CN111010059B - 用于永磁同步电机初始位置的检测系统、设备和方法 - Google Patents

用于永磁同步电机初始位置的检测系统、设备和方法 Download PDF

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CN111010059B CN201911291895.8A CN201911291895A CN111010059B CN 111010059 B CN111010059 B CN 111010059B CN 201911291895 A CN201911291895 A CN 201911291895A CN 111010059 B CN111010059 B CN 111010059B
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Abstract

本发明提供了一种用于永磁同步电机初始位置检测的系统、设备和方法。所述系统包括用于电机的变频控制器，以对电机注入对应于电机每一相的正向电压脉冲和负向电压脉冲；以及检测装置，用于根据响应于所述正向电压脉冲和负向电压脉冲所获得的相电流的电流峰值来检测所述电机的转子的初始位置。其中，根据所述相电流的电流峰值的差值来计算所述电机的转子的位置角，从而获得所述电机的转子的初始位置。

Description

用于永磁同步电机初始位置的检测系统、设备和方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，尤其涉及一种基于通用变频控制器的永磁同步电机初始位置检测系统、设备和方法。
背景技术
根据永磁同步电机的特性，现有技术的初始位置检测可包括高频信号注入法和脉冲电压注入法。
高频信号注入法利用电机的凸极效应，对电机注入旋转或脉振高频电压信号，提取高频电流响应信号，从而估算转子位置。由于该方法依赖于电机的凸极效应，因此主要应用于内嵌式永磁同步电机(Interior Permanent-Magnet Synchronous Motor(IPMSM))的初始位置检测中。同时，由于该方法估算位置的收敛点可能为0°和180°，需要进行进一步的极性判断方可完成初始位置的检测，因此该方法检测过程复杂，检测时间较长。
脉冲电压注入法利用电机的饱和特性，通过对电机注入多个脉冲电压信号(通常为6个，或更多)，根据电流响应特征来进行转子位置的检测。虽然该方法不依赖于转子的凸极效应，可适用于IPMSM和表贴式永磁同步电机(Surface Permanent-Magnet SynchronousMotor(SPMSM))，但在现有的脉冲电压注入法中，其检测精度与注入脉冲电压的数量相关。一般地，在注入6个脉冲电压时，最大位置检测误差为30°，更高精度的初始位置则需要通过增加脉冲电压的数量来获得。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种用于永磁同步电机初始位置检测的系统、设备和方法。
依据本发明的一个方面，提供了一种用于永磁同步电机的系统，包括用于所述电机的变频控制器，以对所述电机注入对应于电机每一相的正向电压脉冲和负向电压脉冲；以及检测装置，用于根据响应于所述正向电压脉冲和负向电压脉冲所获得的三个相电流的电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来检测所述电机的转子的初始位置，其中所述检测装置用于按照通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure GDA0004171585290000021
而得到的以下公式(2)来获得所述电机的转子的初始位置：
Figure GDA0004171585290000022
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示对应于U相的相电流的电流峰值差值，ΔIv表示对应于V相的相电流的电流峰值差值，ΔIw表示对应于W相的相电流的电流峰值差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，ΔIvw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值。
依据本发明上述方面的系统，其中所述变频控制器包括门驱动器，用于将所述正向电压脉冲和负向电压脉冲注入所述电机；和/或耦合到所述门驱动器的逆变器，用于根据所述正向电压脉冲和负向电压脉冲来产生用于所述电机的三个相电流。
