CN111478638A - 识别永磁同步电机转子初始位置的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法和装置，该方法包括：在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲；采集定子相电流，对定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到定子相电流的d、q轴响应电流分量；基于q轴响应电流分量的电流峰值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据误差数据确定目标变换角；将目标变换角作为新的初始电角度，循环执行向永磁同步电机施加交替电压脉冲至根据误差数据确定目标变换角的步骤进行闭环调节，直至满足收敛条件得到特征角度；在特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据各脉冲作用下的各d轴响应电流分量的峰值大小确定转子初始位置。

Description

识别永磁同步电机转子初始位置的方法和装置

技术领域

本申请涉及永磁同步电机技术领域，具体而言，涉及一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法和装置。

背景技术

在永磁同步电机的控制系统中，如何确定永磁体转子磁极在定子绕组中的位置是系统控制的关键内容，对转子位置的测量精度将影响电机控制系统的性能。确定永磁同步电机的转子位置的方式有两类：第一类，采用昂贵的绝对式编码器或者旋转变压器等位置传感器来获得转子磁极的绝对位置信息；第二类，以价格相对低廉的相对式编码器或者无位置传感器控制技术，对转子磁极进行间接定位，但是这需要在电机启动前确定永磁体转子的初始位置。

目前，现有技术中存在多种测量永磁同步电机转子磁极初始位置的方式，最普遍的一种是在定子的A相通入一段时间的电流，将转子磁极强制牵引到A相位置，以确定转子的初始位置，但这种方法不适用于转子静止“抱死”的场合，且在负载大的场景下精度较差；还有一种方式是利用定子绕组电感的凸极饱和效应，在定子的不同方向注入幅值宽度固定的电压，直接观察电流响应情况，这种方法虽然计算简单，但是精度较差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法和装置，能够改善现有技术中难以对永磁同步电机的转子初始位置进行精确识别的问题。

第一方面，本申请实施例提供一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法，所述方法包括：

在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲；

采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，所述d、q轴是两相同步旋转坐标系的坐标轴；

基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，以及基于所述反馈值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据所述误差数据计算得到目标变换角；

将所述目标变换角作为新的初始电角度，重复执行所述在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲至根据所述误差数据计算得到目标变换角的步骤进行闭环调节，直至检测到满足收敛条件，得到变换角收敛后的特征角度；

在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置。

在上述方法中，在利用了电机凸极效应的基础上，以交替注入幅值相同的脉冲的方式，充分利用高频脉冲作用下的电机在d、q轴的电感差异，提取并解耦d、q轴的有效响应电流特征，并结合了闭环自辨识过程对电机进行高频电压交替注入。在闭环调节过程中，通过q轴电流分量的峰值进行闭环反馈调节，而在满足收敛条件、结束闭环调节过程后，基于收敛得到的特征角度从多个指定方向进行对比测试，以根据d轴电流分量的峰值确定所求的永磁同步电机转子初始位置，整套方法的识别精度较佳，易于实现工程化应用。

在可选的实施方式中，基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，包括：

在所述交替电压脉冲的每个信号周期提取所述q轴响应电流分量i_q的电流峰值i_{q_max}；

对所述当前的初始电角度θ下的电流峰值i_{q_max}进行滤波，得到滤波后的电流分量i′_{q_max}，作为所述反馈值。

通过上述实现方式可以滤除杂波，降低数据处理难度，可对响应电流进行较好识别。

在可选的实施方式中，所述对永磁同步电机施加交替电压脉冲，包括：

以正负交替对发的方式，对所述永磁同步电机施加幅值恒定的交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m。

通过上述实现方式，可以尽可能保持转子静止，有助于精确识别出转子的初始位置。

在可选的实施方式中，所述定子相电流为三相电流：i_a、i_b和i_c，所述采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，包括：

采集所述永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c；

对采集的所述三相电流i_a、i_b和i_c进行克拉克变换，得到α-β坐标系下的时变电流i_α和i_β；

对所述i_α和i_β进行帕克变换，得到d轴响应电流分量i_d和q轴响应电流分量i_q。

通过上述实现方式，可以充分利用电机的d、q轴电感差异的原理，将电机在高频交替脉冲作用下的响应电流进行解耦，得到保持静止的转子在受到当前的初始电角度下的脉冲作用下的d轴响应电流分量i_d、q轴响应电流分量i_q。

