CN110932637B - 永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，包括如下步骤：(1)在设定的电磁角度上施加小幅值驱动电压；(2)检测响应的相电流和相电压的幅值，间隔一定时间t第二次检测响应的相电流和相电压的幅值；(3)根据两次检测值分别计算有功功率、无功功率和功率因数；(4)根据两次功率因数的变化，判断转子位置所坐落的角度象限；(5)计算转子角度，并在该转子角度处再次施加所述小幅值驱动电压，根据响应的相电流和相电压的幅值计算功率因数，若该功率因数达到可靠阈值，则判定该转子角度即为静止状态的转子位置。本发明对电流采样的要求较低，不需要检测电流响应瞬间的脉冲值，提高检测结果可靠性。

Description

永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法。

背景技术

现有永磁同步电机的驱动方式常用磁场定向控制，即矢量控制法。矢量控制需要辨识转子磁极的位置。在无位置传感器的情况下，位置辨识常用滑模观测器、全阶观测器和模型参考自适应等方法，这些方法的原理都是依靠求解电机转动时的反向电动势来间接辨识转子磁极位置。电机低转速下反向电动势很小，磁极位置容易受采样干扰无法收敛，因此难以应用于电机从初始静止状态启动。

电机处于初始静止状态下，位置辨识常应用高频脉冲注入法和脉冲电压注入检测电流响应法。高频脉冲注入法在设定转子角度注入一定幅值的正弦电压谐波，通过检测转子坐标系的Q轴响应，经过软件实现的陷波滤波器或者高频滤波器获取电流谐波幅值，计算后通过锁相环的方法辨识角度位置。由于驱动电流对检测谐波电流的影响，滤波器实现比较复杂，另外检测过程需要较高数据量的计算。

脉冲电压注入检测电流响应法，启动时在不同转子角度注入电压脉冲。受到转子磁极角度影响，由于磁饱和效应影响会有不同幅值的脉冲电流响应。该方法需要达到磁饱和效应，需要达到电机额定电流或多倍额定电流响应，发生响应幅值差异才能达到辨识转子角度正确性。脉冲电流饱和效应容易引起电机产生电磁异响。工程上经常运用多次检测结果的一致性，并根据前一次检测的结果再次细分角度进行精确检测，以减小位置检测误差，但也一定程度上增加了辨识过程的时间。

发明内容

本发明的目的是解决目前采用高频脉冲注入法或脉冲电压注入检测电流响应法来辨识永磁同步电机静止状态转子位置实现起来比较复杂，计算量大，时间长，容易带来电磁异响的技术问题，提供一种永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，通过施加小幅值矢量电压来检测电流和相电压响应，两次检测功率因数值来对转子角度进行初步辨识，初步辨识后在识别出的转子角度位置上再次根据功率因数验证辨识出的角度，然后直接电流闭环拖动电机启动，对电流检测要求较低，不需要检测响应电流的瞬间脉冲值，且检测数据计算量较小，对电流采样电路和微控制器要求较低，便于降低硬件成本，小幅值电压驱动保证检测过程中快速进行转子位置定向，检测时间短，只需等待两次电流稳定收敛的时间，电机反转角度小。

为实现以上发明目的，本发明提供一种永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，包括如下步骤：(1)在设定的电磁角度上施加小幅值驱动电压；(2)检测响应的相电流和相电压的幅值，间隔一定时间t第二次检测响应的相电流和相电压的幅值；(3)根据两次检测值分别计算有功功率、无功功率和功率因数；(4)根据两次功率因数的变化，判断转子位置所坐落的角度象限；(5)计算转子角度，并在该转子角度处再次施加所述小幅值驱动电压，根据响应的相电流和相电压的幅值计算功率因数，若该功率因数达到可靠阈值，则判定该转子角度即为静止状态的转子位置。

进一步地，所述小幅值驱动电压的幅值从零开始斜坡上升，同时检测响应的相电流的幅值，相电流幅值伴随电压幅值上升而增加，直到相电流幅值达到电流采样电路采样幅值的10％-20％。

进一步地，所述间隔时间t为20-90ms。

进一步地，所述功率因数的可靠阈值为0.95。

进一步地，所述转子角度通过下式计算得到：θ_rotor＝θ_voltage+arctan(-Q/P)，或θ_rotor＝θ_voltage+180-arctan(Q/P)，其中，θ_rotor为转子估算电磁角度，θ_voltage为施加电压矢量电磁角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.对电流采样的要求较低，不需要检测电流响应瞬间的脉冲值，提高检测结果可靠性。