依据本发明上述方面的系统，其中所述检测装置包括检测单元，用于检测所述三个相电流的电流峰值；和/或控制单元，用于获得对应于电机每一相的所述电流峰值的差值和/或根据所述电流峰值的差值来确定所述电机的转子的初始位置；和/或存储单元，用于存储所述控制单元和/或检测单元的数据和/或指令；和/或所述检测装置可位于所述变频控制器中。依据本发明以上方面的系统，其中对于所述电机的每一相，所述正向电压脉冲和负向电压脉冲的幅值相同且矢量角相差180°，和/或所述各正向电压脉冲的矢量角依次相差120°，和/或所述负向电压脉冲的矢量角依次相差120°。
依据本发明的另一个方面，提供了一种用于永磁同步电机的检测设备，包括控制单元，用于根据通过对所述电机每一相注入正向电压脉冲和负向电压脉冲而获得的三个相电流的电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来确定所述电机的转子的初始位置，其中所述控制单元用于按照通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure GDA0004171585290000031
而得到的以下公式(2)来获得所述电机的转子的初始位置：
Figure GDA0004171585290000032
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示对应于U相的相电流的电流峰值差值，ΔIv表示对应于V相的相电流的电流峰值差值，ΔIw表示对应于W相的相电流的电流峰值差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，ΔIvw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值。
依据本发明以上方面的检测设备，其中对应于所述电机U相的正向电压脉冲的矢量角为0°及负向电压脉冲的矢量角为180°，和/或对应于所述电机V相的正向电压脉冲的矢量角为120°及负向电压脉冲的矢量角为300°，和/或对应于所述电机W相的正向电压脉冲的矢量角为240°及负向电压脉冲的矢量角为60°。
依据本发明以上方面的检测设备，还包括耦合的所述控制单元并用于检测所述三个相电流的电流峰值的检测单元；和/或用于存储来自所述控制单元和/或所述检测单元的数据和/或指令的存储单元。
依据本发明的又一个方面，提供了一种用于永磁同步电机的方法，包括获得通过对所述电机每一相分别注入正向电压脉冲和负向电压脉冲而获得的三个相电流的电流峰值差值；和/或根据所述电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来确定所述电机的转子的初始位置，其中根据通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure GDA0004171585290000033
而得到的以下公式来计算所述电机的转子的初始位置：
Figure GDA0004171585290000034
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示U相的电流峰值差值，ΔIv表示V相的电流峰值差值，ΔIw表示W相的电流峰值差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，ΔIvw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值。
依据本发明上述方面的方法，还包括对应于所述电机每一相分别注入正向电压脉冲和负向电压脉冲来获得所述每一相电流的电流峰值差值。
依据本发明上述方面的方法，其中所述电机包括U、V和W三相，其中所述方法还包括通过对电机的U相注入矢量角为0°的正向电压脉冲和矢量角为180°的负向电压脉冲来获得U相的电流峰值差值，和/或通过对电机的V相注入矢量角为120°的正向电压脉冲和矢量角为300°的负向电压脉冲来获得V相的电流峰值差值，和/或通过对电机的W相注入矢量角为240°的正向电压脉冲和矢量角为60°的负向电压脉冲来获得W相的电流峰值差值，和/或根据所述U相、V相和W相的电流峰值差值来计算所述电机的转子的初始位置。
依据本发明以上方面的方法，其中所述正向电压脉冲和负向电压脉冲的幅值相同。
依据本发明的又一个方面，提供了一种非易失性机器可读存储介质，包括一个或多个指令，其中所述一个或多个指令响应于被执行而使得一个或多个处理器执行如以上所述方法的一个或多个步骤。
依据本发明的再一个方面，提供了一种计算设备，包括一个或多个处理器；与所述一个或多个处理器耦合的一个或多个存储器，所述存储器用于存储一个或多个指令，其中所述一个或多个响应于被执行而使得所述一个或多个处理器执行如以上所述方法的一个或多个步骤。
