CN110635742B - 永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器 - Google Patents

永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器，该初始位置角标定方法包括：首先分别控制永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，再依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值，使正反两个方向所对应的电流环输出值均作为计算初始位置角标定值的参数，从而将正反两个方向所产生的延迟相互抵消，避免了辨识精度低的问题，进而提高电机的初始位置角标定的精确度。

Description

永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，更具体的说，尤其涉及一种永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器。
背景技术
基于转子磁场定向的矢量控制方案，因其优越的稳态控制精度和动态响应速度广泛应用于永磁同步电机的矢量控制系统，并且，在矢量控制系统中，转子位置＝电机与旋转变压器极对数之比*(旋转变压器检测位置-初始位置角)，因此，永磁同步电机的初始位置角是实现转子磁场准确定向的关键参数。
对于永磁同步电机的初始位置角标定，现有技术中存在一种方案是：电流闭环模式下，给定特定的dq轴电流和频率指令，电机控制器将被测电机拖动永磁同步电机到特定转速后，令dq轴电流指令值为0，依据电流环输出dq轴电压计算得到初始位置角，但是该方案并未考虑电流硬件电路的采样延迟、A/D转换延迟，辨识精度较低，进而导致初始位置角标定的精确度较低。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种永磁同步电机的初始位置角标定方法和电机控制器，用于提高永磁同步电机的初始位置角标定的精确度。
本发明第一方面公开了一种永磁同步电机的初始位置角标定方法，应用于电机控制器，包括：
分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值；
依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值。
可选的，分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，包括：
先控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在正向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向时的电流环输出值；
再控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在反向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向时的电流环输出值。
可选的，分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，包括：
先控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在反向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向时的电流环输出值；
再控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在正向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向时的电流环输出值。
可选的，所述电流环输出值包括：d轴电压值和q轴电压值。
可选的，所述依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值，采用的计算公式为：
Figure BDA0002269160970000021
其中，θcal为初始位置角标定值，θini为初始位置角的预设初始值，uq1为正向时的q轴电压值，ud1为正向时得d轴电压值，uq2为反向时的q轴电压值，ud2为反向时的d轴电压值，Pratio为所述永磁同步电机与旋转变压器极对数之比。
可选的，所述初始位置角的预设初始值的来源为以下任意一种：
上位机给定；
所述电机控制器内部预设；以及，
所述电机控制器随机采用。
可选的，在所述获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速；
若所述永磁同步电机稳定运行在相应方向的特定转速，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
可选的，在所述获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否进入弱磁区；
若所述永磁同步电机未进入弱磁区，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
可选的，在所述获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速，以及，所述永磁同步电机是否进入弱磁区；
若所述永磁同步电机稳定运行在相应方向的特定转速，且所述永磁同步电机未进入弱磁区，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
本发明第二方面公开了一种永磁同步电机的电机控制器，用于执行本发明第一方面任一所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法。
从上述技术方案可知，本发明提供的一种永磁同步电机的初始位置角标定方法，首先分别控制永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，再依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值，使正反两个方向所对应的电流环输出值均作为计算初始位置角标定值的参数，从而将正反两个方向所产生的延迟相互抵消，避免了辨识精度低的问题，进而提高电机的初始位置角标定的精确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种永磁同步电机的初始位置角标定方法的流程图；
图2是本发明实施例提供的另一种永磁同步电机的初始位置角标定方法的流程图；
图3是本发明实施例提供的另一种永磁同步电机的初始位置角标定方法的流程图；
