CN112671296A - 一种永磁同步电机转子零位检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子零位检测方法，首先在定子dq坐标系中，将定子直轴电压矢量设定为一合适的值U_d，将交轴电压矢量U_q和SVPWM模块的合成矢量角为零，从而获取转子相对于最近A相的位置，再由该位置设定合成定子磁场的旋转方向；保持U_d和U_q不变，通过控制SVPWM模块的合成矢量角的增加或者减小，进而控制转子旋转，最后根据转子正反转得到的电角度计算出转子的零位值。

Description

一种永磁同步电机转子零位检测方法

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，更为具体地讲，涉及一种永磁同步电机转子零位检测方法。

背景技术

永磁同步电机具有高功率密度、高效率、体积小等优点，已经广泛运用在冶金、陶瓷、橡胶、石油、纺织等行业的中，取得了良好的经济效益。旋转变压器具有结构简单、动作灵敏、工作可靠、对环境条件要求低(特别是高温、高粉尘的地方)、输出信号幅度大和抗干扰能力强的特点，被广泛运用在较恶劣的工作环境。由于旋转变压器在安装时存在偏差，且对于永磁同步电机的磁定向控制来说，转子零位是否准确直接影响了电机的转动效率，因此能够准确的获取转子零位直接影响了系统控制精度。

目前对永磁同步电机转子零位的测量方法通常有以下几种：

方法一：通过联轴器将被测电机和稳速电机连接在一起，将稳速电机的转速设定为一个值，进而拖动被测电机匀速旋转，这时可以通过波形解算的方式获得电机和旋变的零点，计算这两个零点的相位差就可以分析出电机与旋变的零位偏差。

方法一的缺陷：每台电机的零点偏差不一致，会给驱动器的匹配带来困难。如果电机或驱动器单一损坏需要重新调零，或者整体返修，而且测量设备需要额外的拖动电机和相关电子和机械器件，增大了测量成本。

方法二：采用外接大功率直流电源的方式，先对电源进行限流，然后对电机的三相绕组通直流电，其中，A相接直流电源的正端，B相和C相接直流电源的负端，通电后电机转子会被拉到一个固定位置不动，这个位置就为转子的零位。

方法二的缺陷：每种永磁电机的磁阻扭矩和摩擦力不一样，所需要的最小电流就不一样，因此通过人为的方式对直流电源限流的调整就会变得很繁琐，且硬件的不同也会造成所测零位存在偏差。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机转子零位检测方法，通过控制SVPWM合成的矢量角的增加或者减小进而控制转子旋转，然后根据转子正反转得到的电角度确认转子的零位值。

为实现上述发明目的，本发明为一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、测量系统上电后采集旋转变压器的输出值，共计N次，然后计算这N个输出值的算数平均值，记为θ_start；

(2)、在定子dq坐标系中，令反PARK变换中的q轴矢量U_q为0，d轴矢量为U_d；设置SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm为0，设定外部高压电源的限流值，以控制合成旋转矢量的方向指向d轴；

当上述条件设定完成后，永磁同步电机转动一定角度θ，在等待一段时间t后，再次采集旋转变压器的输出值N次，并计算N个输出值的算数平均值，记为θ_second；

(3)、通过比较两个算数平均值，获取转子相对于最近A相的位置，再由该位置设定合成定子磁场的旋转方向；

(4)、设定一个摆动机械角度百分比M，将M等比例换算成旋转变压器的变化值Δθ，Δθ＝M*2^r，r表示旋转变压器的分辨率位数；

通过θ_start和Δθ计算出旋转变压器左右两个边界值，再按照合成定子磁场的旋转方向的不同，分别作为永磁同步电机的第一个转动边界位置和第二个转动边界位置；

(5)、设置电机控制中断程序中的SVPWM模块的合成矢量角的增量或减量为θ_per；设置测量系统的摆动周期T；

(6)、保持反PARK变换中的q轴和d轴矢量不变，然后在电机控制中断程序中，根据合成定子磁场的旋转方向，控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，进而控制永磁同步电机旋转至第一转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否等于θ_start±Δθ₁，Δθ₁为误差量；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_efirst[T₁]，其中，T₁为当前摆动周期；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤(6)，直至摆动到第一个转动边界位置；