依据本发明的以上方面，由于本发明可在电机转子静止或转速极低(例如，ωr≈0)的状态下，利用定子的饱和特性，所以可快速准确地检测电机转子位置，而且可适用于表贴式和内嵌式安装的例如SPMSM和IPMSM等各种永磁同步电机。由于本发明采用注入电压脉冲的方式来检测电机转子初始位置，所以本发明不依赖电机的凸极效应，而可应用于各种永磁同步电机的初始位置检测。而且，本发明仅需注入六个电压脉冲且无需极性判断就可完成初始位置的检测，所以本发明检测方法简单，检测过程简便，可实现快速检测，而且检测精度高。例如，本发明的检测时间短，通常可在例如几毫秒内完成，而且本发明可实现非常小的检测误差。
附图说明
图1示出依据本发明一个实施例的用于永磁同步电机初始位置的检测系统的示意图；
图2示出依据本发明一个实施例的转子的示意图；
图3A和3B分别示出依据本发明一个实施例的电流响应曲线的示意图；
图4A和4B分别示出依据本发明另一个实施例的电流差值曲线的示意图；
图5示出依据本发明一个实施例的方法的示意流程图；
图6示出依据本发明另一个实施例的方法的示意流程图；
图7示出依据本发明一个实施例的电机初始位置检测实验结果的示意图；
图8示出依据本发明一个实施例的用于永磁同步电机初始位置的检测设备的示意方框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
虽然以下描述阐述可以例如在系统架构中示出的各个实现方式，但本文所描述的技术和/或布置的实现方式不限于特定系统架构和/或计算系统，并且可以通过用于相似目的的任何架构和/或计算系统得以实现。例如，采用例如一个多个集成电路芯片和/或封装的各种架构和/或各种计算设备和/或电子设备可以实现本文所描述的技术和/或布置。此外，虽然以下描述可以阐述大量具体细节(例如系统组件的逻辑实现方式、类型和相互关系、逻辑分区/集成选取等)，但可以在没有这些具体细节的情况下实践所要求的主题。在其它实例中，为了不模糊本文所公开的材料，可以并不详细地示出一些材料(例如控制结构和完整软件指令序列)。可以在硬件、固件、软件或其任何组合中实现本文所公开的材料。
本文所公开的材料也可以实现为可以由一个或多个处理器读取并且执行的机器可读介质或存储器上所存储的指令。计算机可读介质可以包括用于存储或发送机器(例如计算设备)可读的形式的信息的任何介质和/或机构。例如，机器可读介质可以包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、磁盘存储介质；光存储介质；闪存设备；和/或其它介质。在另一形式中，非易失性物品(例如非易失性计算机可读介质)可以用于以上所提及的任何示例或其它示例，包括可以通过“瞬时”方式临时保存数据的这些元件(例如RAM等)。
图1示出依据本发明一个实施例的用于电机初始位置检测的系统的一个例子。在一个实施例中，所述系统100可用于利用脉冲电压的方式来检测例如永磁同步电机等的转子的初始位置。
参考图1，在一个实施例中，所述系统100可包括用于电机110的变频控制器120。例如，所述变频控制器120可用于对电机110进行例如变频控制。在一个实施例中，所述电机110可包括永磁同步电机(Permanent-Magnet Synchronous Motor(PMSM))，例如IPMSM和/或SPMSM，但本发明不限于此。在一个实施例中，所述变频控制器120可用于在接收到的一个或多个脉冲电压(例如，脉宽调制(Pulse Width Modulation(PWM))信号)的作用下产生用于电机110的一个或多个激励相电流。
在一个实施例中，如图1所示，所述变频驱动器120可包括驱动装置(例如，门驱动器122)和/或逆变器124。门驱动器122可用于将所述一个或多个脉冲电压送到逆变器124。在一个实施例中，门驱动器122可仅将六个脉冲电压送到逆变器124。例如，所述六个脉冲电压具有相同的幅值和不同的矢量角。耦合到门驱动器122的逆变器124用于根据所述脉冲电压产生用于电机110的一个或多个相电流，例如相电流Iu、Iv和/或Iw。参考图1，在一个实施例中，所述逆变器124包括例如第一到第六晶体管Q1到Q6。例如，如图1所示，所述第一到第六晶体管Q1到Q6可连接在外部电源的正电压端(例如，Vdc)和外部电源的负电压端(例如，地)之间，但本发明不限于此。
如图1所示，在一个实施例中，所述系统100可包括检测装置126，用于根据经由变频控制器120注入电机110的一个或多个脉冲电压而产生的一个或多个相电流来检测电机110的转子(未示出)的初始位置。例如，可仅将六个脉冲电压(PWM信号)经由变频控制器120注入电机110，以获得一个或多个相电流，例如Iu、Iv和Iw。在一个实施例中，所述检测装置126可根据所述一个或多个相电流的正向电流峰值和负向电流峰值的差值来准确地获得转子的初始位置。例如，检测装置126可用于检测或获得相应于注入电机110的所述一个或多个脉冲电压而产生的对应于电机每一相的正向电流峰值和负向电流峰值。在另一个实施例中，所述检测装置126还可用于获得或检测每一相的正向电流峰值与负向电流峰值的差值，和/或根据所述差值来确定电机转子的初始位置(例如，如以下所述)。
