CN111987958B - 一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统。所述永磁同步电机转子位置检测方法包括：获取待测电机的实际三相电流；对实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流；由实际三相电流计算相电流幅值；由实际dq轴电流计算电流矢量的模；计算相电流幅值和电流矢量的模的差值的绝对值；基于差值的绝对值确定待测电机的转子位置是否偏移。本发明能提高永磁同步电机转子位置检测的准确性。

Description

一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统

技术领域

本发明涉及电机转子位置检测领域，特别是涉及一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统。

背景技术

目前永磁同步电机大多采用磁场定向控制的方法，电机的转子位置是该控制方法的一个重要参量，转子位置的准确性直接影响磁场定向控制方法控制电机的性能。

在实际控制器的使用中，首先会对电机进行初始角度标定，一般同一批次的电机只会标定一次，但实际上这一批次的电机可能存在误差较大的电机，并且实际标定也可能存在误差。另外，若在软件中电机极对数写入错误，软件中计算得到的转子位置会与实际转子位置不相符。以上情况都会导致控制器无法正常工作。

现有的大多通过硬件电路实现，此外还有通过机械角度与电角度的关系来实现的，具体包括以下几种：(1)电动汽车驱动用永磁同步电机转子位置检测的冗余装置和控制方法，旋变解码芯片可以结合励磁电路为旋变初始绕组提供励磁信号，并结合调理电路处理旋转变压器的正余弦响应信号，旋变解码芯片解算出角度。(2)采集相邻两个周期的电机三相电流信号和转子位置信号，根据三相电流信号计算转子的电角速度，根据转子位置计算转子的机械角速度，通过至少两个采样周期，根据电角度和机械角度之间的比值和电机极对数的差值来诊断转子位置采样值是否准确。(3)同步电机静止位置检测值的校验方法，计算不同位置的转子位置角的差值和转子极对数与机械位置角差值乘积的差值，若所有差值都准确，则转子位置准确。

上述方法(1)采用的硬件检测的手段较为复杂，并且一旦检测芯片受到干扰，很容易出现错误；方法(2)和方法(3)采用电频率和机械频率的方式在软件中电机转子位置与真实转子位置差别不大时很难检测准确，并且在旋转变压器极对数与实际不相符时，在低速时很难检测出来。

发明内容

基于此，有必要提供一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统，以提高永磁同步电机转子位置检测的准确性。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种永磁同步电机转子位置检测方法，包括：

获取待测电机的实际三相电流；

对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流；

由所述实际三相电流计算相电流幅值；

由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模；

计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值；

基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移。

可选的，所述基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移，具体包括：

计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值；

将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和；

判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；

若所述差值放大累加和大于设定限值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

可选的，所述基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移，具体包括：

将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值；

判断所述差值最大值是否大于设定差值；

若所述差值最大值大于设定差值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

可选的，所述对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流，具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

可选的，所述由所述实际三相电流计算相电流幅值，具体为：

其中，i_m为相电流幅值，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

本发明还提供了一种永磁同步电机转子位置检测系统，包括：

三相电流获取模块，用于获取待测电机的实际三相电流；

dq轴电流计算模块，用于对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流；

电流幅值计算模块，用于由所述实际三相电流计算相电流幅值；

电流矢量模计算模块，用于由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模；

差值计算模块，用于计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值；

转子位置检测模块，用于基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移。

可选的，所述转子位置检测模块，具体包括：

放大单元，用于计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值；

累加求和单元，用于将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和；

第一判断单元，用于判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；若所述差值放大累加和大于设定限值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

可选的，所述转子位置检测模块，具体包括：

最大值确定单元，用于将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值；

第二判断单元，用于判断所述差值最大值是否大于设定差值；若所述差值最大值大于设定差值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

可选的，所述dq轴电流计算模块，具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

可选的，所述电流幅值计算模块，具体为：

其中，i_m为相电流幅值，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种永磁同步电机转子位置检测方法及系统，其中由实际三相电流计算相电流幅值；由实际dq轴电流计算电流矢量的模；计算相电流幅值和电流矢量的模的差值的绝对值；基于差值的绝对值确定待测电机的转子位置是否偏移。本发明根据电流环调节的特性，通过计算电机控制器的相电流幅值和电流矢量的模的差值对转子位置进行检测，能提高永磁同步电机转子位置检测的准确性，并且不需要额外增加硬件成本，成本低，还可以检测极对数不对的情况下的电机转子位置的差别。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为电机的磁场定向控制的原理图；