(7)、当永磁同步电机转动到第一个转动边界位置后，改变合成定子磁场的旋转方向，进而控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，从而再次控制永磁同步电机旋转至第二转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否也等于θ_start±Δθ₁；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_esecond[T₁]；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤(7)，直至摆动到第二个转动边界位置；

(8)、当电机转动到第二个转动边界位置后，一个周期的控制操作完成，然后判断当前转动周期数T₁是否到达设定的值T，若T₁＜T，则返回步骤(6)；否则，先计算每个周期内θ_efirst[T₁]与θ_esecond[T₁]的平均值，再将摆动周期T内计算的每个平均值再求一次平均值，得到最终的有效电矢量，记为θ_eresult；

(9)、计算转子初始位置相对于最近A相的旋转变压器数值差Δθ⁰；

其中，m_p为电机极对数；

(10)、根据步骤(3)中转子相对于最近A相的位置，计算得到永磁同步电机转子的零位值；

θ⁰＝θ_start±Δθ⁰

其中，当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向时，则公式中取“+”；当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的逆时针方向时，则公式中取“-”。

本发明的发明目的是这样实现的：

本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法，首先在定子dq坐标系中，将定子直轴电压矢量设定为一合适的值U_d，将交轴电压矢量U_q和SVPWM模块的合成矢量角为零，从而获取转子相对于最近A相的位置，再由该位置设定合成定子磁场的旋转方向；保持U_d和U_q不变，通过控制SVPWM模块的合成矢量角的增加或者减小，进而控制转子旋转，最后根据转子正反转得到的电角度计算出转子的零位值。

同时，本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法还具有以下有益效果：

(1)、本发明不需要额外的拖动电机和相关辅助装置，只需要一台直流电源即可测试，具有操作简单，整个过程自动化，且识别过程速度较快。

(2)、本发明通过正反测量，能够克服永磁电机的磁阻扭矩和摩擦力，进而得到的结果更加准确。

(3)、本发明对于电机上带有机械限位装置或弹簧扭盘装置的特殊情况下，也能够可靠的识别出转子的零位信息，整个识别过程不需要拆除相关装置且识别速度可调。

附图说明

图1是本发明一种永磁同步电机转子零位检测原理图；

图2是本发明一种永磁同步电机转子零位检测方法流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例

图1是本发明一种永磁同步电机转子零位检测原理图。

在本实施例中，如图1所示，将电机和对应的电机驱动电路、三相逆变电路供电的外部电源和旋转变压器的解码电路连接好，然后手动给外部电源设定一个较大的限流值，在本实施例中设定为I_限＝3A。

如图2所示，本发明为一种永磁同步电机转子零位检测方法，包括以下步骤：

S1、测量系统上电后采集旋转变压器的输出值，共计10次，然后计算这10次输出值的算数平均值，记为θ_start＝3000。

S2、在定子dq坐标系中，令反PARK变换中的q轴矢量U_q为0，d轴矢量为U_d＝0.3；设置SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm为0，设定外部高压电源的限流值I_限＝3A，以控制合成旋转矢量的方向指向d轴；

当上述条件设定完成后，永磁同步电机转动一定角度θ＝10°，在等待一段时间t＝5s后，再次采集旋转变压器的输出值10次，并计算10个输出值的算数平均值，记为θ_second＝3409。

