CN104579084A - 一种旋变初始角的辨识方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种旋变初始角的辨识方法，利用直流制动的方法使电机转子停到与A相轴线重合的位置，得到粗调得到的初始角；变频器以闭环矢量控制模式带动电机低速运行，在这个时间段采集Q轴电流，对该电流进行低通滤波，得到Q轴电流平均值；往电机灌入较大的弱磁电流，读取电机的Q轴电流；计算二者差值作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号为初始角补偿量，用初始角补偿量来修正粗调得到的初始角，得到经补偿之后的初始角；当二者差值位于一个预设的误差范围并持续N₂秒，输出经补偿之后的初始角，作为最终得到的初始角。

Description

一种旋变初始角的辨识方法

技术领域

本发明涉及变频调速***，具体涉及一种旋变初始角的辨识方法。

背景技术

对永磁同步电机进行伺服控制时，控制器控制定子三相电流合成磁场的矢量方向。为了有效控制定子磁场矢量，需要对转子位置进行精确测量。通常经济有效的方法是：在电机转子上安装增量式编码器，用编码器输出脉冲数量来表征转子位置变化。该方法中，控制器需要先得知转子的初始位置，再根据编码器送来的AB脉冲才能确定转子旋转的方向和已转过的角度。在***首次上电时，电机转子的绝对位置是不确定的。因此只能让电机先转起来，当检测到Z信号时，才能给电机转子位置准确定位，进行矢量控制。这种方法的弊端是：控制器每次重新上电时都要对电机转子初始位置进行辩识。而且每次辩识初始角时，电机可能要转过360゜才能寻找到零点，对电机准确定位。在某些场合，如电动汽车上是不允许这么做的。

于是电动汽车上一般会使用能测量到转子绝对位置的旋变来测量电机转子位置角。旋变测量转子位置角首先要辨识转子初始角，目前一般是通过将转子拉入0位置的方法来辨识。由于电机的齿槽效应，电机转子一般不能被拉到绝对的0°，于是用这个方法辨识的初始角就会存在一个误差。这个误差一般在10°电角度左右，在低速时，一般不会带来什么影响。但是到了高速，由于弱磁电流的增大，这个角度偏差会带来严重的dq轴电流耦合，严重的影响了控制品质与转矩精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种旋变初始角的辨识方法，能够获得更为准确的转子的初始角。

本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种旋变初始角的辨识方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用直流制动的方法使电机转子停到与A相轴线重合的位置，得到粗调得到的初始角θ₀_init；

S2、变频器以闭环矢量控制模式带动电机低速运行N₁秒，在这个时间段采集Q轴电流，对该电流进行低通滤波，得到Q轴电流平均值I_ref；所述的低速为1/5-1/2电机额定转速；

S3、往电机灌入较大的弱磁电流，读取电机的Q轴电流Iq_fed；所述的弱磁电流取1/2-1倍的电机额定电流；

S4、计算I_ref与I_fed的差值I_err，作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号为初始角补偿量Δθ₀，同时把Δθ₀限幅在正负10°以内，用初始角补偿量Δθ₀来修正粗调得到的初始角θ₀_init，得到经补偿之后的初始角θ₀；

S5、当I_err位于一个预设的误差范围并持续N₂秒，输出经补偿之后的初始角θ₀，作为最终得到的初始角。

按上述方法，所述的S1直流制动的方法具体为：电机通i_q＝0、i_d＝I_N、θ＝0的矢量电压，三相电流状态为i_A＝(2/3)I_N，i_B＝i_C＝-(1/3)I_N，电机永磁体在电枢磁场效应下转到与A轴、α轴、d轴三轴重合的位置，其中i_q为q轴电流、i_d为d轴电流，I_N为额定电流，i_A、i_B、i_C为A相、B相、C相电流。

