CN108111080A - 永磁同步电机的转子角度自动对位置装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置及方法，将角度检测装置的输出输入到实时电角度到锁相环测速装置中，锁相环测速装置通过双积分锁相环测速模块得到电机实时角速度，以此角速度乘以d轴电压滤波器的输出，然后输入到角度补偿PI模块，得到角度补偿量，调节d轴电压滤波器的输出为0，并将此时的角度补偿量和角速度存入角度补偿寄存器。在不同速度段补偿结束之后，将角度补偿寄存器中的角度补偿量和角速度进行拟合，得到角度补偿量与角速度的一次函数，最后将此函数写入角度补偿器中。本发明具有如下有益效果：本发明实现了永磁同步电机转子角度的自动对位置，同时提升了电机转子角位置的读取精度。

Description

永磁同步电机的转子角度自动对位置装置及方法

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，尤其是涉及一种能够实现自动对位置，提高电机转子角度位置读取精度的用于永磁同步电机的转子角度自动对位置装置及自动对位置方法。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要。永磁同步电机得益于其设计、制造、控制的方面的诸多优点，广泛应用于各种工业生产生活的场合。加之我国的稀土资源丰富，永磁同步电机的应用市场在我国尤其大。永磁同步电机可由交直轴电感的异同被分为表贴式和内置式，由于内置式永磁同步电机(IPMSM)可在弱磁条件下具有较宽的调速区间，应用较为广泛。

在永磁同步电机的控制中，控制回路所需要的采样参数包括三相电流和电机转子的实际位置。后者一般是通过与电机转子同轴的旋转变压器将位置量转换为两路互补的正余弦电压；控制器上安装的解码芯片将此两路互补电压转换为角度量，以串行或并行的方式发送到主控芯片中，以此用于永磁同步电机的空间矢量控制。

通过旋转变压器所输出角度来表征电机转子的实际位置这种方法在业内已经非常成熟。而这项技术表现良好的前提是上文提到的“同轴”，“同轴”意味着旋转变压器自身和转子之间不存在角度差。而实现“同轴”在装配工艺上并非易事，因为造成偏角的原因有很多，一项不满足便会导致出现偏角。

在现有的方案中，解决偏角的方式为上位机观测偏角补偿，又称为人工对位置方法。此方法适用对象为旋转变压器装配偏角控制在正负0.5度的动力总成。此方法中，先对装配完成的电机通直流电，通过上位机读取相应的偏角，再在程序中对此偏角进行补偿。人工对位置方法的缺陷有二：一是需要单独的工序进行对位置，且要求工人有较好的熟练度才能将偏角控制在0.5度之内；二是精度交底，因为其偏角是依靠人工读取，难免有较大的误差。

发明内容

本发明为了克服现有技术中存在的上述不足，提供了一种能够实现自动对位置，提高电机转子角度位置读取精度的用于永磁同步电机的转子角度自动对位置装置及自动对位置方法。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，包括MCU、角度检测装置、锁相环测速装置、电机矢量闭环控制装置、d轴电压滤波器、角度补偿PI模块、角度补偿寄存器和角度补偿器；所述角度检测装置包括旋转变压器、解码电路和单位转换器；所述MCU分别与旋转变压器、解码电路、单位转换器、锁相环测速装置、电机矢量闭环控制装置、d轴电压滤波器、角度补偿PI模块、角度补偿寄存器和角度补偿器连接，解码电路分别与旋转变压器、单位转换器、锁相环测速装置和角度补偿PI模块连接，旋转变压器与电机矢量闭环控制装置连接，d轴电压滤波器分别与电机矢量闭环控制装置、角度补偿PI模块和角度补偿寄存器连接。

本发明将角度检测装置的输出输入到实时电角度到锁相环测速装置中，锁相环测速装置通过双积分锁相环测速模块得到电机实时角速度，以此角速度乘以d轴电压滤波器的输出，然后输入到角度补偿PI模块，得到角度补偿量，调节d轴电压滤波器的输出为0，并将此时的角度补偿量和角速度存入角度补偿寄存器。在不同速度段补偿结束之后，将角度补偿寄存器中的角度补偿量和角速度进行拟合，得到角度补偿量与角速度的一次函数，最后将此函数写入角度补偿器中。

作为优选，所述角度补偿PI模块包括Kp1、Ki1两个参数变量，乘法器M、积分器S和加法器，其中Kp1为比例增益，Ki1为积分增益。

作为优选，所述锁相环测速装置包括角度滤波器和双积分锁相环测速模块；角度滤波器和双积分锁相环测速模块均与MCU连接，角度滤波器分别与单位转换器和双积分锁相环测速模块连接，双积分锁相环测速模块和角度补偿PI模块连接。

