WO2018133581A1 - 一种测试电机转子初始位置角的方法 - Google Patents

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    • H02P21/34—Arrangements for starting

Definitions

  • the invention relates to a method for testing the initial position angle of a rotor of a motor for detecting the initial position angle of the rotor of the motor.
  • the motor control adopts the vector control method.
  • the initial position angle of the motor rotor is an important parameter in the vector control and needs to be tested in advance.
  • the initial position angle of the motor rotor is an important parameter in motor control. Its accuracy has an important influence on the full performance of the motor. Many practical problems encountered in the field are related to the initial position angle error of the motor rotor. The initial position of the motor rotor. The accuracy of angle measurement and measurement is critical.
  • the controller controls the vector direction of the stator three-phase current combined magnetic field.
  • a position sensor such as a photoelectric encoder disk, a resolver, etc. is mounted on the rotor of the motor, and a decoding chip is mounted on the control board.
  • the main purpose of the initial positioning of the position sensor is to obtain the corresponding absolute angle of the encoder when the motor rotor position angle is 0°. According to this information, the motor rotor position angle can be made to correspond to the absolute angle of the encoder.
  • the resolver as a position sensor as an example.
  • the initial position of the rotor of the motor can usually be obtained by measuring the correspondence between the motor's back EMF zero crossing and the rotor position sensor angle.
  • This method usually requires the use of equipment such as an oscilloscope or a voltage sensor. Due to engineering site conditions, the actual operational feasibility of the site is low.
  • the principle of the indirect measurement method is to stop the rotor of the motor to the position coincident with the axis of the stator A, that is, zero.
  • Rotating the motor to the position coincident with the axis of the stator A requires a voltage vector for the motor to coincide with the axis of the A axis.
  • the current of the motor flows from the A phase to the motor and from the B and C phases to the motor.
  • the test conditions of this method are high, and the motor load size has a great influence on the measurement accuracy, and the actual operation on site is not easy.
  • a parameter of the current position angle of the motor rotor is fed back, but the parameter may be an incorrect value, or it may be a correct value, and the error or the correct cannot be judged.
  • the deviation of the initial position angle of the motor rotor can be tested based on the feedback parameters, so as to obtain an accurate initial position angle of the motor rotor, so how to accurately test the deviation value of the initial position angle of the motor rotor It is the key.
  • the present invention provides a method for testing the initial position angle of a rotor of a motor, and directly calculates the angular deviation of the initial position of the rotor of the motor by using the voltage trigonometric relationship between the d-axis and the q-axis of the motor stator. Correctly testing the initial position angle of the motor rotor provides an accurate reference.
  • This method has the characteristics that the engineering site condition test is easy to implement and the field personnel can easily grasp it.
  • a method of testing an initial position angle of a rotor of a motor includes the following steps:
  • Step 1 first, give the motor to be tested a current i to make the motor run;
  • Step 2 after the motor is running, the current i is made zero;
  • Step 3 measuring the voltages u d , u q of the d-axis and the q-axis of the stator of the motor at this time;
  • Step 4 Calculate an initial position angular deviation ⁇ err of the motor rotor according to a trigonometric function relationship between u d and u q .
  • Arctan2 is the expression of the "anti-tangent" of the four-quadrant trigonometric function, the same below.
  • the current i is achieved by converter control.
  • the ⁇ err is an electrical angle value or a number of digital pulses converted by the resolver chip.
  • the ⁇ is the current initial position angle feedback pulse number of the motor rotor; ⁇ is a parameter of the current position angle of the motor rotor fed back in the motor control system, which may be a wrong value, or may be a correct value, error or correct Judge.
  • the ⁇ is a pulse filter value of an initial position angular deviation ⁇ err of the motor rotor.
  • the d-axis voltage u d R s i d - ⁇ e L q i q
  • the q-axis voltage u q R s i q + ⁇ e L d i d + ⁇ e ⁇ rd ;
  • R s is the phase resistance of the motor to be tested
  • L d and L q are the d-axis and q-axis inductance of the motor
  • ⁇ e is the angular velocity of the rotor
  • rd rd is the rotor flux linkage.
  • the d-axis voltage is zero
  • the q-axis voltage is the motor back EMF.
  • the d-axis voltage and the q-axis voltage are no longer zero
  • the angular deviation ⁇ err and the d-axis and q-axis voltages are inverse tangent trigonometric functions, namely:
  • the frequency of the current i is lower than the rated frequency of the motor.
  • the frequency of the current i is 1/3 of the rated frequency of the motor.
  • the motor is a permanent magnet synchronous motor or an electric excitation synchronous motor.
