CN114157186A - 一种永磁同步电机的电角度标定方法、评价方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及交流电机的电角度标定技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的电角度标定方法、评价方法及其系统；本发明通过对电机多极电角度的正反向标定，准确计算出电机的实时电角度，而且可对试验数据进行评判，剔除其他因素造成的标零不准问题，在得到准确的试验结果后，可以有效提高电机电角度的标定精度，进行可以改善电机闭环控制时的控制特性。

Description

一种永磁同步电机的电角度标定方法、评价方法及其系统

技术领域

本发明涉及交流电机的电角度标定技术领域，特别涉及一种永磁同步电机的电角度标定方法、评价方法及其系统。

背景技术

传统中有刷直流电机应用十分广泛，但由于有刷电机存在电刷磨损、电机换相易产生电火花等问题，有刷电机并不适用于航空航天等可靠性要求高的技术领域。

交流永磁同步电机(以下简称永磁同步电机)的定子为线圈，转子为永磁体，不再含有机械电刷，采用电子换相技术，具有功率密度大、转动惯量低和可靠性高的特点，随着微电子技术、传感器技术以及控制理论的发展，永磁同步电机有了越来越广泛的应用。

永磁同步电机一般做成多极的结构形式，每一极对应电角度0°～360°变化，设电机的极对数为N，当电机转动一圈，机械角度在0°～360°内变化一次，则电角度在0～360°变化N次。永磁电机在使用时一般在电机同轴装有编码器(可为绝对式或增量式编码器)，其控制方法分为PMSM控制法和脉宽激励控制法，通常情况下编码器与转子同轴连接后，由于其安装的任意性，绝对位置信号和电机转轴的初始关系是随机且未知的，因此在编码器安装完成后，首先必须对电角度进行标定，建立电机电角度与编码器码值的一一对应关系，再通过控制算法达到控制电机的目的，然而常规的标定方法不稳定，电角度的标定结果时常不准确。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供了一种永磁同步电机的电角度标定方法，

一种永磁同步电机的电角度标定评价方法及其系统。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种永磁同步电机的电角度标定方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、确定电机转动方向与编码器安装方向的关系；

步骤S2、电机正向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器正向数据值；电机反向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器反向数据值；

步骤S3、根据编码器的位数及码值变化范围，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

步骤S4、将编码器实时采样值对电机的极对数进行求余运算，得到其求余值，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值。

作为本发明的一种改进，在步骤S1内，若电机正向转动时编码器输出值B_BMQ为从小变大，记编码器数据值为B＝B_BMQ，若编码器输出值从大变小，则记编码器数据值B＝2^M-B_BMQ，其中，编码器的位数为M。

作为本发明的进一步改进，在步骤S2内，正向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次增加1°，电机正向旋转，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器正向数据值，记为x₁～x_N，其中，N为电机的极对数。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S2内，反向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次减小1°，电机反向转动，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器反向数据值，记为y₁～y_N。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S3内，电机每一极内编码器码值变化的范围为m＝2^M/N；编码器正向数据值x₁～x_N和编码器反向数据值y₁～y_N分别对m进行求余运算，得到x'₁～x'_N、y'₁～y'_N；从而计算出，电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值为：

作为本发明的更进一步改进，在步骤S4内，将编码器实时采样值B对N进行求余运算，得到其求余值B'，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度：

一种永磁同步电机的电角度标定评价方法，对权利要求1至6任一所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法的标定结果进行评价，其中，包括如下步骤：

步骤N1、对步骤S3内编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值分别进行求平均计算，从而分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值；

步骤N2、根据编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值进行标准差计算，分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值；

步骤N3、若编码器正向数据值与编码器正向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器正向数据值标准差值的3倍，则将该编码器正向数据值剔除后计算或重新计算编码器正向数据值；若编码器反向数据值与编码器反向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器反向数据值标准差值的3倍，则将该编码器反向数据值剔除后计算或重新计算编码器反向数据值；

步骤N4、将编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值进行互相比对，若两者接近，则说明电角度标定结果准确可信，否则进行重新标定。

作为本发明的更进一步改进，在步骤N1内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的算术平均值，公式如下：

作为本发明的更进一步改进，在步骤N2内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的标准差，公式如下：

