CN104852663B - 一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始n/s极精确辨识方法 - Google Patents
一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始n/s极精确辨识方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法，该辨识方法针对的永磁辅助同步磁阻电机转子具有两层或两层以上磁障，两层或两层以上依次相邻的磁障内嵌入磁钢，同时磁钢所处各层磁障内位置相对一致。对具有以上特征的永磁辅助同步磁阻电机转子，该辨识方法通过向定子绕组施加均匀分布于一个电周期内的幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，检测响应d、q电流增量大小，继而再利用永磁辅助同步磁阻电机增去磁回路的特殊性分辨出磁钢磁极的极性，从而确定转子初始位置。本发明解决了现有磁极检测技术辨识永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极位置错误的问题，进一步排除了永磁辅助同步磁阻电机大量投向市场的障碍。
Description
技术领域
本发明涉及一种同步电机检测技术领域，具体涉及一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法。
背景技术
同步磁阻电机完全依靠d、q轴磁路的磁阻差异来产生转矩。因转子上不存在导条，故不存在任何电磁损耗，相较于感应电机具有更高的效率和更低的稳定运行温度。通过对同步磁阻电机转子磁障的最优设计，最大化磁阻转矩，已可做到优于感应电机的转矩密度。目前，制约同步磁阻电机广泛应用的问题主要是功率因数偏低，需要搭配大容量变频器进行驱动。而永磁辅助同步磁阻电机通过在原有同步磁阻电机转子磁障内合理添加磁钢能有效提高功率因数，与此同时，伴随磁钢带来的一部分永磁转矩，也将进一步增大同步磁阻电机转矩密度。因此，永磁辅助同步磁阻电机的多方面优点使其具备有极其广阔的市场前景。
永磁辅助同步磁阻电机的驱动***与永磁同步电机完全一致，控制方式也大体相同。在永磁同步电机驱动***中，电机转子位置的检测与初始定位是***运行的基本条件，也是矢量控制的必要前提。为此，现有技术提供了一种永磁同步电机转子初始N/S极辨识方法，通过向电机绕组施加不同空间角且幅值相等的电压矢量，检测电压矢量分别对应的电流矢量增量值，当电压空间矢量越接近转子N极时，由于定子铁心的饱和特性，增磁方向上响应电流矢量增量也越大，因而可通过检测电流响应增量值来获取转子N/S极信息。现有专利技术提供永磁同步电机转子初始N/S极辨识方法通常为得到更精确的转子位置会针对上述方法进行进一步的创新和改进，但基本原理是一致的。
然而，上述永磁同步电机的转子初始N/S极辨识方法并不适用于永磁辅助同步磁阻电机。区别于以永磁磁场为主磁场的永磁同步电机，永磁辅助同步磁阻电机内的永磁磁场只起辅助作用，主励磁磁场为电枢绕组磁场的d轴分量。辨识转子N/S极(即±d轴)时，去磁方向电压矢量将改变原磁场路径，导致去磁方向电流响应增量值大于增磁方向的电流响应增量值，造成将实际为N极的位置辨识成了S极的误会。
而对于永磁辅助同步磁阻电机来说，即使N/S极位置辨识反，电机也能正常起动和工作，只是此时磁钢将完全起反作用，客户使用过程中将会出现电流增大，功率因数偏低，超速或过载能力差等现象，最终可能导致停机故障，非专业用户通常难以察觉。
综上，很有必要针对永磁辅助同步磁阻电机提出一种专用转子初始N/S极精确辨识方法。
发明内容
针对现有磁极检测技术无法精确辨识永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极位置的问题，本发明的目的在于提供一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法，该辨识方法通过向定子绕组施加均匀分布于一个电周期内的幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，检测响应d、q电流增量大小，继而再利用永磁辅助同步磁阻电机增去磁回路的特殊性分辨出磁钢磁极的极性，从而确定转子初始位置。
进一步的，所述辨识方法首先，将永磁辅助同步磁阻电机的一个电周期k等分，k必须大于等于8；假定-d轴在等分线上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上；同时向各等分线上施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴上预设时间内电流响应增量，此电流增量值越大，假定-d轴与真实S极越接近，用于初步辨识转子初始N/S极；
