CN111193452A - 一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法 - Google Patents

一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，包括如下步骤：步骤S1，向永磁同步电机注入三组正负电压，通过AD采样获得两相电流；步骤S2，比较每组响应电流的大小，根据磁路不同方向的饱和程度差异，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面；步骤S3，综合三组响应电流大小的比较结果，判断转子磁极所在扇区；步骤S4，根据转子磁极所在扇区，向电机绕组注入固定角度电压矢量，将转子拖动到与转向一致的扇区终点处；步骤S5，设定电机转子初始位置为步骤S4中所施加固定角度电压矢量的角度，进入正常无位置传感器运行状态。此种方法将永磁同步电机转子初始位置辨识和转子预定位相结合，可防止电机起动过程中出现反转现象。

Description

一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法
技术领域
本发明属于永磁同步电机控制技术领域，特别涉及一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法。
背景技术
在大多数永磁同步电机无位置传感器控制方法中，需要获取电机转子初始位置，常用的电机转子初始位置获取方法有两种，一种是对电机转子初始位置辨识，即通过逆变器向电机绕组中注入一定规律的PWM波，根据响应电流来计算当前转子的初始位置，在辨识过程中，电机转子一般处于静止状态；另一种方法是对电机转子进行预定位，即通过逆变器向电机注入固定角度的电压矢量，利用所形成的电枢磁场将电机转子拖动到固定位置，将此位置作为电机转子初始位置。
在一些特殊应用场合，如汽车助力转向油泵电机，要保证电机单向运行，如果发生反转，则可能造成设备损坏。因此在获取电机转子初始位置时要特别关注转子的运动方向。若采用初始位置辨识的方法，由于电流采样噪声和精度的影响，辨识出的角度和实际角度存在误差，那么在电机正常运行时可能会发生短暂的反转；若采用转子预定位方法，显然在定位过程中转子运动方向时不可控的。
为了克服以上两种方法的不足，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的，在于提供一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，将永磁同步电机转子初始位置辨识和转子预定位相结合，可防止电机起动过程中出现反转现象。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，包括如下步骤：
步骤S1，向永磁同步电机注入三组正负电压U+V－、U－V+；V+W－、V－W+；W+U－、W－U+，通过AD采样获得两相电流IUV，IVU；IVW，IWV；IWU，IUW；其中，U+V－表示U相上桥臂导通，V相下桥臂导通，U－V+反之；V+W－表示V相上桥臂导通，W相下桥臂导通，V－W+反之；W+U－表示W相上桥臂导通，U相下桥臂导通，W－U+反之；IUV表示U+V－作用下从U相流入，V相流出的电流大小，IVU反之；IVW表示V+W－作用下从V相流入，W相流出的电流大小，IWV反之；IWU表示W+U－作用下从W相流入，U相流出的电流大小，IUW反之；
步骤S2，比较每组响应电流的大小，根据磁路不同方向的饱和程度差异，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面；
步骤S3，综合三组响应电流大小的比较结果，判断转子磁极所在扇区；
步骤S4，根据转子磁极所在扇区，向电机绕组注入固定角度电压矢量，将转子拖动到与转向一致的扇区终点处；
步骤S5，设定电机转子初始位置为步骤S4中所施加固定角度电压矢量的角度，进入正常无位置传感器运行状态。
上述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的作用时间间隔大于预设值，保证每次注入电压之前绕组中的电流充分衰减至零。
上述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的持续时间相同，且保证在开关器件导通期间，电流幅值一直处于上升状态，且每次电流AD采样的时刻为开关器件关断时刻。
上述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的持续时间在一个PWM周期内。
上述步骤2中，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面的依据如下：
Figure BDA0002393486730000021
Figure BDA0002393486730000022
Figure BDA0002393486730000023
