电机零位检测装置、方法及矢量控制系统和存储介质
技术领域
本发明涉及电机技术领域,特别涉及一种电机零位检测装置、方法及矢量控制系统和存储介质。
背景技术
近年来,清洁能源汽车越来越受到关注,各种新能源汽车发展迅速,其中纯电动汽车的动力主要来源于电机,而永磁同步电机因功率密度大、效率高等特点得到广泛应用。但是,要使得永磁同步电机高效运行,需要精确获得实时转子位置。一般地,转子位置通过安装在电机轴上的旋转变压器获得,但旋转变压器的零位在安装时很难保证是与转子零位对齐的,从而需要对电机进行零位标定。
现有技术中的电机零位标定方法主要有以下几种:
1)借助外力将电机旋转到一定的速度,然后通过示波器观察反电动势信号与旋转变压器的位置信号,然后根据时间时长差,推算出电机的零位。
2)在一个圆周内每60度给定不同的电压矢量,等到转速稳定后得到6个不同的电机零位信息,然后求取平均值得到最终的零位信息。
3)通过给定d电流,并通过调节d轴与预设零位之间的夹角使得电机转速恒定,转速稳定后预设零位角度就是电机的零位。
4)通过给定不同电流矢量使得电机稳定在正反向两个转速上,获得两次电机零位,然后取两次平均值。
但是,本申请发明人在实现本申请的过程中发现,现有的这种电机零位标定方法至少存在以下缺点:
对于第1)种方法,其需要将电机安装到测功机上面,并将电机拖到一定转速,而且还需要示波器设备采集反电动势以及旋转变压器零位信号,从而不适合应用在整车上批量生产时的下线零位检测。
对于第2)种方法,其需要多次施加不同的电压矢量,等待转速稳定后才能得到零位信息,耗时较长,而且由于存在机械摩擦,检测得到的零位精度会受到影响。
对于第3)种方法,可以快速在整车上获得电机的零位信息,但由于机械摩擦的影响,导致电机零位精度受到影响。
对于第4)种方法,其通过使得电机旋转正反向,得到两次电机零位信息,求取两次平均值,可以消除因存在机械摩擦导致的零位偏差,但是此方法未考虑电机初始时转子的停留位置,而不同的停留位置可能导致此方法不能正常工作。
综上,现有的电机零位标定方法适用性有限,特别是受限于电机的转子初始停留位置,当转子初始停留在不同的位置时,相应方法可能无法正常工作。
发明内容
有鉴于此,本发明旨在提出一种电机零位检测装置,以至少部分地解决上述技术问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种电机零位检测装置,所述电机为永磁同步电机,且所述电机零位检测装置基于永磁同步电机矢量控制实现,并包括:位置检测模块,用于检测并实时修正电机转子位置;以及零位解析模块,用于在电机转速稳定在给定的参考转速时,基于修正后的电机转子位置确定电机零位。
进一步的,所述位置检测模块包括:判断模块,用于实时获取电机转速,并判断所述电机转速的方向与所述参考转速的方向是否一致,并在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向不一致,且所述电机转速绝对值大于设定阈值的情况下,将预设的角度调节标志位设置为第二状态,并锁存被设置为所述第二状态的所述角度调节标志位,其中所述角度调节标志位初始被设置为第一状态;以及角度调节器,用于在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置。
进一步的,所述角度调节器还用于:在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向一致,且所述角度调节标志位为第一状态的情况下,将所述转速控制器实时输出的电机转子位置作为修正后的电机转子位置。
进一步的,所述角度调节器在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置,包括:将所述转速控制器输出的电机转子位置加上π弧度。
进一步的,所述位置检测模块包括:修正模块,用于实时获取所述电机的电机转子位置,并将所获取的电机转子位置修正为所述电机转子位置与静止转子位置之和,其中所述静止转子位置是指执行一次转子静止过程以获取的转子静止后的当前转子位置,其中,在所述转子静止过程中,将用于所述电机的矢量控制的坐标变换中的角度设为零。
进一步的,所述电机零位检测装置还包括:均值计算模块,用于获取电机正转时对应的电机转速的正向电机零位以及电机反转时对应的电机转速的反向电机零位,并计算所述正向电机零位和所述反向电机零位的均值以得到最终的电机零位。