  • the invention proposes a new algorithm for testing the initial position angle of the rotor. Compared with the prior art algorithms (such as requiring a specific speed and a test duration of 4 seconds, etc.), the test time requirement of the invention is very low (less than 1 second). No specific speed is required, and there is no problem with the convergence of the test results. It is very easy to operate on site. Improve product performance, reliability and ease of use.
  • test conditions of the method are low, the field personnel are easy to grasp and realize, and the convergence is fast and accurate.
  • the gap between the motor and the controller can be tested. If the initial position of the motor rotor is wrong, the initial position will be given immediately. The correct value of the angle, thus improving system fault diagnosis and error correction capabilities and functional safety features.
  • the method does not need to add any hardware investment; the converter control software is easy to modify; the engineering field condition test is easy to implement; the field personnel are easy to master; the test process is fast, the use time is short, and the accuracy is high; the gap test can be improved in the normal operation of the system. System troubleshooting and functional safety.
  • the method clarifies the correspondence between the motor terminal voltage and the initial rotor position angle in the motor controller; online fault diagnosis and error correction control can be realized, and the system function safety is improved.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a trigonometric function relationship between a d-axis and a q-axis voltage of a motor stator
  • FIG. 2 is an interface diagram for initializing an angular position of a motor rotor using a computer program.
  • a method for testing an initial position angle of a rotor of a motor includes the following steps:
  • Step 1 first give the motor to be tested a current i to make the motor run; the frequency of the current i is low, as long as the motor rotates to test, the current frequency determines the rotational speed of the motor, so the frequency of the current i can be in the rated speed range It can be inside, for example, the frequency of current i is 1/3 of the rated frequency of the motor.
  • Step 2 after the motor is running, the current i is zero;
  • Step 3 measuring the voltage u d , u q of the d-axis and the q-axis of the stator of the motor at this time;
  • Step 4 Calculate the initial position angle deviation ⁇ err of the rotor of the motor at this time according to the trigonometric relationship between u d and u q .
  • the motor tested in this embodiment is a synchronous motor, which may be a permanent magnet synchronous motor or an electrically excited synchronous motor.
  • the d-axis and the q-axis are defined when the rotor synchronous coordinate system is defined.
  • the d-axis is defined at the rotor N-pole
  • the q-axis is orthogonal to the d-axis
  • the d-axis is 90 degrees ahead. Therefore, after this coordinate system, the physical quantities of the stator and rotor of the motor can be converted to this coordinate system.
  • the essence is that the entire motor defines a d-axis and a q-axis that rotate with the rotor on the rotor.
  • the three-phase voltage quantities u a , u b and u c on the stator winding are converted to u d and u q in the rotor synchronous coordinate system, which are respectively called the stator d-axis voltage or the stator q-axis voltage, which belong to the physical quantity on the stator. .
  • Arctan2 is the expression of the "anti-tangent" of the four-quadrant trigonometric function, the same below.
  • Converter control is self-contained for the motor to be tested, or after the purchase of the motor, the converter purchased by the customer is matched.
  • ⁇ err is the electrical angle value or the number of digital pulses converted by the resolver chip.
  • the ⁇ err is an electrical angle value ⁇ e , which can also be expressed as the digital pulse number D converted by the resolver decoding chip.
  • ⁇ e (D/4096)*(P M /P R )*360; where P M is the pole number of the motor and P R is the pole pair of the resolver.
  • ⁇ is the current initial position angle feedback pulse number of the motor rotor
  • ⁇ is the pulse filter value of the initial position angular deviation ⁇ err of the motor rotor. This parameter filters out the high frequency interference and glitch in the signal, which enhances the accuracy and immunity of the test.
  • Figure 2 shows that in order to compensate the wrong initial angle adjustment of the rotor to the correct initial angle of the rotor, the test object first uses the conventional method to measure the initial position angle of the pulse value of 1083. Thereafter, the initial angle of the error is changed, and the test method of the present embodiment is used to measure the pulse value at which the initial position angle of the rotor is substantially maintained at about 1083.
  • Figure 2 shows the interface of the host computer, which can be displayed on the computer screen. It needs to be implemented by CAN communication through the PC software (such as LabVIEW).
  • PC software such as LabVIEW
  • R s is the motor phase resistance
  • L d and L q are the motor d-axis and q-axis inductance
  • ⁇ e is the electrical angular velocity
  • rd rd is the rotor flux linkage.
  • the d-axis voltage is zero
  • the q-axis voltage is the motor back EMF.
