CN114977957B - 基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，以铁氧体辅助型磁阻同步电机为研究对象，通过注入高频电压，不断解算相关角度，通过缓慢提高预设d轴电流的指令值，使得电机第一次微移动，记录电机转速，在通过缓慢提高预设q轴电流的指令值，使得电机第二次微移动，可以判别正确的电机的初始位置。

Description

基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体而言，涉及一种基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法。

背景技术

电机能效新国标下，传统高能耗的三相异步电机迎来危机挑战，加上永磁同步电机中稀土价格昂贵，同时容易出现高温退磁现象，铁氧体辅助型磁阻同步电机，以无稀土，高能效的特点受到广泛关注。然而由于特殊的转子磁障结构，使得该电机具有较大的凸极率，主要依靠磁阻转矩出力。

实现电机矢量控制算法中，需要用到一个非常重要的物理量是电机的位置信号。电机的位置信号往往通过特殊的部件实现，由于空间、成本、附加引线的限制，并不是所有的电机都安装位置传感器。特别是近年来，随着电机现代控制技术的兴起，采用无位置传感器控制方法成为主要研究内容和方向，无位置传感器技术是通过电机的电压和电流特性关系来确定电机转子位置，进而解算出角度信号。

传统的零速无位置传感器通常采用预定位方法，“预定位”方法简单易行，并且采用多次“预定位”的方案可以有效避免无法定位的区域，其定位效果一般也较好。但是“预定位”方法往往耗时较长，而且为了能够准确定位，电机电流也往往会比较大，并不适用于带重载的特点。

另外一种方式是采用高频注入法，但是由于铁氧体磁阻同步电机铁氧体具有的磁性非常弱，磁阻转矩所占比例大于铁氧体产生的转矩，在物理上有四个位置有相似的凸级率特性，难以进一步辨识，即靠近N极和靠近S极同样角度的初始位置具有相同的凸级率特性，传统预定位法会将该类电机定位与两种位置，一种是正确位置，一种为错误位置；这就需要进一步判别其位置。

无位置传感器算法或者是机械传感器都需要获得初始角度，初始角度不准确将导致电机转矩不足，甚至会相反，启动失败或者失去带载能力。近年来有较多文献和相关专利阐述永磁同步电机初始角度获取方法，如图1所示的铁氧体辅助下磁阻同步电机的转子结构，图中，801为电机轴，803为磁碍，804为铁氧体，而针对新型的铁氧体辅助型磁阻同步电机的初始角度获取方法相关内容较少，原因如下：

(1)由于铁氧体磁阻同步电机铁氧体具有的磁性非常弱磁阻转矩所占比例大于铁氧体产生的转矩，相比稀土永磁同步电机，其磁铁的强度较弱，在物理上有四个位置有相似的凸级率特性难以进一步辨识。如果注入较强的电流，则电机移动较大，甚至反转，在某些应用领域不允许。

(2)即靠近N极和靠近S极同样角度的初始位置具有相同或者相似的凸级率特性，如果借鉴传统永磁同步电机的高频注入相关算法，会将该类电机定位与两种位置，一种是正确位置，一种为错误位置；这就需要进一步判别其位置。

发明内容

本发明解决的问题是如何解决现有铁氧体辅助型磁阻同步电机转子初始角度误判断、错定位、定位时间长、稳定性差等问题。

为解决上述问题，本发明提供一种基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，包括电容、三相桥式逆变器、驱动电机和SVPWM，其特征在于，包括：

步骤1、预设给定电流i_d ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_q ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长得到最大角速度的n₁；

步骤2、在α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压得到u_αh(k)和u_βh(k)；k表示对三相桥式逆变器的第k次采样；

步骤3、SVPWM根据u_αh(k)和u_βh(k)构建输出占空比给三相桥式逆变器；

步骤4、采集电容两端的电压V_dc、三相桥式逆变器的A相电机电流i_a(k)和B相电机电流i_b(k)；

步骤5、将A相电机电流i_a(k)、B相电机电流i_b(k)经过克拉克变换获得α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)；

步骤6、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过用于高频注入电流解调算法得到估算角速度和估算角度/>