相对于现有技术,本发明所述的电机零位检测装置考虑了转子初始位置对零位标定的影响,实时地对电机转子位置进行检测和修正,并基于修正后的电机转子位置确定电机零位,使得本发明的电机零位检测装置在任意转子位置都可以顺利完成零位测试。
本发明的另一目的在于提出一种永磁同步电机的矢量控制系统,以至少部分地解决上述技术问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种永磁同步电机的矢量控制系统,包括上述的电机零位检测装置。
本发明的另一目的在于提出一种电机零位检测方法,以至少部分地解决上述技术问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种电机零位检测方法,所述电机为永磁同步电机,且所述电机零位检测方法基于永磁同步电机矢量控制实现,且所述电机零位检测方法包括:检测并实时修正电机转子位置;以及在电机转速稳定在给定的参考转速时,基于修正后的电机转子位置确定电机零位。
进一步的,所述检测并实时修正电机转子位置包括:实时获取电机转速;将预设的角度调节标志位设置为第一状态;在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向不一致,且所述电机转速绝对值大于设定阈值的情况下,将所述角度调节标志位设置为第二状态,并锁存被设置为所述第二状态的所述角度调节标志位;以及在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置。
进一步的,所述检测并实时修正电机转子位置还包括:在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向一致,且所述角度调节标志位为第一状态的情况下,将所述转速控制器实时输出的电机转子位置作为修正后的电机转子位置。
进一步的,所述在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置,包括:将所述转速控制器输出的电机转子位置加上π弧度。
进一步的,所述检测并实时修正电机转子位置包括:实时获取所述电机的电机转子位置;执行一次转子静止过程以获取转子静止后的静止转子位置,其中,在所述转子静止过程中,将用于所述电机的矢量控制的坐标变换中的角度设为零;以及将所获取的电机转子位置修正为所述电机转子位置与所述静止转子位置之和。
进一步的,所述电机零位检测方法还包括:获取电机正转时对应的电机转速的正向电机零位以及电机反转时对应的电机转速的反向电机零位,并计算所述正向电机零位和所述反向电机零位的均值以得到最终的电机零位。
本发明的另一目的在于提出一种机器可读存储介质,以至少部分地解决上述技术问题。
为达到上述目的,本发明的技术方案是这样实现的:
一种机器可读存储介质该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行上述的电机零位检测方法。
所述永磁同步电机的矢量控制系统、电机零位检测方法、机器可读存储介质与上述电机零位检测方法相对于现有技术所具有的优势相同,在此不再赘述。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1是永磁同步电机的矢量控制原理图;
图2是应用本发明第一实施例的电机零位检测装置的永磁同步电机矢量控制的原理示意图;
图3是应用本发明第二实施例的电机零位检测装置的永磁同步电机矢量控制的原理示意图;
图4是本发明实施例的dq轴坐标关系图;
图5是采用本发明第一实施例的位置检测模块进行零位检测的流程示意图;
图6(a)是参考转速与电机转速符号一致时的测试结果的示意图;
图6(b)是参考转速与电机转速符号不一致时的测试结果的示意图;
图7是采用本发明第二实施例的位置检测模块进行零位检测的流程示意图;以及
图8是本发明实施例的电机零位检测方法的流程示意图。
附图标记说明:
100、位置检测模块 200、零位解析模块
110、判断模块 120、角度调节器
130、修正模块
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
为了更为清楚地介绍本发明实施例的方案,在此先对永磁同步电机的矢量控制进行介绍。