本发明的有益效果为：通过采用先粗调、再补偿的方式，比传统方法得到更为准确的初始角，避免因为初始角不准确带来的问题。

附图说明

图1为电机转子位置角与绝对角度的关系图。

图2为直流制动构架图。

图3为坐标系偏移后的电流示意图。

图4为旋变初始角的辨识原理图。

图5为初始角精确辨识时Q轴电流波形图。

图6为初始角辨识时的相电流波形图。

具体实施方式

下面结合具体实例和附图对本发明作进一步说明。

一、获取初始角的原理

永磁同步电机矢量控制，转子位置角是通过编码器获得。旋变由于它启动方便，材质皮实的特点，被广泛应用于电动汽车领域。

旋变初始定位的主要目的是获得在电机位置角为0゜时对应的编码器绝对角度(即初始角)，根据这一信息可以使得电机位置角与编码器的绝对角度一一对应。

图1中，α₁为旋变定子侧绕组轴线与电机定子A相轴线的交角，旋变定子安装到电机端盖上后，α₁即被固定；α₂为旋变转子侧绕组轴线与电机转子d轴的交角，当旋变转子安装到电机转子轴上后，α₂即被固定；θ为电机定子A相轴线与电机转子d轴的交角，即电机位置角；A_x为旋变定子轴线与旋变转子轴线的交角，即绝对角度，可以通过其SSI接口输出，并由DSP的SPI读取。

可以看到，电机位置角可以表示为：

θ＝A_x-(α₁+α₂)  (1)，

由于A_x可以从AD2S1200读出，为了能求出电机位置角θ，还需要测出(α₁+α₂)的值。为此，在电机位置角θ＝0时，从AD2S1200读出此时的绝对角度，设为A₀，根据式(1)得到：

α₁+α₂＝A₀  (2)，

根据式(1)，式(2)，电机位置角可以表示为：

θ＝A_x-A₀  (3)，

从上面过程可以看到，一个必需的步骤是要在电机位置角θ＝0的时刻，从AD2S1200读出A₀，A₀即为初始角。

二、直流将转子拉入0°位置

利用直流制动的方法使电机转子停到与A相轴线重合的位置，也就是零度角位置。

在dq轴坐标系下，基于坐标变换和SVPWM原理，通过软件设计可生成0-360゜的高分辨率电压矢量。由SVPWM主导转子的定位，将电机置于开环状态，使得U_d为固定值，U_q为0，park反变换角度给定固定值为θ，此时电机转子磁场方向和定子给定电压矢量方向一致，永磁体转到θ位置。直流制动构架图如图2。

三、精确辨识初始角的原理

如图3所示DQ轴为实际的转矩电流和励磁电流所在坐标轴，I_d、I_q为实际的励磁电流和转矩电流，

当采样的角度滞后实际角度时，也就是把DQ轴转到了D′Q′轴，这时候坐标变换解得的I_d′、I_q′如图所示。I_q′变成了一个负值，I_d′变的更大。 

精调初始角时依据的原理是：电机空载运行时，如果转子位置角没偏，那么无论电机转速有多高或者弱磁电流有多大，电机的转矩电流始终保持不变，接近于零。如果转子位置角偏了，而此时又有很大的弱磁电流的话，那么转矩电流会受到弱磁电流的耦合影响，也变得很大。

图4为旋变初始角的辨识原理图，其中虚框内为新增部分，其中：θ₀_init为粗调得到的初始角；I_ref为电机低速空载运行时采到的Q轴电流平均值；Δθ₀为PI输出的初始角补偿量；θ₀为经补偿之后的初始角；θ为编码器采到的绝对位置信息；θ′为转子位置角。

利用以上原理和推导，本发明提供一种旋变初始角的辨识方法，包括以下步骤：

S1、利用直流制动的方法使电机转子停到与A相轴线重合的位置；记录下旋变此时读到的绝对位置信息，作为粗调得到的初始角θ₀_init；直流制动的方法具体为：电机通i_q＝0、i_d＝I_N、θ＝0的矢量电压，三相电流状态为i_A＝(2/3)I_N，i_B＝i_C＝-(1/3)I_N，电机永磁体在电枢磁场效应下转到与A轴、α轴、d轴三轴重合的位置。直流制动时电机的电流表征为电流从A相进电机并从BC相出电机。

S2、以θ₀_init为初始角，那么电机转子位置角等于旋变读到的绝对位置信息减去θ₀_init，变频器以闭环矢量控制模式带动电机低速(1/5-1/2电机额定转速)运行N₁秒(本实施例取10s)，在这个时间段采集Q轴电流，对该电流进行低通滤波，得到Q轴电流平均值I_ref。此时，电机转速低，转矩小(仅用于克服摩擦力)。那么弱磁电流为0，由于没有弱磁电流的影响，无论转子位置角有没有偏，转矩电流都为正并且接近于0。

