CN112436762A - 一种永磁同步电机转子初始位置检测方法 - Google Patents

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，包括以下步骤：产生高频电压信号和低频电流信号并将其同时注入到估计的d轴，采集高频响应电流；通过位置观测器估算转子的位置；若积累的正d轴电流幅值大于积累的负d轴电流幅值，则估算的转子位置即为转子位置，若积累的正d轴电流幅值小于积累的负d轴电流幅值，则估算的转子位置补偿180°角后即为转子位置。与现有技术相比，本发明在估计的d轴位置同时注入高频方波电压和低频方波电流，通过位置观测器估算转子位置，利用d轴磁路饱和性原理，同时进行磁极极性的辨识，减少了转子位置检测时间，能够迅速、有效的检测出精确的永磁同步电机的初始位置，误差小，能够抑制干扰，鲁棒性强。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置检测方法
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其是涉及一种永磁同步电机转子初始位置检测方法。
背景技术
永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有功率密度高、效率高、节能等优点，且随着永磁同步电机控制方法以及永磁材料等技术越来越成熟，永磁同步电机的应用越来越广泛。在永磁同步电机的矢量控制中，转子的初始位置是否准确对于矢量控制性能影响极大，若辨识不准确，可能会造成内置式永磁同步电机不能正常启动、失步，并且会大大降低电机效率。
现有转子初始位置的检测方法中，高频注入法通过注入高频信号，检测其随凸极调制所产生的高频响应，并对含有转子位置信息的响应进行一系列的信号处理来获取转子位置信息，但是，只能获取磁极位置，磁极极性辨识时需要停止转子位置检测，增加了转子位置检测时间。磁极极性判别一般使用二次谐波检测法，二次谐波法采用高频电流的二次谐波分量进行磁极极性的判别，该法在原有的高频注入法的基础上无需增添脉冲电压，但含有转子磁极极性的二次谐波分量信噪比过低，容易造成误判。
中国专利CN201410601992.3公开了一种新型永磁同步电机转子初始位置检测方法，通过对永磁同步电机定子三相绕组注入对称高频电压信号，根据其高频电流响应信号确定转子d轴位置，再依据d轴磁路饱和性原理，在d轴注入电压脉冲信号，根据脉冲响应电流大小的不同区分N、S极。但是，该方法在确定转子d轴位置时，由于对A、B、C三相分别注入了高频电压，会引起更大的转矩脉动和高频噪声干扰，测量误差大，且该方法在确定转子d轴位置后，再通过注入电压脉冲辨识磁极的磁性，转子位置检测的时间仍然比较长。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，在估计的d轴位置同时注入高频方波电压和低频方波电流，通过位置观测器估算转子位置，利用d轴磁路饱和性原理，同时进行磁极极性的辨识，减少了转子位置检测时间，能够迅速、有效的检测出精确的永磁同步电机的初始位置，误差小，能够抑制干扰，鲁棒性强。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，包括以下步骤：
S1：信号发生器产生高频电压信号和低频电流信号；
S2：将高频电压和低频电流同时注入到估计的d轴，采集高频响应电流并对高频响应电流进行信号处理；
S3：基于高频响应电流，通过位置观测器估算转子的位置，得到估算的转子位置；
S4：积累高频响应电流的振幅，比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小，若积累的正d轴电流幅值大于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极N极相同，估算的转子位置即为转子位置，若积累的正d轴电流幅值小于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极S极相同，估算的转子位置补偿180°角后即为转子位置；
S5：输出转子的位置。
进一步的，所述高频电压信为高频方波电压信号。
更进一步的，所述高频方波电压信号的频率为2.5kHz。
进一步的，所述低频电流信号为低频方波电流信号。
更进一步的，所述低频方波电流信号的频率为500Hz。
进一步的，所述步骤S2中，对高频响应电流进行信号处理具体为：提取包含转子位置信息的高频响应电流和供永磁同步电机进行矢量闭环控制的基频电流。
进一步的，所述步骤S3中，位置观测器为龙贝格观测器。
进一步的，所述步骤S3中，位置观测器为PI观测器。
进一步的，所述步骤S3中，估算的转子位置为转子的磁极位置。
进一步的，所述步骤S4中，积累的正d轴电流幅值具体为：在低频电流的正半周期内，高频响应电流幅值的累加值；积累的负d轴电流幅值具体为：在低频电流的负半周期内，高频响应电流幅值的累加值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)在估计的d轴位置同时注入高频方波电压和低频方波电流，通过位置观测器估算转子位置，利用d轴磁路饱和性原理，同时进行磁极极性的辨识，减少了转子位置检测时间，能够迅速、有效的检测出精确的永磁同步电机的初始位置，误差小，能够抑制干扰，鲁棒性强。
(2)通过比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小，进行磁极极性的辨识，克服了二次谐波分量较小的缺点，准确性更高。
(3)提供了一种新型的永磁同步电机转子初始位置检测方法，同时进行转子位置检测和磁极极性辨识，对永磁同步电机低速无位置高性能控制具有较大的进步意义，也为感应电机、无刷电机的控制提供一种了参考方案。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为实施例中转子位置检测的整体电路示意图；
图3为磁路饱和特性示意图；
图4为实施例中转子位置在N极时的高频响应电流示意图；
图5为实施例中转子位置在S极时的高频响应电流示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1：
一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1：信号发生器产生高频电压信号和低频电流信号；
S2：将高频电压和低频电流同时注入到估计的d轴，采集高频响应电流并对高频响应电流进行信号处理；
S3：基于高频响应电流，通过位置观测器估算转子的位置，得到估算的转子位置；