图1是永磁同步电机的矢量控制原理图。结合图1,永磁同步电机的矢量控制过程可描述为:首先需要采集永磁同步电机的三相相电流iAiBiC,再通过Clark变换得到iαiβ,再通过park变换得到idiq,即永磁同步电机的dq轴电流;PI控制器(即比例-积分控制器)基于idiq电流与给定的dq轴参考电流idrefiqref的差值进行电流调节以分别得到dq轴电压uduq,再经过反Park变换得到电压uαuβ,再通过空间矢量控制变换得到六路PWM信号,然后输入至电机控制器106以实现对永磁同步电机的反馈控制;其中,电机转速和转子位置信号检测模块(可采用旋转变压器)还同时检测电机转速ωr和转子位置θ1,PI控制器基于ωr与给定的参考转速ωref的差值进行转速调节得到转子位置θ2,并根据θ2和θ1确定用于park变换103及反Park变换104中的坐标变换的角度θ4。
下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种电机零位检测装置,其中电机是指永磁同步电机,而本发明实施例的电机零位检测方法是基于上述的永磁同步电机的矢量控制系统实现的。参考图2和图3,该电机零位检测装置包括:位置检测模块100,用于检测并实时修正电机转子位置;以及零位解析模块200,用于在电机转速稳定在给定的参考转速时,基于修正后的电机转子位置确定电机零位。
具体地,修正后的电机转子位置影响用于转速控制的PI控制器的输出的转子位置信息,而在转速稳定后,零位解析模块200可通过解析该PI控制器的输出来得到电机的零位信息。
在优选的实施例中,该电机零位检测装置还可以包括:均值计算模块,用于获取电机正转时对应的电机转速的正向电机零位以及电机反转时对应的电机转速的反向电机零位,并计算所述正向电机零位和所述反向电机零位的均值以得到最终的电机零位。即,将电机正反转工况下分别对应正向电机零位反向电机零位的均值作为最终的电机零位,如此,有利于提高零位检测的精度。
相对于现有技术中不考虑转子初始位置对零位标定的影响的方案,本发明实施例实时地对电机转子位置进行修正,以基于修正后的电机转子位置确定电机零位,使得本发明实施例的电机零位检测装置在任意转子位置都可以顺利完成零位测试。
下面将结合具体的实例来描述本发明实施例的电机零位检测装置的更多实施细节。
图2是应用本发明第一实施例的电机零位检测装置的永磁同步电机矢量控制的原理示意图。参考图2,所述位置检测模块100可以包括:判断模块110,用于实时获取电机转速,并判断所述电机转速的方向与所述参考转速的方向是否一致,并在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向不一致,且所述电机转速绝对值大于设定阈值的情况下,将预设的角度调节标志位设置为第二状态,并锁存被设置为所述第二状态的所述角度调节标志位,其中所述角度调节标志位初始被设置为第一状态;以及角度调节器120,用于在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置。
举例而言,设角度调节标志位为Flag,并设置其具有为0的第一状态以及为1的第二状态。
具体地,对于判断模块110,其可通过旋转变压器来获得电机转速,且可根据所述电机转速和所述参考转速的符号判断两者的方向是否一致,例如当两者的转速值均为正号或负号时,两者的方向一致,而为一正一负时,则表明两者的方向并不一致。另外,阈值例如为ωr *,其可以根据参考转速ωref的值来进行设定,例如将阈值ωr *设定为参考转速ωref的几分之一。可知,只有当电机转速和参考转速方向不一致,且电机转速大于阈值ωr *才会将Flag置1,其他条件不会置位此标志位,且Flag一旦置为1,将一直锁存,只有再次给定转速指令进行零位测试时,才会置为零,重新进行上述条件判断。
具体地,对于角度调节器120,在优选的实施例中,具体的修正方案是将所述转速控制器输出的电机转子位置加上π弧度。举例而言,对应于图1,即是使得θ2=θ1+π。可结合图2进行理解,图2涉及的永磁同步电机矢量控制是双反馈闭环控制,即通过给定dq轴参考电流来实现电流闭环,以及通过给定参考转速与反馈转速差值经过PI控制器调节合成电流矢量与实际d轴之间的夹角来实现转速闭环,当转速稳定后,用于转速控制的PI控制器的输出夹角即为电机当前零位。但若未考虑电机的转子初始位置,给定参考的电流矢量以后,转子转动方向不一定与给定参考转速方向一致,这需要结合dq轴坐标系进行理解。
图4是本发明实施例的dq轴坐标关系图,可知dq轴坐标为电机转子停留位置的实际坐标位置,d*q*轴坐标是PI控制器所合成的坐标系位置,θ为两个坐标系之间的夹角。实际电机转子可能停留在任意位置,那么θ取值为0~2π之间。当θ位于0~π和π~2π时,电机转速方向是相反的,将导致转速环路PI饱和,电机转速加速失控,导致无法获得电机零位。据此,基于“当θ位于0~π和π~2π时,电机转速方向是相反的”这一事实,本发明实施例对电机转子位置的修正方案即为上述的θ2=θ1+π。