在可选的实施方式中，满足收敛条件的实现方式包括：

在检测到相邻的多个目标变换角θ’之间的角度差值处于设定的角度范围时，确定满足收敛条件，在满足收敛条件时得到的目标变换角作为所述特征角度。

通过上述实现方式，快速结束闭环调节，从而快速得到特征角度。

在可选的实施方式中，所述在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置，包括：

在与所述特征角度θ_t平行或垂直的四个方向分别向所述永磁同步电机发送电压幅值相同的电压脉冲；

监测所述永磁同步电机在所述四个方向下的各个电压脉冲作用下的四组d轴响应电流分量，并提取所述四组d轴响应电流分量对应的四个电流峰值，将所述四个电流峰值中峰值最大的电流对应的电角度作为所述永磁同步电机的转子初始位置。

通过上述实现方式，快速、准确确定出永磁同步电机的转子初始位置。

在可选的实施方式中，所述永磁同步电机为内嵌式或表贴式的电机。

第二方面，本申请实施例提供一种识别永磁同步电机转子初始位置的装置，所述装置包括：

闭环调节模块，用于在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲；

所述闭环调节模块，还用于采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，所述d、q轴是两相同步旋转坐标系的坐标轴；

所述闭环调节模块，还用于基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，以及基于所述反馈值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据所述误差数据计算得到目标变换角；

所述闭环调节模块，还用于在检测到满足收敛条件时，获取变换角收敛后的特征角度；

识别模块，用于在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置。

通过上述装置可以执行前述第一方面的方法，可以快速识别永磁同步电机的转子初始位置，识别精度较高，易于实现工程化应用。

第三方面，本申请实施例提供一种电子设备，包括：

存储器；

处理器；

所述存储器上存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时执行前述第一方面所述的方法。

第四方面，本申请实施例提供一种存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时执行前述第一方面所述的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为一种永磁同步电机的结构示意图。

图2为本申请实施例提供的一种电子设备的结构框图。

图3为本申请实施例提供的一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法的流程图。

图4为本申请实施例提供的一种闭环调节系统的原理框图。

图5为本申请实施例提供的一个实例中的转子实际位置角与脉冲电压矢量角之间的位置关系示意图。

图6为本申请实施例提供的一个实例中的交替电压脉冲的示意图。

图7为本申请实施例提供的一个实例中的坐标转换关系示意图。

图8为本申请实施例提供的一个实例中基于特征角度的多个方向的电流响应示意图。

图9为本申请实施例提供的一个实例中的目标电角度收敛过程示意图。

图10为基于图9所示实例的特征角度得到的多个方向的电流响应示意图。

图11为本申请实施例提供的一种识别永磁同步电机转子初始位置的装置的功能模块框图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

永磁同步电机是由永磁铁励磁产生同步旋转磁场的同步电机。图1为一个实例中的永磁同步电机的结构示意图，在图1所示的永磁同步电机中，具有S极、N极的永磁体作为电机的转子，可用于产生旋转磁场，定子上的三组线圈A、B、C作为电机的三相定子绕组，可用于在旋转磁场的作用下通过电枢反应，感应三相对称电流。

在对永磁同步电机进行控制时，普遍采用磁场定向控制(Field-OrientedControl,FOC)原理实现。为了便于描述，后续描述中将永磁同步电机简称为电机。

现有技术中的一种基于FOC原理的电机控制实现过程包括以下7个步骤。

步骤1：采集三相电流i_a、i_b、i_c。

步骤2：将三相电流i_a、i_b、i_c变换至定子的静止两轴系统，得到i_α、i_β。

该步骤2的实现过程通常被称为克拉克变换、Clarke变换或3s/2s变换。在定子的静止两轴系统下，以α-β坐标系上的数据进行信息描述，其中，i_α、i_β是根据测得的i_a、i_b以及计算出的i_c值变换得到的，可以将i_α、i_β视为相互正交的时变电流值。

步骤3：在已知转子位置的情况下，将定子的静止两轴系统下的数据变换至转子的旋转两轴系统(该过程通常被称为帕克变化、Park变换或2s/2r变换)，以使电流的变量特性与转子磁通对应，i_α、i_β变量经过该变换可得到I_d、I_q。I_d、I_q是被变换到旋转坐标系下的正交电流。在稳态条件下，I_d、I_q是常量。

在转子的旋转两轴系统中，以两相同步旋转坐标系(d-q坐标系)上的数据进行信息描述。

步骤4：根据I_d、I_q的实际值以及I_d、I_q分别对应的参考值得到误差信号。

其中，I_d的参考值是用于控制转子磁通的，I_q的参考值是用于控制电机的转矩输出的。步骤4得到的误差信号可作为调节控制器(例如比例-积分控制器)的输入数据，该调节控制器根据误差信号将输出电压矢量V_d和V_q，该电压矢量V_d和V_q将作为下一次施加给电机的电压。

