CN110995104B - 一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法,属于电机控制领域。为了解决现有永磁同步电机转子初始位置辨识精度低、普适性差，辨识结果对环境敏感等问题,本发明提出一种基于利用微振动信号辨识转子初始位置的方法。本发明在定子绕组中建立虚拟旋转dq坐标系，在该坐标系的d轴上注入余弦交变的电压信号，使电机产生微振动，利用振动传感器获取电机微振动的振幅曲线，并从振幅曲线中估计转子初始位置，再通过电机饱和凸极效应判断转子极性。本发明摒弃了传统的基于电路方程获取转子初始位置的思想，提出利用运动方程辨识转子位置，避免了电路方程求解以及电机参数变化影响辨识结果等问题，具有算法简单，辨识精度高，适用范围广等优势。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法

技术领域

本发明涉及一种辨识方法，具体涉及一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法，属于电机控制技术领域。

背景技术

永磁同步电机由于具有高功率密度、高效率和低噪声等优点，广泛应用于各种航空航天、深海等军工领域，以及各种工业设备和家用电器中。无论是采用机械式传感器(编码器、旋转变压器)，还是采用无位置传感器技术来获取转子的位置信息，初始位置检测一直是PMSM平滑起动的关键技术之一。由于机械式传感器安装复杂、成本较高，近年来很多学者在无位置传感器技术的精确获取转子初始位置方面进行了研究，其中以基于反电势法和基于凸极效应法为主。不过这些方法都各有其不足之处：

反电动势法对电流检测设备精确性要求高；在零速、低速状态下，较难准确获取电机转子位置信息。

凸极效应法可分为空间凸极效应法和饱和凸极效应法。空间凸极效应法要求电机存在固有的空间凸极，因此在永磁同步电机凸极率较小或表贴式永磁同步电机的场合，此类方法无法精确地获取转子的初始位置信息。饱和凸极效应法，解决了表贴式电机无位置传感器控制初始位置检测问题，但当表贴式电机电感参数随环境(温度)变化较大时，此类方法就无法精确地估计转子初始位置。因此，迫切的需要一种新的技术方案解决上述技术问题。

发明内容

本发明正是针对现有技术中存在的问题，提供一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法，该技术方案实现了对永磁同步电机转子初始位置的精确检测，同时该方法的实现不依赖于电机参数，且可适应不同的永磁同步电机转子类型。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下，一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法，所述方法包括以下步骤：

步骤1，选取永磁同步电机的定子A相绕组轴线作为转子初始位置辨识的参考0°位置，向定子侧的虚拟旋转dq坐标系中的d轴上注入余弦交变的电压信号u_s，如下式所示：u_s＝U_r cos(ωt)

其中，ω为余弦交变电压的角频率，U_r为余弦交变电压的幅值。在此余弦交变电压信号u_s的作用下电机产生微振动。

步骤2，通过改变虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁，改变u_s所施加的空间位置以及改变电机微振动的振幅；

该步骤中，电机微振动振幅正比于sinθ₁，当虚拟旋转dq坐标系的旋转角度和转子初始位置重合时，电机的微振动为0，故通过改变虚拟旋转dq坐标系的旋转角度，可以改变电机微振动的振幅，这样电机初始位置的信息就可以通过振动信号传递出来，便于后续步骤的实施。

步骤3，通过振动传感器检测在每一个旋转角度θ₁下电机产生的微振动的振幅值，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，通过该曲线获取电机微振动振幅为0时虚拟d轴的旋转角度区间，选取此角度区间的中点处的角度值θ_1m∈[0,π)，作为转子初始位置的初步估计值；

该步骤中，虚拟旋转dq坐标系旋转一周，关系曲线上存在两个电机微振动振幅为0的角度区间，暂时选取θ_1m∈[0,π)，等价于确定转子d轴的实际初始位置，便于后续步骤的实施。

步骤4，利用电机铁芯饱和效应对转子极性进行辨识，对转子初步估计值进行磁极极性修正，获得电机转子的初始位置辨识值θ_1T。

该步骤中，在所述步骤3中，确定了转子的d轴初始位置，步骤4在步骤3的基础上进一步确定了电机转子的极性，即获取了转子的初始位置信息。

进一步，所述步骤1中所述的虚拟旋转dq坐标系的起始0°位置与A相绕组轴线重合，其与转子dq坐标系之间的夹角为θ₂。

可优选的，所述步骤1中注入的余弦交变电压信号的幅值为0.5V，频率为600Hz。

优选的，改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁包括以下步骤：

步骤2.1，改变余弦交变的电压信号u_s反Park变换到abc坐标系的旋转角度θ₁，改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁，θ₁如下式所示：

θ₁＝ω₁t

其中，ω₁为虚拟旋转dq坐标系的旋转的速度。

可优选的，所述步骤3所述的获取虚拟d轴的旋转角度θ₁与所检测得到的电机微振动振幅之间的关系曲线包括以下步骤：

步骤3.1，虚拟旋转dq坐标系以ω₁＝10deg/s旋转180°，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±20°范围；