进一步地,所述角度调节器120还用于:在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向一致,且所述角度调节标志位为第一状态的情况下,将所述转速控制器实时输出的电机转子位置作为修正后的电机转子位置。对应上述关于Flag的例子,即当Flag为0时,无需进行电机转子位置的修正,θ2=θ1。
下面通过示例来具体介绍利用本发明第一实施例所对应的电机零位检测装置实现可基于任意转子位置进行零位检测的实施过程,该示例中,以上述的角度调节标志位Flag为例,且相关参数与图1及图2保持一致。其中,
图5是采用本发明第一实施例的位置检测模块进行零位检测的流程示意图,参考图5,该实施过程具体包括以下步骤:
步骤S501,将Flag置零。
步骤S502,给定d轴电流指令。
步骤S503,给定参考转速。
步骤S504,判断参考转速与电机转速符号是否一致,若一致则执行步骤S507,否则执行步骤S505。
步骤S505,判断电机转速绝对值是否大于阈值,若是则执行步骤S506,否则返回步骤S504。
步骤S506,将Flag调整为置1,并锁存此状态。
步骤S507,判断Flag是否为1,若是则执行步骤S508,否则跳至步骤S509。
步骤S508,角度调节器将对应PI控制器的输出加上π弧度,即θ2=θ1+π。
步骤S509,判断转速是否稳定,即是否稳定在所述参考转速,若是则执行步骤S510,否则重新进行判断。
其中,在Flag为0时,θ2=θ1。
步骤S510,得到电机零位信息。
具体地,零位解析模块200在电机转速稳定以后,根据用于转速控制的PI控制器输出的角度θ1,计算当前电机零位信息。
该示例的实施过程中涉及参考值的设定,具体可以有以下设定:
1)dq轴参考电流idrefiqref的设定。
具体地,q轴电流设定为0,d轴电流的大小需要根据所使用的电机转动惯量,摩擦系数等机械特性,以及所需要转速环路稳定的时间要求和零位测量精度要求,调试合适的数值。
2)参考转速ωref的设定。
需要根据实际调试不同转速时得到的零位精度、响应时间等设定合适转速参考值。
3)转速阈值ωr *的设定。
当参考转速设定后,可以将此值设定为参考转速ωref的几分之一,例如三分之一。
设定好参考值及其他相关参数后,执行上述步骤S501-步骤S510,可得到图6(a)和图6(b)中转子初始停留在不同位置时的测试结果,其中图6(a)是参考转速与电机转速符号(或方向)一致时的测试结果,图6(b)是参考转速与电机转速符号(或方向)不一致时的测试结果。此测试给定参考转速ωref为-300rpm,参考d轴电流idref为-20A,转速阈值ωr *为100rpm。从测试结果可以看出当ωref和ωr符号一致时,电机转速快速趋于参考转速并稳定下来;当ωref和ωr符号不一致时,电机转速超过阈值ωr *后,输出电流矢量反向,转速开始降低,然后趋于参考转速并稳定下来。实际测试中,可将电角度分为12份,分别将转子初始位置人为地停在(0,30,60,90,…,330),电机转速均可在1.5s内趋于参考转速,并输出对应的电机零位。
通过该测试结果,可知本发明第一实施例的方法可保证转子初始停留在不同的位置时,通过电流闭环和转速闭环使得电机转速稳定后得到电机零位的测试方法始终可以正常工作,从而基于对转子初始位置的判断及对转子位置的修正,使得在任意转子位置都可以顺利完成零位测试。其中,通过对参考转速与电机转速的符号和幅值判断,来设置并锁存标志位,并通过检测此标志位来对转速PI控制器的输出夹角进行调整,可以避免当参考转速与反馈符号不一致时,速度PI控制器出现饱和,从而使得转速能够稳定到参考转速。
图3是应用本发明第二实施例的电机零位检测装置的永磁同步电机矢量控制的原理示意图。参考图3,所述位置检测模块100可以包括:修正模块130,用于实时获取所述电机的电机转子位置,并将所获取的电机转子位置修正为所述电机转子位置与静止转子位置之和。
其中,所述静止转子位置是指执行一次转子静止过程以获取的转子静止后的当前转子位置。并且,在所述转子静止过程中,要求将用于所述电机的矢量控制的坐标变换中的角度(对应于图中的θ4)设为零。
图7是采用本发明第二实施例的位置检测模块进行零位检测的流程示意图,参考图7,该实施过程具体包括以下步骤:
步骤S701,将用于坐标变换的角度θ4设为零。
