CN204465405U - 一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置，所述装置包括：驱动单元，其用于向所述定子绕组输出特定的驱动电流；旋转变压器，其用于根据所述永磁同步电机的转子位置输出相应的测量结果信号；调零校准模块，其用于基于所述测量结果信号获取所述永磁同步电机的转子角度信息从而根据所述转子角度信息进行所述永磁同步电机的转子角度的调零与校准。相较于现有技术，本实用新型的装置结构简单，使用方便。本实用新型的装置不仅能够对永磁同步电机的转子初始角度实现更加精确的调零与校准还能够对已经调试完成的转子初始角度进行校验和补偿，解决厂商将初始角度错位的问题。

Description

一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置

技术领域

本实用新型涉及电气设备及电气工程领域，具体说涉及一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置。

背景技术

在现有技术环境下使用永磁同步电机时，永磁同步电机控制系统需要精确的转子位置信号以实现磁场定向控制。即在永磁同步电机矢量控制中，由于永磁体产生的主磁通恒定，无法控制，因此，需要依据电机转子位置，通过控制电机定子绕组中的电流来达到励磁分量和转矩分量的完全解耦。利用定子电流的解耦控制，使得永磁电机定子绕组产生的旋转磁场始终正交于转子永磁体的磁场，从而获得最佳的驱动效果。

如果不能准确的检测永磁同步电机磁场的零位(转子零位)，会导致输入定子的电流不能产生最大扭矩，造成永磁同步电机输出力矩精度存在明显偏差，不能达到最好运转效果，甚至影响系统的整体性能。因此，初始转子角度零点定位与校准对于永磁同步电机的装配、控制都十分重要，对零位检测的要求也很高。

由于一些永磁同步电机在出厂之前未进行调零，因此需要进行初始转子角度的调零；同时，一些永磁同步电机虽然已经调零但仍需要进行转子角度零点测试与转子角度校准，需要进行转子初始角度的检测和补偿。

现有的电机调零方法主要有直接通入直流电法和高次谐波注入法。其中，直接在电机U、V相线圈通入直流电的方法，虽然操作简单，但不能保证定子线圈产生的磁场和转子磁场完全重合，存在偏差。而高次谐波注入法不仅对硬件要求很高，同时在信号处理上多处用到滤波器，会引入一定的时滞及相位滞后，不能很好满足高精度的控制要求。

因此，针对现有技术中对永磁同步电机的转子角度进行调零与校准过程中存在的问题，需要一种新的调零与校准永磁同步电机的转子角度的装置以获取更为理想的调零与校准结果。

实用新型内容

针对现有技术中对永磁同步电机的转子角度进行调零与校准过程中存在的问题，本实用新型提供了一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置，所述装置包括：

驱动单元，其连接到永磁同步电机的定子绕组，用于向所述定子绕组输出特定的驱动电流；

旋转变压器，其安装在所述永磁同步电机上，用于根据所述永磁同步电机的转子位置输出相应的测量结果信号；

调零校准模块，其与所述旋转变压器相连，用于基于所述测量结果信号获取所述永磁同步电机的转子角度信息从而根据所述转子角度信息进行所述永磁同步电机的转子角度的调零与校准。

在一个实施例中，所述调零校准模块包含旋转变压器解码单元，其与所述旋转变压器相连，用于根据所述测量结果信号解算出所述转子角度信息。

在一个实施例中，所述旋转变压器包含变压器转子以及变压器定子，其中：

所述变压器转子固定安装在所述永磁同步电机的转轴上，所述变压器转子与所述永磁同步电机的转子同步转动；

所述变压器定子安装在所述永磁同步电机的后端盖上，所述变压器定子在所述后端盖上的安装位置可调。

在一个实施例中，所述调零校准模块包含显示单元，所述显示单元用于显示所述转子角度信息。

在一个实施例中，所述装置还包含角度微调模块，所述角度微调模块与所述调零校准模块相连，用于获取并输出所述永磁同步电机的转子角度偏差从而实现所述永磁同步电机的转子角度的精确校准。

在一个实施例中，所述角度微调模块包含：

信号调理单元，用于获取并输出所述永磁同步电机的定子绕组反电动势信号；

角度偏差获取单元，其与所述信号调理单元以及所述调零校准模块相连，用于根据所述反电动势信号以及所述转子角度信息获取并输出所述转子角度偏差。

在一个实施例中，所述角度微调模块还包含反拖单元，所述反拖单元用于拖动所述永磁同步电机的转子按照特定转速转动，从而使得所述永磁同步电机的定子绕组产生所述反电动势。

在一个实施例中，所述旋转变压器解码单元构造有串行外设接口，所述旋转变压器解码单元利用串行通信输出所述转子角度信息。

在一个实施例中，所述角度偏差获取单元包含：

过零点偏差计算器，其与所述信号调理单元以及所述调零校准模块相连，用于根据所述反电动势信号以及所述转子角度信息分别检测出相应的反电动势波形以及转子角度波形中两个由低到高的过零点从而根据两个所述过零点在波形坐标系的位置关系生成并输出过零点偏差；