图2为本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置检测方法的流程图；

图3为本发明提供的永磁同步电机转子位置检测方法的具体实现过程的流程图；

图4为本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置检测系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

同一批次电机存在电机初始角度的误差，并且在实际标定中可能存在误差。另外，在实际使用中旋转变压器的极对数可能出现误写的情况。为提高检测转子位置的准确性并且防止极对数误写的情况，因此本实施例提供了一种永磁同步电机转子位置检测方法，以防止该问题的发生。

术语解释：

永磁同步电机：由定子、转子和端盖等部件构成且由永磁体提供励磁的电机。

Clark变换：将三相坐标系变换到静止的两相静止坐标系下。

Park变换：将两相静止坐标系变换到两相旋转坐标系下。

磁场定向控制：通过测量和控制电动机的定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对电动机的励磁电流和转矩电流进行控制，从而将三相交流电机等效为直流电机控制。

电机转子位置：也称为电机转子位置角，一般指电机转动过程中的转子的相对于U相正方向的夹角。

电机初始角度：电机静态停止时，转子与U相的夹角。

电机极对数：三相交流电机每组线圈都会产生N、S磁极，每个电机每相含有的磁极个数就是极数。由于磁极是成对出现的，两个极称为一个极对数。

首先对电机转子位置检测的原理进行介绍。参见图1，通过需求的dq轴电流与实际dq轴电流通过电流环实现闭环控制。

控制中将采用电流传感器采样得到的UVW三相电流转到两相静止坐标系(Clark变换)下，再将其转到旋转坐标系下得到实际dq轴电流(Park变换)。

由于电流环的作用，得到的dq轴电压经过反Park变换和SVPWM后对逆变器进行调节。由于闭环调节的存在，使得实际dq轴电流会追随需求的dq轴电流。

在该控制中，Park变换和反Park变换需要电机转子的位置，不管转子的位置正确与否，在电流环的作用下，实际dq轴电流都会跟随需求的dq轴电流。假如电机转子位置实际与软件中一致，在电流环作用下三相电流的相电流幅值与需求dq轴的电流矢量的模基本相等。

当转子位置有差值时，电流会有波动。随着角度偏差的增大，实际电流偏差会增大并且波动较大。只要电机的转子位置不匹配，不管电流的偏差大小如何，都会导致实际的UVW三相电流和dq轴的电流的偏差。

根据以上现象，电机电流采样侧为采样得到的实际电流，而电流环一侧为经过Clark变换和Park变换后的实际dq轴电流。本实施例根据三相电流的幅值和dq轴电流的模的关系来进行电机转子位置准确度的判断。下面对图1中电机转子位置角度检测模块的具体检测方法进行详细介绍。

图2为本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置检测方法的流程图。参见图2，本实施例的永磁同步电机转子位置检测方法，包括：

步骤101：获取待测电机的实际三相电流。本实施例的待测电机为永磁同步电机。

在待测电机采样一侧，采用电流传感器采集到的实际三相的电流为

i_a＝i_msinwt；

其中，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值，i_m为相电流幅值，w为相电流的角频率，t为时间。

步骤102：对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流。具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

步骤103：由所述实际三相电流计算相电流幅值。具体为：

对所述实际三相电流中的i_a、i_b和i_c求平方和，得到

在此基础上，求解相电流幅值

步骤104：由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模。具体的：

在电流环一侧得到

其中，i_s为电流矢量的模。正常情况下，电流环一侧的电流矢量的模和相电流幅值相等。

步骤105：计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值。具体为：

δ＝|i_m-i_s|；

其中，δ为差值的绝对值。差值的绝对值一般大于1，如果小于1，认为可忽略。

步骤106：基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移。

参见图3，步骤106可采用以下两种方式实现。

方式一：计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值；将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和；判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；若所述差值放大累加和大于设定限值(可设置为1)，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移，并报出转子位置角度错误。

其中，差值放大累加和为

N为累加的周期数，即方式一中的设定周期数，δ_i为第i个周期对应的差值的绝对值。

方式二：将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值；判断所述差值最大值是否大于设定差值；若所述差值最大值大于设定差值(可设置为2)，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移，并报出转子位置角度错误。

