CN103986395B - 一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法。该方法在利用高频电压注入法实现初次初始位置估计的基础上，再通过提取d轴电流响应中二倍注入信号频率次谐波中所包含的d轴正方向信息进行d轴正方向判断，该方法无需额外注入正负脉冲再比较电流响应的幅值，缩短了估计时间，简化了估计过程，降低了对电流检测精度的要求，且不会造成转子的微动，拓宽了应用场合。

Description

一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法

技术领域

本发明属于电机控制领域，具体为一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法。

背景技术

目前对于永磁同步电机转子初始位置检测方法，常见的以di/dt类型和信号注入类型为主。

Yuzawa T,Tanaka K,Moriyama R,et al.An efficient estimation method ofsensorless initial rotor position for surface PM synchronous motor[C]//Electric Machines and Drives Conference,2001.IEMDC2001.IEEEInternational.IEEE,2001:44-49.利用di/dt检测转子位置，通过折半查找的方法迅速估计转子的初始位置，但在辨识过程中需固定电机的转子，且辨识结果受齿槽效应的影响；

贾洪平,贺益康.基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究[J].中国电机工程学报,2007,27(15):15-20.利用高频电压注入导致电感的变化，根据高频阻抗的大小和信号所注入的位置之间的关系来获得转子初始位置，再比较d轴正负方向的电流响应幅值判断d轴正方向；刘颖,周波,李帅,等.转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J].中国电机工程学报,2011,31(18):48-54.首先在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频正弦电压信号，通过闭环调节得到转子位置的初次估计值，再利用不同磁极下d轴等效时间常数的不同判断d轴正方向。上述基于高频信号注入的方法均将估计过程分为初次位置估计和d轴正方向判断两个阶段，在d轴正方向判断过程中均需在d轴注入幅值相等的正负电压脉冲，利用电流响应的差异判断d轴正方向，这类方法对电流检测精度的要求比较高，并且估计过程需要花费一定的时间，同时电压脉冲的幅值大小和持续时间若选择不当可能导致d轴正方向判断出错。

发明内容

本发明在利用高频电压注入法实现初次初始位置估计的基础上，通过提取d轴电流响应中二倍注入信号频率次谐波中所包含的d轴正方向信息进行d轴正方向判断，无需额外注入正负脉冲再比较电流响应的幅值，缩短了估计时间，简化了估计过程，降低了对电流检测精度的要求，且不会造成转子的微动，拓宽了应用场合。

为解决上述技术问题，本发明提出一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法先获取转子位置初次估算值，再判断d轴正方向，将转子位置初次估算值加上d轴正方向判断后的补偿值即为最终初始位置估计值，其中，判断d轴正方向的过程如下：

检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应将其先经过带通滤波器选出d轴电流响应的二次谐波分量将二次谐波分量与余弦信号cos(2ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为4ω_h的交流分量，其中ω_h为在d轴注入高频电压的角频率；再经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，该直流分量即为d轴正方向的判断信息g(NS)，当g(NS)大于0表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π；当g(NS)小于0表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0。

进一步的优先方案，本发明表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法中，获取转子位置初次估算值的步骤如下：

步骤1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压U_hmcos(ω_ht)，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻；

步骤2、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到两相静止αβ坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；

步骤3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止αβ坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤4、将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量，再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号；

步骤5、构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号作为PI调节器的输入，估计转子角速度为调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤1-5，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值。

本发明与现有技术相比具有以下显著的优点：(1)本发明中判断d轴正方向过程中，注入的电压始终为余弦高频信号，无需注入正负脉冲电压，简化了估计过程；(2)通过提取d轴电流响应中二倍注入信号频率次谐波中所包含的d轴正方向信息进行判断，无需额外注入正负脉冲再比较电流响应的幅值，缩短了估计时间，降低了对电流检测精度的要求；(3)避免了正负电压脉冲注入过程中可能导致的小惯量电机抖动问题，可用在电机转动惯量小、对初始位置估计过程中转子位置抖动有严格要求的场合。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的描述；

