CN113315441A - 一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及永磁同步电机控制领域，公开了一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，包括：S1：通过注入高频电压，获取电机转子初始位置的电角度；S2：读取电角度，分别对d轴给定一段相同时间的稳态正向电压Ud与稳态负向电压‑Ud；S3：采集d轴结束时的两次稳态电流，确认稳态电流的斜率，判断电角度的位置信息，进而区分电机转子的N、S极，获取电机转子的位置信息。本发明利用高频注入法，获取电机转子的初始电角度，接着通过给定响应的正负稳态电压值，利用得到的稳态电流斜率进行判断电机转子N、S极，最终获取电机转子的准确位置，解决了现有技术因不同电压幅值造成的误差，无法准确得出电机转子的位置的问题。

Description

一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机控制领域，特别涉及一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法。
背景技术
永磁同步电机以其高功率密度获得了更多的应用场合，在电动汽车中，永磁同步电机已经成为主导的电驱动系统的主体。在实际使用过程中，一般我们需要安装位置传感器来提供位置信号，此时我们需要检测转子的初始位置，以便于设定位置传感器的初始值；另外在一些无速度传感器控制的场中，我们也需要对转子初始位置进行观测，之后才能控制电机的启动。
目前，为获取转子初始电角度有多种方法，例如高频电压响应法、电流上升率法、闭环电流上升率法等，在获取到包含转子初始位置的电角度后，都需要经过繁琐的计算才能获取到转子的初始位置。现在获取转子初始位置使用得比较多的是高频电压注入法，该方法需要给定一个合适幅值的高频电压幅值给定电机，不同电压幅值的情况下的误差变化很大，在电压较低或者较高的时候误差较大，只有合适的电压能够达到更高的精度，利用施加的稳态电压检测电流幅值，稳态时d轴负方向(即S极)和正方向(即N极)数值是接近的，容易误判。采用高频电压注入法获得电机转子位置时，可利用傅里叶级数方法提取到转子电角度，但不能对转子NS极性进行区分。
发明内容
为了解决现有技术需要经过繁琐的计算才能获取到转子的初始位置的问题，本发明提供了一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，包括以下：
S1：通过注入高频电压，获取电机转子初始位置的电角度；
S2：读取电角度，分别对d轴给定一段相同时间的稳态正向电压Ud与稳态负向电压-Ud；
S3：采集d轴结束时的两次稳态电流，确认稳态电流的斜率，判断电角度的位置信息，进而区分电机转子的N、S极，获取电机转子的位置信息。
进一步地，所述S1包括：
S11：通过高频电压响应法向电机定子给定以下输入：
Figure BDA0003091670020000023
其中s表示定子，dqsc表示静止dq坐标系下的定子载波电压，Vc是注入电压的幅值；
最终会产生的稳态电流为：
Figure BDA0003091670020000021
式(2)忽略了高次的谐波，使用过程中，仅关注式(2)中的第二项，即负序分量，其中含有转子角度r的信号，负序的幅值较大；
S12：利用傅里叶级数的方法得到负序分量的角度信息：
Figure BDA0003091670020000022
通过式(3)提取到电机转子的电角度。
进一步地，所述S1的高频电压注入包括：通过电压开环控制，给定电压Uq和高频电压频率，启动MCU开环控制。
进一步地，所述S2包括：
S21：在通过注入高频电压得到角度值后，基于FOC控制下，直接给定d轴电压，按高频电压法得到的电角度进行SVPWM控制；
S22：给定d轴稳态正向电压Ud，q轴电压设定为0，设定通电压时间，等待第一次通电压结束；
S23：接着给定d轴电压为0，设定等待时间，等待规定时间结束，d轴电流归零，再给定d轴稳态负向电压-Ud，设定通电压时间，等待通电压结束。
进一步地，所述S3包括：获取d轴两次通电压结束时的稳态电流，按采集到的三相电流和电角度计算d轴电流id，将第一次通电压记录为id1，第二次通电压记录为id2，通过比较所述id1与id2的电流斜率判断电角度的位置信息，当id1>id2时，电角度与实际电角度相同，反之，与实际电角度相差180°。