一种永磁同步电机的电角度标定评价系统，其中，包括：

记录模块，用于记录编码器数据，得到编码器数据值；

求余模块、用于对编码器数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

计算模块、用于根据电机电角度的计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值；

求平均模块、用于对编码器数据值的求余值进行求平均计算，得到编码器数据值的算术平均值；

求差模块、用于对编码器数据值的求余值进行标准差计算，得到编码器数据值的标准差值；

判断模块、用于比对电机正反转的编码器数据值的标准差值，进行电角度标定结果准确的判断。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过对电机多极电角度的正反向标定，准确计算出电机的实时电角度，而且可对试验数据进行评判，剔除其他因素造成的标零不准问题，在得到准确的试验结果后，可以有效提高电机电角度的标定精度，进行可以改善电机闭环控制时的控制特性。

附图说明

图1为本发明的永磁同步电机的电角度标定方法的步骤框图；

图2为本发明的永磁同步电机的电角度标定评价方法的步骤框图；

图3为现有技术中永磁同步电机电角度常规标定流程；

图4为本发明内的永磁同步电机测试环境框图；

图5为本发明内电机电流环闭环控制框图；

附图标记：100-控制器，200-电机驱动器，300-永磁同步电机，400-绝对式编码器，500-电流传感器，600-AD转换器，700-模拟信号处理电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参照图1至图5，本发明的一种永磁同步电机的电角度标定方法，包括如下步骤：

步骤S1、确定电机转动方向与编码器安装方向的关系；

步骤S2、电机正向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器正向数据值；电机反向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器反向数据值；

步骤S3、根据编码器的位数及码值变化范围，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

步骤S4、将编码器实时采样值对电机的极对数进行求余运算，得到其求余值，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值。

其中，在步骤S1内，若电机正向转动时编码器输出值B_BMQ为从小变大，记编码器数据值为B＝B_BMQ，若编码器输出值从大变小，则记编码器数据值B＝2^M-B_BMQ，其中，编码器的位数为M。

在步骤S2内，正向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次增加1°，电机正向旋转，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器正向数据值，记为x₁～x_N，其中，N为电机的极对数；反向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次减小1°，电机反向转动，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器反向数据值，记为y₁～y_N。

在本发明内，在步骤S3内，电机每一极内编码器码值变化的范围为m＝2^M/N；编码器正向数据值x₁～x_N和编码器反向数据值y₁～y_N分别对m进行求余运算，得到x'₁～x'_N、y'₁～y'_N；从而计算出，电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值为：

在步骤S4内，将编码器实时采样值B对N进行求余运算，得到其求余值B'，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度：

具体地讲，在本发明内，搭建电机测试环境(该测试环境为通用成熟技术)，主要包括如下部分：控制器、电机驱动器、永磁同步电机、与永磁同步电机同轴安装的绝对式编码器、电流传感器、AD转换电路、模拟信号处理电路等。

1、电机测试环境中各部分的关系如下：

控制器通过采集AD转换电路的数据，计算得到电机的三相电流数据；控制器通过采集绝对式编码器的数据，得到电机的机械绝对角度信息；控制器进行PMSM算法后，输出电机控制信号到电机驱动器，驱动电机进行转动；电流传感器的信号经信号处理电路，送入AD转换器进行转换。

2、编写永磁电机开环控制程序，如图5所示，图中虚线框部分在控制器中软件实现，包括Cl arke变换、Park变换、I Park变换、两个电流环PI控制器、SVPWM控制部分，图中Iqref为交轴电流，Idref为直轴电流，θ为给定的电机电角度；两个PI控制器参数相同，通过常规的方法整定；当电机正常工作时，θ由编码器数据推算得出，Iqref为期待的电机力矩，Idref＝0。

当对电机电角度进行标定时，Iqref＝0，Idref设置为比电机额定电流小的值，此时软件给定θ从0°～360°缓慢变化，电机跟随θ变化而转动，在此条件下可对电机的电角度进行标定，得出编码器电角度与编码器的换算关系(使用此种方法控制电机无法实现电机的转速控制，且控制带宽很低，故只用于电机的标零，不用于电机的实际控制)；

3、确定参数

根据永磁同步电机参数手册，确定使用电机的极对数N；根据永磁同步电机参数手册，确定电机额定电流I，选取Idref为小于I的值，作为标定电角度的Idref输入值；根据绝对式编码器参数手册，确定编码器位数为M。

在本发明内，确定电机转动方向与编码器安装方向的关系，若电机正向转动时编码器输出值B_BMQ为从小变大，记编码器数据值为B＝B_BMQ，若编码器输出值从大变小，则记编码器数据值B＝2^M-B_BMQ；

4、电机电角度标定与计算

正向开环控制电机旋转，θ角给定每次增加1°，电机正向旋转，θ角在0°～360°范围内循环变化，每次到达θ等于零时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器数据值，记为x₁～x_N；