步骤5：根据已经测量得到的转子位置角确定新的变换角。

在该过程中，将V_α、V_β和i_α、i_β作为输入参数，根据V_α、V_β和i_α、i_β确定新的变换角，其中，用于确定新的变换角的V_α、V_β，是基于已经测量得到的转子位置角，在对电压矢量V_d和V_q进行逆变换后得到的。

步骤6：通过利用步骤5得到的新的变换角，对基于步骤4的误差信号得到的电压矢量V_d和V_q进行帕克逆变换(或称为Park逆变换)，以计算出用于产生下一个正交电压值的V_α、V_β。此时得到的V_α、V_β与步骤5中所用的V_α、V_β是不同数据(因为是基于不同的角度进行逆变换得到的值)。

步骤7：对步骤6得到的V_α、V_β进行克拉克逆变换(或称为Clarke逆变换)，以得到用于施加给电机的三相电压V_a、V_b、V_c。步骤7得到的三相电压V_a、V_b、V_c可用于计算出新的电压信号占空比，根据步骤7的V_a、V_b、V_c可以继续得到所需的电压矢量，以此实现对于电机的控制。

需要说明的是，上述步骤1-7的相关内容是一种在已知永磁同步电机转子初始位置的情况下所使用的电机控制方法，而实际上，现有技术中如果缺乏昂贵的绝对式编码器或旋转编码器等位置传感器，仅采用相对式编码器或无位置传感器控制技术对电机进行控制，目前较难在电机启动前快速、精确得到永磁同步电机转子初始位置。

因此，发明人经过研究，提出了以下实施例，以快速、准确得到永磁同步电机转子初始位置，从而可以在无需采用昂贵的绝对式编码器或旋转编码器等位置传感器的情况下，为电机的FOC控制过程提供位置数据参考。

请参阅图2，图2为本申请实施例提供的一种电子设备200的示意图。

如图2所示，该电子设备200具有运算处理能力，该电子设备200可包括存储器210、处理器220、通信总线230，存储器210、处理器220、通信总线230之间直接或间接连接，以实现数据交互，通信总线230用于实现电子设备200的各个内部组件之间的直接或间接通信连接。

存储器210是一种存储介质，该存储器210可以是RAM(Random Access Memory)存储器，也可以是非易失性存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。存储器210中存储有处理器220可执行的计算机程序，当存储器210中存储的计算机程序被处理器220执行时执行本申请实施例提供的方法，从而得到永磁同步电机的转子的初始位置信息。

处理器220具有运算处理能力，可以是中央处理器(Central Processing Unit，CPU)、微控制单元(Microcontroller Unit，MCU)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)等通用处理器或者其他可编程逻辑器件、分立硬件组件搭建的专用处理器。处理器220可以实现或者执行本申请实施例中的公开的各方法、步骤及逻辑框图。

其中，图2所示结构仅作为示意，在实际应用中，电子设备200可以有更多的组件，或具有不同于图2所示结构的其他设置方式，例如，电子设备200还可包括显示单元，可用于显示电机的电压数据、电流数据或确定出的转子位置等信息。

在一个应用场景下，该电子设备200不仅可以作为用于确定永磁同步电机的转子初始位置的设备，基于该电子设备200确定出的转子初始位置，该电子设备200还可以基于FOC原理对永磁同步电机进行电机控制，从而使得该电子设备200可以成为一种电机控制设备。

请参阅图3，图3为本申请实施例提供的一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法的流程图，该方法可以应用于图2所示的电子设备200，也可以应用于闭环调节系统，闭环调节系统可包括图2所示的电子设备200。

如图3所示，该方法包括步骤S31-S36。其中，在本申请实施例提供的方法中涉及的角度均是指电角度，以小写字母标识的参数表示变量。

S31：在当前的初始电角度θ下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲。

其中，该永磁同步电机可以为内嵌式或表贴式的电机。

当前的初始电角度θ作为本次调节测量过程中的当前参考角度。如果当前的初始电角度θ是第一次测试时使用的第一个角度，在第一次向永磁同步电机(简称电机)施加交替电压脉冲时，可以任意选择一个角度作为当前的初始电角度θ，如果当前非首次向电机施加交替电压脉冲，则取上一次施加交替电压脉冲时计算出的目标电角度θ’作为当前的初始电角度θ。基于当前确定出的初始电角度θ，可以向电机施加交替电压脉冲。该交替电压脉冲可表示为V_d＝±U_m，U_m表示该交替电压脉冲的恒定幅值。