步骤3.2，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝1deg/s在步骤3.1所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±2°范围；

步骤3.3，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝0.1deg/s在步骤3.2所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线。

作为本发明的一种改进，采用所述步骤3.1-3.3，可以有效缩短转子初始位置辨识时间，并且提高转子初始位置辨识精度，节约计算机资源。

一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法,采用该方案进行永磁同步电机转子初始位置辨识。

相比于现有技术，本发明具有如下优点，1)该技术方案的算法简单，可提高系统得动态特性；2)缩短了转子初始位置信息在获取时的传输路径，实验证明了该技术方案在转子初始位置辨识精度上较现有技术高；3)理论推导证明了该技术方案可以适用于不同转子类型的永磁同步电机的转子位置初始辨识；4)理论推导证明了辨识精度不依赖于电机参数，在恶劣的工作环境下，仍然可以高精度辨识转子初始位置。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明,附图中：

图1是基于电机微振动检测的转子初始位置辨识原理图；

图2是电机-负载机械模型图；

图3是不同电机凸极率下，转子角速度幅值曲线和虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁的关系曲线图；

图4是转子极性判断原理图；

图5是本发明系统框图；

图6是实测的转子位置与本专利方案检测的对比图。

具体实施方式：

为了加深对本发明的理解，下面结合附图对本实施例做详细的说明。

实施例1：参见图1-图6，一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1，选取永磁同步电机的定子A相绕组轴线作为转子初始位置辨识的参考0°，向定子侧的虚拟旋转dq坐标系中的d轴上注入余弦交变的电压信号u_s，如下式所示：u_s＝U_rcos(ωt)

其中，ω为余弦交变电压的角频率，U_r为余弦交变电压的幅值。在此余弦交变电压信号u_s的作用下电机产生微振动；

步骤2，通过改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁，改变u_s所施加的空间位置，改变电机微振动的振幅；

步骤2.1，通过改变余弦交变的电压信号u_s反Park变换到abc坐标系的旋转角度θ₁，改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁，θ₁如下式所示：

θ₁＝ω₁t

其中，ω₁为虚拟旋转dq坐标系的旋转的速度。

步骤3，通过振动传感器检测在每一个旋转角度θ₁下电机产生的微振动的振幅值，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线可以分为以下步骤：

步骤3.1，虚拟旋转dq坐标系以ω₁＝10deg/s旋转180°，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±20°范围；

步骤3.2，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝1deg/s在步骤3.1所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±2°范围；

步骤3.3，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝0.1deg/s在步骤3.2所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线。通过该曲线获取电机微振动振幅为0时虚拟d轴的旋转角度区间，选取此角度区间的中点处的角度值θ_1m∈[0,π)，作为转子初始位置的初步估计值；

步骤4，利用电机铁芯饱和效应对转子极性进行辨识，对转子初步估计值进行磁极极性修正，获得电机转子的初始位置辨识值θ_1T。

下面就本发明的设计思想加以具体说明。

基于电机微振动检测的转子初始位置辨识方法的原理如图1所示，将空间旋转平面划分为360°，假设电机定子A相绕组轴线定位在0°所在位置，θ_d为转子实际d轴与A相绕组轴线的夹角，d′轴为虚拟旋转dq坐标系的d轴。在某一时刻d′轴与A相绕组绕组夹角为θ₁，与实际d轴的夹角为θ₂，转子d轴与A相绕组夹角为θ_d。

在d′轴方向上施加余弦交变电压矢量u_s，u_s的表达式为：

u_s＝U_r cos(ωt)

其中，ω为余弦交变电压的角速度，U_r为余弦交变电压的幅值。

此时电机电磁转矩的表达式为：

R_s为d′轴虚拟电阻，其值等于电枢绕组的相电阻，L(θ₂)为θ₂角度下的d′轴虚拟电感，其近似表达式为：

如图2所示为电机-负载机械模型图。

电机在初始位置微振动时，转子的电角速度较低，负载转矩可用一阶多项式表示：

T_J(t,θ₂)＝sgn(ω_e(t,θ₂))T_sJ+B_Jω_e(t,θ₂)

其中，T_sJ为负载静摩擦力矩，B_J为负载转动阻尼系数。

因此电机转子所受的合成转矩，可表示为：

T_m(t,θ₂)＝T_e(t,θ₂)-sgn(ω_e(t,θ₂))T_s′-T_r′(t,θ₂)