反向开环控制电机旋转，θ角给定每次减小1°，电机反向转动，θ角在0°～360°范围内循环变化，每次到达θ等于零时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器数据值，记为y₁～y_N；

绝对编码器位数为M，则编码器码值换算成机械角度的公式为；

电机每一极内编码器码值变化的范围为m＝2^M/N；

对x₁～x_N、y₁～y_N分别对m进行求余运算，得到x'₁～x'_N、y'₁～y'_N；

计算电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值为：

将编码器实时采样值B对N进行求余运算，得到求余值B'；

根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度：

此时，电机的电角度标定完成，将计算得出的实时的电角度值，作为图5中的输入角度值θ，将Iqref设置为目标力矩值，Idref设置为0，即可正常实现电机的电流闭环控制算法；

现阶段的电角度标定方法简单，首先得到电机的一个初始电角度值，再根据计算公式推算出所有的电角度，该方法未能实现电角度标定结果评价，在使用中，若选取参数不当或受外在因素影响，得到错误的标定结果，在电机工作中可能引起系统飞车、失速等严重的后果，而在高精度使用中，不准确的电角度标定结果会对控制系统的精度和性能带来影响。

本发明提供了一种永磁同步电机的电角度标定评价方法，对上述的永磁同步电机的电角度标定方法的标定结果进行评价，包括如下步骤：

步骤N1、对步骤S3内编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值分别进行求平均计算，从而分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值；

步骤N2、根据编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值进行标准差计算，分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值；

步骤N3、若编码器正向数据值与编码器正向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器正向数据值标准差值的3倍，则将该编码器正向数据值剔除后计算或重新计算编码器正向数据值；若编码器反向数据值与编码器反向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器反向数据值标准差值的3倍，则将该编码器反向数据值剔除后计算或重新计算编码器反向数据值；

步骤N4、将编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值进行互相比对，若两者接近，则说明电角度标定结果准确可信，否则进行重新标定。

其中，在步骤N1内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的算术平均值，公式如下：

在步骤N2内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的标准差，公式如下：

具体地讲，由于试验环境、试验方法或试验装置人员等因素影响，标定结果可能存在粗大误差和随机误差影响，可对电角度的标定结果进行如下评价：

分别计算x'₁～x'_N和y'₁～y'_N的算术平均值，公式如下：

分别计算x'₁～x'_N和y'₁～y'_N的标准差，公式如下：

根据莱伊达准则对粗大误差影响因素进行评判如下：

若存在

或

则认定x_i或y_i为不可信数据，需将该数据剔除后计算，或重新进行试验得到数据；

对于测量数据的随机误差进行如下处理：

根据σ_x大小可对

进行评判，σ_x值越小，则说明

越接近被测量真值，同理，可对

作出评判；

若

与

满足检验条件，则对

与

值进行比较，当两值接近时，说明电角度标定结果准确可信，否则在标零过程中存在安装精度或机械紧固因素对标定结果造成影响，需进行处理后重新进行测试。

在本发明内，进行永磁同步电机的电角度定位，在有效提高电角度标定结果的可信度的前提下，可有效提高电角度标定结果的精度，同时可实现对标定过程的粗大误差和随机误差进行评价。

本发明还提供了一种永磁同步电机的电角度标定评价系统，包括：

记录模块，用于记录编码器数据，得到编码器数据值；

求余模块、用于对编码器数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

计算模块、用于根据电机电角度的计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值；

求平均模块、用于对编码器数据值的求余值进行求平均计算，得到编码器数据值的算术平均值；

求差模块、用于对编码器数据值的求余值进行标准差计算，得到编码器数据值的标准差值；

判断模块、用于比对电机正反转的编码器数据值的标准差值，进行电角度标定结果准确的判断。

在本发明内，通过对电机多极电角度的正反向标定，首先可对试验数据进行评判，剔除其他因素造成的标零不准问题，在得到准确的试验结果后，可以有效提高电机电角度的标定精度，进行可以改善电机闭环控制时的控制特性。

本发明经试验室试验验证测试，本发明有效提高了永磁同步电机电角度标定精度，避免因为安装等原因带来的误差影响，结论如下：

1、当Idref给定参数过小时，电机每次停留的电角度零位置差异较大，适当增大Idref给定值后，位置差异变小。

2、当编码器与电机轴固定松动时，根据对粗大误差影响因素判据方法，得到判定结果为不可信，进行拧紧加固后，得到合格的测试结果。

3、使用本发明的电角度的标定方法后，进行电机闭环控制平稳，未出现标定电角度错误类似的相关问题，证明该方法设计合理可行。

本发明使用绝对式编码器建立了永磁同步电机的电角度标定方法。在实现时，也可使用增量式编码器实现电角度标定，由于为增量式编码器，标定的过程在绝对式编码器的基础上有如下替换：

