CN112636657B - 一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法 - Google Patents

一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于电机控制技术领域，提供一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，该方法包括：在电机直轴上注入一个高频脉振电压，采集电机三相电流Ia,Ib,Ic，经过坐标变换得到Iq；将Iq和高频正弦信号相调制，经过低通滤波器获得含有位置估计误差信息对信号积分后得到转子位置初次估计值采集霍尔位置传感器信号，以当前转子所处扇区作为初始角度的给定约束，判断实际直轴的正方向，若处于当前霍尔扇区，则否则本发明可检测表贴式永磁同步电机的转子初始位置，以当前霍尔扇区作为初始角度的给定约束，从而避免了磁极判断，减少运算量，可以解决电机起动阶段转子位置估算精度不高和运算效率低的问题，保证永磁同步电机的顺利起动。

Description

一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法。
背景技术
永磁同步电动机因具有高效率、高转矩电流比、高功率密度、可靠性等优点，已在航空航天、汽车、工业制造等领域得到了广泛应用。高性能的永磁同步电机驱动系统广泛采用了矢量控制和直接转矩控制策略，它们都需要位置传感器提供转速与转子位置信息。在永磁同步电机有传感器控制中，常常利用旋转变压器或光电编码器进行转子位置估计，这种传感器能达到很好的转子位置估计精度，但成本高、体积较大，在一些场合无法应用。而霍尔传感器具有成本较低、体积小等优点，可在一个电周期内提供六个准确位置信息，已成功应用在永磁同步电机系统中。但霍尔位置传感器因其离散特性、电磁干扰和安装误差等因素，具有转子位置估算不准和精度不高的问题。
目前，无位置传感器控制技术可通过基波模型或注入高频信息得到电机转子位置信息。其中转子初始位置检测是永磁同步电机实现无位置传感器运行的首要问题，也是实现电机顺利起动的关键所在。针对表贴式永磁同步电机，现有检测方法基于电机定子铁心非线性饱和特性，采用脉振高频注入的方法可实现初始位置检测，但该方法包括多种滤波操作，计算量较大，算法结构冗杂，在工程应用时不易实现。
初始位置检测方法往往需要判断转子直轴正方向。一般采用的方法为：在估计坐标系下向直轴通入正反方向的等宽电压脉冲，利用它们所产生的电流响应来判断。这种方法对电流采样电路要求较高，实现具有一定的难度，系统采样频率也会影响其判断的准确性。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种基于霍尔位置传感器和脉振高频注入结合的表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，可检测表贴式永磁同步电机的转子初始位置，解决电机起动阶段转子位置估算精度不高和运算效率低的问题，保证永磁同步电机的顺利起动。
一种基于霍尔位置传感器和脉振高频注入结合的表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，包括如下步骤：
(1)转子初始位置检测：采用电流开环结构，设置d-q轴下的电压Ud＝0，Uq＝0；采用脉振高频注入法，在d轴上注入高频正弦电压信号Uincos(ωt)，采集此时电机三相电流Ia,Ib,Ic，经过坐标变换得到Iq；将Iq和高频正弦信号相调制，经过低通滤波器获得含有位置估计误差信息对/>信号积分得到转子初始位置值/>计算方法为，
其中ki为积分增益，ki＞0。
(2)直轴正方向判断：读取三相霍尔位置传感器信号，得到当前转子所处霍尔扇区N。
(3)实际初始角度计算：根据当前转子所处霍尔扇区判断电机实际直轴的正方向，通过当前转子所处霍尔扇区N作为约束条件，对转子初始位置值判定是否需要补偿，最终得到实际转子初始位置θfinal。
进一步的，步骤(1)中所述的含有位置估计误差信息计算方法为，
其中LPF选用计算量较少的IIR型低通滤波器对高频谐波量进行滤除，截至频率选为200Hz。
进一步的，步骤(3)中所述的判定是否需要补偿的方法为，判断估计的转子初始位置是否在当前霍尔扇区，如果在当前扇区内，则/>如果不在当前扇区内，则公式为，
与现有技术相比，本发明可检测表贴式永磁同步电机的转子初始位置，以当前霍尔扇区作为初始角度的给定约束，从而避免了磁极判断，减少运算量，可以解决电机起动阶段转子位置估算精度不高和运算效率低的问题，保证永磁同步电机的顺利起动。
附图说明
图1是本发明的一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法流程图；
图2是本发明的霍尔位置传感器输出波形示意图；
图3是本发明的表贴式永磁同步电机的直轴磁路ψ-i特性曲线图；
图4是本发明的电机各坐标系关系图；
图5是本发明的表贴式永磁同步电机在两相旋转坐标系下动态等效电路图；
图6是本发明的等效单位负反馈系统框架图；
图7是本发明的电机转子初始位置检测运算框架图。
具体实施方式
为了说明本发明所述的技术方案，下面结合附图和实施例进一步说明本发明。
实施例1
如图1所示为一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，包括如下步骤，
(1)转子初始位置检测：采用电流开环结构，设置d-q轴下的电压Ud＝0，Uq＝0；采用脉振高频注入法，在d轴上注入高频正弦电压信号Uincos(ωt)，采集此时电机三相电流Ia,Ib,Ic，经过坐标变换得到Iq；将Iq和高频正弦信号相调制，经过低通滤波器获得含有位置估计误差信息对/>信号积分得到转子初始位置值/>计算方法为，
其中ki为积分增益，ki＞0；
(2)直轴正方向判断：读取三相霍尔位置传感器信号，得到当前转子所处霍尔扇区N；
(3)实际初始角度计算：根据当前转子所处霍尔扇区判断电机实际直轴的正方向，通过当前转子所处霍尔扇区N作为约束条件，对转子初始位置值判定是否需要补偿，最终得到实际转子初始位置θfinal。
进一步的，步骤(1)中所述的含有位置估计误差信息计算方法为，
其中LPF选用计算量较少的IIR型低通滤波器对高频谐波量进行滤除，截至频率选为200Hz。
进一步的，步骤(3)中所述的判定是否需要补偿的方法为，将转子旋转一周平均分为六个霍尔扇区，获取三路霍尔信号，霍尔位置传感器扇区划分如图2；以当前霍尔扇区作为初始角度的给定约束，判断估计的转子初始位置是否在当前霍尔扇区，如果在当前扇区内，则/>如果不在当前扇区内，则/>公式为，
进一步的，步骤(1)中所述的脉振高频注入法的原理为，在注入脉振信号后，因永磁同步电机会有凸极率，在电流反馈信号中会包含位置信息，通过信号处理技术，将位置信息提取出来；表贴式永磁同步电机的凸极率很小，但在脉振信号下会存在饱和凸极效应，所以脉振高频注入法可适用表贴式永磁同步电机中；其中电机直轴磁路的ψ-i特性曲线为图3所示，if为转子永磁体磁场等效励磁电流，直轴磁路的工作点由if决定，通常设计在磁路接近饱和点，如A点所示，对应的直轴电感值为Ld；当在直轴上通入一定的正向电流id +时，此时永磁体产生的磁场方向和直轴电流产生的磁场方向一致，直轴磁路会出现饱和现象，对应的直轴电感值为Ld +；当在直轴上通入一定的负向电流id -时，直轴磁路处于线性段，对应的直轴电感值为Ld -；从图中可以得出如下关系式：
Ld +＜Ld≈Ld -； (1)
交轴磁路的ψ-i特性曲线与直轴基本相同，但其工作点在原点，磁路处于线性段，不会出现饱和现象，可得到如下关系式：
Lq +＝Lq -＝Lq； (2)
由于交、直轴ψ-i特性曲线基本相同，可认为Lq≈Ld -。因此，如果通入适当的直轴正向电流，可以使得表贴式永磁同步电机的直轴电感小于交轴电感，即Ld +＜Lq。此时表贴式永磁同步电机可产生凸极率，可采用脉振高频注入法检测电机转子位置。
其中所述步骤1中所述的脉振高频注入法检测出电机转子位置的实现原理为，定义转子位置估计误差为
其中转子实际位置值θ，转子位置估计值和位置估计误差/>三者的关系如图4所示。其中d-q为实际的两相旋转坐标系，/>为估计的两相旋转坐标系。则有如下关系，
其中和/>分别表示估计的两相旋转坐标系下直、交轴电压和电流。
表贴式永磁同步电机在两相旋转坐标系下动态等效电路如图5，电机处于静止状态时，电压方程可简化为
其中，Zd、Zq为直轴和交轴的阻抗。
结合式(4)(5)(6)，可得估计的两相旋转坐标系下的电流响应为，
令则Zd＝Z+ΔZ、Zq＝Z-ΔZ，式(7)简化为
为能提取出位置估计误差Δθ，可在估计的两相旋转坐标系中的直轴施加高频电压信号将其带入到(8)式中，求解出电流响应为，
对式(9)中的进行适当的变换。ΔZ可以表示为
其中，将式(10)代入式(9)，仅对/>作以下变换
其中|Zd|、|Zq|和/>分别为d、q轴高频阻抗幅值与相角。
从式(11)可得，通过检测电流经过乘法器和低通滤波器(LPF)后，获得含有位置估计误差信息的/>
其中
当估计的转子初始位置与实际的初始位置足够相近时，即此时对/>信号积分后得到转子位置初始估计值，可得公式为，
可将式(13)等效为单位负反馈系统，其结构如图6。它为I型系统，可实现估计初始位置对实际位置的无静差跟踪。
本发明实例的电机转子初始位置检测运算框架如图7，相比传统脉振高频注入法，省略了带通滤波器和锁相环结构，算法更简便，同时当前霍尔扇区作为初始角度的给定约束，可直接确定转子直轴方向，从而避免了磁极判断，减少运算量。解决电机起动阶段转子位置估算精度不高和运算效率低的问题，保证永磁同步电机的顺利起动。