图4是本发明实施例提供的另一种永磁同步电机的初始位置角标定方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的永磁同步电机的初始位置角标定方法的应用场景示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本申请中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
本发明实施例提供了一种永磁同步电机的初始位置角标定方法，以解决电流硬件电路的采样延迟、A/D转换延迟，辨识精度较低，进而导致初始位置角标定的精确度较低的问题。
该初始位置角标定方法，参见图1，包括：
S101、分别控制永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值。
具体的，步骤S101包括：
(1)控制永磁同步电机运行在正向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向所对应的电流环输出值。
(2)控制永磁同步电机运行在反向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向所对应的电流环输出值。
需要说明的是，正向和方向是相对而言的，在本实施例中，仅为了将两个不同方向区分开来而命名，因此，可以是将第一次转动的方向作为正向，将另一个方向作为反向，或者，也可以依据现有技术来定义其正向和反向，在此不作具体限定，视实际情况而定即可，均在本申请的保护范围内。并且，上述两个方向上的执行顺序也不做具体限定，可以是先执行正向上的获取动作，也可以是先执行反向上的获取动作，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
另外，上述内容中的dq轴电流指令包括d轴电流指令和q轴电流指令。永磁同步电机中的d轴和q轴是定义转子同步坐标系，定义d轴在转子N极，q轴与d轴正交，并超前d轴90度。
因此，有定义转子同步坐标系以后，电机的定子和转子的物理量都可以用该定义转子同步坐标系表示。其实质是整个电机定义了一个d轴和q轴，这个坐标轴在转子上随转子一起旋转。比如定子绕组上的三相电压量ua，ub和uc折算到转子同步坐标系下为ud和uq，分别称为定子d轴电压或定子q轴电压，属于定子上的物理量。
需要说明的是，为了提高电流环输出值的准确性，需要永磁同步电机运行在特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0即可，在这样情况下获得的电流环输出值的准确性较高，进而提高初始位置角标定的准确度。
S102、依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值。
在实际应用中，电流环输出值包括：d轴电压值和q轴电压值，因此，正向所对应的电流环输出值包括：正向时的d轴电压值和正向时的q轴电压值，反向所对应的电流环输出值包括：反向时的d轴电压值和反向时的q轴电压值。
因此，本步骤S102采用的计算公式为：
Figure BDA0002269160970000061
其中，θcal为初始位置角标定值，θini为初始位置角的预设初始值，uq1为正向时的q轴电压值，ud1为正向时的d轴电压值，uq2为反向时的q轴电压值，ud2为反向时的d轴电压值，Pratio为永磁同步电机与旋转变压器极对数之比。
Pratio＝PM/PR，其中，PM为永磁同步电机的极对数，PR为旋转变压器的极对数。
实际应用中，该初始位置角的预设初始值θini的来源可以为：上位机给定、电机控制器内部预设和电机控制器随机采用中的任意一种，视其具体应用环境而定即可，均在本申请的保护范围内。
在初始位置角的预设初始值θini的来源为上位机给定时，需要上位机软件，如LabVIEW，通过CAN(ControllerAreaNetwork，控制器局域网络)实现上位机与电机控制器之间进行通信。在电机控制器内部预设或电机控制器随机采用时，电机控制器从自身获取该初始位置角的预设初始值θini即可。
在本实施例中，依据正反两个方向所对应的电流环输出值以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值，使正反两个方向所对应的电流环输出值均作为计算初始位置角标定值的参数，从而将正反两个方向所产生的延迟相互抵消，避免了辨识精度低的问题，进而提高电机的初始位置角标定的精确度。
在实际应用中，本步骤S101中控制永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速的具体过程是用测功机拖动的。
步骤S101具体包括如图2所示的：
S201、控制测功机拖动永磁同步电机运行在正向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向时的电流环输出值。
S202、控制测功机拖动永磁同步电机运行在反向上的特定转速，并在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向时的电流环输出值。
测功机也称测功器，主要用于测试发动机的功率，也可作为齿轮箱、减速机、变速箱的加载设备，用于测试它们的传递功率。其中，永磁同步电机与测功机同轴连接，永磁同步电机与测功机通过力矩传感器连接，由测功机拖动永磁同步电机运行在规定的特定转速。因此，电机控制器可以通过控制测功机运行在特定转速，来控制永磁同步电机运行在特定转速。
具体的，首先电机控制器工作于电流环模式，并调整dq轴电流指令为0，接着向测功机发送转速指令，以使测功机运行在特定转速，进而通过测功机拖动永磁同步电机运行在特定转速。
测功机接收到转速指令后的工作过程为：测功机内部线圈通电时则产生磁力线，通过定子齿极、气隙、转子磁滞杯形成一闭合磁路，由于磁力线在齿凸极部分分布较密，齿间分布较稀，当转子旋转时，磁滞杯上感应电势并产生涡流，涡流和磁场相互作用而产生转矩，该转矩即为负载力矩。该力矩的大小只与控制器加在测功机线圈上的电流大小有关，而与被测电机拖动测功机旋转的速度基本无关，即与永磁同步电机的速度无关，因此，电机控制器可以是准确控制测功机运行在特定转速。
在本实施例中，通过测功机拖动永磁同步电机，使得永磁同步电机稳定运行在特定转速，避免了永磁同步电机自身因素导致实际转速与特定转速的偏差，进而提高初始位置角标定值的准确率。
实际应用中，步骤S201和S202的执行顺序也可以反过来，此次不再一一赘述，均在本申请的保护范围内。
为了便于理解，可以将步骤S101划分为S1011、分别控制永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，以及，步骤S1012、在电机控制器工作于电流环模式且永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值。
可选的，在上述任一实施例中，参见图3(在此以图1为例进行展示)，在步骤S1012之前，还可以包括：
S401、判断永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速。