进一步地，所述id1的电流斜率为：
K1＝Ud/(Ld0+ΔLd1) (4)；
其中，Ud为施加在d轴上的稳态正向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld1为id＝id1时的电感。
所述id2的电流斜率为：
K2＝Ud/(Ld0-ΔLd2) (5)；
其中，-Ud为施加在d轴上的稳态负向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld2为id＝id2时的电感。
进一步地，所述电机转子在永磁体存在的情况下，N极电感小于S极电感，即Ldn＜Lds，靠近N极角度下的电流幅值大于S极角度下的电流幅值，通过电流响应的幅值判断N、S极。
进一步地，采集结束时的d轴的稳态电流确认稳态电流斜率，判断电流幅值，当电流大的即电流响应快，此时方向即为N极，反之则为S极。
进一步地，所述通电压时间为2-20ms，所述等待时间为大于100ms。
本发明的有益效果至少包括：本发明利用高频注入法，获取电机转子的初始电角度，接着通过给定响应的正负稳态电压值，利用得到的稳态电流斜率进行判断电机转子N、S极，最终获取电机转子的准确位置，解决了现有技术因不同电压幅值造成的误差，无法准确得出电机转子的位置的问题。
附图说明
图1为本发明的流程结构示意图。
图2为本发明的实施例一的流程结构示意图。
图3为本发明的等效电路图示意图。
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，本领域普通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1-2所示，本发明公开了一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法：包括以下：
S1：通过注入高频电压，获取电机转子初始位置的电角度；
S2：读取电角度，分别对d轴给定一段相同时间的稳态正向电压Ud与稳态负向电压-Ud；
S3：采集d轴结束时的两次稳态电流，确认稳态电流的斜率，判断电角度的位置信息，进而区分电机转子的N、S极，获取电机转子的位置信息。
实施例一
本发明提供了一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法：包括以下：
S1：通过注入高频电压，获取电机转子初始位置的电角度；
所述S1的高频电压注入包括：通过电压开环控制，给定电压Uq和高频电压频率，启动MCU开环控制；
S11：通过高频电压响应法向电机定子给定以下输入：
Figure BDA0003091670020000051
其中s表示定子，dqsc表示静止dq坐标系下的定子载波电压，Vc是注入电压的幅值；
最终会产生的稳态电流为：
Figure BDA0003091670020000052
式(2)忽略了高次的谐波，使用过程中，仅关注式(2)中的第二项，即负序分量，其中含有转子角度r的信号，负序的幅值较大；
S12：利用傅里叶级数的方法得到负序分量的角度信息：
Figure BDA0003091670020000053
通过式(3)提取到电机转子的电角度。
S2：读取电角度，分别对d轴给定一段相同时间的稳态正向电压Ud与稳态负向电压-Ud；
S21：在通过注入高频电压得到角度值后，基于FOC控制下，直接给定d轴电压，按高频电压法得到的电角度进行SVPWM控制；
S22：给定d轴稳态正向电压Ud，q轴电压设定为0，设定通电压时间，等待第一次通电压结束；
S23：接着给定d轴电压为0，设定等待时间，等待规定时间结束，d轴电流归零，再给定d轴稳态负向电压-Ud，设定通电压时间，等待通电压结束。
S3：采集d轴结束时的两次稳态电流，确认稳态电流的斜率，判断电角度的位置信息，进而区分电机转子的N、S极，获取电机转子的位置信息。
获取d轴两次通电压结束时的稳态电流，按采集到的三相电流和电角度计算d轴电流id，将第一次通电压记录为id1，第二次通电压记录为id2，通过比较所述id1与id2的电流斜率判断电角度的位置信息，当id1>id2时，电角度与实际电角度相同，反之，与实际电角度相差180°。
所述id1的电流斜率为：
K1＝Ud/(Ld0+ΔLd1) (4)；