作为一种实现方式，可以采用正负交替对发的方式，对永磁同步电机施加幅值恒定的交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m，V_q＝0。其中，V_d是两相同步旋转坐标系(即，d-q坐标系)中的d轴上的电压，V_q是d-q坐标系中的q轴上的电压。

在实际应用中，通过对V_d、V_q先进行Park逆变换，再进行Clarke逆变换，可以得到用于施加给电机的三相电压，从而对电机的三相开关全桥提供激励作用，使得电机的定子上产生响应电流。例如，电子设备中的处理器(例如MCU)可以在执行S31时向一驱动电路输出交替电压脉冲信号，从而使得该驱动电路在该交替电压脉冲信号的作用下为电机提供电压矢量，使得电机的定子上产生响应电流。驱动电路可以内置在电子设备内，也可以独立位于电子设备外部。

通过向电机交替注入d轴的电压脉冲，以正负对发或正反相对发的形式，可以使得电机的转子在被识别的过程中有效保持静止或微动，避免转子的实际位置发生变化。

S32：采集永磁同步电机的定子相电流，并对采集的定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到定子相电流在以当前的初始电角度θ作为变换角时的d、q轴响应电流分量i_d、i_g。

其中，d、q轴是两相同步旋转坐标系(d-q坐标系)的坐标轴。

作为S32的一种实现方式，S32中的定子相电流为电机的三相电流i_a、i_b、i_c，在电机受到S31的交替电压脉冲的激励作用时，可以采集并获取到永磁同步电机的定子的三相电流i_a、i_b和i_c。对于采集的三相电流i_a、i_b和i_c先进行克拉克变换，得到α-β坐标系下的时变电流i_α和i_β，再对i_α和i_β进行帕克变换，得到d轴响应电流分量i_d和q轴响应电流分量i_q。

其中，克拉克变换的表达式可包括：

帕克变换的表达式可包括：

基于S32的实现方式，可以充分利用电机的d、q轴电感差异的原理，将电机在高频交替脉冲作用下的响应电流进行解耦，得到保持静止的转子在受到当前的初始电角度下的脉冲作用下的d轴响应电流分量i_d、q轴响应电流分量i_q。

基于步骤S32得到的q轴响应电流分量i_q可执行S33。

S33：基于q轴响应电流分量i_q的电流峰值i_{q_max}确定反馈值。

作为S33的一种实现方式，S33可以包括子步骤S331-S332。

S331：在交替电压脉冲的每个信号周期提取q轴响应电流分量i_g的电流峰值i_{q_max}。

S332：对当前的初始电角度θ下的电流峰值i_{q_max}进行滤波，得到滤波后的电流分量i′_{q_max}，作为反馈值。

其中，在执行S331-S332时，还可以提取d轴响应电流分量i_d的电流峰值i_{d_max}，以及对i_{d_max}进行滤波，得到滤波后的电流分量i′_{d_max}。但i′_{d_max}可以不用于S34的闭环反馈。

在对电流峰值i_{q_max}或i_{d_max}进行滤波时，可以采用低通滤波方式进行滤波以得到i′_{q_max}或i′_{d_max}，也可以采用滑动平均值滤波方式进行滤波以得到i′_{q_max}或i′_{d_max}。

通过上述S331-S332的实现方式，可以滤除杂波，提升电流信号的纯净度，更便于准确识别出电流最大值。

在通过S33确定反馈值的情况下，可执行S34。

S34：基于反馈值和预设的q轴参考电流i_{q_ref}得到误差数据，并根据误差数据计算得到目标变换角θ’。

本领域技术人员可以根据实际需要设置q轴参考电流i_{q_ref}的值。在一个实例中，i_{q_ref}＝0。

通过将S33得到的反馈值和预设的q轴参考电流i_{q_ref}进行作差运算，可以得到当前的误差数据e。基于当前的误差数据e可以计算得到此时的目标变换角θ’，以此得到的目标变换角θ’是基于S31的当前的初始电角度θ和当前的误差数据e计算得到的。其中，可以基于比例-积分调节器(电子设备中可以存储比例-积分调节器的应用程序)的调节原理，将误差数据e作为比例-积分调节过程的输入数据，基于比例-积分调节原理得到目标变换角θ’。

作为一种实现方式，可以先根据误差数据e确定出一个步进值，当前得到的误差数据e越大，则步进值越大，在当前的初始电角度θ基础上加上根据误差数据e确定的步进值，即可计算出目标变换角θ’。