作为优选，所述电机矢量闭环控制装置包括电机本体、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器；所述电机本体分别与旋转变压器、d轴电压滤波器、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器电连接，电机本体、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器均与MCU电连接。

一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置的方法，包括如下步骤：

(5-1)设定电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max；

(5-2)设定角度补偿量delta的初始值为0，MCU控制旋转变压器采集永磁同步电机的实时电角度信号，经过解码电路和单位转换器的处理获得永磁同步电机的实时电角度theta_origin；

(5-3)将获得的实时电角度theta_origin输入到锁相环测速装置，MCU控制角度滤波器进行滤波处理，然后通过双积分锁相环测速模块得到电机的实时角速度W；

(5-4)MCU将通过双积分锁相环测速模块得到的电机实时角速度W分别与设定的电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max进行比较，

如果W_min≤W≤W_max，计算角度补偿量delta，并将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中，转入步骤(5-2)，

如果W≤W_min或W≥W_max，转入步骤(5-5)；

(5-5)MCU对存放在角度补偿寄存器内的角度补偿量delta和实时角速度W进行拟合，得到角度补偿量delta和实时角速度W的一次函数delta＝kw+d_s，其中，k为一次函数的斜率，d_s为一次函数的偏移量；

(5-6)MCU将一次函数中的k和d_s存入角度补偿器中。

作为优选，计算角度补偿量delta，并将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中的具体步骤如下：

(6-1)将实时电角度theta_origin与角度补偿量delta相加得到theta，然后将theta输入到电机矢量闭环控制装置中；

(6-2)MCU控制电机矢量闭环控制装置工作，对theta进行处理，输出永磁同步电机的电压的d轴分量Ud，将电压的d轴分量Ud输入到d轴电压滤波器中；

(6-3)MCU控制d轴电压滤波器对电压的d轴分量Ud进行滤波处理，得到滤波后的电压Ud_f，

如果Ud_f≠0，将实时角速度W和电压Ud_f输入角度补偿PI模块进行计算，得到角度补偿量delta，转入步骤(6-1)，

如果Ud_f＝0，将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中。

作为优选，将实时角速度W和电压Ud_f输入角度补偿PI模块进行计算，得到角度补偿量delta的具体过程如下：

(7-1)实时角速度W和电压Ud_f通过乘法器M进行相乘得到第一乘积，参数变量Kp1直接与第一乘积相乘得到第二乘积；

(7-2)第一乘积通过积分器S得到积分量，参数变量Ki1与积分量相乘得到第三乘积；

(7-3)通过加法器将第二乘积和第三乘积相加，得到角度补偿量delta。

因此，本发明具有如下有益效果：本发明不需要人工操作，实现了永磁同步电机转子角度的自动对位置，简化生产流程，同时提升了电机转子角位置的读取精度；本发明放宽了设计限制和装配精度要求，提高了生产效率。

附图说明

图1是本发明的一种***框图；

图2是本发明的角度补偿PI模块的一种原理框图；

图3是本发明的一种流程图。

图中：MCU1、角度检测装置2、锁相环测速装置3、电机矢量闭环控制装置4、d轴电压滤波器5、角度补偿PI模块6、角度补偿寄存器7、角度补偿器8、旋转变压器21、解码电路22、单位转换器23、电机本体41、电机控制器电路42、减速器43、电流电压传感器44。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：

如图1所示的实施例是一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，包括MCU1、角度检测装置2、锁相环测速装置3、电机矢量闭环控制装置4、d轴电压滤波器5、角度补偿PI模块6、角度补偿寄存器7和角度补偿器8；所述角度检测装置包括旋转变压器21、解码电路22和单位转换器23；所述MCU分别与旋转变压器、解码电路、单位转换器、锁相环测速装置、电机矢量闭环控制装置、d轴电压滤波器、角度补偿PI模块、角度补偿寄存器和角度补偿器连接，解码电路分别与旋转变压器、单位转换器、锁相环测速装置和角度补偿PI模块连接，旋转变压器与电机矢量闭环控制装置连接，d轴电压滤波器分别与电机矢量闭环控制装置、角度补偿PI模块和角度补偿寄存器连接。

其中，所述锁相环测速装置包括角度滤波器和双积分锁相环测速模块；角度滤波器和双积分锁相环测速模块均与MCU连接，角度滤波器分别与单位转换器和双积分锁相环测速模块连接，双积分锁相环测速模块和角度补偿PI模块连接；所述电机矢量闭环控制装置包括电机本体41、电机控制器电路42、减速器43和电流电压传感器44；所述电机本体分别与旋转变压器、d轴电压滤波器、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器电连接，电机本体、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器均与MCU电连接；如图2所示，所述角度补偿PI模块包括Kp1、Ki1两个参数变量，乘法器M、积分器S和加法器，其中Kp1为比例增益，Ki1为积分增益。