在一个实施例中，所述检测装置126的一个或多个部分可由软件、硬件、固件和/或其各种组合来实现。在一个实施例中，所述系统100和/或所述检测装置126可执行图5或6所示流程中的一部分或全部，以用于检测电机转子的初始位置。在另一个实施例中，所述系统100和/或所述检测装置126的至少一部分可由软件来实现，以用于例如按照图5或6所示流程中的一部分或全部来检测电机转子的初始位置。
虽然图1中示出检测装置126位于变频控制器120外部，在另一个实施例中，所述变频控制器120可包括所述检测装置126的至少一部分。
图2示出依据本发明一个实施例的电机转子的一个例子。在一个实施例中，可仅将六个电压矢量脉冲注入电机，以确定电机转子200的初始位置。参考图2，可利用同步旋转坐标系(例如，直轴d和交轴q)来表示注入电机的电压矢量脉冲V，γ表示注入矢量角，θr表示电机转子200的位置角。
如图2所示，在同步旋转坐标系下，可把电机(例如，IPMSM或SPMSM)的电压平衡方程表示为以下公式(1)：
Figure GDA0004171585290000071
其中，Vd代表转子直轴电压，Vq代表转子交轴电压，Rs代表转子电阻，id代表转子直轴电流，iq代表转子交轴电流，λd代表转子直轴磁链，λq代表转子交轴磁链，ωr代表转子角速度，
Figure GDA0004171585290000072
此外，可用以下公式(2)来表示磁链方程：
Figure GDA0004171585290000073
其中，Ld代表转子直轴电感，Lq代表转子交轴电感，λf代表永磁体磁链峰值。
通过把公式(2)所表示的磁链方程代入公式(1)所表示的电压方程中，可获得如以下公式(3)所表示的电机电压、电流方程：
Figure GDA0004171585290000074
由于转子电感是电流和转子位置的函数，继而转子的交直轴电感Ld和Lq可分别用以下公式(4)和(5)来表示：
Ld＝Ld(id,iq,θr) (4)
Lq＝Lq(id,iq,θr) (5)
其中，θr表示转子200的位置角。
由于转子的交直轴电感Ld和Lq主要受各自轴向的电流影响，可将公式(4)和(5)所示的电感模型简化为单变量函数，并在电流零点以泰勒级数展开，继而可分别得到以下公式(6)和(7)：
Figure GDA0004171585290000081
Figure GDA0004171585290000082
通过考虑饱和模型中的主要分量，可把公式(6)和(7)所表示的电感Ld和Lq进一步简化为以下公式(8)和(9)：
Ld＝Ld0+Ld1id (8)
Figure GDA0004171585290000083
当电机在静止状态或转速极低的状态下时(例如，ωr≈0)，则电机的电压模型可简化为下式(10)：
Figure GDA0004171585290000084
假设在初始状态下，转子位置角为θr，对于注入矢量角为γ的电压脉冲，可得到以下方程式(11)：
Figure GDA0004171585290000085
其中，Vs表示电压脉冲的幅值，Td表示电压脉冲的持续时间。当0≤t≤Td时，d-q轴的电压可表示为以下公式(12)：
Figure GDA0004171585290000086
其中，θr表示转子位置角，γ表示注入电机的电压脉冲的矢量角。
在一个实施例中，通过对电机的U、V、W三相分别注入相同的正向和负向电压脉冲，可采集所述正负电压脉冲作用下的电流峰值的差值，从而获得不同转子位置下的电流响应。在一个实施例中，所述正向和负向电压脉冲可具有相同的幅值。参考图3A和3B，其中分别示出依据本发明的一个实施例在不同转子位置下的电流差值ΔIu、ΔIv和ΔIw的曲线。其中，图3A示出对IPMSM的U、V、W三相注入相同的正向和负向电压脉冲而获得的的电流响应曲线，图3B示出对SPMSM的U、V、W三相注入相同的正向和负向电压脉冲而获得的电流响应曲线。
在图3A和3B中，纵坐标表示电流差值ΔI，横坐标表示表示转子位置角θr。图3A以直轴电感Ld＝0.12H和交轴电感Lq＝0.18H为例进行说明，图3B以直轴电感Ld＝0.18H和交轴电感Lq＝0.18H为例进行说明，但所述数值只是示例，本发明不限于此。
以U相为例，通过注入矢量角为γ1＝0°的第一电压脉冲，可获得该电压作用下的电流峰值，可把该电流峰值记为
