CN114221588B - 一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于电气传动技术领域，具体提供一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统，该初始相位定位方法针对永磁同步电机在无传感器控制系统的初始角进行辨识。其方法是注入脉振高频电压，通过对Q轴电流响应的处理分析得到辨识初始角；然后在此基础上继续注入幅值和频率不同的脉振高频电压，通过对D轴电流响应的处理分析得到转子位置极性；最后通过辨识的初始角和转子位置极性获取初始相位。实测结果表明了该方法的有效性和可靠性。

Description

一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统

技术领域

本发明涉及电气传动技术领域，更具体地，涉及一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统。

背景技术

永磁同步电机在磁场定向的矢量控制系统中，为了提高控制性能，需要准确的转子位置信息。通常使用的测速装置会增加系统的尺寸、重量及成本，同时对应用场合也更加严苛。基于无位置传感器的永磁同步电机控制必然是主流趋势，对此提出的首要关键技术就是无位置传感器的永磁同步电机初始相位辨识。

永磁同步电机初始相位定位不准时，直接启动会导致电机抖动、反转，而这在某些特定的应用场合是不能被允许的，同时在启动瞬间会有非常大的电流冲击和噪声，对控制装置和电机都产生较大伤害，而当角度偏差过大时，会导致启动失败。现在常用的初始相位定位方法有：IF预定位方法，但此方法在定位过程中电机会有小于一周的旋转，且旋转方向不受控，通常也需要进行两次预定位过程才能准确定位；模型参考自定义的方法则依赖基波信号，电机在零速和极低速工况下时，有用信号的信噪比较低，无法精确的定位转子位置；旋转高频电压注入法主要永磁凸极率较高的内置式永磁同步电机；脉振高频注入法加正方方波注入的方式，在极性判断时由于注入基波电流，会导致电机初始角偏离，同时在极性判断时对电机的凸极率和电流采样精度有较高的要求。

发明内容

本发明需要解决的是现有技术中存在的电机初始相位定位过程中出现电机抖动和转动，或者初始相位定位偏差导致启动不平顺的的技术问题。

本发明提供了一种永磁同步电机初始相位辨识的方法，包括以下步骤：

S1，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

S2，将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

S3，将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；

S4，进入极性判定阶段，停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；

S5，将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

S6，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

S7，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

S8，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。

优选地，所述S1中的脉振高频电压的电压幅值为0.1倍额定电压，频率为0.6Khz-2KhZ；

所述S4中的脉振高频电压的电压幅值设置为0.3倍额定电压，频率为0.6Khz-2KhZ，设置载波频率为脉振高频电压信号的频率的偶数倍。

优选地，所述S1中Q轴电流信号i_q的具体计算方法如下：

u_d1＝0.1*U_e*cos(2·π·f₁·t)

其中，U_e为电机额定电压，f₁为初始角辨识阶段高频注入信号频率，u_d1为脉振高频电压的电压幅值，L_d和L_q为D轴电感和Q轴电感，为辨识角度，θ_e为转子真实角度。

优选地，所述S2中的“幅值调制”具体包括：

根据上式，将Q轴电流信号i_q*sin(2·π·f₁·t)之后分解为高频和低频两部分信号。

优选地，所述S3具体包括：首先经过锁相环中的低通滤波器将Q轴电流信号中的高频部分滤除，保留含有转子位置信息的低频信号；再经过锁相环中的PI调节器，对初始辨识角进行调节等效于对响应电流的调节，此时将PI调节器的输出作为电机的估算转速对系统进行调节，当辨识角度与真实角度之间的误差在设置的允许误差带内时，系统调节处于稳定状态，锁相环的输出即为估算的初始辨识角θ₁。

优选地，所述初始辨识角θ₁不包含转子位置极性信号，与电机真实位置之间的角度差为0°或90°或180°。

优选地，所述S6具体包括：

令

当或者/>时，PDF(i_d)的最大幅值为：

当时，PDF(i_d)的最大幅值为：

进一步分析可知：

由PDF(i_d)的最大幅值判定角度差为90°的条件为：

其中ΔU为误差带宽，

本发明还提供了一种用于实现永磁同步电机初始相位辨识的方法的系统，包括：

Q轴电流提取模块，用于在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

幅值调制模块，用于将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

初始辨识角获取模块，用于将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；

D轴电流响应模块，用于先停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；然后将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