  • the rotor has an initial position angle deviation, in the rotor coordinate system of the motor, there is an angular deviation between the d-axis and the q-axis of the stator relative to the rotor pole position, as shown in Fig. 1.
  • the d-axis voltage and the q-axis voltage are no longer zero
  • the angular deviation ⁇ err and the d-axis and q-axis voltages are inverse tangent trigonometric functions, namely:
  • the rotor initial position angle deviation can be calculated in real time.
  • test method in this embodiment is implemented by a computer program in actual use, and the test method is written into a code, and the function of the converter control software can be modified to increase the function, which is simple and easy.
  • the trigonometric function relationship of the initial position angular deviation ⁇ err of the rotor of the motor is expressed as follows:

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Abstract

一种测试电机转子初始位置角的方法，解决了现有技术中电机转子初始位置角测试条件要求高，实际操作不易的技术问题。该方法包括以下步骤：步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；步骤2，所述电机运转后，使得所述电流i为零；步骤3，测得此时所述电机定子d轴和q轴的电压u d、u q；步骤4，根据u d、u q之间的三角函数关系计算得出所述电机转子的初始位置角度偏差θ err。使用电机定子d轴和q轴电压直接计算电机转子初始位置角度偏差；明确了电机控制器中电机端电压与初始转子位置角的对应关系；方法简单，适合于工程现场操作；可实现在线故障诊断和纠错控制，提高系统功能安全性。

Description

一种测试电机转子初始位置角的方法 技术领域
本发明涉及一种测试电机转子初始位置角的方法，用于检测电机转子初始位置角。
发明背景
随着新能源汽车技术的发展和推广，电机驱动的伺服性能要求越来越高。电机控制采用矢量控制方法，电机转子的初始位置角是矢量控制中的重要参数，需要预先测试得到。
电机转子的初始位置角度是电机控制中的重要参数，其准确性对于充分发挥电机性能有重要影响，现场中遇到的许多实际问题都与电机转子的初始位置角度错误有关，电机转子的初始位置角度测量和测量的准确性十分关键。
对永磁同步电机进行矢量控制时，控制器控制定子三相电流合成磁场的矢量方向。为了有效控制定子矢量，需要对转子位置进行精确测量。在电机上转子上安装位置传感器，如光电编码盘，旋转变压器等，并在控制板上安装解码芯片。位置传感器的初始定位主要目的是获得在电机转子位置角为0°时对应的编码器绝对角度，根据这一信息可以使得电机转子位置角与编码器的绝对角度一一对应。现以旋转变压器作为位置传感器为例说明。
1.直接测量法
电机转子的初始位置通常可以由测量电机反电势过零点和转子位置传感器角度的对应关系获得。测量电机反电势时，需要电机绕组开路，拖动被测电机转子以固定转速旋转，同时测量反电势和转子位置角度信号，找到角度对应关系。这种方法通常需要用到示波器或电压传感器等设备，由于工程现场条件限制，现场实际操作可行性较低。
2.间接测量法
间接测量法的原理是将电机转子停到与定子A相轴线重合的位置，也就是零 度角位置，此时从旋变解码芯片读出当前位置信息，即为电机转子的初始位置。把电机旋转到与定子A相轴线重合的位置，需要给电机提供一个A轴轴线重合的电压矢量，此时电机的电流从A相流入电机并从B和C相流出电机。该方法测试条件要求高，电机负载大小会对测量精度有很大的影响，现场实际操作不易。
通常，在电机控制系统中会反馈一个电机转子当前位置角的参数，但是该参数有可能是一个错误的数值，也有可能是一个正确的数值，错误或者正确无法判断。要想准确测得电机转子初始位置角，可以在该反馈参数的基础上测试电机转子初始位置角的偏差，从而得到准确的电机转子初始位置角，所以如何准确测试电机转子初始位置角的偏差值是关键。
发明内容