Figure GDA0004171585290000091
待电流衰减为零后，通过注入矢量角为γ2＝180°的第二电压脉冲，可获得该电压作用下的电流峰值，可把该电流峰值记为
Figure GDA0004171585290000092
从而可得到U相电流差值/>
Figure GDA0004171585290000093
在一个实施例中，第一和第二电压脉冲的矢量角相差180°。可把第一电压脉冲叫做正向电压脉冲，而把第二电压脉冲叫做负向电压脉冲，以区分所述两个电压脉冲，但本发明不限于此。
类似地，通过对V相分别注入相同的正向和负向电压脉冲和W，可获得V相电流差值
Figure GDA0004171585290000094
和W相电流差值/>
Figure GDA0004171585290000095
在一个实施例中，分别用于U、V和W三相的各正向和负向电压脉冲可具有相同的幅值但其矢量角相差180°。在另一个实施例中，对于U、V和W三相，各正向电压脉冲依次相差120°，各负向电压脉冲依次相差120°。
如图3A和3B所示，虽然电机IPMSM和SPMSM的类型不同，但其可具有相似的电流响应曲线。
在一个实施例中，对如上所述获得的电流差值ΔIu，ΔIv，ΔIw进行进一步处理，令：
Figure GDA0004171585290000096
参考图4A和4B，其中分别示出依据本发明的一个实施例在不同转子位置下的电流差值ΔIuv、ΔIvw和ΔIwu的曲线，其中图4A对应于IPMSM，图4B对应于SPMSM。在图4A和4B中，纵坐标表示电流差值ΔI，横坐标表示表示转子位置角θr。图4A以直轴电感Ld＝0.12H和交轴电感Lq＝0.18H为例进行说明，图4B以直轴电感Ld＝0.18H和交轴电感Lq＝0.18H为例进行说明，但所述数值只是示例，本发明不限于此。
如图4A和4B所示，对应于电机IPMSM和SPMSM的电流差值ΔIuv、ΔIvw和ΔIwu的曲线也相似。继而，可把如图4A和4B所示的电流差值ΔIuv、ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(14)：
Figure GDA0004171585290000101
根据以上公式(14)，可如下式(15)所述来估算转子位置：
Figure GDA0004171585290000102
图5示出依据本发明一个实施例的方法的一个例子。在一个实施例中，所述方法可用于获得电机转子的初始位置。
依据一个实施例，如图5所示，所述方法可包括在框502，通过对应于电机的每一相分别注入一正向电压脉冲和一负向电压脉冲来获得对应于每一相的相电流的两个电流峰值。其中所述正向电压脉冲与所述负向电压脉冲的矢量角相差180°。例如，可把通过注入正向电压脉冲所获得的电流峰值叫做正向电流峰值，并把通过注入负向电压脉冲所获得的电流峰值叫做负向电流峰值，以区分所述两个电流峰值，但本发明不限于此。
在一个实施例中，所述电机可包括IPMSM或SPMSM，但本发明不限于此。所述电机可包括U、V和W三相。可对所述U、V和W三相中的每一相注入一正向电压脉冲和一负向电压脉冲。在一个实施例中，所述三相的正向电压脉冲的相位依次相差120°，或所述三相的负向电压脉冲的相位依次相差120°。对于每一相，正向电压脉冲与相应负向电压脉冲的相位差为180°。
例如，对于电机的第一相(例如，U相)，可把矢量角为γ＝0°的第一正向电压脉冲注入电机，从而可获得第一电流峰值。可把该第一电流峰值记录为
Figure GDA0004171585290000111
继而，等待电流衰减为0。响应于电流衰减到0，可注入与第一正向电压脉冲相反的第一负向电压脉冲(例如，矢量角为γ＝180°)，以获得第二电流峰值。可把该第二电流峰值记录为
Figure GDA0004171585290000112
Figure GDA0004171585290000113
继而，在注入下一个电压脉冲前，可等待电流衰减为0。
类似地，响应于电流衰减到0，对于电机的第二相(例如，V相)，可注入矢量角为γ＝120°的第二正向电压脉冲，以获得第三电流峰值。可把该第三电流峰值记录为
Figure GDA0004171585290000114
所述第二正向电压脉冲与所述第一正向电压脉冲的相位差为120°。继而，等待电流衰减为0。响应于电流衰减到0，可注入与第二正向电压脉冲相反的第二负向电压脉冲(例如，矢量角为γ＝300°)，以获得第四电流峰值。可把该第四电流峰值记录为
Figure GDA0004171585290000115
继而，在注入下一个电压脉冲前，可等待电流衰减为0。
类似地，响应于电流衰减到0，对于电机的第三相(例如，W相)，可注入矢量角为γ＝240°的第三正向电压脉冲，以获得第五电流峰值。可把该第五电流峰值记录为