其中，T_s′＝T_sm+T_sJ，B′＝B_m+B_J，且B_m为电机转动阻尼系数，T_sm为电机静摩擦力矩。

电机的转动方程可表示为：

为了避免复杂的求解过程，采用数值分析法求解转子的运动过程。

假设θ_d＝0°，电机的合成力矩方程离散化为：

其中，ΔT为计算步长，Δθ虚拟旋转dq坐标系旋转步长，M为Δθ在时域上的计算步长数，C为n/M取整，θ_C为第C步旋转时，虚拟旋转坐标系所在角度。

电机转子的角加速度可以表示为：

则，电机转的角速度可表示为：

图3为不同电机凸极率下的电机转子角速度幅值曲线和虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁的关系曲线。

图4为转子极性判断原理图，其中ψ_d为直流电压矢量产生的磁势，ψ_m为转子永磁体磁势，ψ_s为合成磁势。

如果ψ_d和ψ_m同相，则ψ_d将具有增磁作用，使d轴主磁路进入饱和区，d轴电感减小；若ψ_d和ψ_m方向相反，ψ_d将具有去磁作用，d轴电感基本不变。

因此，当检测出转子d轴初始位置之后，首先在转子初始位置处，施加一个同向的直流电压矢量U_d1和一个交变小幅值电压矢量u_s1，检测此时d轴电流交流分量的峰峰值Δi_d+；然后在与转子初始位置反向处U_d2，施加一个直流电压矢量和一个交变小电压矢量u_s2，检测此时d轴电流交流分量的峰峰值Δi_d-。最后通过比较Δi_d+和Δi_d-的大小，辨识电机转子的极性。当Δi_d+>Δi_d-时，说明检测所得的转子初始位置即为转子实际位置，当Δi_d+<Δi_d-，说明检测得到的转子位置转过180°后才是实际的转子位置。

图5为本发明系统框图，在永磁同步电机虚拟d轴注入余弦交变的电压信号，经过坐标变换，将注入信号转换到静止坐标系αβ得到调制信号u_α和u_β，调制信号经过SVPWM调制产生开关信号驱动逆变器，对直流电源进行逆变得到控制电机的交流电压。振动传感器检测得到电机的振动曲线，通过转子初始位置估计算法得到转子位置初步估计值，利用电机饱和凸极效应，比较电流响应大小辨识磁极极性，对转子位置初次估计值进行修正，得到最终的辨识结果。

需要说明的是上述实施例，并非用来限定本发明的保护范围，在上述技术方案的基础上所作出的等同变换或替代均落入本发明权利要求所保护的范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1，选取永磁同步电机的定子A相绕组轴线作为转子初始位置辨识的参考0°位置，向定子侧的虚拟的旋转dq坐标系中的d轴上注入余弦交变的电压信号u_s，如下式所示：

u_s＝U_rcos(ωt)；

其中，ω为余弦交变电压的角频率，U_r为余弦交变电压的幅值，在此余弦交变电压信号u_s的作用下电机产生微振动；

步骤2，通过改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁，改变u_s所施加的空间位置以及改变电机微振动的振幅；

步骤3，通过振动传感器检测在每一个旋转角度θ₁下电机产生的微振动的振幅值，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，通过该曲线获取电机微振动振幅为0时虚拟dq坐标系的旋转角度区间，选取此角度区间的中点处的角度值θ_1m∈[0,π)，作为转子初始位置的初步估计值；

步骤4，利用电机铁芯饱和效应对转子极性进行辨识，对转子初始位置初步估计值进行磁极极性修正，获得电机转子的初始位置辨识值θ_1T。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤1中的虚拟旋转dq坐标系的起始0°位置与A相绕组轴线重合，其与转子dq坐标系之间的夹角为θ₂。

3.根据权利要求2所述的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤1中电机产生的微振动由注入的余弦交变的电压信号u_s所产生的电磁转矩T_e产生。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤2中所述的改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁包括以下步骤：

步骤2.1，通过改变余弦交变的电压信号u_s反Park变换到abc坐标系的旋转角度θ₁，改变虚拟旋转d轴的旋转角度θ₁，θ₁如下式所示：

θ₁＝ω₁t

其中，ω₁为虚拟旋转dq坐标系的旋转的速度。

5.根据权利要求4所述的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤2中所述的电机微振动的振幅与电机转子微动时的角速度幅值ω_emax成正相关。

6.根据权利要求4所述的永磁同步电机转子初始位置辨识方法，其特征在于，所述步骤3中获取虚拟d轴的旋转角度θ₁与所检测得到的电机微振动振幅之间的关系曲线包括以下步骤：

步骤3.1，虚拟旋转dq坐标系以ω₁＝10deg/s旋转180°，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±20°范围；

步骤3.2，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝1deg/s在步骤3.1所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线，估计出电机转子初始位置±2°范围；

步骤3.3，虚拟旋转dq坐标系在以ω₁＝0.1deg/s在步骤3.2所估计出的角度范围内旋转，通过振动传感器检测电机微振动振幅，获取虚拟旋转dq坐标系的旋转角度θ₁与电机微振动振幅之间的关系曲线。

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