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的180°半平面。
上述步骤3中，判断转子磁极所在扇区的依据如下：
Figure BDA0002393486730000031
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的60°扇区。
上述步骤4中，注入固定角度电压矢量的角度按下式确定：
Figure BDA0002393486730000032
其中，θr表示转子磁极所处位置，正向和反向表示电机即将旋转的方向。
上述步骤4中，注入固定角度电压矢量所需的PWM波由SVPWM模块产生，定位电流大小逐渐增加到预设值，并维持足够多的PWM周期，保证电机转子可靠定位。
采用上述方案后，本发明首先向电机绕组中注入三组正负电压U+V－、U－V+；V+W－、V－W+；W+U－、W－U+，通过AD采样获得两相电流IUV，IVU；IVW，IWV；IWU，IUW；在比较每组响应电路大小的基础上，确定电机转子所在扇区；该方法仅需要比较每组响应电流的相对大小，而不需要非常准确的数值，对电流采样的精度和噪声要求较低，抗干扰能力强。然后，结合电机即将旋转的方向，施加定位电压矢量，将电机转子拖动至所在扇区的最小角度或最大角度；从而保证了转子在定位过程中的运动方向与正常运行方向一致，避免了因反向旋转导致的设备损坏，提高了系统可靠性和安全性。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明实施例中向永磁同步电机绕组注入电压过程的电路示意图；
其中，(a)表示注入U+V－，(b)表示注入U－V+，(c)表示注入V+W－，(d)表示注入V－W+，(e)表示注入W+U－，(f)表示注入W－U+；
图3是本发明实施例中向永磁同步电机绕组注入不同电压时所能确定的电机转子所在半平面示意图；
其中，(a)表示注入U+V－、U－V+，(b)表示注入V+W－、V－W+，(c)表示注入W+U－、W－U+；
图4是本发明实施例中永磁同步电机转子磁极所在扇区的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提供一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，包括如下步骤：
S1，如图2所示，向永磁同步电机注入三组正负电压U+V－、U－V+；V+W－、V－W+；W+U－、W－U+，通过AD采样获得两相电流IUV，IVU；IVW，IWV；IWU，IUW；其中U+V－表示U相上桥臂导通，V相下桥臂导通，U－V+反之；V+W－表示V相上桥臂导通，W相下桥臂导通，V－W+反之；W+U－表示W相上桥臂导通，U相下桥臂导通，W－U+反之；IUV表示U+V－作用下从U相流入，V相流出的电流大小，IVU反之；IVW表示V+W－作用下从V相流入，W相流出的电流大小，IWV反之；IWU表示W+U－作用下从W相流入，U相流出的电流大小，IUW反之；
在进行电压注入时，每次注入电压的作用时间间隔大于预设值，以保证每次注入电压之前绕组中的电流充分衰减至零；每次注入电压的持续时间相同，且保证在开关器件导通期间，电流幅值一直处于上升状态，且每次电流AD采样的时刻为开关器件关断时刻，以保证获得最大电流值；另外，每次注入电压的持续时间在一个PWM周期内，由于电流回路的电气时间常数远小于电机的机械时间常数，从而保证注入过程中电机转子不发生转动；
S2，比较每组响应电流的大小，根据磁路不同方向的饱和程度差异，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面；
如图3所示，是根据绕组在不同注入电压下的响应电流大小判断电机转子所在半平面的过程，具体判断依据如下：
Figure BDA0002393486730000051
Figure BDA0002393486730000052
Figure BDA0002393486730000053
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的180°半平面。
S3，如图4所示，综合三组响应电流大小的比较结果，判断转子磁极所在扇区，具体确定依据如下：
Figure BDA0002393486730000054
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的60°扇区。
S4，根据转子磁极所在扇区，向电机绕组注入固定角度电压矢量，将转子拖动到与转向一致的扇区终点处；
在选择注入定位电压矢量的角度前，需要同时考虑电机磁极所处扇区和电机即将旋转的方向。假设正向旋转角度增加，若正转，则定位角度选取当前扇区的最大角度；若反转，则定位角度选取当前扇区的最小角度。进而，保证定位过程中电机转子运动方向与正常运行方向一致；表达式如下：
Figure BDA0002393486730000055
其中，θr表示转子磁极所处位置，正向和反向表示电机即将旋转的方向；
所述步骤S4中，注入定位电压矢量所需的PWM波由SVPWM模块产生，定位电流大小逐渐增加到预设值，并维持足够多的PWM周期，保证电机转子可靠定位；