S3、通过比较两个算数平均值来获取转子相对于最近A相的位置，进而由该位置设定合成定子磁场的旋转方向；

其中，获取转子相对于最近A相的位置以及合成定子磁场的旋转方向的具体方法为：

设正对电机轴的顺时针方向为旋转变压器值的增加方向，逆时针方向为旋转变压器值减小的方向；

由于永磁同步电机的转动趋势总是往最近A相的方向旋转，如果θ_start＜θ_second，则表示永磁同步电机已顺时针旋转，则最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向，合成定子磁场的旋转方向设置成逆时针旋转；如果θ_start＞θ_second，则表示永磁同步电机已逆时针旋转，则最近A相在永磁同步电机上初始位置的逆时针方向，合成定子磁场的旋转方向设置成顺时针旋转；在本例中最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向。

S4、设定一个摆动机械角度百分比M＝5％，将5％等比例换算成旋转变压器的变化值Δθ，Δθ＝5％*2^r，r表示旋转变压器的分辨率位数，在本实施例中，旋转变压器的分辨率位数为12位，那么Δθ＝205；

通过θ_start和Δθ计算出旋转变压器左右两个边界值，再按照合成定子磁场的旋转方向的不同，分别作为永磁同步电机的第一个转动边界位置和第二个转动边界位置；

计算出旋转变压器左右两个边界值的具体方法为：

计算旋转变压器左右两个边界值：θ_左＝θ_start-Δθ＝2795，θ_右＝θ_start+Δθ＝3025；

当合成定子磁场的旋转方向为顺时针方向时，将θ_左作为永磁同步电机的第一个转动边界位置，将θ_右作为永磁同步电机的第二个转动边界位置；

当合成定子磁场的旋转方向为逆时针方向时，将θ_右作为永磁同步电机的第一个转动边界位置，将θ_左作为永磁同步电机的第二个转动边界位置。

S5、设置电机控制中断程序中的SVPWM模块的合成矢量角的增量或减量为θ_per；设置测量系统的摆动周期T；

S6、保持反PARK变换中的q轴和d轴矢量不变，然后在电机控制中断程序中，根据合成定子磁场的旋转方向，控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，进而控制永磁同步电机旋转至第一转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否等于θ_start±Δθ₁，Δθ₁为误差量，取值为5；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_efirst[T₁]，其中，T₁为当前摆动周期；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤S6，直至摆动到第一个转动边界位置；

S7、当永磁同步电机转动到第一个转动边界位置后，改变合成定子磁场的旋转方向，进而控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，从而再次控制永磁同步电机旋转至第二转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否也等于θ_start±Δθ₁；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_esecond[T₁]；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤S7，直至摆动到第二个转动边界位置；

S8、当电机转动到第二个转动边界位置后，一个周期的控制操作完成，然后判断当前转动周期数T₁是否到达设定的值T，若T₁＜T，则返回步骤S6；否则，先计算每个周期内θ_efirst[T₁]与θ_esecond[T₁]的平均值，再将摆动周期T内计算的每个平均值再求一次平均值，得到最终的有效电矢量，记为θ_eresult，本例中设为12°；

S9、计算转子初始位置相对于最近A相的旋转变压器数值差Δθ⁰；

其中，m_p为电机的极对数，在本实施例中取值为4；本例中计算得到Δθ⁰＝34。

S10、根据S3中转子相对于最近A相的位置，计算得到永磁同步电机转子的零位值；

θ⁰＝θ_start±Δθ⁰

其中，当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向时，则公式中取“+”；当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的逆时针方向时，则公式中取“-”，在本例中最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向，则公式中取“+”，最后得到旋转变压器的零位为3034。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (3)

1.一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)、测量系统上电后采集旋转变压器的输出值，共计N次，然后计算这N个输出值的算数平均值，记为θ_start；

(2)、在定子dq坐标系中，令反PARK变换中的q轴矢量U_q为0，d轴矢量为U_d；设置SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm为0，设定外部高压电源的限流值，以控制合成旋转矢量的方向指向d轴；