2.检测过程由小幅值连续电压驱动，不需要电流饱和效应，过程噪音较小。

3.检测时间短，只需等待两次电流稳定收敛的时间。电机反转角度小、启动响应速度较快。

附图说明

图1是本发明一个实施例中永磁同步电机静止状态转子初始位置辨识原理框图；

图2是本发明一个实施例的流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作优选说明。

如图2所示，本发明永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法的一个实施例，包括如下步骤：

步骤一，在设定电磁角度上施加小幅值驱动电压。电磁角度是三相全桥驱动器各相参数(电压、电流、磁链等)，在约定电机分析坐标系(约定以U相作为坐标系零度角，V相坐落在120度，W相坐落在240度)上的合成矢量与0度角的夹角。小幅值驱动电压的幅值由检测电流大小和电机线电阻设定，一般设定为母线电压值的1％到10％范围内。电压的幅值从零开始斜坡上升。同时检测响应相电流的幅值，相电流幅值伴随电压幅值上升而增加，直到达到电流采样电路采样幅值或最大采样范围的10％-20％范围，在下述步骤二和步骤四过程中保持该电压驱动幅值。选择合适的相电流幅值能够有效排除电流采样电路模数转化过程的采样误差。

步骤二，检测计算相电流幅值和电磁角度。电流采样电路受电磁信号干扰存在一定误差，干扰会影响检测结果的稳定性，在微控制器中通过软件滤波器对采样结果进行滤波处理。软件滤波器程序中选取具有截止频率的一阶滤波器，截止频率可选择小于施加的PWM脉冲频率的1/10，如PWM脉冲频率为16K时，可以选择滤波器截止频率为1K。等待在检测时间达到阈值以内，计算电流响应幅值方差，带幅值误差在5％均值范围内时候，记录此时相电流幅值和电机相电压值。选择等待几十毫秒时间内，如20-90ms，再次记录相电流的幅值和电机相电压值。

步骤三，根据上述相电流记录与施加电压响应幅值，根据公式1计算有功功率P、无功功率Q和功率因数角度，V_u、V_v、V_w为电机三相相电压，I_u、I_v、I_w为电机三相线电流值。以下面所述的转子位置判定法对角度进行判定。如果检测电流响应极小，电机转子磁链角度应处于电压矢量角度90度相近位置，延长电压脉冲施加时间，达到电流辨识精度要求。

P＝V_u·I_u+V_v·I_v+V_w·I_w

步骤四，根据步骤三计算的新角度上施加与步骤二相同幅值驱动电压，等待幅值误差稳定，记录此时的各相响应电流幅值和响应电压幅值。

步骤五，计算响应电流的功率因数，判断功率因数是否在误差范围以内达到可靠阈值，可以取0.95作为功率因数可靠阈值。如达到要求，即当前转子电磁角度判断准确，能以该转子角度用电流闭环的形式强制拖动电机启动。如果未能达到要求，再次计算转子角度，重复步骤四，确保转子位置满足误差范围。

转子位置判定法

首先检测两次功率因数值，如果两次功率因数的值都接近于1，或者第二次检测功率因数值大于第一次，可以判定转子位置在-90度到正90度范围内。根据计算有功功率P，无功功率Q。计算当前转子角度公式：

θ_rotor＝θ_voltage+arctan(-Q/P)。 (公式2)

θ_rotor为转子估算电磁角度，θ_voltage为电压矢量的电磁角度，θ_voltage在步骤一是设定的小幅值驱动电压的电磁角度，。在步骤四中施加的小幅值驱动电压电磁角度θ_voltage为之前三个步骤得出的估算角度，下同。

如果电流响应较小，转子位置相比较超前90度或者-90度接近范围内，延长电压施加时间再次检测，转子角度以上述夹角小于90度的方式计算。

当功率因数下降的情况下，电磁夹角超过90度，计算当前转子角度公式：

θ_rotor＝θ_voltage+180-arctan(Q/P) (公式3)

以一表贴式永磁同步电机为例，电机经测试已知以下参数：直交轴感量4.8×10^-3亨；定子绕组线电阻值0.5欧姆；磁链系数1V.S；转动惯量0.031Kg*m2,迟滞阻尼系数0.00030345Nms；极对数为1极对。

试验选择三相永磁电机驱动器，主要由三相驱动全桥，母线支撑电容组成。驱动器母线总电压为直流320V，选择PWM驱动频率10KHz，三相驱动全桥六路PWM驱动信号选用SVPWM方式生成。