S5，设定电机转子初始位置为步骤S4中所施加固定电压矢量的角度，进入正常无位置传感器运行状态，为电机正常运行做准备。
在本实施例中，通过向永磁同步电机绕组中注入多组电压，根据响应电流确定电机转子所在扇区，然后向绕组中通入定位电压矢量，将电机转子拖动到所在扇区的终点角度，将这一角度作为永磁同步电机无位置传感器控制的初始角度，保证电机转子向同一方向转动。所述永磁同步电机可以为隐极式永磁同步电机或者凸极式永磁同步电机，可以是三相电机也可以是多相电机。
综上，本发明依次向永磁同步电机注入三组正负电压U+V－、U－V+；V+W－、V－W+；W+U－、W－U+，通过AD采样获得两相电流，比较每组正负电压下的响应电流大小，根据磁路不同方向的饱和程度差异判断转子磁极所在的定子坐标系半平面，将三组半平面综合即可判断出转子位于的60°扇区。向电机注入固定电压矢量，将转子定位到当前扇区终点，然后，进行无位置传感器控制。在此过程中，保证了电机转子只会单一方向运动，避免了反转。本发明的技术方案仅需要比较正负电压下的响应电流相对大小，可简单有效地降低电流采样噪声和精度的影响，避免了永磁同步电机在无位置传感器控制下起动过程中不发生反转，适用于对电机旋转方向有严格要求的场合。既保证了永磁同步电机在无位置传感器控制算法下有效起动，同时又提高了系统可靠性和安全性。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (8)

1.一种避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1，向永磁同步电机注入三组正负电压U+V－、U－V+；V+W－、V－W+；W+U－、W－U+，通过AD采样获得两相电流IUV，IVU；IVW，IWV；IWU，IUW；其中，U+V－表示U相上桥臂导通，V相下桥臂导通，U－V+反之；V+W－表示V相上桥臂导通，W相下桥臂导通，V－W+反之；W+U－表示W相上桥臂导通，U相下桥臂导通，W－U+反之；IUV表示U+V－作用下从U相流入，V相流出的电流大小，IVU反之；IVW表示V+W－作用下从V相流入，W相流出的电流大小，IWV反之；IWU表示W+U－作用下从W相流入，U相流出的电流大小，IUW反之；
步骤S2，比较每组响应电流的大小，根据磁路不同方向的饱和程度差异，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面；
步骤S3，综合三组响应电流大小的比较结果，判断转子磁极所在扇区；
步骤S4，根据转子磁极所在扇区，向电机绕组注入固定角度电压矢量，将转子拖动到与转向一致的扇区终点处；
步骤S5，设定电机转子初始位置为步骤S4中所施加固定角度电压矢量的角度，进入正常无位置传感器运行状态。
2.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的作用时间间隔大于预设值，使得每次注入电压之前绕组中的电流衰减至零。
3.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的持续时间相同，且保证在开关器件导通期间，电流幅值一直处于上升状态，且每次电流AD采样的时刻为开关器件关断时刻。
4.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤1中，在进行电压注入时，每次注入电压的持续时间在一个PWM周期内。
5.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤2中，判断转子磁极所在定子坐标系下的半平面的依据如下：
Figure FDA0002393486720000021
Figure FDA0002393486720000022
Figure FDA0002393486720000023
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的180°半平面。
6.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤3中，判断转子磁极所在扇区的依据如下：
Figure FDA0002393486720000024
其中，括号中所示角度范围表示转子磁极所处的60°扇区。
7.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤4中，注入固定角度电压矢量的角度按下式确定：
Figure FDA0002393486720000025
其中，θr表示转子磁极所处位置，正向和反向表示电机即将旋转的方向。
8.如权利要求1所述的避免永磁同步电机反转的转子预定位方法，其特征在于：所述步骤4中，注入固定角度电压矢量所需的PWM波由SVPWM模块产生，定位电流大小逐渐增加到预设值，并维持足够多的PWM周期，保证电机转子可靠定位。
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