CN112564572B

CN112564572B - 基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法

Info

Publication number: CN112564572B
Application number: CN202011317478.9A
Authority: CN
Inventors: 闫春幸; 魏海峰; 张懿; 王浩陈
Original assignee: Jiangsu University of Science and Technology
Current assignee: Zhaodong Huazhou Petroleum Machinery Equipment Co ltd
Priority date: 2020-11-20
Filing date: 2020-11-20
Publication date: 2022-05-03
Anticipated expiration: 2040-11-20
Also published as: CN112564572A

Abstract

本发明公开了一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法，涉及永磁同步电机控制领域，其中检测方法包括：步骤1：建立d‑q坐标系，在d‑q坐标系的基础上，以旋转变压器获得的转子位置为d′轴，超前d′轴90°为q′轴，建立d′‑q′旋转坐标系；步骤2：在步骤1的d′‑q′坐标系基础上，给一个固定电流值，然后分解成i′_d、i′_q，令i′_d＝0时，记录i′_q，多次测量i′_q取平均值；令i′_q＝0时，记录i′_d，多次测量i′_d取平均值；步骤3：计算旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差值θ；步骤4：把偏差值θ补偿给旋转变压器测得的转子位置值，完成位置检测。采用基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，可以获得更加准确的转子位置，提高永磁同步电机起动的平滑度。

Description

基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制领域，更具体地讲，涉及一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法。

背景技术

永磁同步电机具有高性能、结构简单、工作效率高、控制特性优良和可靠性高等特点，在各个工业领域中都有广泛的应用。

永磁同步电机在启动前转子位置偏差就存在，一般采用有位置传感器和无位置传感器的方法来解决，但是在采用无位置传感器的方法时，在设计算法上会出现误差，采用有位置传感器的方法时，在人工安装位置传感器时，同样会出现误差，转子位置偏差在电机运行过程中将一直存在，所以在电机运行中无法准确的获得转子位置，如果启动电流过大，会造成电机过流或发生反转，负载较大时情况更加严重。即使转子位置偏差较小，电机可以启动，也将影响电机的控制性能。

本发明采用矢量电流偏置的方法，利用了直、交轴电流存在的夹角的关系，提供了一种能精确测量永磁同步电机转子位置的方法，提高了检测转子位置的准确性。

发明内容

本发明提供了一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法，以解决电机在启动前无法准确获得转子位置的问题。

本发明提供了一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：建立d-q坐标系，在d-q坐标系的基础上，以旋转变压器获得的转子位置为d′轴，超前d′轴90°为q′轴，建立d′-q′旋转坐标系；

步骤2：在步骤1的d′-q′坐标系基础上，给一个固定的电流值，然后分解成i′_d、i′_q，令i′_d＝0时，记录i′_q，多次测量i′_q取平均值；令i′_q＝0 时，记录i′_d，多次测量i′_d取平均值；

步骤3：计算旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差值θ；

步骤4：把偏差值θ补偿给旋转变压器测得的转子位置值，完成转子位置检测。

可选地，所述步骤2中以旋转变压器获得的转子位置为d′轴，超前d′轴90°为q′轴，建立一个d′-q′坐标系，设旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度为θ，在d′-q′坐标系下，永磁同步电机的电压方程可以表示为：

其中，“U′_d、U′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电压矢量，“i′_d、i′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量，“ψ′_d、ψ′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴磁链；

设旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度为θ，根据位置偏差角度θ，可以分解出d′-q′坐标系下的磁链方程为：

其中，“L′_d、L′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电感，“i′_d、i′_q”是 d′-q'坐标系下交、直轴的电流矢量，“ψ”是电机磁链；

永磁同步电机在d′-q′坐标系下的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_n(ψ′_di′_q-ψ′_qi′_d)

其中，“p_n”为磁对数，“ψ′_d、ψ′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴磁链，“i′_d、i′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量；

将永磁同步电机d'-q′坐标系下的磁链方程，代入永磁同步电机在d′-q′坐标系下的电磁转矩方程中得到新的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_nψ(i′_dsinθ+i′_q cosθ)

其中，“p_n”为磁对数，“i′_d、i′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量，“θ”是旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度，“ψ”是电机磁链；

令在d′-q′坐标系下新的电磁转矩方程中的i′_d＝0，得到的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_nψi′_q cosθ

其中，“p_n”为磁对数，“i′_q”是d′-q′坐标系下直轴的电流矢量，“θ”是旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度，“ψ”是电机磁链；

令d′-q′坐标系下新的电磁转矩方程中的i′_q＝0，由于i′_d并不是实际的完全直轴量，仍存在着交轴电流值，则可得到的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_nψi′_d cosθ

其中，“p_n”为磁对数，“i′_d”是d′-q′坐标系下交轴的电流矢量，“θ”是旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度，“ψ”是电机磁链；

可选地，所述步骤3中只要电机负载转矩恒定，旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差角θ可以通过i′_d、i′_q之间的关系表示为：

其中，“i′_d、i′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量，“θ”是旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度；

可选地，所述步骤4中将步骤3得到的偏差角θ，把偏差值θ补偿给旋转变压器测得的转子位置值，完成位置检测；

可选地，所述步骤2中给一个固定的电流值，该固定值的取值范围-50～-20。

本发明提供了一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统，包括：d-q坐标系单元，电流环PI调节器单元、反Park变换单元、空间矢量脉宽调制单元、逆变器单元、Clark变换单元、Park 变换单元、旋转变压器单元；