步骤S702,给定d轴电流指令。
步骤S703,判断转子是否静止,若是则执行步骤S704,否则重新进行判断。
步骤S704,当转子静止后,读取当前转子位置为θ0,锁存此位置信息,并在后面的测试中使得:θ2=θ1+θ0。
在此,该当前转子位置为θ0即为静止转子位置。
步骤S705,给定d轴电流指令,其中要求给定d轴参考电流idref。
步骤S706,给定d轴转速指令,其中要求给定参考转速ωref。
步骤S707,判断转速是否稳定,即是否稳定在所述参考转速,若是则执行步骤S708,否则重新进行判断。
步骤S708,得到电机零位信息。
给定反向参考转速指令,重复上述过程得到反向转速时的反向电机零位,求取正反转速下的零位均值得到最终的零位信息。
在设定好参考值及其他相关参数后,执行上述步骤S701-步骤S708,以进行转子初始停留在不同位置时的测试,可得到与图6(a)和图6(b)相似的测试结果,但由于多了一次等待转子静止的过程,此方法耗时要长。
综上所述,本发明实施例的电机零位检测装置加入了对转子初始停留位置的判断及对转子位置的修正,使得任意转子位置都可以顺利完成零位测试。
基于与上述电机零位检测装置相同的发明思路,本发明实施例还提供一种电机零位检测方法,该电机零位检测方法同样是基于上述的永磁同步电机的矢量控制实现的。
图8是本发明实施例的电机零位检测方法的流程示意图,如图8所示,本发明实施例的电机零位检测方法可以包括以下步骤:
步骤S810,检测并实时修正电机转子位置。
步骤S820,在电机转速稳定在给定的参考转速时,基于修正后的电机转子位置确定电机零位。
另外,除步骤S810和步骤S820之外,该电机零位检测方法还可以包括:
步骤S830,获取电机正转时对应的电机转速的正向电机零位以及电机反转时对应的电机转速的反向电机零位,并计算所述正向电机零位和所述反向电机零位的均值以得到最终的电机零位。
在一个优选的实施例中,步骤S810可以包括以下步骤:实时获取电机转速;将预设的角度调节标志位设置为第一状态;在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向不一致,且所述电机转速绝对值大于设定阈值的情况下,将所述角度调节标志位设置为第二状态,并锁存被设置为所述第二状态的所述角度调节标志位;以及在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,修正所述电机的转速控制器基于所述电机转速和所述参考转速的差值进行电机转速控制而输出的电机转子位置。
其中,在检测到所述角度调节标志位为第二状态时,具体的修正方案可以是将所述转速控制器输出的电机转子位置加上π弧度。
对于该优选的实施例,步骤S810还可以包括:在所述电机转速的方向与所述参考转速的方向一致,且所述角度调节标志位为第一状态的情况下,将所述转速控制器实时输出的电机转子位置作为修正后的电机转子位置。
在另一个优选的实施例,步骤S810可以包括以下步骤:实时获取所述电机的电机转子位;执行一次转子静止过程以获取转子静止后的静止转子位置,其中,在所述转子静止过程中,将用于所述电机的矢量控制的坐标变换中的角度设为零;以及将所获取的电机转子位置修正为所述电机转子位置与所述静止转子位置之和。
关于本发明实施例的电机零位检测方法的更多实施细节及效果可参考上述关于电机零位检测装置的实施例,在此则不再进行赘述。
进一步地,本发明实施例还提供一种永磁同步电机的矢量控制系统,该永磁同步电机的矢量控制系统如图2及图3所示,其包括上述任意实施例所涉及的电机零位检测装置,且其Clark变换、park变换等功能模块为现有永磁同步电机矢量控制中常规功能模块,可参考上文对图1的描述及相关现有技术进行理解,在此不再赘述。
本发明另一实施例还提供一种机器可读存储介质,该机器可读存储介质上存储有指令,该指令用于使得机器执行上述的电机零位检测方法。所述机器可读存储介质包括但不限于相变内存(相变随机存取存储器的简称,Phase Change Random Access Memory,PRAM,亦称为RCM/PCRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体(Flash Memory)或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带,磁带磁盘存储或其他磁性存储设备等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。