Figure GDA0004171585290000116
所述第三正向电压脉冲与第二正向电压脉冲的相位差为120°。继而，等待电流衰减为0。响应于电流衰减到0，可注入与第三正向电压脉冲相反的第三负向电压脉冲(例如，矢量角为γ＝60°)，以获得第六电流峰值。可把该第六电流峰值记录为/>
Figure GDA0004171585290000117
在框504，可对于所述每一相计算如上所述获得的正向电流峰值与相应负向电流峰值的差值。例如，可获得对应于U相的第一电流峰值差值
Figure GDA0004171585290000118
对应于V相的第二电流峰值差值/>
Figure GDA0004171585290000119
以及对应于W相的第三电流峰值差值/>
Figure GDA00041715852900001110
在框506，可根据框504所获得的差值来确定所述电机的转子的初始位置。在一个实施例中，可按照如上所述的公式(15)来计算所述电机转子的位置角θr，从而可确定转子的初始位置。
以下表1示出依据本发明一个实施例的测试电机参数。例如，表1中示出电机定子相电阻Rs、定子直轴电感Ld、定子交轴电感Lq、永磁体磁链峰值λf和额定功率的一个例子，但所述数值并非对本发明的限制。
Rs(Ω) Ld(mH) Lq(mH) λf(Web) 额定功率(W)
26.6 193.0 193.0 0.183 56
表1
参考图5，在一个实施例中，仅利用六个电压脉冲就可确定电机转子的初始位置。虽然在图5中未示出，但在一个实施例中，所述方法还可包括检测所述第一到第六电流峰值。虽然在图5中未示出，但在一个实施例中，所述方法还可包括在把一电压脉冲注入电机后，等待电流衰减为0再注入下一电压脉冲。虽然在图5中未示出，在另一个实施例中，所述方法还可包括适当增大注入电压脉冲的幅值，以提高转子初始检测的准确度。
图6示出依据本发明一个实施例的方法的一个例子。在一个实施例中，所述方法可用于获得电机转子的初始位置。
参考图6，在框602，对于电机的第一相，通过将矢量角为γ＝0°的第一电压脉冲注入电机来获得第一电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000121
在框604，等待电流衰减为0，以注入下一电压脉冲。
响应于电流衰减为0，在框606，可将矢量角为γ＝180°的第二电压脉冲注入电机，以获得第二电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000122
在框608，等待电流衰减为0。
在框610，响应于电流衰减到0，对于第二相，将矢量角为γ＝120°的第三电压脉冲注入电机，以获得第三电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000123
在框612等待电流衰减为0。
在框614，响应于电流衰减到0，将矢量角为γ＝300°的第四电压脉冲注入电机，以获得第四电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000124
在框616，等待电流衰减为0。
在框618，响应于电流衰减到0，对于第三相，将矢量角为γ＝240°的第五电压脉冲注入电机，以获得第五电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000125
在框620，等待电流衰减为0。
响应于电流衰减到0，在框622，可将矢量角为γ＝60°的第六电压脉冲注入电机，以获得第六电流峰值，记为
Figure GDA0004171585290000126
在框624，计算对应于U相、V相和W相的电流峰值的差值：
Figure GDA0004171585290000127
/>
Figure GDA0004171585290000128
在框626，按照公式：
Figure GDA0004171585290000131
来计算转子位置角θr。
虽然在图6中未示出，在一个实施例中，所述方法还可包括增大注入电压脉冲的幅值，以提高转子初始检测的准确度。
图7示出依据本发明一个实施例的电机初始位置检测实验结果的例子。参考图7，其中示出转子位于不同位置(θr)时初始位置检测的实验结果的例子，其中线702对应于实际角度，线704对应于检测角度，线706对应于角度误差，但所述数值并非对本发明的限制。由图7可见，通过图5或6所述的方法可实现电机转子初始位置检测。在另一个实施例中，可适当增大注入脉冲电压的幅值，以获得更加准确的结果。
图8示出依据本发明一个实施例的检测设备的一个例子。在一个实施例中，所述检测设备可用于检测永磁同步电机的初始位置。在另一个实施例中，所述检测设备800可用于图1中的检测装置126。在又一个实施例中，图1所示的变频控制器100可包括所述检测设备800的至少一部分。