所述d-q坐标系单元分别与电流环PI调节器单元、反Park变换单元连接，用于将交、直轴电流变换为两相静止坐标系下的交、直轴电压；所述反Park变换单元分别与空间矢量脉宽调制单元、逆变器单元连接，用于将两相静止坐标系下的交、直轴电压矢量生成PWM波，电流经过逆变器转换为三相交流；所述逆变器单元分别与Clark 变换单元、Park变换单元连接，用于将三相交流转换为两相同步旋转坐标下的交、直轴电流，然后两相同步旋转坐标下的交、直轴电流可以将偏差角θ表示出来，最后将偏差角θ补偿给旋转变压器单元测得的转子位置值，从而获得更加准确的转子位置，完成检测。

本发明至少包括以下有益效果：

1.本发明采用电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，检测到的转子位置偏差角θ，将θ补偿给旋转变压器测得值，提高了检测转子位置的准确性，提高了永磁同步电机起动的平滑度。

2.本发明针对传统的永磁同步电机转子位置检测系统及方法，采用了电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法，方法简单准确，可操作性强。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1为本发明实施例中一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法的流程图。

图2为本发明实施例中d-q坐标系和d′-q′坐标系示意图。

图3为本发明实施例中基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，本领域技术人员在没有作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。

如图1所示，本发明提供了一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统及方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立d-q坐标系，然后在d-q坐标系的基础上，建立 d′-q′旋转坐标系，具体方法如下：如图2所示d′-q′坐标系以旋转变压器获得的转子位置为d′轴，超前d′轴90°为q′轴，建立d′-q′旋转坐标系；

步骤S2：在步骤1的d′-q′坐标系基础上，给一个固定的电流值，然后分解成i′_d、i′_q，令i′_d＝0时，记录i′_q，多次测量i′_q取平均值；令i′_q＝0 时，记录i′_d，多次测量i′_d取平均值，具体方法如下：如图2所示d′-q′坐标系，设旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度为θ，在d′-q′坐标系下，永磁同步电机的电压方程可以表示为：

其中，“L′_d、L′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电感，“i′_d、i′_q”是 d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量，“ψ”为电机磁链；

永磁同步电机在d′-q′坐标系下的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_n(ψ′_di′_q-ψ′_qi′_d)

其中，“p_n”为磁对数，“ψ′_d、ψ′_q”是d'-q′坐标系下交、直轴磁链，“i′_d、i′_q”是d′-q′坐标系下交、直轴的电流矢量；

将永磁同步电机d′-q′坐标系下的磁链方程，代入永磁同步电机在d′-q′坐标系下的电磁转矩方程中得到新的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_nψ(i′_dsinθ+i′_q cosθ)

T′_em＝p_nψi′_q cosθ

令在d′-q′坐标系下新的电磁转矩方程中的i′_q＝0，如图2，d′-q′坐标系并不是真正意义上的d-p坐标系，所以i′_d并不是实际的完全直轴量，仍存在着交轴电流值，得到的电磁转矩方程为：

T′_em＝p_nψi′_d cosθ

步骤S3：计算旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差值θ，具体方法如下：只要电机负载转矩恒定，旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差角θ可以通过i′_d、i′_q之间的关系表示为：

把通过计算得到的偏差角θ，补偿给旋转变压器测得的转子位置值，完成位置检测。

如图2所示，建立d-q坐标系，在d-q坐标系的基础上，以旋转变压器获得的转子位置为d′轴，超前d′轴90°为q′轴，建立d′-q′旋转坐标系，设旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度为θ。

如图3所示，一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测系统，包括d-p坐标系单元51，电流环PI调节器单元52、反Park变换单元53、空间矢量脉宽调制单元SVPWM 54、逆变器单元55、Clark 变换单元56、Park变换单元57、旋转变压器单元58；具体说明如下：

d-q坐标系单元51分别与电流环PI调节器单元52、反Park变换单元53连接，用于将交、直轴电流变换为两相静止坐标系下的交、直轴电压；所述反Park变换单元53分别与空间矢量脉宽调制单元 SVPWM 54、逆变器单元55连接，用于将两相静止坐标系下的交、直轴电压矢量生成PWM波，电流经过逆变器转换为三相交流；所述逆变器单元55分别与Clark变换单元56、Park变换单元57连接，用于将三相交流转换为两相同步旋转坐标下的交、直轴电流，然后两相同步旋转坐标下的交、直轴电流可以将偏差角θ表示出来，最后将偏差角θ补偿给旋转变压器单元58测得的转子位置值，从而获得更加准确的转子位置，完成检测。

显而易见的是，本领域的技术人员可以从根据本发明的实施方式的各种结构中获得根据不麻烦的各个实施方式尚未直接提到的各种效果。尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims

1.一种基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤2：在步骤1的d′-q′坐标系基础上，给一个固定的电流值，然后分解成i′_d、i′_q，令i′_d＝0时，记录i′_q，多次测量i′_q取平均值；令i′_q＝0时，记录i′_d，多次测量i′_d取平均值；

步骤4：把偏差值θ补偿给旋转变压器测得的转子位置值，完成位置检测。

2.如权利要求1所述的基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述步骤3的具体方法如下：

电机负载转矩恒定时，旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的偏差角θ可以利用i′_d、i′_q表示出来，具体表示方法如下：

其中，“i′_d、i′_q”是d'-q'坐标系下交、直轴的电流矢量，“θ”是旋转变压器获得的转子位置与实际转子位置存在的位置偏差角度。

3.如权利要求1所述的基于电流偏置的永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，通过电流矢量计算出旋转变压器测得的转子位置和转子实际位置存在的夹角θ，将θ值补偿给旋转变压器测得的转子位置值，获得更精确的转子实际位置。