其中，Ud为施加在d轴上的稳态正向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld1为id＝id1时的电感。
所述id2的电流斜率为：
K2＝Ud/(Ld0-ΔLd2) (5)；
其中，-Ud为施加在d轴上的稳态负向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld2为id＝id2时的电感。
在不考虑电机转子永磁体的情况下，N、S极表现出来的电感特性是一样的，都是Ld，但电机转子在永磁体存在的情况下，N极电感小于S极电感，即Ldn＜Lds，靠近N极角度下的电流幅值大于S极角度下的电流幅值，通过电流响应的幅值判断N、S极。
当对d轴S极方向施加电压，会使d轴磁路退饱和，Ld增大，电流响应变慢，当对d轴N极方向施加电压则起到反效果，所以可以听过使用磁路饱和效应对当前电角度分别通Ud与-Ud，判断id的斜率即可分辨NS极。
采集结束时的d轴的稳态电流确认稳态电流斜率，判断电流幅值，当电流大的即电流响应快，此时方向即为N极，反之则为S极。
所述通电压时间为2-20ms，所述等待时间为大于100ms。
通过上机位给定开环频率与Uq，Ud赋值0，启动电流处理，判断处理时间是否为1s，否即继续处理，是即读取电角度P1，开环频率赋值0，Ud赋值0，Uq赋值0，接着通过上机位赋值d轴稳态正向电压Ud，设定通电压2ms后，读取id，即为id1，给定d轴电压为0，设定等待时间100ms，等待时间结束后，d轴电流归零，再给定d轴稳态负向电压-Ud，设定通电压2ms后，读取id，即为id2，给定d轴电压为0，将id1与id2进行比较，当id1＞id2时，实际电角度为P1，当id1＜id2时，实际电角度为P1+180°。
本发明在实施时已按高频电压响应法得到一个电角度，该值和实际电角度相同或相差180°，在此基础上给定d轴电压，无需对电机转子位置进行固定，方便操作，给定电压和给定时间可调，方便得到有明显区别的电流上升率，不易造成误判。
与现有通过id大小对电机转子的位置进行判别的方法对比，本发明首先将电子转子位置通过机械方法固定在相对零位，也就是转子的磁链方向和A相重合，之后，通过逆变器对电机三相绕组分别施加电压，A相经过PWM调制接Ud，B和C相接地，其等效电路图如图3所示。
电流id和电压Ud的关系如下：
Figure BDA0003091670020000081
其中Ld非固定值，随id变化。
如果施加的Ud为“+”，即与A轴方向相同，由+id造成的Ld变化量为+，数值为+ΔLd1，Ld＝Ld0+ΔLd1。其中Ld0为id＝0时的Ld。
如果施加的Ud为“-”，即与A轴方向相反，由-id造成的Ld变化量为-，数值为-ΔLd2，Ld＝Ld0-ΔLd2。
如果施加的Ud为“+”，在达到+id_t(id_t为绝对值,无符号)的时候，对应的电流斜率为式(4)；如果施加的Ud为“-”，在达到-id_t的时候，对应的电流斜率为式(5)。
选择Ud值，得到合适的id值，在该id下，r1＝ΔLd1/Ld0≈0.1，r2＝ΔLd2/Ld0。当id远离定子电感饱和电流时，r1≈r2，如果不满足，则减小id值；负面影响是r减小，对采样精度要求提高。通过比较K1和K2，即可得到d轴的正确方向——较小K值(K1)对应正确的d轴方向。而且，在r≈0.1的条件下，K1和K2的相对差值为：
D＝K2/K1＝(Ld0+ΔLd1)/(Ld0-ΔLd2)≈1.1/0.9*100％
斜率K2和K1的差值D≈20％，在此情况下，容易进行判别。
而现有技术方案，是测量稳态电流，根据式(6)，进入稳态后(假定Ld和Rs串联电路的时间常数为τ，即经过n*τ；假定n≥5时进入稳态)，id仅和电压矢量Ud以及定子电感Rs有关，跟Ld无关；在n值较小时(5附近时)，Ld仅有残余影响(5个时间常数后，id与稳态值的偏差小于1％)。
本发明的实际实施过程中的电压大小和通电时间可进行调整，电压大小要满足两个方向的电流上升率要有明显区别，时间要满足电流上升且达到电流不再加大为止，即为磁路要达到饱和，并检测不同的上升率。通电时间的调整可以以通过采集id电流波形，观测能体现较大的上升率差异的时间进行设置。
通过本发明提供的方法分辨NS极，易于实施，通过选择合适的电压和时间，可得到明显的斜率差，不易产生误判，如果检测稳态时电流幅值，容易误判，因为稳态时d轴负方向和正方向数值是接近的，且此方法在根据已通过高频电压响应法得到的电角度基础上给Ud和-Ud，也不会造成电机抖动，因为都是没有q轴分量，只有d轴分量。