作为另一种实现方式，可以根据误差数据e确定出一个调节系数，在当前的初始电角度θ的基础上乘以该调节系数，即可得到目标变换角θ’。

通过上述的确定目标变换角θ’的实现方式，可以减少角度调节次数，相较于在初始电角度θ的基础上以固定的角度调节步进值进行递增或递减的方式，可以更快地实现变换角收敛。

其中，基于S34得到的目标变换角θ’，可以判断当前是否满足收敛条件，例如可以将当前的目标变换角θ’与当前时刻之前连续多次得到的目标变换角进行对比，在检测到相邻的多个(例如10个、20个等)目标变换角θ’之间的角度差值处于设定的角度范围时，确定满足收敛条件，在满足收敛条件时得到的最新的目标变换角作为特征角度。以此有利于快速结束闭环调节，从而快速得到特征角度。本领域技术人员可以根据实际需要设定用于判定收敛的角度范围。

可以理解的是，除了对连续的多个目标变换角进行对比之外，本领域技术人员还可以采用其他方式确定当前是否满足收敛条件，例如，可以在检测到反馈值连续多次处于指定的电流区间、或误差数据小于指定的误差范围、或检测到目标变换角的变化趋势稳定时，视为满足收敛条件。本领域技术人员可以根据实际采用的收敛判断方式设定各种的收敛条件下的电流区间、误差范围、变化趋势信息等。

在未满足收敛条件时，执行S35。

S35：将目标变换角作为新的初始电角度，基于该新的初始电角度跳转执行S31至S34的步骤进行闭环调节，直至检测到满足收敛条件，得到变换角收敛后的特征角度θ_t。

其中，在未对S35得到的特征角度θ_t进行后续确认的情况下，该特征角度θ_t是与待测的转子磁极的实际角度θ_r接近的角度或与转子磁极的实际角度θ_r相差90°的整数倍数的角度。由于特征角度θ_t是在满足收敛条件时确定的，因此，通过特征角度θ_t+k*90°的方式可以确定出几个待选角度，待测的转子磁极的实际角度θ_r是该几个待选角度中的其中一个角度。

为了快速、准确确定出永磁同步电机的转子初始位置(即θ_r)，基于S35可以执行S36。

S36：在特征角度θ_t的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定永磁同步电机的转子初始位置。

其中，特征角度θ_t的多个指定方向是与特征角度θ_t平行或垂直的方向，该多个指定方向之间相互垂直。多个d轴响应电流分量中电流峰值最大的电流所对应的电角度可以视为转子的磁极(例如N极)所指方向。

作为一种实施方式，可根据特征角度θ_t确定相互垂直的四个方向，该四个方向与特征角度θ_t平行或垂直，在与特征角度θ_t平行或垂直的四个方向分别向永磁同步电机发送电压幅值相同的电压脉冲，并监测永磁同步电机在该四个方向下的d轴响应电流，从而基于d轴响应电流的峰值大小确定永磁同步电机的转子初始位置。例如，可基于θ_t+k*90°这一表达式，对k进行设置得到特征角度θ_t的多个指定方向，通过对k取四个整数即可确定出与特征角度θ_t匹配的四个与θ_t平行或垂直的方向，以取k＝0、1、2、3为例，得到的多个指定方向是θ_t、θ_t+90°、θ_t+180°、θ_t+270°。

根据特征角度θ_t，可以在θ_t、θ_t+180°、θ_t+90°、θ_t+270°四个方向分别向永磁同步电机发送电压幅值相同的电压脉冲，通过监测永磁同步电机在该四个方向下的各个电压脉冲作用下的四组d轴响应电流分量，并提取、比较四组d轴响应电流分量对应的四个电流峰值，将四个电流峰值中峰值最大的电流对应的电角度作为永磁同步电机的转子初始位置。以此可以从特征角度θ_t的多个指定方向中识别出一个方向作为永磁同步电机的转子初始位置，以此完成对于永磁同步电机的转子初始位置的识别过程。

其中，在执行S36时，多个指定方向的每个方向可发送一个d轴方向上的电压脉冲，四个方向发送的电压脉冲的电压幅值相同。

可以理解的是，在其他实施例中，k可以取其他值，只要能够基于特征角度θ_t确定出与θ_t平行或垂直的四个角度，并该四个角度确定出电流峰值最大的电角度即可，例如多个指定方向还可以是θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2。