当上述条件设定完成后，永磁同步电机转动一定角度θ，在等待一段时间t后，再次采集旋转变压器的输出值N次，并计算N个输出值的算数平均值，记为θ_second；

(3)、通过通过比较两个算数平均值，获取转子相对于最近A相的位置，再由该位置设定合成定子磁场的旋转方向；

(4)、设定一个摆动机械角度百分比M，将M等比例换算成旋转变压器的变化值Δθ，Δθ＝M*2^r，r表示旋转变压器的分辨率位数；

通过θ_start和Δθ计算出旋转变压器左右两个边界值，再按照合成定子磁场的旋转方向的不同，分别作为永磁同步电机的第一个转动边界位置和第二个转动边界位置；

(5)、设置电机控制中断程序中的SVPWM模块的合成矢量角的增量或减量为θ_per；设置测量系统的摆动周期T；

(6)、保持反PARK变换中的q轴和d轴矢量不变，然后在电机控制中断程序中，根据合成定子磁场的旋转方向，控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，进而控制永磁同步电机旋转至第一转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否等于θ_start±Δθ₁，Δθ₁为误差量；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_efirst[T₁]，其中，T₁为当前摆动周期；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤(6)，直至摆动到第一个转动边界位置；

(7)、当永磁同步电机转动到第一个转动边界位置后，改变合成定子磁场的旋转方向，进而控制SVPWM模块的合成矢量角θ_svpwm增加或减小θ_per，从而再次控制永磁同步电机旋转至第二转动边界位置，在此过程中，实时采集当前时刻旋转变压器的输出值，并判断其输出值是否也等于θ_start±Δθ₁；如果满足，则记录当前时刻的合成矢量角，然后继续采集后续时刻旋转变压器的输出值，并判断后续时刻旋转变压器输出值的变化趋势是否相同，若相同，则保存当前时刻旋转变压器的输出值记为θ_esecond[T₁]；否则，继续增加或减小θ_per并重复步骤(7)，直至摆动到第二个转动边界位置；

(8)、当电机转动到第二个转动边界位置后，一个周期的控制操作完成，然后判断当前转动周期数T₁是否到达设定的值T，若T₁＜T，则返回步骤(6)；否则，先计算每个周期内θ_efirst[T₁]与θ_esecond[T₁]的平均值，再将摆动周期T内计算的每个平均值再求一次平均值，得到最终的有效电矢量，记为θ_eresult；

(9)、计算转子初始位置相对于最近A相的旋转变压器数值差Δθ⁰；

(10)、根据步骤(3)中转子相对于最近A相的位置，计算得到永磁同步电机转子的零位值；

θ⁰＝θ_start±Δθ⁰

其中，当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向时，则公式中取“+”；当最近A相在永磁同步电机上电初始位置的逆时针方向时，则公式中取“-”。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，所述步骤(3)中，获取转子相对于最近A相的位置以及合成定子磁场的旋转方向的具体方法为：

设正对电机轴的顺时针方向为旋转变压器值的增加方向，逆时针方向为旋转变压器值减小的方向；

永磁同步电机的转动趋势总是往最近A相的方向旋转，如果θ_start＜θ_second，则表示永磁同步电机已顺时针旋转，则最近A相在永磁同步电机上电初始位置的顺时针方向，合成定子磁场的旋转方向设置成逆时针旋转；如果θ_start＞θ_second，则表示永磁同步电机已逆时针旋转，则最近A相在永磁同步电机上初始位置的逆时针方向，合成定子磁场的旋转方向设置成顺时针旋转；。

3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机转子零位检测方法，其特征在于，所述步骤(4)中，计算出旋转变压器左右两个边界值的具体方法为：

计算旋转变压器左右两个边界值：θ_左＝θ_start-Δθ，θ_右＝θ_start+Δθ；

当合成定子磁场的旋转方向为顺时针方向时，将θ_左作为永磁同步电机的第一个转动边界位置，将θ_右作为永磁同步电机的第二个转动边界位置；

当合成定子磁场的旋转方向为逆时针方向时，将θ_右作为永磁同步电机的第一个转动边界位置，将θ_左作为永磁同步电机的第二个转动边界位置。

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