然后，进行精确细分，给绕组同样施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，重述上述流程，计算假定-d轴预设时间内电流增量和假定-q轴预设时间内电流增量，两者差值越大，则所对应的-d轴与真实S极越接近，用于精确辨识转子初始N/S极。
再进一步的，所述辨识方法具体包括如下步骤：
步骤1：将永磁辅助同步磁阻电机的一个电周期k等分，k必须大于等于8,Δθ0＝360°/k。假定-d轴在等分线上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上；同时向各等分线上施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴上预设时间内电流增量Δid，对比各电压矢量对应得到的假定-d轴电流响应增量Δid，提取最大的电流增量Δid所对应电压矢量位置θ1为真实-d轴(S极)粗略位置；
步骤2：由步骤1获得真实-d轴(S极)粗略位置θ1，在与θ1位置偏差±Δθ0/2电角度的两个位置分别施加同步骤1的电压矢量，假定-d轴在该位置上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上。采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴预设时间内电流增量Δid1和假定-q轴预设时间内电流增量Δiq1，比较Δid1-Δiq1，提取得到Δid1-Δiq1更大值的电压矢量位置θ2为真实-d轴(S极)更接近位置；
步骤3：重复执行步骤2，直到得到更精确的真实-d轴(S极)位置θr为止，对θr±180°电角度得到转子真实初始d轴(N极)位置θf。
进一步的，所述永磁辅助同步磁阻电机转子具有两层或两层以上磁障，且两层或两层以上依次相邻的磁障内嵌入磁钢，磁钢所处各层磁障内位置相对一致。
采用本发明方法，解决了现有磁极检测技术应用于永磁辅助同步磁阻电机上将会发生N/S极检测反的误会。同时，本发明方法也从侧面反映永磁辅助同步磁阻电机的控制需要搭配具有专用软件的变频器使用，采用传统永磁同步电机变频器将必然产生一些不必要的麻烦。
另外，这种初始N/S极辨识方法经过多次测试，误差能控制在非常小的范围内，为永磁辅助同步磁阻电机的高效正常运行提供了保障，进一步得排除了永磁辅助同步磁阻电机大量投向市场的障碍。
附图说明
以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。
图1是本发明辨识步骤流程图。
图2是本发明永磁辅助同步磁阻电机转子结构示意图。
图中：1.磁钢；2.磁障；3.边沿磁桥区域。
图3是传统永磁同步电机空载磁场分布以及在N/S极位置分别施加等幅值，持续相同预设时间电压矢量后磁场分布对比图；左图空载，中图N极，右图S极。
图4是本发明永磁辅助同步磁阻电机空载磁场分布以及在N/S极位置分别施加等幅值，持续相同预设时间电压矢量后磁场分布对比图；左图空载，中图N极，右图S极。
图5是永磁辅助同步磁阻电机相量图。
图中：ω为电气角速度，p为电机极对数，R1为定子相电阻，ψpm为转子磁钢在定子绕组上产生磁链，ud、uq分别为定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量，id、iq分别为定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
参见图2，所示为本发明中永磁辅助同步磁阻电机转子结构示意图，其给出了三种的永磁辅助同步磁阻电机转子结构。
由图可知，本发明中永磁辅助同步磁阻电机转子具有以下特征：
具有两层或两层以上磁障2；两层或两层以上依次相邻的磁障2内嵌入磁钢1，同时磁钢1所处各层磁障2内位置相对一致。
再者，本永磁辅助同步磁阻磁钢材料无限定，铁氧体和稀土永磁材料皆可以。
此处并未对转子各处尺寸进行优化，也不考虑各自结构本身的优越性，只用于示意，凡满足上述特征结构的永磁辅助同步磁阻电机转子，都是本发明针对的辨识对象。
参见图3，传统永磁同步电机空载磁场分布以及在N/S极位置分别施加等幅值，持续相同预设时间电压矢量后磁场分布，左图为空载磁场，中图N极处为增磁状态，右图S极处为去磁状态，以所施加电压矢量方向为假定d轴。很明显，施加电压矢量后(无论增磁还是去磁)的磁路较空载磁路并未发生任何改变，只是铁心及气隙处磁场强弱发生变化。由于定子铁心非线性磁化特性，增磁状态d轴电感将小于去磁状态的d轴电感。根据如下公式：
可知，因施加电压矢量等幅值等时间，故两状态下ψd相同，又因增磁状态d轴电感小于去磁状态下的d轴电感，则可得到增磁状态Δid>去磁状态Δid。