上述S31-S36的方法中，在利用了电机凸极效应的基础上，以交替注入幅值相同的脉冲的方式，充分利用高频脉冲作用下的电机在d、q轴的电感差异，提取并解耦d、q轴的有效响应电流特征，并结合了基于比例-积分调节器(PI调节器)的闭环自辨识过程对电机进行高频电压交替注入。在闭环调节过程中，通过q轴电流分量的峰值进行闭环反馈调节，而在满足收敛条件、结束闭环调节过程后，基于收敛得到的特征角度从多个指定方向进行对比测试，以根据d轴电流分量的峰值确定所求的永磁同步电机转子初始位置，整套方法的识别精度较佳，易于实现工程化应用。

相较于高频正弦电压注入法(给定子注入特定电角度、幅值正弦变化的高频电压)、高频旋转电压注入法(给定子注入高频旋转电压)，高频正弦电压注入法和高频旋转电压注入法在分析电流响应特性包涵的转子位置信息时，对电流采样精度的要求较高，数据处理也较为复杂，工程化应用较为困难，而通过本申请实施例提出的上述方法可以降低采样精度、降低数据处理难度，易于实现工程化应用。

下面将结合图4给出一个完整实例对本申请实施例提供的上述方法进行详细介绍。

请参阅图4，图4是本申请实施例提供的一种闭环调节系统的原理框图。图4中的“PMSM”表示永磁同步电机，“SVPWM”是空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse WidthModulation)技术的简称，图4中的“max”表示用于进行峰值提取的功能处理模块，“LPF”表示低通滤波器。

图5示出了一个实例中的永磁同步电机的转子实际位置角与脉冲电压矢量角之间的关系。

在图5中，电机的三相定子绕组(A、B、C)中的A相轴线位置记为电角度为0的方向，待测的转子的实际位置角记为θ_r(转子的N极角度)，施加的电压脉冲V_d的矢量角为当前的初始电角度θ。

在第一次测试时，任意选择一个角度作为当前的初始电角度θ进行第一次测试，以第一次选取θ＝0为例(即当前的初始电角度为定子A相轴线位置)，第一次测试时，向θ＝0的初始电角度发送交替的电压脉冲V_d＝U_m、V_d＝-U_m，交替电压脉冲经过Park逆变换处理、空间矢量脉宽调制后，可触发电机的三相开关全桥工作。

在一个实例中，发送的交替电压脉冲请参阅图6。如图6所示，在一个交替电压脉冲的信号周期T内，t0～t4的时间段表示一个信号周期T。其中，t0～t1的时间段内发送电压幅值为U_m的正向脉冲，占T/4，t2～t3的时间段内发送电压幅值为-U_m的负相脉冲，占T/4。t1～t2、t3～t4的时间段为脉冲间隔，各占T/4。

基于图6所示的交替电压脉冲，在交替电压脉冲的每个信号周期T内持续采集电机的三相电流i_a、i_b、i_c变量，并对i_a、i_b、i_c进行Clarke变换、Park变换，得到三相电流i_a、i_b、i_c在θ＝0时的d、q轴响应电流分量i_d、i_q。以此对三相电流进行坐标转换，将三相电流变换到图7所示的d-q坐标系下，得到i_d、i_q变量。

在当前的初始电角度θ＝0未改变的情况下，对i_d、i_q变量进行分析，提取每个信号周期T内的i_d、i_q变量的峰值，即在交替电压脉冲的每个信号周期T内的正相周期分别提取d、q轴电流分量的峰值得到i_{d_max}、i_{q_max}(例如图6中的I_{d_max}、I_{q_max})，在交替电压脉冲的每个信号周期T内的负相周期也分别提取d、q轴电流分量的峰值得到i_{d_max}、i_{q_max}(例如图6中的-I_{d_max}、-I_{q_max})。

在对交替电压脉冲的每个信号周期T内得到的d、q轴电流分量的峰值进行低通滤波或滑动平均滤波后，可得到滤波后的电流分量i′_{d_max}、i′_{q_max}。

在将q轴滤波后的电流分量i′_{q_max}作为反馈值，设定i_{q_ref}为给定的q轴参考电流时，对i′_{q_max}和i_{q_ref}作差得到误差数据e。基于比例-积分调节器(PI调节)的闭环调控原理，将误差数据e作为PI调节器的输入参数，根据误差数据e计算得到目标电角度θ’。关于此时得到的目标电角度θ’，是在以θ＝0的情况下，发送交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m，V_q＝0的过程中得到的用于进行下一次测试的下一个变换角。

