭环系统，获取直轴电压响应(1)；

步骤二、记录直轴电压响应(1)在注入电流信号相位为π/2、3π/2时的幅值；

步骤三、比较两个幅值大小，判断直轴正方向，得到直轴正方向判断后的补偿值。

2.如权利要求1所述的直轴判断方法，其特征在于：所述步骤一中，估计转子同步旋转坐标系交轴电流给定为0，向直轴电流注入一个脉振高频正弦信号，构建转子闭环系统，提取转子同步旋转坐标系的直轴电压响应

3.根据权利要求1所述的直轴判断方法，其特征在于：所述步骤二中，记录直轴电压响应在ω_h＝π/2和ω_h＝3π/2时的电压幅值

4.根据权利要求1或3所述的直轴判断方法，其特征在于：所述步骤三中，将直轴响应电压送入低通滤波(2)后，得到去除高频信号干扰的响应电压|U₁|、|U₂|，然后比较响应电压幅值大小，判断直轴正方向，得到直轴正方向判断后的补偿值。

5.根据权利要求4所述的直轴判断方法，其特征在于：若|U₁|＜|U₂|，则直轴正方向与磁极N极同向，直轴正方向判断后的补偿值为0；若|U₁|＞|U₂|，则直轴正方向与磁极N极反向，直轴正方向判断后的补偿值为π。