基于以上原理，将永磁同步电机的一个电周期k等分。假定d轴在等分线上，假定q轴在超前假定d轴90°电角度的位置上。通过计算提取最大的电流增量Δid，则可得真实d轴(N极)的粗略位置为最大的电流增量Δid所对应电压矢量位置。以上为传统永磁同步电机转子N/S极辨识方法。
参见图4，本发明永磁辅助同步磁阻电机空载磁场分布以及在N/S极位置分别施加等幅值，持续相同预设时间电压矢量后磁场分布对比，左图为空载磁场，中图N极处为增磁状态，右图S极处为去磁状态，假设同样以所施加电压矢量方向为假定d轴。区别于传统永磁同步电机，永磁辅助同步磁阻电机去磁回路较增磁回路发生较大改变，两者磁路的变化使得转子N/S的辨识无法单纯依据定子铁心非线性磁化特性来判断。去磁状态，原有转子永磁磁场受定子电压矢量磁场挤压，产生的新磁路分出一部分通过转子狭长的边沿磁桥区域以及图中垂直于q轴区域，边沿磁桥区域的高度饱和以及垂直于q轴区域多磁障结构造成的低磁导，一并导致去磁状态d轴电感将远小于增磁状态下的d轴电感。通过大量建模对比测试，对于具有权利要求1特征的永磁辅助同步磁阻电机，皆会出现上述现象。此时，根据公式(1)可知，增磁状态Δid<去磁状态Δid。
参见图1，基于以上原理，本发明首先将永磁辅助同步磁阻电机的一个电周期k等分，k必须大于等于8，Δθ0＝360°/k。假定-d轴在等分线上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上。各等分线上施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴上预设时间内电流增量Δid，对比各电压矢量对应得到的假定-d轴电流响应增量Δid，提取最大的电流增量Δid所对应电压矢量位置θ1为初始-d轴(S极)粗略位置。
由于真实-d轴(S极)的粗略定位θ1将只可能存在于360°/k、2*360°/k、3*360°/k…360°电角度这些等分线位置上，而实际转子S极是可以存在于任意位置，故为了实现对永磁辅助同步磁阻电机转子初始位置更精确的测量，本发明在得到粗略位置θ1步骤后，对θ1附近位置进行精确细分，分别对θ1+Δθ0/2和θ1-Δθ0/2两个位置施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，假定-d轴在该位置上，则假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上。采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴预设时间内电流增量Δid1和假定-q轴预设时间内电流增量Δiq1，比较Δid1-Δiq1，提取得到Δid1-Δiq1更大值的电压矢量位置θ2为真实-d轴(S极)更接近位置。具体过程如下(参见图1)：
针对θ1+Δθ0/2和θ1-Δθ0/2两个位置，进行park变换分别得到假定-d轴预设时间内电流增量Δid1、Δid1’和假定-q轴预设时间内电流增量Δiq1、Δiq1’；
比较Δid1-Δiq1与Δid1’-Δiq1’，提取得到更大值的电压矢量位置θ2为真实-d轴(S极)更接近位置：
若Δid1-Δiq1＞Δid1’-Δiq1’，则θ2＝θ1+Δθ0/2；
若Δid1-Δiq1＜Δid1’-Δiq1’，则θ2＝θ1-Δθ0/2。
进一步的，更新Δθ0，将Δθ0/2赋予新值Δθ0，不断重复上述精确细分步骤，直到最后一次Δθ0<最初设定Δθmin。此时得到真实-d轴(S极)精确位置θr，对θr±180°电角度得到转子真实初始d轴(N极)位置θf。
在精确细分的步骤中，需要同时计算假定-d电流增量Δid1和假定-q轴电流增量Δiq1，因在假定-d轴不断逼近真实-d轴过程中，尽管Δid1越来越大，Δiq1越来越小，但各假定-d轴电流增量Δid1间变化幅度却越来越小，单纯通过提取最大Δid1无法保证转子位置辨识的高精度。而此时假定-q轴电流增量Δiq1相对于假定-d轴电流增量Δid1具有更高的解析度。为得到最为接近真实-d轴的位置，我们希望辨识的假定-d轴位置能同时拥有越大的Δid1和越小的Δiq1。因此，通过比较Δid1-Δiq1，提取最大Δid1-Δiq1所对应电压矢量位置θ2将具有非常高的精度。
以上显示和描述了本发明的基本思想和主要特征。需要注意的是，不同于永磁同步电机，永磁辅助同步磁阻电机即使转子N/S极位置辨识错误，电机也能正常起动和常规运转，具体可通过以下输出转矩公式和图5永磁辅助同步磁阻电机相量图进行解释：
T＝pψpmiq+p(Ld-Lq)idiq (2)