由于当前是以0＝0进行第一次测试得到的目标电角度θ’，未满足收敛条件。因此，以当前的目标电角度θ’作为新的初始电角度，对当前的初始电角度θ进行更新，即取θ＝θ’，并在θ＝θ’的情况下，继续向电机发送交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m，V_q＝0，继续采集三相电流i_a、i_b、i_c，并计算新的d、q轴响应电流分量i_d、i_q，以及提取新的电流峰值得到i_{d_max}、i_{q_max}，从而再次得到q轴滤波后的电流分量i′_{q_max}作为反馈值，计算出当前的误差数据e，得到新的目标电角度。此时可以判断是否满足收敛条件，如果满足收敛条件(例如误差数据e小于设定的最小误差e’)，则可以得到收敛的特征角度θ_t，而如果此时未满足收敛条件(例如，调节次数太少不足以判定收敛)，则以当前得到的目标电角度继续对当前的初始电角度进行更新，以此在不同的电角度下对电机以交替电压脉冲进行测试。

在经过一段时间的闭环调节自辨识过程后，目标电角度将收敛至比较稳定的特征角度θ_t(反馈值、误差数据基本不再改变或变化范围小于设定范围)。

该θ_t与待测的θ_r之间的关联关系为：收敛得到的特征角度θ_t近似等于θ_r，或与θ_r相差90°的整数倍。为了快速、准确判断电机的转子磁极指向，并且为了继续保持转子静止，因此，根据收敛得到的特征角度θ_t确定了四个相互垂直的方向：θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2，如图8所示，在θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2该四个相互垂直的方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，四个电压脉冲的幅值可以是Um，也可以是其他值，只要四个电压脉冲之间的幅值相同即可。为了从θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2该四个角度中确定出真正的θ_r，比较该四个方向的四个电压脉冲作用下的电流响应情况，在该四个方向的每个方向的脉冲作用下，采集三相电流、提取d轴响应电流分量i_d的电流峰值i_{d_max}，对i_{d_max}滤波得到i’_{d_max}，可得到θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2该四个方向对应的四个电流峰值，以四个电流峰值中峰值最大的电流对应的电角度作为θ_r。

基于图8所示的实例可以得知，由于在初始电角度θ取θ_t时发送的电压脉冲作用下，电流峰值最大，因此，在该例中，识别出的电机的转子初始位置即为θ_t，得到转子N极的位置角度。

在一个实例中，在实际的转子磁极为θ_r＝π/4时，如图9所示，采用上述方法进行闭环调节辨识时，根据q轴的电流分量反馈情况(例如图9中的I_{q_max}的变化)以及给定的参考电流，可以在500毫秒内将目标电角度θ’收敛至θ_t＝0.8517rad(对应步骤S31-S35)，基于θ_t＝0.8517rad向四个相互垂直的方向(例如θ_t、θ_t+π、θ_t+π/2、θ_t-π/2)发送幅值相同、脉冲宽度相同的d轴电压脉冲(电压幅值为7.2V)，比较四个方向的响应电流峰值(d轴上的电流峰值)，得到的结果如图10所示。通过图9、图10可以得知该例中识别得到的转子初始磁极位置θ_t与实际的转子磁极为θ_r仅相差3.8电角度，识别精度较高，识别效率较高。

基于同一发明构思，请参阅图11，本申请实施例还提供一种识别永磁同步电机转子初始位置的装置400，该装置包括闭环调节模块401和识别模块402。

闭环调节模块401，用于在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲。

闭环调节模块401，还用于采集永磁同步电机的定子相电流，并对采集的定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到定子相电流在以当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，d、q轴是两相同步旋转坐标系的坐标轴。

闭环调节模块401，还用于基于q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，以及基于反馈值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据误差数据计算得到目标变换角。

闭环调节模块401，还用于在检测到满足收敛条件时，获取变换角收敛后的特征角度。

识别模块402，用于在特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定永磁同步电机的转子初始位置。

通过该装置可以执行前述识别永磁同步电机转子初始位置的方法。

可选地，该闭环调节模块401还可用于：在交替电压脉冲的每个信号周期提取q轴响应电流分量i_q的电流峰值i_{q_max}；对当前的初始电角度θ下的电流峰值i_{q_max}进行滤波，得到滤波后的电流分量i′_{q_max}，作为反馈值。

可选地，该闭环调节模块401还可用于以正负交替对发的方式，对永磁同步电机施加幅值恒定的交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m。

可选地，闭环调节模块401还可用于：采集永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c；对采集的三相电流i_a、i_b和i_c进行克拉克变换，得到α-β坐标系下的时变电流i_α和i_β；对i_α和i_β进行帕克变换，得到d轴响应电流分量i_d和q轴响应电流分量i_q。