附图说明

图1为表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的原理框图；

图2为两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；

图3为初次初始位置估计的信号提取与调制过程的原理框图；

图4为d轴正方向判断的信号提取与调制过程的原理框图；

图5(a)为电机实际转子位置为1rad情况下对应g(NS)的波形图；

图5(b)为电机实际转子位置为1rad,表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的仿真波形；

图5(c)为电机实际转子位置为3rad情况下对应g(NS)的波形图；

图5(d)为电机实际转子位置为3rad，表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的仿真波形；

图6(a)为电机实际转子位置为rad，表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的实验波形；

图6(b)为电机实际转子位置为πrad，表贴式永磁同步电机转子初始位置估计过程的实验波形。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立坐标系关系图，如图2所示，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，并且定义估计位置误差其中，θ为实际转子初始位置，为位置估计值，的初始值为0；

步骤2、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压q轴给定电压信号，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻；

步骤3、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到实际两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到六路开关信号，控制三相全桥逆变器，向永磁同步电机定子绕组中注入电压信号；

步骤4、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到实际两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤5、如图3所示，将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号f(Δθ)；

步骤6、如图3所示，PI为比例积分调节器，I为积分调节器，构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号f(Δθ)作为PI调节器的输入，估计转子角速度为调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤2-6，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值

步骤7、如图4所示，判断d轴正方向，检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应将其先经过带通滤波器选出d轴电流响应的二次谐波分量将二次谐波分量与余弦信号cos(2ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为4ω_h的交流分量，其中ω_h为在d轴注入高频电压的角频率；再经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，该直流分量即为d轴正方向的判断信息g(NS)，当g(NS)大于0表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值θ_c＝π，即为最终初始位置估计值；当g(NS)小于0表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为θ_c＝0，即

对判断d轴正方向的理论分析如下，当在估计的d轴方向注入脉振高频电压时，由于d轴磁场在电流响应的作用下会产生饱和，d轴流过正向电流时电感减小，d轴流过负向电流时电感增大；q轴磁场始终处于线性区，q轴电感维持不变。定义d轴电感为L_d，q轴电感为L_q，则L_d的大小随d轴电流i_d(t)变化，而L_q的大小恒定。定义函数h(t)＝L_q/L_d(i_d(t))，h(t)的周期T＝2π/ω_h，它可用傅里叶级数表示为 $h\left(t\right)=\frac{a_0}{2}+\underset{n=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}[a_n\cos \left({\mathrm{n\ω}}_{h}t\right)+b_n\sin \left({\mathrm{n\ω}}_{h}t\right)],$ 式中：

$\frac{a_0}{2}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\mathrm{dt},a_n=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\cos \left({\mathrm{n\ω}}_{h}t\right)\mathrm{dt},b_n=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\sin \left(n{\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\mathrm{dt};$ n表示第n次谐波分量；

根据h(t)所满足的规律，并且忽略三次及三次以上的谐波分量，h(t)可进一步整理成式中：

${\mathrm{\λ}}_0=\frac{a_0}{2}=\frac{1}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\mathrm{dt},{\mathrm{\λ}}_1=b_1=\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\sin \left({\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\mathrm{dt},{{\mathrm{\λ}}_2=-a}_2=-\frac{2}{T}{\∫}_0^{T}h\left(t\right)\cos \left(2{\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\mathrm{dt}$

虽然d轴电感随电流变化，但其值近似与q轴电感相等，因此它们的比值h(t)在1附近波动，从而得到λ₀>0；

在高频电压的作用下，若忽略定子电阻，d轴阻抗呈纯感性，电流响应i_d(t)以同频率的成分为主，从而式中I_dm是d轴电流的幅值，由于d轴在正向电流作用下产生饱和，电感减小，因此交、d轴电感的比值h(t)随d轴电流i_d(t)的增大而增大，从而可以得到λ₁>0。