参考图8，在一个实施例中，所述检测设备800可包括一个多个集成电路芯片和/或封装的各种架构和/或各种计算设备和/或电子设备等。例如，所述检测设备800可包括一个或多个处理单元(或处理器)802以及与所述一个或多个处理单元802耦合的一个或多个存储单元(或存储器)804。在一个实施例中，所述一个或多个存储单元804可包括随机存取存储器、动态随机存取存储器或静态随机存取存储器等各种存储设备。在一个实施例中，所述一个或多个存储单元804可用于存储可由所述一个或多个处理单元802读取和/或执行的一个或多个指令(例如，机器可读指令和/或计算机程序)，和/或来自控制单元802的数据或信息。所述一个或多个指令还可存储于一非易失性机器可读存储介质上。响应于被执行，所述一个或多个指令使得所述一个或多个处理单元802可实现如图1所示的检测装置126和/或执行如以上参考图5或6所述的一个或多个操作。例如，在一个实施例中，所述处理单元802用于检测或获得响应于一个或多个脉冲电压而产生的对应于电机每一相的正向电流峰值和负向电流峰值；和/或计算每一相的正向电流峰值与负向电流峰值的差值；和/或根据所述差值来确定电机转子的初始位置。
图8仅示出检测设备800的一个例子，而非对本发明的限制，在一些实施例中，设备800还可包括一个或多个其他模块和/或部分(未示出)。例如，虽然在图8中未示出，在一个实施例中，所述检测设备800还包括用于检测所述正向电流峰值和负向电流峰值以传送到所述处理单元802的检测单元，但在另一个实施例中，所述检测单元可以是所述检测设备800的外部单元。在另一个实施例中，存储单元804可用于存储来自检测单元的数据和/或指令。在另一个实施例中，所述检测单元可以是图1所示变频控制器100的一部分。
在一个实施例中，所述检测设备800的一个或多个部分可由软件、硬件、固件和/或其各种组合来实现，以用于执行图5或6所示流程中的一部分或全部。在另一个实施例中，所述检测设备800的一部分或全部可由软件来实现，以用于执行图5或6所示流程中的一部分或全部。
如图1到8所示，依据本发明的各实施例，由于本发明可在电机转子静止或转速极低(例如，ωr≈0)的状态下，利用定子的饱和特性，所以可快速准确地检测电机转子位置，而且可适用于表贴式和内嵌式安装的例如SPMSM和IPMSM等各种永磁同步电机。由于本发明采用注入电压脉冲的方式来检测电机转子初始位置，所以本发明不依赖电机的凸极效应，而可应用于各种永磁同步电机的初始位置检测。而且，本发明仅需注入六个电压脉冲且无需极性判断就可完成初始位置的检测，所以本发明检测方法简单，检测过程简便，可实现快速检测，而且检测精度高。例如，本发明的检测时间短，通常可在例如几毫秒内完成，而且本发明可实现非常小的检测误差。
以上所述仅为本发明的实施例，并不用以限制本发明。凡在本发明精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于永磁同步电机的系统，其特征在于包括用于所述电机的变频控制器，以对所述电机注入对应于电机每一相的正向电压脉冲和负向电压脉冲；以及检测装置，用于根据响应于所述正向电压脉冲和负向电压脉冲所获得的三个相电流的电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来检测所述电机的转子的初始位置，其中所述检测装置根据通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure FDA0004130706940000011
而得到的以下公式(2)来获得所述电机的转子的初始位置：
Figure FDA0004130706940000012
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示对应于U相的相电流的电流峰值的差值，ΔIv表示对应于V相的相电流的电流峰值的差值，ΔIw表示对应于W相的相电流的电流峰值的差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，ΔIvw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值，所述永磁同步电机包括内嵌式永磁同步电机。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于所述变频控制器包括门驱动器，用于将所述正向电压脉冲和负向电压脉冲注入所述电机；和/或耦合到所述门驱动器的逆变器，用于根据所述正向电压脉冲和负向电压脉冲来产生用于所述电机的三个相电流。