式中第一项为永磁转矩，第二项为磁阻转矩。p为电机极对数，Ld、Lq分别为d轴和q轴电感，id、iq分别为定子电流空间矢量在d、q轴方向上的分量，ψpm为转子磁钢在定子绕组上产生磁链，通常定义d轴为转子磁钢N极磁场方向，q轴为d轴方向逆时针旋转90°电角度。传统永磁同步电机无论表贴式还是内嵌式，输出转矩的主要贡献成分为永磁转矩。而对于永磁辅助同步磁阻电机，输出转矩主要贡献成分为磁阻转矩，永磁转矩所占成分通常不到30％。这是由其转子多层磁障导致的磁路特殊性所决定，磁钢产生的磁场需经过层层障碍才能形成与定子绕组匝链的ψpm，嵌入磁钢无论磁能的强弱，带来的ψpm将十分有限。
当永磁辅助同步磁阻转子N/S极位置辨识错误，以最极端状况N/S极位置辨识相反为例。假定正常状态，输出转矩100Nm＝磁阻转矩80Nm+永磁转矩20Nm；辨识N/S极相反时，将变为磁阻转矩80Nm-永磁转矩20Nm＝输出转矩60Nm，很显然，因永磁转矩成分小，电机仍能依靠磁阻转矩进行起动与常规运转，但此时为得到与正常状态相同的100Nm输出转矩，电机电流势必大幅增加，此时电机效率下降，发热量增加，长期运行于此状态将大大降低电机寿命。同时，参照图5本发明永磁辅助同步磁阻电机相量图，未嵌入磁钢，功率因数角为θ1；嵌入磁钢，N/S极位置辨识正确，功率因数角为θ2；嵌入磁钢，N/S极位置辨识相反，功率因数角为θ3；此时θ2<θ1<θ3，即cosθ2>cosθ1>cosθ3。通过实例验证，未嵌入磁钢实测额定点功率因数为0.73，嵌入磁钢采用本发明转子N/S极辨识方法额定点功率因数为0.85，嵌入磁钢采用传统永磁同步电机辨识方法额定点功率因数为0.62。
以上说明突出了本发明的重要性与必要性，进一步排除了永磁辅助同步磁阻电机大量投向市场的障碍，避免了客户使用过程中由于转子初始位置辨识错误将会出现的电流增大，功率因数偏低，超速或过载能力差等非专业用户通常难以察觉的问题。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (2)
1.一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法，其特征在于，所述辨识方法通过向定子绕组施加均匀分布于一个电周期内的幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，检测响应d、q电流增量大小，继而再利用永磁辅助同步磁阻电机增去磁回路的特殊性分辨出磁钢磁极的极性，从而确定转子初始位置；所述辨识方法首先，将永磁辅助同步磁阻电机的一个电周期k等分，k必须大于等于8；假定-d轴在等分线上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上；同时向各等分线上施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴上预设时间内电流响应增量，此电流增量值越大，假定-d轴与真实S极越接近，用于初步辨识转子初始N/S极；
然后，进行精确细分，给绕组同样施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，重述上述流程，计算假定-d轴预设时间内电流增量和假定-q轴预设时间内电流增量，两者差值越大，则所对应的-d轴与真实S极越接近，用于精确辨识转子初始N/S极；所述辨识方法具体包括如下步骤：
步骤1：将永磁辅助同步磁阻电机的一个电周期k等分，k必须大于等于8,Δθ0＝360°/k；假定-d轴在等分线上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上；同时向各等分线上施加幅值相等、持续相同预设时间的电压矢量，采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴上预设时间内电流增量Δid，对比各电压矢量对应得到的假定-d轴电流响应增量Δid，提取最大的电流增量Δid所对应电压矢量位置θ1为真实-d轴(S极)粗略位置；
步骤2：由步骤1获得真实-d轴(S极)粗略位置θ1，在与θ1位置偏差±Δθ0/2电角度的两个位置分别施加同步骤1的电压矢量，假定-d轴在该位置上，假定-q轴在超前假定-d轴90°电角度的位置上；采样至少两相绕组电流，进行park变换得到假定-d轴预设时间内电流增量Δid1和假定-q轴预设时间内电流增量Δiq1，比较Δid1-Δiq1，提取得到Δid1-Δiq1更大值的电压矢量位置θ2为真实-d轴(S极)更接近位置；
步骤3：重复执行步骤2，直到得到更精确的真实-d轴(S极)位置θr为止，对θr±180°电角度得到转子真实初始d轴(N极)位置θf。
2.根据权利要求1所述的一种永磁辅助同步磁阻电机转子初始N/S极精确辨识方法，其特征在于，所述永磁辅助同步磁阻电机转子具有两层或两层以上磁障，且两层或两层以上依次相邻的磁障内嵌入磁钢，磁钢所处各层磁障内位置相对一致。
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