步骤7、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过估算角度帕克变换得到d轴电流分量i_d(k)和q轴电流分量i_q(k)；

步骤8、获取下一次采样k+1时i_d ^*(k+1)和i_q ^*(k+1)的值；差值i_d ^*(k+1)-i_d(k)经过PI控制后输出d轴电压分量u_d(k)；差值i_q ^*(k+1)-i_q(k)经过PI控制后输出q轴电压分量u_q(k)；

步骤9、将d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)经过估算的角度反帕克变换得到α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)；

步骤10、判断n₁是否为空，若n₁不为空，则进入步骤11；若n₁为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，若是，则在将当前的角速度/>存入n₁后，并将给定电流i_d ^*(k+1)置为0，接着进入步骤11；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤11、预设给定电流i_q ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_d ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长时角速度的n₂；

步骤12、判断n₂是否为空，若n₂不为空，则进入步骤13，若n₂为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，若是，将当前的角速度/>存入n₂，且将给定电流i_q ^*(k+1)置为0，接着进入步骤13；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤13、判断n₁×n₂是否大于0，若是，则进入步骤14，否则，进入步骤15；

步骤14、初始角θ₀为靠近N极的初始角，输出初始角θ₀；

步骤15、初始角θ₀为靠近S极的初始角，并输出初始角θ₀。

本发明的有益效果是：以铁氧体辅助型磁阻同步电机为研究对象，通过注入高频电压，不断解算相关角度，通过缓慢提高预设d轴电流的指令值，使得电机第一次微移动，记录电机转速，在通过缓慢提高预设q轴电流的指令值，使得电机第二次微移动，可以判别正确的电机的初始位置。

作为优选，所述步骤2具体包括：

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压的幅值为其中，ω_h＝2*π*f，f为注入高频电压的频率；T_s为三相桥式逆变器的开关周期，T_s＝1/f_s，f_s为三相桥式逆变器的开关频率；

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)的高频注入公式为：

作为优选，所述步骤5中克拉克变化的计算公式为：

式中，i_c(k)为C相电机电流，i_c(k)＝-i_a(k)-i_b(k)。

作为优选，所述步骤6具体包括：

步骤601、将电流分量i_α(k)和i_β(k)经过旋转变换，旋转变换公式为：

式中，为第k次采样的旋转变换的角度，θ_{e_first}(k-1)为第k-1次的估算角度；

步骤602、i_βh(k)经过低通滤波器滤波处理得到i_βdemo(k)；

低通滤波器的传递函数T(s)为：

步骤603、将i_βdemo(k)进行PI运算得到估算角速度

式中，K_p为比例系数；K_I为积分系数；

步骤604、第k次估算角度；

作为优选，所述步骤7中的帕克变换公式为：

作为优选，所述步骤8中d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)的计算公式为：

式中，K_pd和K_qp分别为dq轴电流的比例系数；K_Id和K_Iq为dq轴电流的积分系数。

作为优选，所述步骤9中的反帕克变换公式为：

附图说明

图1为铁氧体辅助下磁阻同步电机的转子结构；

图2为本发明铁氧体辅助下磁阻同步电机的系统结构图；

图3为本发明的流程图；

图4为本发明步骤6的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

如图2所示，本具体实施例应用于铁氧体辅助下磁阻同步电机系统，所述铁氧体辅助下磁阻同步电机系统包括依次连接的电容1、三相桥式逆变器2和驱动电机3，本具体实施例的驱动电机3为铁氧体辅助下磁阻同步电机或内置式永磁同步电机或异步电机或表贴式永磁同步电机，本具体实施例的电容为直流母线电流或电解电容或薄膜电容，还包括用于计算初始角的检测单元4，三相桥式逆变器2用于给驱动电机提供输出电压实现变频调速作用，由三相桥臂并联而成，每相桥臂由两个IGBT开关管串联，且每个IGBT开关管均接有反并联二极管，如图2所示，IGBT开关管S₁与S₄、S₃与S₆、S₅与S₂两两串联构成一相桥臂，IGBT开关管S₁、S₃、S₅为上桥臂，并分别对应反并联二极管D₁、D₃、D₄，IGBT开关管S₄、S₆、S₂为下桥臂，并分别对应反并联二极管D₄、D₆、D₂；