角度偏差计算器，其与所述过零点偏差计算器相连，用于根据所述过零点偏差生成并输出所述转子角度偏差，其中，经过所述转子角度偏差调整后的所述反电动势波形以及所述转子角度波形中的两个过零点重合。

在一个实施例中，所述角度偏差获取单元包含模数转换器，其用于对所述反电动势信号或所述转子角度信息进行模数转换采样。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

相较于现有技术，本实用新型的装置结构简单，使用方便；

相较于现有技术，本实用新型的装置对永磁同步电机的转子初始角度能够实现更加精确的调零与校准；

本实用新型的装置能够对已经调试完成的转子初始角度进行校验和补偿，解决厂商将初始角度错位的问题。

本实用新型的其它特征或优点将在随后的说明书中阐述。并且，本实用新型的部分特征或优点将通过说明书而变得显而易见，或者通过实施本实用新型而被了解。本实用新型的目的和部分优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的步骤来实现或获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图做简单的介绍。附图用来提供对本实用新型的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本实用新型的实施例共同用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的限制。在附图中：

图1是根据本实用新型一实施例的装置结构框图；

图2是根据本实用新型一实施例的装置部分结构框图；

图3是根据本实用新型一实施例的调零前转子角度示意图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本实用新型的实施方式。借此本实用新型的实施人员可以充分理解本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术效果的实现过程。从而本实用新型的实施人员可以依据上述实现过程具体实施本实用新型。需要说明的是，只要不构成冲突，本实用新型中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本实用新型的保护范围之内。

在现有技术环境下驱动永磁同步电机时，永磁同步电机控制系统需要精确的转子位置信号，根据转子位置信号输出相应的的驱动电流以实现磁场定向控制。如果不能准确的检测永磁同步电机磁场的零位(转子零位)，会导致输入定子的电流不能产生最大扭矩，造成永磁同步电机输出力矩精度存在明显偏差，不能达到最好运转效果，甚至影响系统的整体性能。因此，初始转子角度零点定位与校准对于永磁同步电机的装配、控制都十分重要，对零位检测的要求也很高。

为了永磁同步电机的转子初始角度进行调零与校准本实用新型公开了一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置。本实用新型主要通过旋转变压器来获取永磁同步电机的转子位置从而进行永磁同步电机的转子初始角度的调零与校准。

如图1所示，本实施例的装置101包含旋转变压器120以及调零校准模块130。旋转变压器120用于根据永磁同步电机100的转子位置输出相应的测量结果信号。调零校准模块130与旋转变压器120相连，用于基于测量结果信号获取永磁同步电机100的转子角度信息从而基于转子角度信息进行永磁同步电机的转子角度的调零与校准。

调零校准模块130生成并输出旋转变压器120所需的的励磁信号到旋转变压器120，旋转变压器120反馈测量结果信号到调零校准模块130。在本实施例中，旋转变压器120反馈的测量结果信号为两组正、余弦波信号。为了从旋转变压器120反馈的测量结果信号中获取永磁同步电机100的转子角度信息，调零校准模块130包含旋转变压器解码单元131，其连接到旋转变压器120，用于从测量结果信号(两组正、余弦波信号)中解算出转子角度信息。

在本实施例中，旋转变压器解码单元131构造有串行外设接口(SerialPeripheral Interface，SPI)。旋转变压器解码单元131利用串行通信输出转子角度信息。

为了将转子角度信息以便于理解的方式输出给用户从而便于用户进行调零以及校准操作，调零校准模块130还包含显示单元132。显示单元132用于将转子角度信息转化为相应的图形输出显示给用户。

本实施例的装置的主要工作原理是将永磁同步电机的永磁体磁极位置和旋转变压器零点位置调整到一定的相对关系，进而获取准确的转子零点位置和当前位置。因而在本实施例中，旋转变压器120安装在永磁同步电机100上，其包含变压器转子以及变压器定子。

在安装旋转变压器120时，首先将变压器转子固定安装在永磁同步电机100的转轴上，使得变压器转子与永磁同步电机100的转子同步转动。然后将变压器定子安装在永磁同步电机100的后端盖上，变压器定子在永磁同步电机100的后端盖上的安装位置可调。最后将旋转变压器定、转子上标明的电气零位重合从而完成旋转变压器的安装对齐。此时变压器定子上的定位螺钉暂不拧紧，变压器定子的位置暂不固定。