判断永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速的目的：为了避免因未稳定运行在相应方向特定转速，而造成的初始位置角标定的精确较低的情况。
在步骤S1011和S401之后，若永磁同步电机稳定运行在相应方向的特定转速，则执行步骤S1012。
或者，在步骤S1012之前还可以包括如图4所示的：S501、判断永磁同步电机是否进入弱磁区。
在步骤S1011和S501之后，若永磁同步电机未进入弱磁区，则执行步骤S1012。
实际应用中，步骤S401和步骤S501可以同时存在，即在步骤S1012之前，可以先分别执行步骤S401和步骤S501。并且，步骤S401和步骤S501可以同时执行，也可以是先后执行，在此不限定步骤S401和步骤S501的顺序，均在本申请的保护范围内。
为了便于理解，在此，对永磁同步电机的初始位置角标定方法，在实际应用场景进行举例说明，如下：
该初始位置角标定方法所需应用的执行机构，如图5所示，包括：测功机、永磁同步电机、电机控制器、上位机。
其中，电机控制器分别与测功机、永磁同步电机、上位机相连。测功机与永磁同步电机相连。
具体实现方案如下：
1、通过上位机给电机控制器初始位置角的预设初始值θini。
2、电机控制器运行在电流环模式，且dq轴电流指令值均为0。
3、测功机拖动永磁同步电机稳定运行在正向上的特定转速，在该特定转速下dq轴电流指令值为0时，若永磁同步电机仍能平稳运行且未进入弱磁区，则读取此时正向的电流环输出值，正向的电流环输出值包括：正向时的q轴电压值uq1、正向时的d轴电压值ud1。
4、测功机拖动永磁同步电机稳定运行在反向上的特定转速，在该特定转速下dq轴电流指令值为0时，若永磁同步电机仍能平稳运行且未进入弱磁区，则读取此时反向的电流环输出值，反向的电流环输出值包括：反向时的q轴电压值uq2、反向时的d轴电压值ud2。
5、依据初始位置角的预设初始值θini、正向时的q轴电压值uq1、正向时的d轴电压值ud1、反向时的q轴电压值uq2、反向时的d轴电压值ud2，计算得到初始位置角标定值θcal。
计算公式为：
Figure BDA0002269160970000091
其中，Pratio为永磁同步电机与旋转变压器极对数之比。
本发明实施例提供了一种永磁同步电机的电机控制器，用于执行上述任一实施例所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法。
该永磁同步电机的初始位置角标定方法的过程及原理参见上述实施例即可，此处不再一一赘述。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种永磁同步电机的初始位置角标定方法，应用于电机控制器，其特征在于，包括：
分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值；其中，所述电流环输出值包括：d轴电压值和q轴电压值；
依据正反两个方向所对应的电流环输出值、所述永磁同步电机与旋转变压器极对数之比以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，包括：
先控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在正向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向时的电流环输出值；
再控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在反向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向时的电流环输出值。
3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，分别控制所述永磁同步电机运行在正反两个方向上的特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值，包括：
先控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在反向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取反向时的电流环输出值；
再控制测功机拖动所述永磁同步电机运行在正向上的所述特定转速，并在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取正向时的电流环输出值。
4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，所述依据正反两个方向所对应的电流环输出值、所述永磁同步电机与旋转变压器极对数之比以及初始位置角的预设初始值，计算得到初始位置角标定值，采用的计算公式为：
Figure FDA0002961574590000021
其中，θcal为初始位置角标定值，θini为初始位置角的预设初始值，uq1为正向时的q轴电压值，ud1为正向时的d轴电压值，uq2为反向时的q轴电压值，ud2为反向时的d轴电压值，Pratio为所述永磁同步电机与旋转变压器极对数之比。
5.根据权利要求1所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，所述初始位置角的预设初始值的来源为以下任意一种：
上位机给定；
所述电机控制器内部预设；以及，
所述电机控制器随机采用。
6.根据权利要求1-5任一所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速；
若所述永磁同步电机稳定运行在相应方向的特定转速，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
7.根据权利要求1-5任一所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否进入弱磁区；
若所述永磁同步电机未进入弱磁区，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
8.根据权利要求1-5任一所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法，其特征在于，在所述电机控制器工作于电流环模式且所述永磁同步电机的dq轴电流指令为0时，获取相应方向所对应的电流环输出值之前，还包括：
判断所述永磁同步电机是否稳定运行在相应方向的特定转速，以及，所述永磁同步电机是否进入弱磁区；
若所述永磁同步电机稳定运行在相应方向的特定转速，且所述永磁同步电机未进入弱磁区，则执行所述获取相应方向所对应的电流环输出值的步骤。
9.一种永磁同步电机的电机控制器，其特征在于，用于执行如权利要求1-8任一所述的永磁同步电机的初始位置角标定方法。
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