S4：积累高频响应电流的振幅，比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小，若积累的正d轴电流幅值大于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极N极相同，估算的转子位置即为转子位置，若积累的正d轴电流幅值小于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极S极相同，估算的转子位置补偿180°角后即为转子位置；
S5：输出转子的位置。
本实施例中，转子位置检测的整体电路如图2所示，SVPWM、电压型逆变器和PMSM依次串接，SVPWM逆变器能够为永磁同步电机提供三相正弦交流电；永磁同步电机PMSM为被控对象。
高频电压注入估计的同步旋转d轴，低频电流也同时注入估计的同步旋转d轴，与转子位置相关的凸极信息相互作用后，感应出高频响应电流。采集高频响应电流，本申请可以同时进行转子位置估算和磁极极性辨识，减小了转子位置检测时间。
高频电压信号注入估计的同步旋转d轴，感应出与电机转子位置相关的高频响应电流，可以通过位置观测器估算转子位置；信号处理部分将采样过来的电流进行处理，提取包含转子位置信息的高频响应电流和供永磁同步电机进行矢量闭环控制的基频电流，再将其输入位置观测器，可以得到估算的转子位置。
磁路饱和特性示意图如图3所示，一般会将电机的d轴磁路工作点设计在f点附近，if为转子永磁体等效励磁电流，λf为等效励磁电流产生的磁链，当向电机注入正反向电流时，正向磁链绝对值增量小于反向磁链绝对值增量，即电机工作在线性区域与非线性区域的交界区域。磁链对电流的微分为电感，显然，非线性区域内的电感小于线性区域内的电感，从而使得正反向的高频电流幅值不同。
低频电流信号注入估计的同步旋转d轴，放大磁饱和效应，使得注入高频方波电压产生的高频响应电流的幅值产生变化，根据幅值大小，可以进行磁极极性的辨识。
本实施例中，高频电压信号为高频(2.5kHz)方波电压，低频电流信号为低频(500Hz)方波电流，位置观测器为龙贝格观测器。在其他实施方式中，也可以选用合适频率的高频电压信号和低频电流信号，选用PI观测器等其他位置观测器。
位置观测器可以把电机的转子位置和角速度估计出来，但通常估计出的转子位置只是转子磁极位置，可能是N极也可能是S极，因为电机的凸极信息在一个周期变化两次，所以还需要进行磁极极性辨识。
磁极极性辨识模块利用低频方波电流注入估计的d轴放大磁饱和响应，然后积累高频方波电压注入产生的d轴高频响应电流的振幅，比较积累的正d轴电流和负d轴电流的大小，来可靠的判断电机转子的极性。积累的正d轴电流幅值具体为：在低频电流的正半周期内，高频响应电流幅值的累加值；积累的负d轴电流幅值具体为：在低频电流的负半周期内，高频响应电流幅值的累加值。分别累加正半周期和后半周高频响应电流的幅值，比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小，可以判别极性。
图4和图5给出了转子位置在N极和S极时的高频响应电流示意图，图4和图5中自上而下依次为三角载波、高频方波电压、低频方波电流、高频响应电流。如图4所示，当电机的d轴正方向与N极保持一致时，即电机的转子位置在N极时，在估计的d轴上附加低频方波电流，在低频方波电流的正半周期，加大了d轴的磁路饱和特性，磁链非线性增加，电感减小，从而高频方波电压在电机定子绕组中产生的高频响应电流的幅值绝对值变大；在低频方波电流的负半周，磁链线性变化，即电感近似不变，所以正半周期的电感小于负半周的电感，后半周的高频响应电流幅值较正半周期小，积累的正d轴电流幅值大于积累的负d轴电流幅值。
同理如图5所示，电机的d轴正方向与S极保持一致时，即电机的转子位置在S极时，与转子位置在N极时情况刚好相反，积累的正d轴电流幅值小于积累的负d轴电流幅值。
本申请通过比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小进行磁极极性的辨识，克服了二次谐波分量较小的缺点，准确性更高。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：信号发生器产生高频电压信号和低频电流信号；
S2：将高频电压和低频电流同时注入到估计的d轴，采集高频响应电流并对高频响应电流进行信号处理；
S3：基于高频响应电流，通过位置观测器估算转子的位置，得到估算的转子位置；
S4：积累高频响应电流的振幅，比较积累的正d轴电流幅值和积累的负d轴电流幅值的大小，若积累的正d轴电流幅值大于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极N极相同，估算的转子位置即为转子位置，若积累的正d轴电流幅值小于积累的负d轴电流幅值，则电机的d轴正方向与磁极S极相同，估算的转子位置补偿180°角后即为转子位置；
S5：输出转子的位置。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述高频电压信为高频方波电压信号。
3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述高频方波电压信号的频率为2.5kHz。
4.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述低频电流信号为低频方波电流信号。
5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述低频方波电流信号的频率为500Hz。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，对高频响应电流进行信号处理具体为：提取包含转子位置信息的高频响应电流和供永磁同步电机进行矢量闭环控制的基频电流。
7.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，位置观测器为龙贝格观测器。
8.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，位置观测器为PI观测器。
9.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤S3中，估算的转子位置为转子的磁极位置。
10.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述步骤S4中，积累的正d轴电流幅值具体为：在低频电流的正半周期内，高频响应电流幅值的累加值；积累的负d轴电流幅值具体为：在低频电流的负半周期内，高频响应电流幅值的累加值。
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