所述检测单元4与驱动电机的A相、B相以及C相连接，所述检测单元4包括用于构成输出占空比给三相桥式逆变器的SVPWM和采集驱动电机电流的电流传感器；

初始角的检测单元涉及基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，如图3所示，包括：

步骤1、预设给定电流i_d ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_q ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长得到最大角速度的n₁；本具体实施例中设定增长函数为线性关系增长函数：

本具体实施例设定三相桥式逆变器的开关周期T_s为10KHZ，以每5ms按照增长函数增加参考电流1A，则本具体实施例的增长函数为：

i_d ^*(k+1)＝i_d ^*(k)+k·T_s/200

此外，本具体实施例的增长函数或是其它形式的增长函数，其增长速率相对于三相桥式逆变器的开关周期T_s增长缓慢；

步骤2、在α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压得到u_αh(k)和u_βh(k)；k表示对三相桥式逆变器的第k次采样；具体包括：

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压的幅值为其中，ω_h＝2*π*f，f为注入高频电压的频率；T_s为三相桥式逆变器的开关周期，T_s＝1/f_s，f_s为三相桥式逆变器的开关频率；

本具体实施例中设置高频电压f＝500HZ；

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)的高频注入公式为：

步骤3、SVPWM根据u_αh(k)和u_βh(k)构建输出占空比给三相桥式逆变器；

步骤4、采集电容两端的电压V_dc、三相桥式逆变器的A相电机电流i_a(k)和B相电机电流i_b(k)；

步骤5、将A相电机电流i_a(k)、B相电机电流i_b(k)经过克拉克变换获得α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)；克拉克变化的计算公式为：

式中，i_c(k)为C相电机电流，i_c(k)＝-i_a(k)-i_b(k)；

步骤6、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过用于高频注入电流解调算法得到估算角速度和估算角度/>具体包括：

步骤601、将电流分量i_α(k)和i_β(k)经过旋转变换，旋转变换公式为：

式中，为第k次采样的旋转变换的角度，θ_{e_first}(k-1)为第k-1次的估算角度；

步骤602、i_βh(k)经过低通滤波器滤波处理得到i_βdemo(k)；

低通滤波器的传递函数T(s)为：

步骤603、将i_βdemo(k)进行PI运算得到估算角速度

式中，K_p为比例系数；K_I为积分系数；本具体实施例中，通过调整K_p和K_I，使得i_βdemo(k)等于0；

步骤604、第k次估算角度；

步骤7、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过估算角度帕克变换得到d轴电流分量i_d(k)和q轴电流分量i_q(k)；帕克变换公式为：

步骤8、获取下一次采样k+1时i_d ^*(k+1)和i_q ^*(k+1)的值；差值i_d ^*(k+1)-i_d(k)经过PI控制后输出d轴电压分量u_d(k)；差值i_q ^*(k+1)-i_q(k)经过PI控制后输出q轴电压分量u_q(k)；d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)的计算公式为：

式中，K_pd和K_qp分别为dq轴电流的比例系数；K_Id和K_Iq为dq轴电流的积分系数，本具体实施例中，通过设定参数使得i_d ^*(k+1)-i_d(k)和i_q ^*(k+1)-i_q(k)等于0；

步骤9、将d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)经过估算的角度反帕克变换得到α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)；反帕克变换公式为：

步骤10、判断n₁是否为空，若n₁不为空，则进入步骤11；若n₁为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，本具体实施例中设定Q＝10RPM，若是，则在将当前的角速度/>存入n₁后，并将给定电流i_d ^*(k+1)置为0，接着进入步骤11；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤11、预设给定电流i_q ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_d ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长时角速度的n₂；本具体实施例中i_q ^*的增长函数为：i_q ^*(k+1)＝i_q ^*(k)+k·T_s/200；

步骤12、判断n₂是否为空，若n₂不为空，则进入步骤13，若n₂为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，若是，将当前的角速度/>存入n₂，且将给定电流i_q ^*(k+1)置为0，接着进入步骤13；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤13、判断n₁×n₂是否大于0，若是，则进入步骤14，否则，进入步骤15；