极性判定模块，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。

有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统，该初始相位定位方法针对永磁同步电机在无传感器控制系统的初始角进行辨识。其方法是注入脉振高频电压，通过对Q轴电流响应的处理分析得到辨识初始角；然后在此基础上继续注入幅值和频率不同的脉振高频电压，通过对D轴电流响应的处理分析得到转子位置极性；最后通过辨识的初始角和转子位置极性获取初始相位。实测结果表明了该方法的有效性和可靠性。

附图说明

图1为本发明提供的一种永磁同步电机初始相位辨识的方法流程图；

图2为本发明提供的一种永磁同步电机初始相位辨识的方法的初始相位估算控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种永磁同步电机初始相位辨识的方法，包括以下步骤：

S1，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

S2，将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

S3，将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；

S4，进入极性判定阶段，停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；

S5，将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

S6，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

S7，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

S8，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。

通过注入脉振高频电压，通过对Q轴电流响应的处理分析得到辨识初始角；然后在此基础上继续注入幅值和频率不同的脉振高频电压，通过对D轴电流响应的处理分析得到转子位置极性；最后通过辨识的初始角和转子位置极性获取初始相位。注入高频信号采集D轴电流进行极性判断，不需要通入其他类型的激励信号，电机不会有任何抖动，从而整个过程不会存在初始角辨识完成之后角度轻微变化的情况以及由于抖动对极性判断的干扰情况。

本申请的初始角辨识阶段的创新点在于：传统方法在Q轴电流在幅值调制之前用带通滤波器滤波，而带通滤波器会影响相位，从而造成估算角度偏差。而本发明在Q轴电流在幅值调制之前不需要进行任何滤波处理，因为在初始角辨识阶段没有基频信号，而高频信号也会被锁相环滤掉。

下面结合附图1和图2对本发明进行进一步阐述；

步骤1：D轴注入高频电压信号，Q轴提取电流响应得到Q轴电流信号i_q；

u_d1＝0.1*U_e*cos(2·π·f₁·t)

其中，U_e为电机额定电压，f₁为初始角辨识阶段高频注入信号频率，u_d1为脉振高频电压的电压幅值，L_d和L_q为D轴电感和Q轴电感，为辨识角度，θ_e为转子真实角度。

步骤2：将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将i_q*sin(2·π·f₁·t)之后分解为高频和低频两部分信号。

步骤3：将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角。首先经过锁相环中的低通滤波器将Q轴电流信号中的高频部分滤除，保留含有转子位置信息的低频信号，则：

再经过锁相环中的PI调节器，若对初始辨识角进行调节等效于对响应电流的调节，此时将PI调节器的输出作为电机的估算转速对系统进行调节，当辨识角度与真实角度之间的误差在设置的允许误差带内时，系统调节处于稳定状态，锁相环的输出即为估算的初始辨识角θ₁。

根据三角函数关系：

当

当

当

则时，/>此时估算误差会进入误差带而完成估算，此时PI调节器的输入可等效为：

其中为等效系数，ErrorTheta为设置的误差带。

估算初始辨识角：

步骤4：D轴注入高频电压信号，提取响应的D轴电流；

u_d1＝0.3*U_e*cos(2·π·f₁·t)

步骤5：将上述D轴电流经过纯延时环节，将幅值扩大两倍，同时滤除开关信号。令：

步骤6：由步骤3可知，辨识角度与电机真实角度位置之间角度差为0°，90°或者180°，极性判断只能区分角度差为0°或者180°，故先用PDF(i_d)信号的幅值判断估算角度与真实角度之间的角度差是否为90°。

当或者/>时，PDF(i_d)的最大幅值为：

当时，PDF(i_d)的最大幅值为：

进一步分析可知：

由PDF(i_d)的最大幅值判定角度差为90°的条件为：

其中ΔU为误差带宽，

步骤7：若由步骤6得到估算角度与真实角度差不为90°，则记录并比较PDF(i_d)的正负幅值。

当正向幅值大于负向幅值绝对值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位为：

θ＝θ₁

当正向幅值小于负向幅值绝对值时，判定为S极，辨识角度加上180°，初始相位为：

θ＝θ₁+180°

步骤8：若由步骤6得到估算角度与真实角度差为90°，则先将估算角度加上90°后，再记录并比较PDF(i_d)的正负幅值。

同样当正向幅值大于负向幅值绝对值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位为：

θ＝θ₁+90°+0

当正向幅值小于负向幅值绝对值时，判定为S极，辨识角度再加180°，初始相位为：

θ＝θ₁+90°+180°

如此便可以实现永磁同步电机初始相位辨识。

本发明还提供了一种用于实现永磁同步电机初始相位辨识的方法的系统，包括：

Q轴电流提取模块，用于在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

幅值调制模块，用于将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

初始辨识角获取模块，用于将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；

D轴电流响应模块，用于先停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；然后将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