步骤一设定驱动电压幅值为母线电压的0.6％,即幅值约为2V，从幅值零开始斜坡增加到设定幅值2V，斜坡上升阶段选择时长5毫秒。电机电流响应稳定时长根据施加电压电角度与转子夹角不同有差异，本实施例中最长响应时间约为50ms，选择自辨识启动开始60ms和80ms开始每一PWM周期取样一次电流信息，取5ms时间段电流值进行一阶滤波。一阶滤波器选择1KHz截止频率，表示传递函数为

经Tustin方法离散化后,可得:

Y(n+1)＝0.522*Y(n)+0.239*X(n+1)+0.239*X(n) (公式4)

X(n)为电流采样开始第nPWM周期采样电流值，Y(n)为第n周期滤波后电流值。以上式对采样电流进行滤波计算。

计算的电流滤波值和驱动矢量电压根据公式1计算当前有功功率、无功功率、功率因数。在一启动状态下试验获取电压电流采样，经过公式1计算得首次采样有功功率0.73Watte、无功功率1.42Var、功率因数0.457，第二次采样计算有功功率0.68Watte、无功功率1.43Var，功率因数0.429。根据内容二转子位置判定方法(判定法是在内容二中说明)进行转子角度判断：间隔采样第二次采样功率因数相比较小于第一次功率因数，因此转子位置超前或滞后定向位置超过90度，根据第二次计算功率采用公式3进行计算转子角度，θ_voltage设置初始为0度，可得估算转子电磁角度超前电压矢量零度角115.4度。

计算完成转子角度后，在辨识开始100ms，将电压矢量角度调整至辨识角度115.4度，等待50ms后再次辨识。采样计算有功功率3.70Watte、无功功率0.25Var，功率因数0.9977。检测功率因数大于0.95，可认为转子位置正确辨识。辨识过程结束后以转子角度115.4度，施加闭环控制电流以拖动方式启动。

在当前设定电压幅值下电流响应幅值小于2A，电机检测过程响应转速小于10转每分钟，电流响应幅值既能保证辨识的准确度，也能使电机角度极小转动，达成产品应用无反转要求。

本发明的一个实施例中，转子磁极初始位置辨识框图如图1所示，辨识方法使用永磁同步电机硬件驱动电路，所述的硬件驱动电路包含以下：直流电源Upower对硬件进行供电；直流母线使用支撑电容稳定供电电压、降低电机驱动引起的纹波；三相驱动全桥用于生成检测过程中作用于电机的矢量电压，并在辨识完成后驱动电机正常启动运行；永磁同步电机为驱动对象，需要对其转子未知起始位置进行辨识；SVPWM模块获取辨识过程所需矢量电压以给定的幅值和施加电磁角度要求进行调试。

本辨识方法结构包含以下功能模块：电压矢量幅值给定、电压矢量角度给定、电流滤波计算、功率参数计算、转子电磁位置计算。电压矢量幅值给定用于在启动初始斜坡上升的电压幅值参考，用于降低突加电压引起的初始电流震荡。电压矢量角度给定向SVPWM调试提供电压矢量角度参考。电流滤波计算对采集的电流值进行滤波处理，减低采样噪声对功率参数信息影响。功率参数计算当前电机有功功率、无功功率、功率因数。转子电磁位置计算通过功率参数信息计算角度象限和转子估算位置，并在辨识角度再次施加矢量电压，对辨识角度进行验证。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (4)

1.永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在设定的电磁角度上施加小幅值驱动电压；

(2)检测响应的相电流和相电压的幅值，间隔一定时间t第二次检测响应的相电流和相电压的幅值；

(3)根据两次检测值分别计算有功功率、无功功率和功率因数；

(4)根据两次功率因数的变化，判断转子位置所坐落的角度象限；

(5)计算转子角度，并在该转子角度处再次施加所述小幅值驱动电压，根据响应的相电流和相电压的幅值计算功率因数，若该功率因数达到可靠阈值，则判定该转子角度即为静止状态的转子位置。

2.如权利要求1所述的永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，其特征在于，所述小幅值驱动电压的幅值从零开始斜坡上升，同时检测响应的相电流的幅值，相电流幅值伴随电压幅值上升而增加，直到相电流幅值达到电流采样电路采样幅值的10％-20％。

3.如权利要求1或2所述的永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，其特征在于，所述间隔时间t为20-90ms。

4.如权利要求3所述的永磁同步电机静止状态转子位置辨识方法，其特征在于，所述功率因数的可靠阈值为0.95。

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