步骤14、初始角θ₀为靠近N极的初始角，输出初始角θ₀；

步骤15、初始角θ₀为靠近S极的初始角，并输出初始角θ₀。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员，在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，包括电容、三相桥式逆变器、驱动电机和SVPWM，其特征在于，包括：

步骤1、预设给定电流i_d ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_q ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长得到最大角速度的n₁；

步骤2、在α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压得到u_αh(k)和u_βh(k)；k表示对三相桥式逆变器的第k次采样；

步骤3、SVPWM根据u_αh(k)和u_βh(k)构建输出占空比给三相桥式逆变器；

步骤4、采集电容两端的电压V_dc、三相桥式逆变器的A相电机电流i_a(k)和B相电机电流i_b(k)；

步骤5、将A相电机电流i_a(k)、B相电机电流i_b(k)经过克拉克变换获得α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)；

步骤6、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过用于高频注入电流解调算法得到估算角速度和估算角度/>

步骤7、将α轴电流分量i_α(k)和β轴电流分量i_β(k)经过估算角度帕克变换得到d轴电流分量i_d(k)和q轴电流分量i_q(k)；

步骤8、获取下一次采样k+1时i_d ^*(k+1)和i_q ^*(k+1)的值；差值i_d ^*(k+1)-i_d(k)经过PI控制后输出d轴电压分量u_d(k)；差值i_q ^*(k+1)-i_q(k)经过PI控制后输出q轴电压分量u_q(k)；

步骤9、将d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)经过估算的角度反帕克变换得到α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)；

步骤10、判断n₁是否为空，若n₁不为空，则进入步骤11；若n₁为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，若是，则在将当前的角速度/>存入n₁后，并将给定电流i_d ^*(k+1)置为0，接着进入步骤11；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤11、预设给定电流i_q ^*以设定增长函数增长，同时设定给定电流i_d ^*＝0；并设置用于存储在给定电流i_d ^*增长时角速度的n₂；

步骤12、判断n₂是否为空，若n₂不为空，则进入步骤13，若n₂为空，则判断是否大于等于设定阈值Q，若是，将当前的角速度/>存入n₂，且将给定电流i_q ^*(k+1)置为0，接着进入步骤13；若否，则k＝k+1，并返回步骤2；

步骤13、判断n₁×n₂是否大于0，若是，则进入步骤14，否则，进入步骤15；

步骤14、初始角θ₀为靠近N极的初始角，输出初始角θ₀；

步骤15、初始角θ₀为靠近S极的初始角，并输出初始角θ₀。

2.根据权利要求1所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤2具体包括：

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)上注入高频电压的幅值为其中，ω_h＝2*π*f，f为注入高频电压的频率；T_s为三相桥式逆变器的开关周期，T_s＝1/f_s，f_s为三相桥式逆变器的开关频率；

α轴电压分量u_α(k)和β轴电压分量u_β(k)的高频注入公式为：

3.根据权利要求2所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤5中克拉克变化的计算公式为：

式中，i_c(k)为C相电机电流，i_c(k)＝-i_a(k)-i_b(k)。

4.根据权利要求3所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤6具体包括：

步骤601、将电流分量i_α(k)和i_β(k)经过旋转变换，旋转变换公式为：

式中，为第k次采样的旋转变换的角度，θ_{e_first}(k-1)为第k-1次的估算角度；

步骤602、i_βh(k)经过低通滤波器滤波处理得到i_βdemo(k)；

低通滤波器的传递函数T(s)为：

步骤603、将i_βdemo(k)进行PI运算得到估算角速度

式中，K_p为比例系数；K_I为积分系数；

步骤604、第k次估算角度；

5.根据权利要求4所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤7中的帕克变换公式为：

6.根据权利要求5所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤8中d轴电压分量u_d(k)和q轴电压分量u_q(k)的计算公式为：

式中，K_pd和K_qp分别为dq轴电流的比例系数；K_Id和K_Iq为dq轴电流的积分系数。

7.根据权利要求6所述的基于微移动的铁氧体磁阻同步电机转子的初始角检测方法，其特征在于，所述步骤9中的反帕克变换公式为：