其中，δ_m＝max(δ₁，δ₂，δ₃....δ_x)，δ_m为差值最大值，x为方式二中的设定周期数，δ_x为第x个周期对应的差值的绝对值。

本实施例根据电流环调节的特性，提出通过将电机控制器的电流幅值和电流矢量的模的差值，通过差值放大的方式，对转子位置进行检测的方法，检测的准确性高；根据电流检测的特殊性，提出放大差值和最大差值同时检测并且累加次数的方法，进一步保证了转子位置检测的准确性；本实施例提供的方法只要电机的转子位置不匹配，不管电流的偏差大小如何，都会导致实际的UVW三相电流的相电流幅值和dq轴的电流矢量的模的电流存在偏差，而根据实际的相电流幅值和dq轴的电流矢量的模的关系进行判断，不需要额外增加硬件成本，并且可以检测极对数不对的情况下的电机转子位置的差别。

本发明还提供了一种永磁同步电机转子位置检测系统，图4为本发明实施例提供的永磁同步电机转子位置检测系统的结构示意图。

参见图4，本实施例的永磁同步电机转子位置检测系统包括：

三相电流获取模块201，用于获取待测电机的实际三相电流。

dq轴电流计算模块202，用于对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流。

电流幅值计算模块203，用于由所述实际三相电流计算相电流幅值。

电流矢量模计算模块204，用于由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模。

差值计算模块205，用于计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值。

转子位置检测模块206，用于基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移。

作为一种可选的实施方式，所述转子位置检测模块206，具体包括：

放大单元，用于计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值。

累加求和单元，用于将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和。

第一判断单元，用于判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；若所述差值放大累加和大于设定限值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

作为一种可选的实施方式，所述转子位置检测模块206，具体包括：

最大值确定单元，用于将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值。

第二判断单元，用于判断所述差值最大值是否大于设定差值；若所述差值最大值大于设定差值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

作为一种可选的实施方式，所述dq轴电流计算模块202，具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

作为一种可选的实施方式，所述电流幅值计算模块203，具体为：

其中，i_m为相电流幅值，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包括：

获取待测电机的实际三相电流；

对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流；

由所述实际三相电流计算相电流幅值；

由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模；

计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值；

基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移；

所述基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移，具体包括：

计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值；

将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和；

判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；

若所述差值放大累加和大于设定限值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移；

或者，所述基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移，具体包括：

将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值；

判断所述差值最大值是否大于设定差值；

若所述差值最大值大于设定差值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流，具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述由所述实际三相电流计算相电流幅值，具体为：

其中，i_m为相电流幅值，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

4.一种永磁同步电机转子位置检测系统，其特征在于，包括：

三相电流获取模块，用于获取待测电机的实际三相电流；

dq轴电流计算模块，用于对所述实际三相电流进行Clark变换和Park变换，得到实际dq轴电流；

电流幅值计算模块，用于由所述实际三相电流计算相电流幅值；

电流矢量模计算模块，用于由所述实际dq轴电流计算电流矢量的模；

差值计算模块，用于计算所述相电流幅值和所述电流矢量的模的差值的绝对值；

转子位置检测模块，用于基于所述差值的绝对值确定所述待测电机的转子位置是否偏移；

所述转子位置检测模块，具体包括：

放大单元，用于计算每个周期对应的差值的绝对值的平方，得到差值放大值；

累加求和单元，用于将设定周期数的差值放大值累加求和，得到差值放大累加和；

第一判断单元，用于判断所述差值放大累加和是否大于设定限值；若所述差值放大累加和大于设定限值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移；

或者，所述转子位置检测模块，具体包括：

最大值确定单元，用于将设定周期数中的差值的绝对值的最大值确定为差值最大值；

第二判断单元，用于判断所述差值最大值是否大于设定差值；若所述差值最大值大于设定差值，则确定所述待测电机的转子位置发生偏移。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机转子位置检测系统，其特征在于，所述dq轴电流计算模块，具体为：

其中，i_d为d轴电流，i_q为q轴电流，k为常数，θ_e为电机转子位置角度，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

6.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机转子位置检测系统，其特征在于，所述电流幅值计算模块，具体为：

其中，i_m为相电流幅值，i_a为实际三相电流中a相电流采样的瞬时值，i_b为实际三相电流中b相电流采样的瞬时值，i_c为实际三相电流中c相电流采样的瞬时值。

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