Claims (2)

1.一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)转子初始位置检测：采用电流开环结构，设置d-q轴下的电压Ud＝0，Uq＝0；采用脉振高频注入法，在d轴上注入高频正弦电压信号Uincos(ωt)，采集此时电机三相电流Ia,Ib,Ic，
经过坐标变换得到Iq；将Iq和高频正弦信号相调制，经过低通滤波器获得含有位置估计误差信息对/>信号积分得到转子初始位置值/>计算方法为，
其中ki为积分增益，ki＞0；
(2)直轴正方向判断：读取三相霍尔位置传感器信号，得到当前转子所处霍尔扇区N；
(3)实际初始角度计算：根据当前转子所处霍尔扇区判断电机实际直轴的正方向，通过当前转子所处霍尔扇区N作为约束条件，对转子初始位置值判定是否需要补偿，最终得到实际转子初始位置θfinal，
所述的判定是否需要补偿的方法为，判断估计的转子初始位置是否在当前霍尔扇区，如果在当前霍尔扇区内，则/>如果不在当前霍尔扇区内，则/>公式为，
2.根据权利要求1所述的一种表贴式永磁同步电机初始位置检测方法，其特征在于，步骤(1)中所述的含有位置估计误差信息计算方法为，
其中LPF选用计算量较少的IIR型低通滤波器对高频谐波量进行滤除，截至频率为200Hz。
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