S3、往电机灌入较大的弱磁电流，读取电机的Q轴电流Iq_fed；所述的弱磁电流取1/2-1倍的电机额定电流。

S4、此时如果电机初始角偏了的话，由于弱磁电流的影响，转矩电流必然会引起变化，那么I_ref与I_fed之间必然会有一个偏差I_err。计算I_ref与I_fed的差值I_err，作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号为初始角补偿量Δθ₀，同时把Δθ₀限幅在正负10°以内，用初始角补偿量Δθ₀来修正粗调得到的初始角θ₀_init，得到经补偿之后的初始角θ₀。通过初始角补偿来修正初始角，够成一个闭环，以此来调整初始角。

S5、当I_err位于一个预设的误差范围并持续N₂秒(本实施例取4s)，输出经补偿之后的初始角θ₀，作为最终得到的初始角。

执行精确辨识方法，并通过示波器观察转矩电流，如图5所示，A段电机加速，转矩电流略微上升；B段电机匀速空载，此时记录I_ref；C段给电机灌入弱磁电流，此时弱磁电流偏到q轴，电流明显变大并偏为负值；C段过后，开始PI，看到电流明显回升；到了D段后，持续调节，此时虽然电流很毛，但可以看到它的中间值与B段中间值一致。4s内误差都在误差带内，结束整个流程。

整个流程的相电流波形如图6所示，通过波形，可知整个流程都是按照设计在执行。

直流制动->加速->空载运行并记录q轴电流平均值->加入弱磁电流并通过PI调整初始角->去弱磁电流并减速停机。

5.验证原理及验证方法

根据永磁同步电机的稳态电压方程：

U_m＝R_s*i_m-ω_r*L_d*i_t  (4)，

式中：U_m为m轴电压，R_s为定子电阻，i_m为m轴电流，ω_r为电机角速度，L_d为d轴电感，i_t为t轴电流。可以看出稳态时，i_t为0，而定子电阻R_s是毫欧级的，就算弱磁电流为100A，m轴电压U_m也就只有几伏。那么如果角度没偏时，无论正转或反转，U_m的值应该一样。

根据以上原理，可以验证电机初始角的准确性，就是正反转时，输出m轴电压大小相等，方向相同。

验证：使用角度精确辨识法辨识出电机初始角为32.5°。

将电机转到+3000转，Um＝64％；将电机转到-3000转，Um＝60％；

手动调整一下初始角，31.5°

将电机转到+3000转，Um＝70％；将电机转到-3000转，Um＝55％；

手动调整一下初始角，33.5°

将电机转到+3000转，Um＝60％；将电机转到-3000转，Um＝65％；

可以看出用精调出的初始角可以保证在正反转时输出相近的m轴电压。而在这个精调出的初始角上无论左右调整1°的角度，都会导致正反转时m轴电压差距放大。于是可以得出精调的初始角误差在1°电角度以内。

以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种旋变初始角的辨识方法，其特征在于：它包括以下步骤：

S1、利用直流制动的方法使电机转子停到与A相轴线重合的位置，得到粗调得到的初始角θ₀_init；

S2、变频器以闭环矢量控制模式带动电机低速运行N₁秒，在这个时间段采集Q轴电流，对该电流进行低通滤波，得到Q轴电流平均值I_ref；所述的低速为1/5-1/2电机额定转速；

S3、往电机灌入较大的弱磁电流，读取电机的Q轴电流Iq_fed；所述的弱磁电流取1/2-1倍的电机额定电流；

S4、计算I_ref与I_fed的差值I_err，作为PI调节器的输入信号，PI调节器的输出信号为初始角补偿量Δθ₀，同时把Δθ₀限幅在正负10°以内，用初始角补偿量Δθ₀来修正粗调得到的初始角θ₀_init，得到经补偿之后的初始角θ₀；

S5、当I_err位于一个预设的误差范围并持续N₂秒，输出经补偿之后的初始角θ₀，作为最终得到的初始角。

2.根据权利要求1所述的一种旋变初始角的辨识方法，其特征在于：所述的S1直流制动的方法具体为：电机通i_q＝0、i_d＝I_N、θ＝0的矢量电压，三相电流状态为i_A＝(2/3)I_N，i_B＝i_C＝-(1/3)I_N，电机永磁体在电枢磁场效应下转到与A轴、α轴、d轴三轴重合的位置，其中i_q为q轴电流、i_d为d轴电流，I_N为额定电流，i_A、i_B、i_C为A相、B相、C相电流。