针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种测试电机转子初始位置角的方法，利用电机定子d轴和q轴的电压三角函数关系直接计算得出电机转子的初始位置角度偏差，为正确测试电机转子初始位置角提供了准确参考，该方法具有工程现场条件测试易于实现，现场人员易于掌握的特点。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种测试电机转子初始位置角的方法，包括以下步骤：
步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；
步骤2，所述电机运转后，使得所述电流i为零；
步骤3，测得此时所述电机定子d轴和q轴的电压ud、uq；
步骤4，根据ud、uq之间的三角函数关系计算得出所述电机转子的初始位置角度偏差θerr。
进一步，所述电机正向旋转时，所述θerr＝arctan 2(ud,uq)。arctan2是四象限三角函数“反正切”的表达式，下同。
进一步，所述电机反向旋转时，所述θerr＝arctan 2(-ud,-uq)。
进一步，所述电流i通过变流器控制实现。
进一步，所述θerr为电角度值或旋变解码芯片转换的数字脉冲数。
进一步，所述电机转子初始位置角θ为数字脉冲数，θ＝α+(β×γ)；
所述α为电机转子当前初始位置角反馈脉冲数；α是电机控制系统中反馈的电机转子当前位置角的参数，有可能是一个错误的数值，也有可能是一个正确的数值，错误或者正确无法判断。
所述β为所述电机转子的初始位置角度偏差方向，电机正转β＝1，电机反转β＝-1；
所述γ为所述电机转子的初始位置角度偏差θerr的脉冲滤波值。
进一步，所述d轴电压ud＝Rsid-ωeLqiq，所述q轴电压uq＝Rsiq+ωeLdid+ωeψrd；
其中Rs为待测电机相电阻，Ld和Lq分别为电机d轴和q轴电感，ωe为转子角速度，ψrd为转子磁链。
当控制器控制电流i为零的时，即id＝0和iq＝0,可以得到：
ud＝0
uq＝ωeψrd＝E
即d轴电压为零，q轴电压即为电机反电势。然而，当有初始位置角度偏差时，电机转子坐标系下，相对转子磁极位置d轴和q轴都会有角度偏差，如图1所示。此时，d轴电压和q轴电压不再为零，角度偏差θerr和d轴和q轴电压为反正切三角函数关系，即：
当电机正向旋转时：θerr＝arctan 2(ud,uq)
当电机反向旋转时：θerr＝arctan 2(-ud,-uq)
进一步，所述电流i的频率低于电机额定频率。
进一步，所述电流i的频率为1/3电机额定频率。
进一步，所述电机为永磁同步电机，或者为电励磁同步电机。
本发明具有以下优点：
本发明提出一种测试转子初始位置角度新算法，相比现有技术中的算法(如：要求达到特定转速和测试持续时间4秒等)，本发明测试时间要求很低(小于1秒)，没有要求特定转速，而且不存在测试结果收敛性的问题，非常易于现场操作，从 而提高产品的性能，可靠性和易用性。
本方法测试条件要求低，现场人员易掌握和实现，收敛快准确性高；同时在电机和控制器正常工作的间隙时间也可进行测试，如果电机转子初始位置角度错误，会立即给出初始位置角度的正确值，从而提高了系统故障诊断和纠错能力及功能安全特性。
本方法无需增加任何硬件投资；变流器控制软件修改简单易行；工程现场条件测试易于实现；现场人员易于掌握；测试过程快速，用时短，准确性高；可在系统正常运行间隙测试，提高系统故障诊断和功能安全性。
本方法明确了电机控制器中电机端电压与初始转子位置角的对应关系；可实现在线故障诊断和纠错控制，提高系统功能安全性。
附图简要说明
图1是电机定子d轴和q轴电压之间的三角函数关系示意图；
图2是使用计算机程序进行电机转子初始位置角标定的界面图。
实施本发明的方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
如图1所示，在本发明实施例1中，一种测试电机转子初始位置角的方法，包括以下步骤：
步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；电流i的频率较低，只要电机旋转起来便可测试，电流频率决定了电机旋转起来的转速，因此电流i的频率可在额定转速范围内即可，如电流i的频率为1/3电机额定频率。
步骤2，电机运转后，使得电流i为零；
步骤3，测得此时电机定子d轴和q轴的电压ud、uq；
步骤4，根据ud、uq之间的三角函数关系计算得出此时电机转子的初始位置角 度偏差θerr。
本实施例所测试的电机为同步电机，可以是永磁同步电机，或者是电励磁同步电机。
永磁电机中的d轴和q轴是定义转子同步坐标系时，定义d轴在转子N极，q轴与d轴正交，超前d轴90度。所以，有这个坐标系以后，电机的定子的和转子的物理量都可以折算到这个坐标系下表示。其实质是整个电机定义了一个d轴和q轴，这个坐标轴在转子上随转子一起旋转。比如定子绕组上的三相电压量ua，ub和uc折算到转子同步坐标系下为ud和uq，就分别称为定子d轴电压或定子q轴电压，属于定子上的物理量。
当电机正向旋转时，θerr＝arctan 2(ud,uq)。arctan2是四象限三角函数“反正切”的表达式，下同。
当电机反向旋转时，θerr＝arctan 2(-ud,-uq)。
电流i通过变流器控制实现。变流器为被测电机自带，或购买电机后，客户自行购买的变流器匹配。
θerr为电角度值或旋变解码芯片转换的数字脉冲数。
所述θerr为电角度值θe，它也可以表示为旋变解码芯片转换的数字脉冲数D。
电角度值θe与数字脉冲值D的转换关系为：
θe＝(D/4096)*(PM/PR)*360；其中PM为电机极对数，PR为旋转变压器极对数。