可选地，该闭环调节模块401还可用于：在检测到相邻的多个目标变换角θ’之间的角度差值处于设定的角度范围时，确定满足收敛条件，其中，在满足收敛条件时得到的目标变换角作为特征角度。

可选地，该识别模块402还可用于：在与特征角度θ_t平行或垂直的四个方向分别向永磁同步电机发送电压幅值相同的电压脉冲；监测永磁同步电机在四个方向下的各个电压脉冲作用下的四组d轴响应电流分量，并提取四组d轴响应电流分量对应的四个电流峰值，将四个电流峰值中峰值最大的电流对应的电角度作为永磁同步电机的转子初始位置。

关于本申请实施例提供的该装置的其他细节，请参考前述方法中的相关描述，在此不再赘述。

基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时执行前述的方法。该存储介质可以是U盘、存储器、磁盘等各种可以存储计算机程序的介质。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露装置和方法，可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，又例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统。另一点，所讨论的相互之间的连接可以是通过一些通信接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。另外，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单元来实现本实施例方案的目的。

再者，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或两个以上模块集成形成一个独立的部分。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种识别永磁同步电机转子初始位置的方法，其特征在于，所述方法包括：

在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲；

采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，所述d、q轴是两相同步旋转坐标系的坐标轴；

基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，以及基于所述反馈值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据所述误差数据计算得到目标变换角；

将所述目标变换角作为新的初始电角度，重复执行所述在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲至根据所述误差数据计算得到目标变换角的步骤进行闭环调节，直至检测到满足收敛条件，得到变换角收敛后的特征角度；

在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，包括：

在所述交替电压脉冲的每个信号周期提取所述q轴响应电流分量i_q的电流峰值i_{q_max}；

对所述当前的初始电角度θ下的电流峰值i_{q_max}进行滤波，得到滤波后的电流分量i′_{q_max}，作为所述反馈值。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对永磁同步电机施加交替电压脉冲，包括：

以正负交替对发的方式，对所述永磁同步电机施加幅值恒定的交替电压脉冲矢量：V_d＝±U_m。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述定子相电流为三相电流：i_a、i_b和i_c，所述采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，包括：

采集所述永磁同步电机的三相电流i_a、i_b和i_c；

对采集的所述三相电流i_a、i_b和i_c进行克拉克变换，得到α-β坐标系下的时变电流i_α和i_β；

对所述i_α和i_β进行帕克变换，得到d轴响应电流分量i_d和q轴响应电流分量i_q。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，满足收敛条件的实现方式包括：

在检测到相邻的多个目标变换角θ’之间的角度差值处于设定的角度范围时，确定满足收敛条件，其中，在满足收敛条件时得到的目标变换角作为所述特征角度。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置，包括：

在与所述特征角度θ_t平行或垂直的四个方向分别向所述永磁同步电机发送电压幅值相同的电压脉冲；

监测所述永磁同步电机在所述四个方向下的各个电压脉冲作用下的四组d轴响应电流分量，并提取所述四组d轴响应电流分量对应的四个电流峰值，将所述四个电流峰值中峰值最大的电流对应的电角度作为所述永磁同步电机的转子初始位置。

7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，所述永磁同步电机为内嵌式或表贴式的电机。

8.一种识别永磁同步电机转子初始位置的装置，其特征在于，所述装置包括：

闭环调节模块，用于在当前的初始电角度下，对永磁同步电机施加交替电压脉冲；

所述闭环调节模块，还用于采集所述永磁同步电机的定子相电流，并对采集的所述定子相电流进行克拉克变换和帕克变换，得到所述定子相电流在以所述当前的初始电角度作为变换角时的d、q轴响应电流分量，所述d、q轴是两相同步旋转坐标系的坐标轴；

所述闭环调节模块，还用于基于所述q轴响应电流分量的电流峰值确定反馈值，以及基于所述反馈值和预设的q轴参考电流得到误差数据，并根据所述误差数据计算得到目标变换角；

所述闭环调节模块，还用于在检测到满足收敛条件时，获取变换角收敛后的特征角度；

识别模块，用于在所述特征角度的多个指定方向分别发送电压幅值相同的电压脉冲，以根据所述多个指定方向的脉冲作用下的多个d轴响应电流分量的峰值大小，确定所述永磁同步电机的转子初始位置。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

存储器；

处理器；

所述存储器上存储有所述处理器可执行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时执行权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时执行权利要求1-7任一项所述的方法。

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