是一个与磁极方向相关的角度，当判断d轴正方向与磁极N极同向时，当判断d轴正方向与磁极N极反向时，

根据相关分析与理论推导，考虑d轴电感的饱和特性，估计的d轴电流响应为：

初次初始位置估计结束后，Δθ＝0或者Δθ＝π，因此cos(2Δθ)＝1，从而得到：

若能够通过一定的方式判断的符号，就能判断d轴正方向，这里选择估计的d轴电流响应的二次谐波分量进行调制判断d轴正方向，将二次谐波分量与余弦信号cos(2ω_ht)相乘进行调制，即：

得到的信号包含直流分量和频率为4ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器(LPF)滤除交流分量，提取直流分量，得到d轴正方向判断信息g(NS)：

由此可知，利用g(NS)的符号即可判断d轴正方向，当g(NS)大于0，为负，g(NS)小于0表示为正，

如图5(a)和图5(b)所示，对应实际转子初始位置为1rad，d轴正方向判断信息g(NS)小于0，表示d轴正方向与磁极N极同向，无需对初次估计位置进行角度补偿，θ_c＝0，最终初始位置估计值为如图5(c)、图5(d)所示，对应实际转子初始位置为3rad，d轴正方向判断信息g(NS)大于0，表示d轴正方向与磁极N极反向，需对初次估计位置补偿π弧度，θ_c＝π，最终初始位置估计值为 ${\widehat{\mathrm{\θ}}}_1={\widehat{\mathrm{\θ}}}_0+\mathrm{\π}.$

如图6(a)所示，对应实际转子初始位置为rad，d轴正方向判断信息g(NS)小于0，表示d轴正方向与磁极N极同向，无需对初次估计位置进行角度补偿，θ_c＝0，最终初始位置估计值为如图6(b)对应实际转子初始位置为πrad，d轴正方向判断信息g(NS)大于0，表示d轴正方向与磁极N极反向，需对初次估计位置补偿π弧度，θ_c＝π，最终初始位置估计值为

Claims (1)

1.一种表贴式永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法先获取转子位置初次估算值，再判断d轴正方向，将转子位置初次估算值加上d轴正方向判断后的补偿值即为最终初始位置估计值，其特征在于，获取转子位置初次估算值的步骤如下：

步骤1、在估计转子同步旋转坐标系的d轴注入高频余弦电压U_hm cos(ω_ht)，其中，U_hm为在d轴注入高频电压的幅值，t表示当前时刻；

步骤2、对估计转子同步旋转坐标系上注入的电压信号进行派克逆变换，得到两相静止α-β坐标系下的电压信号u_α和u_β，再采用空间矢量脉宽调制SVPWM得到三相逆变器的六路开关信号，驱动表贴式永磁同步电机SPMSM；

步骤3、检测电机三相绕组A/B/C中的任意两相电流，先进行克拉克变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号i_α和i_β，再经过派克变换得到估计转子同步旋转坐标系下的d轴电流响应信号和q轴电流响应信号

步骤4、将估计转子同步旋转坐标系的q轴电流响应信号经过带通滤波器选出频率为ω_h的交流分量即为q轴电流响应的一次谐波分量，再与正弦信号sin(ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为2ω_h的交流分量，最后经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，得到估计位置偏差信号；

步骤5、构建位置偏差闭环，将估计位置偏差信号作为PI调节器的输入，估计转子角速度为PI调节器的输出，对估计转子角速度积分得到估计的转子位置，重复步骤1-5，直到估计的转子位置收敛为一恒定值，即为转子初始位置的初次估计值；

判断d轴正方向的过程如下：

检测估计转子同步旋转坐标系的d轴电流响应将其先经过带通滤波器选出d轴电流响应的二次谐波分量将二次谐波分量与余弦信号cos(2ω_ht)相乘进行调制，得到直流分量和频率为4ω_h的交流分量，其中ω_h为在d轴注入高频电压的角频率；再经过低通滤波器滤除交流分量，提取直流分量，该直流分量即为d轴正方向的判断信息g(NS)，当g(NS)大于0表示d轴正方向与磁极N极反向，d轴正方向判断后的补偿值为π；当g(NS)小于0表示d轴正方向与磁极N极同向，d轴正方向判断后的补偿值为0。