极性判定模块，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。

有益效果：本发明提供的一种永磁同步电机初始相位辨识的方法及系统，该初始相位定位方法针对永磁同步电机在无传感器控制系统的初始角进行辨识。其方法是注入脉振高频电压，通过对Q轴电流响应的处理分析得到辨识初始角；然后在此基础上继续注入幅值和频率不同的脉振高频电压，通过对D轴电流响应的处理分析得到转子位置极性；最后通过辨识的初始角和转子位置极性获取初始相位。实测结果表明了该方法的有效性和可靠性。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

S2，将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

S3，将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；具体地，首先经过锁相环中的低通滤波器将Q轴电流信号中的高频部分滤除，保留含有转子位置信息的低频信号；再经过锁相环中的PI调节器，对初始辨识角进行调节等效于对响应电流的调节，此时将PI调节器的输出作为电机的估算转速对系统进行调节，当辨识角度与真实角度之间的误差在设置的允许误差带内时，系统调节处于稳定状态，锁相环的输出即为估算的初始辨识角θ₁；

S4，进入极性判定阶段，停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；

S5，将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

S6，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

S7，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

S8，若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，所述S1中的脉振高频电压的电压幅值为0.1倍额定电压，频率为0.6Khz-2KhZ；

所述S4中的脉振高频电压的电压幅值设置为0.3倍额定电压，频率为0.6Khz-2KhZ，设置载波频率为脉振高频电压信号的频率的偶数倍。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，所述S1中Q轴电流信号i_q的具体计算方法如下：

u_d1＝0.1*U_e*cos(2·π·f₁·t)

其中，U_e为电机额定电压，f₁为初始角辨识阶段高频注入信号频率，u_d1为脉振高频电压的电压幅值，L_d和L_q为D轴电感和Q轴电感，为辨识角度，θ_e为转子真实角度。

4.根据权利要求3所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，所述S2中的“幅值调制”具体包括：

根据上式，将Q轴电流信号i_q*sin(2·π·f₁·t)之后分解为高频和低频两部分信号。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，所述初始辨识角θ₁不包含转子位置极性信号，与电机真实位置之间的角度差为0°或90°或180°。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法，其特征在于，所述S6具体包括：

令

当或者/>时，PDF(i_d)的最大幅值为：

当时，PDF(i_d)的最大幅值为：

进一步分析可知：

由PDF(i_d)的最大幅值判定角度差为90°的条件为：

其中ΔU为误差带宽，

7.一种用于实现如权利要求1至6任一项所述的永磁同步电机初始相位辨识的方法的系统，其特征在于，包括：

Q轴电流提取模块，用于在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴注入脉振高频电压，提取响应的Q轴电流信号；

幅值调制模块，用于将提取到的Q轴电流信号进行幅值调制，将Q轴电流信号分解为高频和低频两部分信号，其中低频信号中含有转子位置信息；

初始辨识角获取模块，用于将上述Q轴电流信号经过锁相环得到初始辨识角θ₁；

D轴电流响应模块，用于先停止上一阶段的高频信号注入，在上述估算的初始辨识角θ₁的基础上，在估算的同步旋转DQ坐标系中的D轴中提取响应的D轴电流；然后将提取的D轴电流，经过纯延时环节，滤除高频开关信号和偶数倍的谐波信号，得到两倍幅值的D轴电流响应信号；

极性判定模块，记录经过纯延时环节之后的电流信号的正负幅值，对正负幅值大小进行分析，判定θ₁与电机初始相位之间的角度差是否为90°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差不是90°，则直接比较正负幅值，当正向幅值大于负向幅值时，判定为N极，辨识角度不进行处理，初始相位θ＝θ₁；当正向幅值小于负向幅值时，判定为S极，初始相位θ＝θ₁+180°；

若判定θ₁与电机初始相位之间的角度差为90°，则将θ1+90°后，在同样的高频电压注入下，再次记录电流信号的正负幅值，并比较正负幅值，进行极性判断；此处的角度处理是在θ₁加上90°后，判定是否再加180°，从而得到带有转子位置极性信息的初始相位θ。