在永磁同步电机中，转子在非调零状态下可以处于任意初始位置。如图3所示，a、b、c三个方向分别为永磁同步电机100的三个定子绕组(U、V、W)的磁场方向。标记有南北磁极(S、N)的矩形300代表永磁同步电机100的转子，其磁场方向为d，q为垂直于d的方向。方向d与方向a之间存在任意夹角θ。

为了精确的获取转子角度信息，需要对永磁同步电机100的转子以及旋转变压器120进行调零，使其两者的零位对应重合。在本实施例中，首先使得永磁同步电机进入零速锁轴状态。零速锁轴状态指的是当永磁同步电机停止转动时转子与定子绕组磁场方向对齐(夹角θ＝0度)。

为了达到零速锁轴状态，装置101还包含驱动单元110，其连接到永磁同步电机100的定子绕组，用于向定子绕组输出特定的驱动电流，从而使得永磁同步电机100的转子转动特定角度以实现转子与定子绕组磁场方向对齐。

在本实施例中，调零校准模块130包含用于控制驱动单元110的驱动电路。驱动单元110连接到调零校准模块130。调零校准模块130利用驱动电路向驱动单元110输出六路脉冲宽度调制(PWM)脉冲信号。驱动单元110基于六路PWM脉冲信号输出相应的三相等效锁定电流到永磁同步电机100。

如图2所示，驱动单元110包含电池212、整流保护电容C1、以及六个晶体管开关213-218。

调零校准模块130通过坐标变换与空间矢量变换得到使永磁同步电机进入零速锁轴状态的转子定位电压矢量。在本实施例中，按照图3所示的变量定义，设定规定数值的磁场定向角度θ，令d轴电压分量指令值Ud＝0，从而获取使永磁同步电机进入零速锁轴状态的q轴电压分量Uq(转子定位电压矢量)。

调零校准模块130基于转子定位电压矢量(Uq)生成并输出相应的六路PWM脉冲信号分别控制晶体管开关213、214、215、216、217以及218的通断，从而使得驱动单元110输出相应的三相等效锁定电流。三相锁定电流分别流入电机三相定子绕组，进而使得电机定子绕组在坐标空间上产生设定方向的磁动势矢量，该磁动势矢量吸引永磁同步电机转子与定子绕组磁场方向对齐。

与此同时，旋转变压器120获取转子的测量结果信号并发送给旋转变压器解码单元131。旋转变压器解码单元131解码获取转子角度信息并送至显示单元132。基于显示单元132显示的信息转动旋转变压器定子，使得显示单元132上显示的的电机初始角度为零，固定旋转变压器定子，实现零位对齐。

此时就可以利用旋转变压器120获取永磁同步电机100的转子的零位以及在永磁同步电机100的转子旋转过程中获取其角度位置信息。

由于永磁同步电机的三相定子绕组参数不一致性引起的差异，会使得电机在进入零速锁轴状态过程中转子与定子绕组磁场方向的对齐不够精准。因此，为了更加精确的获取永磁同步电机100的转子的零位以及在永磁同步电机100的转子旋转过程中获取其角度位置信息，本实用新型的装置还包含角度微调模块140。角度微调模块140与调零校准模块130相连，用于获取并输出永磁同步电机100的转子角度偏差从而实现转子角度的精确校准。

在永磁同步电机不接电时，旋转永磁同步电机的转子，其定子绕组会产生反电动势。本实施例通过检测反电动势波形以及转子角度波形中两个由低到高的过零点是否重合来判断转子角度是否精确调零。当两个过零点不重合时，则计算生成可将过零点调整到重合状态的转子角度偏差。

在本实施例中，首先获取反电动势波形以及转子角度波形。然后在同一坐标系内确认上述两个波形中的过零点，当过零点不重合时构建变量转子角度偏差。通过不断调整转子角度偏差的值，来调整坐标系内的反电动势波形/转子角度波形直到两过零点重合，记录并输出此时的转子角度偏差的值。在驱动永磁同步电机时，将获取到的转子角度值加上(减去)转子角度偏差的值，从而实现角度的精确校准。

为实现上述技术效果，角度微调模块140包含反拖单元146、信号调理单元141以及角度偏差获取单元142。

反拖单元146连接到永磁同步电机100的转子，用于拖动永磁同步电机的转子按照特定转速转动，从而使得永磁同步电机100的定子绕组产生相应的反电动势。

信号调理单元141连接到永磁同步电机100的三相定子绕组，用于获取并输出永磁同步电机100的定子绕组反电动势信号。

角度偏差获取单元142与信号调理单元141以及调零校准模块130相连，用于根据反电动势信号以及转子角度信息获取并输出转子角度偏差。

为获取转子角度偏差，角度偏差获取单元142包含过零点偏差计算器144以及角度偏差计算器145。

过零点偏差计算器144与信号调理单元141以及调零校准模块130相连，用于根据反电动势信号以及转子角度信息分别检测出相应的反电动势波形以及转子角度波形中两个由低到高的过零点从而根据两个过零点在波形坐标系的位置关系生成并输出过零点偏差。