解码芯片的转换精度决定数字脉冲值的范围。例如：12位精度对应数字脉冲范围是212＝4096。
如图2所示，当电机转子初始位置角θ为数字脉冲数时，θ＝α+(β×γ)；
α为电机转子当前初始位置角反馈脉冲数；
β为电机转子的初始位置角度偏差方向，电机正转β＝1，电机反转β＝-1；
γ为电机转子的初始位置角度偏差θerr的脉冲滤波值。该参数是滤掉了信号中的高频干扰和毛刺的数值，增强了测试的准确性和抗干扰性。
图2所示是为了将错误的转子初始角度调整补偿为正确的转子初始角度，试验对象先使用传统方法测得初始位置角度的脉冲值为1083。之后分别更改成错误的初始角度，使用本实施例的测试方法，测得转子初始位置角度基本维持在1083左右的脉冲值。
图2所示是上位机界面图，可以在电脑屏幕上显示，需要上位机软件(如：LabVIEW)通过CAN通信实现。
电机转子的初始位置角度偏差θerr的计算原理如下：
忽略d轴和q轴间的互感，仅考虑基波分量，电机电压方程为：
ud＝Rsid-ωeLqiq                (1)
uq＝Rsiq+ωeLdid+ωeψrd            (2)
其中Rs为电机相电阻，Ld和Lq为电机d轴和q轴电感，ωe为电角速度，ψrd为转子磁链。
当控制器控制电流为零的时，即id＝0和iq＝0可以得到：
ud＝0                      (3)
uq＝ωeψrd＝E                  (4)
即d轴电压为零，q轴电压即为电机反电势。然而，当转子有初始位置角度偏差时，在电机转子坐标系下，相对转子磁极位置定子的d轴和q轴都会有角度偏差，如图1所示。此时，d轴电压和q轴电压不再为零，角度偏差θerr和d轴和q轴电压为反正切三角函数关系，即：
当电机正向旋转时：θerr＝arctan 2(ud,uq)        (5)
当电机反向旋转时：θerr＝arctan 2(-ud,-uq)       (6)
因此根据方程(5)或(6)，可以实时计算得出转子初始位置角度偏差。
本实施例中的测试方法实际使用中依靠计算机程序实现，把测试方法写成代码，对变流器控制软件修改增加功能即可，简单易行。
实施例2
在本发明实施例2中，电机转子的初始位置角度偏差θerr的三角函数关系采用 如下表示：
电机正向旋转时，所述θerr＝arccot2(uq,ud)。
电机反向旋转时，所述θerr＝arccot2(-uq,-ud)。
当然还可以使用其他三角函数表示，例如反正弦、反余弦，在此不一一列举。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

  1. 一种测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，包括以下步骤：
    步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；
    步骤2，所述电机运转后，使得所述电流i为零；
    步骤3，测得此时所述电机定子d轴和q轴的电压ud、uq；
    步骤4，根据ud、uq之间的三角函数关系计算得出所述电机转子的初始位置角度偏差θerr。
  2. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电机正向旋转时，所述θerr＝arctan 2(ud,uq)。
  3. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电机反向旋转时，所述θerr＝arctan 2(-ud,-uq)。
  4. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电流i通过变流器控制实现。
  5. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述θerr为电角度值或旋变解码芯片转换的数字脉冲数。
  6. 根据权利要求5所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电机转子初始位置角θ为数字脉冲数，θ＝α+(β×γ)；
    所述α为电机转子当前初始位置角反馈脉冲数；
    所述β为所述电机转子的初始位置角度偏差方向，电机正转β＝1，电机反转β＝-1；
    所述γ为所述电机转子的初始位置角度偏差θerr的脉冲滤波值。
  7. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述d轴电压ud＝Rsid-ωeLqiq，所述q轴电压uq＝Rsiq+ωeLdid+ωeψrd；
    其中，Rs为待测电机相电阻，Ld和Lq分别为电机d轴和q轴电感，ωe为转子角速度，ψrd为转子磁链。
  8. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电流i的频率低于电机额定频率。
  9. 根据权利要求8所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电流i的频率为1/3电机额定频率。
  10. 根据权利要求1所述的测试电机转子初始位置角的方法，其特征在于，所述电机为永磁同步电机，或者为电励磁同步电机。
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