本发明在高频电压法得到包含位置信息的电角度基础上，分别给正向和负向Ud，电压Ud大小和时间均可调整，接着基于两次的Ud判断id的变化率，确定最终的转子初始角度位置。
本发明为了方便检测到id上升率差异，通电压时间通常在ms级，可通过采集观测id电流波形进行调整。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：包括以下：
S1：通过注入高频电压，获取电机转子初始位置的电角度；
S2：读取电角度，分别对d轴给定一段相同时间的稳态正向电压Ud与稳态负向电压-Ud；
S3：采集d轴结束时的两次稳态电流，确认稳态电流的斜率，判断电角度的位置信息，进而区分电机转子的N、S极，获取电机转子的位置信息。
2.根据权利要求1所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：所述S1包括：
S11：通过高频电压响应法向电机定子给定以下输入：
Figure FDA0003091670010000011
其中s表示定子，dqsc表示静止dq坐标系下的定子载波电压，Vc是注入电压的幅值；
最终会产生的稳态电流为：
Figure FDA0003091670010000012
式(2)忽略了高次的谐波，使用过程中，仅关注式(2)中的第二项，即负序分量，其中含有转子角度r的信号，负序的幅值较大；
S12：利用傅里叶级数的方法得到负序分量的角度信息：
Figure FDA0003091670010000013
通过式(3)提取到电机转子的电角度。
3.根据权利要求2所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：所述S1的高频电压注入包括：通过电压开环控制，给定电压Uq和高频电压频率，启动MCU开环控制。
4.根据权利要求1所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：所述S2包括：
S21：在通过注入高频电压得到角度值后，基于FOC控制下，直接给定d轴电压，按高频电压法得到的电角度进行SVPWM控制；
S22：给定d轴稳态正向电压Ud，q轴电压设定为0，设定通电压时间，等待第一次通电压结束；
S23：接着给定d轴电压为0，设定等待时间，等待规定时间结束，d轴电流归零，再给定d轴稳态负向电压-Ud，设定通电压时间，等待通电压结束。
5.根据权利要求4所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：所述S3包括：获取d轴两次通电压结束时的稳态电流，按采集到的三相电流和电角度计算d轴电流id，将第一次通电压记录为id1，第二次通电压记录为id2，通过比较所述id1与id2的电流斜率判断电角度的位置信息，当id1>id2时，电角度与实际电角度相同，反之，与实际电角度相差180°。
6.根据权利要求5所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：
所述id1的电流斜率为：
K1＝Ud/(Ld0+ΔLd1) (4)；
其中，Ud为施加在d轴上的稳态正向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld1为id＝id1时的电感。
所述id2的电流斜率为：
K2＝Ud/(Ld0-ΔLd2) (5)；
其中，-Ud为施加在d轴上的稳态负向电压，Ld0为id＝0时的电感，Ld2为id＝id2时的电感。
7.根据权利要求6所述的一种基于高频注入法优化的电机转子磁极检测方法，其特征在于：所述电机转子在永磁体存在的情况下，N极电感小于S极电感，即Ldn＜Lds，靠近N极角度下的电流幅值大于S极角度下的电流幅值，通过电流响应的幅值判断N、S极。
8.根据权利要求7所述一种的基于高频注入法的电机转子位置检测方法，其特征在于：采集结束时的d轴的稳态电流确认稳态电流斜率，判断电流幅值，当电流大的即电流响应快，此时方向即为N极，反之则为S极。
9.根据权利要求4所述一种的基于高频注入法的电机转子位置检测方法，其特征在于：所述通电压时间为2-20ms，所述等待时间为大于100ms。
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