正向开环控制电机旋转，θ角给定每次增加1°，电机正向旋转，θ角在0～360°范围内循环变化，每次到达θ等于零时，等待电机位置稳定时记录增量编码器的脉冲数x_i，之后将脉冲数清零处理后重新计数，得到N个编码器数据值，记为x₁～x_N；

反向开环控制电机旋转，θ角给定每次减小1°，电机反向转动，θ角在0～360°范围内循环变化，每次到达θ等于零时，等待电机位置稳定时记录增量编码器的脉冲数y_i，之后将脉冲数清零处理后重新计数，得到N个编码器数据值，记为y₁～y_N；其他步骤方法不变。

以上所述仅为本发明的实施方式，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 (10)

1.一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、确定电机转动方向与编码器安装方向的关系；

步骤S2、电机正向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器正向数据值；电机反向旋转，给定的电机电角度每次到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，得到编码器反向数据值；

步骤S3、根据编码器的位数及码值变化范围，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

步骤S4、将编码器实时采样值对电机的极对数进行求余运算，得到其求余值，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值。

2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，在步骤S1内，若电机正向转动时编码器输出值B_BMQ为从小变大，记编码器数据值为B＝B_BMQ，若编码器输出值从大变小，则记编码器数据值B＝2^M-B_BMQ，其中，编码器的位数为M。

3.根据权利要求2所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，在步骤S2内，正向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次增加1°，电机正向旋转，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器正向数据值，记为x₁～x_N，其中，N为电机的极对数。

4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，在步骤S2内，反向开环控制电机旋转，给定的电机电角度θ角每次减小1°，电机反向转动，给定的电机电角度θ角在0°～360°范围内循环变化，每次给定的电机电角度θ角到达零位时，等待电机位置稳定时记录编码器数据，共得到N个编码器反向数据值，记为y₁～y_N。

5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，在步骤S3内，电机每一极内编码器码值变化的范围为m＝2^M/N；编码器正向数据值x₁～x_N和编码器反向数据值y₁～y_N分别对m进行求余运算，得到x'₁～x'_N、y'₁～y'_N；从而计算出，电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值为：

6.根据权利要求5所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法，其特征在于，在步骤S4内，将编码器实时采样值B对N进行求余运算，得到其求余值B'，再根据电机电角度计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度：

7.一种永磁同步电机的电角度标定评价方法，对权利要求1至6任一所述的一种永磁同步电机的电角度标定方法的标定结果进行评价，其特征在于，包括如下步骤：

步骤N1、对步骤S3内编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值分别进行求平均计算，从而分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值；

步骤N2、根据编码器正向数据值和编码器反向数据值的算术平均值，分别对编码器正向数据值和编码器反向数据值的求余值进行标准差计算，分别得到编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值；

步骤N3、若编码器正向数据值与编码器正向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器正向数据值标准差值的3倍，则将该编码器正向数据值剔除后计算或重新计算编码器正向数据值；若编码器反向数据值与编码器反向数据值的算术平均值的绝对值大于编码器反向数据值标准差值的3倍，则将该编码器反向数据值剔除后计算或重新计算编码器反向数据值；

步骤N4、将编码器正向数据值和编码器反向数据值的标准差值进行互相比对，若两者接近，则说明电角度标定结果准确可信，否则进行重新标定。

8.根据权利要求7所述的一种永磁同步电机的电角度标定评价方法，其特征在于，在步骤N1内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的算术平均值，公式如下：

9.根据权利要求8所述的一种永磁同步电机的电角度标定评价方法，其特征在于，在步骤N2内，分别计算编码器正向数据值的求余值x'₁～x'_N和编码器反向数据值的求余值y'₁～y'_N的标准差，公式如下：

10.一种永磁同步电机的电角度标定评价系统，其特征在于，包括：

记录模块，用于记录编码器数据，得到编码器数据值；

求余模块、用于对编码器数据值进行求余运算，从而计算出电机的转子指向电角度零位时需补偿的电角度计算值；

计算模块、用于根据电机电角度的计算值和编码器的实时采样值的求余值，得到电机的实时电角度值；

求平均模块、用于对编码器数据值的求余值进行求平均计算，得到编码器数据值的算术平均值；

求差模块、用于对编码器数据值的求余值进行标准差计算，得到编码器数据值的标准差值；

判断模块、用于比对电机正反转的编码器数据值的标准差值，进行电角度标定结果准确的判断。

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