3.如权利要求1或2所述的系统，其特征在于所述检测装置包括检测单元，用于检测所述三个相电流的电流峰值；和/或控制单元，用于获得对应于电机每一相的所述电流峰值的差值和/或根据所述电流峰值的差值来确定所述电机的转子的初始位置；和/或存储单元，用于存储所述控制单元和/或检测单元的数据和/或指令；和/或所述检测装置可位于所述变频控制器中。
4.如权利要求3所述的系统，其特征在于对于所述电机的每一相，所述正向电压脉冲和负向电压脉冲的幅值相同且矢量角相差180°，和/或所述各正向电压脉冲的矢量角依次相差120°，和/或所述负向电压脉冲的矢量角依次相差120°。
5.一种用于永磁同步电机的检测设备，其特征在于包括控制单元，用于根据通过对所述电机每一相注入正向电压脉冲和负向电压脉冲而获得的三个相电流的电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来确定所述电机的转子的初始位置，其中所述控制单元用于按照通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure FDA0004130706940000021
而得到的以下公式(2)来获得所述电机的转子的初始位置：
Figure FDA0004130706940000022
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示对应于U相的相电流的电流峰值差值，ΔIv表示对应于V相的相电流的电流峰值差值，ΔIw表示对应于W相的相电流的电流峰值差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，ΔIvw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值，所述永磁同步电机包括内嵌式永磁同步电机。
6.如权利要求5所述的检测设备，其特征在于对应于所述电机U相的正向电压脉冲的矢量角为0°及负向电压脉冲的矢量角为180°，和/或对应于所述电机V相的正向电压脉冲的矢量角为120°及负向电压脉冲的矢量角为300°，和/或对应于所述电机W相的正向电压脉冲的矢量角为240°及负向电压脉冲的矢量角为60°。
7.如权利要求5或6所述的检测设备，其特征在于还包括耦合的所述控制单元并用于检测所述三个相电流的电流峰值的检测单元；和/或用于存储来自所述控制单元和/或所述检测单元的数据和/或指令的存储单元。
8.一种用于永磁同步电机的方法，其特征在于包括获得通过对所述电机每一相分别注入正向电压脉冲和负向电压脉冲而获得的三个相电流的电流峰值差值；和/或根据所述电流峰值差值，以及根据所述三个相电流的电流峰值差值之差来确定所述电机的转子的初始位置，其中根据通过把ΔIvw和ΔIwu的曲线近似为以下公式(1)：
Figure FDA0004130706940000031
而得到的以下公式(2)来计算所述电机的转子的初始位置：
Figure FDA0004130706940000032
其中，θr表示所述电机的转子的位置角，ΔIu表示U相的电流峰值差值，ΔIv表示V相的电流峰值差值，ΔIw表示W相的电流峰值差值，ΔIuv表示ΔIu与ΔIv的差值，Ivw表示ΔIv与ΔIw的差值，ΔIwu表示ΔIw与ΔIu的差值，所述永磁同步电机包括内嵌式永磁同步电机。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于还包括：
对应于所述电机每一相分别注入正向电压脉冲和负向电压脉冲来获得所述每一相电流的电流峰值差值；和/或
通过对电机的U相注入矢量角为0°的正向电压脉冲和矢量角为180°的负向电压脉冲来获得U相的电流峰值差值，和/或通过对电机的V相注入矢量角为120°的正向电压脉冲和矢量角为300°的负向电压脉冲来获得V相的电流峰值差值，和/或通过对电机的W相注入矢量角为240°的正向电压脉冲和矢量角为60°的负向电压脉冲来获得W相的电流峰值差值，和/或根据所述U相、V相和W相的电流峰值差值来计算所述电机的转子的初始位置；和/或所述正向电压脉冲和负向电压脉冲的幅值相同。
10.一种非易失性机器可读存储介质，其特征在于包括一个或多个指令，其中所述一个或多个指令响应于被执行而使得一个或多个处理器执行如权利要求8或9所述的方法的一个或多个步骤。
11.一种计算设备，其特征在于包括一个或多个处理器；与所述一个或多个处理器耦合的一个或多个存储器，所述存储器用于存储一个或多个指令，其中所述一个或多个响应于被执行而使得所述一个或多个处理器执行如权利要求8或9所述方法的一个或多个步骤。
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