角度偏差计算器145与过零点偏差计算器144相连，用于根据过零点偏差生成并输出转子角度偏差，其中，经过转子角度偏差调整后的反电动势波形以及转子角度波形中的两个过零点重合。

在本实施例中，信号调理单元141/调零校准模块130获取到的反电动势信号/转子角度信息为模拟量。为了便于过零点偏差的计算获取，角度偏差获取单元142还包含模数转换器143，其连接在信号调理单元141/调零校准模块130与过零点偏差计算器144之间，用于对反电动势信号或转子角度信息进行模数转换采样。

为了便于获取转子角度偏差并便于用户监控计算过程，在本实施例中，角度微调模块140在获取转子角度偏差的过程中将反电动势波形以及转子角度波形输出到显示单元132，从而向用户形象的显示过零点的重合情况。

同时，为了便于用户使用，在本实施例中角度微调模块140将获取到的转子角度偏差输出到显示单元132，从而向用户清晰形象的显示转子角度偏差。在驱动电机的过程中，显示单元132也用于显示旋转变压器120直接获取的转子角度信息或经过转子角度偏差校准后的转子角度信息。

综上，相较于现有技术，本实用新型的装置结构简单，使用方便。本实用新型的装置不仅能够对永磁同步电机的转子初始角度实现更加精确的调零与校准还能够对已经调试完成的转子初始角度进行校验和补偿，解决厂商将初始角度错位的问题。

虽然本实用新型所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本实用新型而采用的实施方式，并非用以限定本实用新型。任何本实用新型所属技术领域内的技术人员，在不脱离本实用新型所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化。但本实用新型的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机转子初始角度调零与校准装置，其特征在于，所述装置包括：

驱动单元，其连接到永磁同步电机的定子绕组，用于向所述定子绕组输出特定的驱动电流；

旋转变压器，其安装在所述永磁同步电机上，用于根据所述永磁同步电机的转子位置输出相应的测量结果信号；

调零校准模块，其与所述旋转变压器相连，用于基于所述测量结果信号获取所述永磁同步电机的转子角度信息从而根据所述转子角度信息进行所述永磁同步电机的转子角度的调零与校准。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调零校准模块包含旋转变压器解码单元，其与所述旋转变压器相连，用于根据所述测量结果信号解算出所述转子角度信息。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述旋转变压器包含变压器转子以及变压器定子，其中：

所述变压器转子固定安装在所述永磁同步电机的转轴上，所述变压器转子与所述永磁同步电机的转子同步转动；

所述变压器定子安装在所述永磁同步电机的后端盖上，所述变压器定子在所述后端盖上的安装位置可调。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调零校准模块包含显示单元，所述显示单元用于显示所述转子角度信息。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包含角度微调模块，所述角度微调模块与所述调零校准模块相连，用于获取并输出所述永磁同步电机的转子角度偏差从而实现所述永磁同步电机的转子角度的精确校准。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述角度微调模块包含：

信号调理单元，用于获取并输出所述永磁同步电机的定子绕组反电动势信号；

角度偏差获取单元，其与所述信号调理单元以及所述调零校准模块相连，用于根据所述反电动势信号以及所述转子角度信息获取并输出所述转子角度偏差。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述角度微调模块还包含反拖单元，所述反拖单元用于拖动所述永磁同步电机的转子按照特定转速转动，从而使得所述永磁同步电机的定子绕组产生所述反电动势。

8.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述旋转变压器解码单元构造有串行外设接口，所述旋转变压器解码单元利用串行通信输出所述转子角度信息。

9.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述角度偏差获取单元包含：

过零点偏差计算器，其与所述信号调理单元以及所述调零校准模块相连，用于根据所述反电动势信号以及所述转子角度信息分别检测出相应的反电动势波形以及转子角度波形中两个由低到高的过零点从而根据两个所述过零点在波形坐标系的位置关系生成并输出过零点偏差；

角度偏差计算器，其与所述过零点偏差计算器相连，用于根据所述过零点偏差生成并输出所述转子角度偏差，其中，经过所述转子角度偏差调整后的所述反电动势波形以及所述转子角度波形中的两个过零点重合。

10.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述角度偏差获取单元包含模数转换器，其用于对所述反电动势信号或所述转子角度信息进行模数转换采样。