如图3所示，一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置的方法，包括如下步骤：

步骤100，初始化参数，获得电机的实时角速度W

步骤101，设定电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max；

步骤102，设定角度补偿量delta的初始值为0，MCU控制旋转变压器采集永磁同步电机的实时电角度信号，经过解码电路和单位转换器的处理获得永磁同步电机的实时电角度theta_origin；

步骤103，将获得的实时电角度theta_origin输入到锁相环测速装置，MCU控制角度滤波器进行滤波处理，然后通过双积分锁相环测速模块得到电机的实时角速度W；

步骤200，计算得到角度补偿量delta和实时角速度W，并将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中

步骤201，MCU将通过双积分锁相环测速模块得到的电机实时角速度W分别与设定的电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max进行比较；

步骤202，如果W_min≤W≤W_max，将实时电角度theta_origin与角度补偿量delta相加得到theta，然后将theta输入到电机矢量闭环控制装置中；

步骤203，MCU控制电机矢量闭环控制装置工作，对theta进行处理，输出永磁同步电机的电压的d轴分量Ud，将电压的d轴分量Ud输入到d轴电压滤波器中；

步骤204，MCU控制d轴电压滤波器对电压的d轴分量Ud进行滤波处理，得到滤波后的电压Ud_f；

如果Ud_f≠0，如图2所示，实时角速度W和电压Ud_f通过乘法器M进行相乘得到第一乘积，参数变量Kp1直接与第一乘积相乘得到第二乘积；第一乘积通过积分器S得到积分量，参数变量Ki1与积分量相乘得到第三乘积；通过加法器将第二乘积和第三乘积相加，得到角度补偿量delta，转入步骤202；

如果Ud_f＝0，将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中，转入步骤102；

如果W≤W_min或W≥W_max，转入步骤(5-5)；

步骤300，获得角度补偿量delta和实时角速度W的一次函数，并将一次函数中的k和d_s存入角度补偿器中

步骤301，MCU对存放在角度补偿寄存器内的角度补偿量delta和实时角速度W进行拟合，得到角度补偿量delta和实时角速度W的一次函数delta＝kw+d_s，角度补偿寄存器内的角度补偿量delta和实时角速度W为二维数组形式，表示为[(W₁,delta₁),(W₂,delta₂)...(W_n,delta_n)]，其中，k为一次函数的斜率，d_s为一次函数的偏移量，W_n为电机运行最大电角速度；

步骤302，MCU将一次函数中的k和d_s存入角度补偿器中。

在电机的实际运行过程中，将实时角速度W带入一次函数delta＝kw+d_s中，就能够得到实际的角度补偿量delta。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，其特征在于，包括MCU(1)、角度检测装置(2)、锁相环测速装置(3)、电机矢量闭环控制装置(4)、d轴电压滤波器(5)、角度补偿PI模块(6)、角度补偿寄存器(7)和角度补偿器(8)；所述角度检测装置包括旋转变压器(21)、解码电路(22)和单位转换器(23)；所述MCU分别与旋转变压器、解码电路、单位转换器、锁相环测速装置、电机矢量闭环控制装置、d轴电压滤波器、角度补偿PI模块、角度补偿寄存器和角度补偿器连接，解码电路分别与旋转变压器、单位转换器、锁相环测速装置和角度补偿PI模块连接，旋转变压器与电机矢量闭环控制装置连接，d轴电压滤波器分别与电机矢量闭环控制装置、角度补偿PI模块和角度补偿寄存器连接。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，其特征在于，所述角度补偿PI模块包括Kp1、Ki1两个参数变量，乘法器M、积分器S和加法器，其中Kp1为比例增益，Ki1为积分增益。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，其特征在于，所述锁相环测速装置包括角度滤波器(31)和双积分锁相环测速模块；角度滤波器和双积分锁相环测速模块均与MCU连接，角度滤波器分别与单位转换器和双积分锁相环测速模块连接，双积分锁相环测速模块和角度补偿PI模块连接。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置，其特征在于，所述电机矢量闭环控制装置包括电机本体(41)、电机控制器电路(42)、减速器(43)和电流电压传感器(44)；所述电机本体分别与旋转变压器、d轴电压滤波器、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器电连接，电机本体、电机控制器电路、减速器和电流电压传感器均与MCU电连接。

5.一种基于权利要求1所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(5-1)设定电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max；

(5-2)设定角度补偿量delta的初始值为0，MCU控制旋转变压器采集永磁同步电机的实时电角度信号，经过解码电路和单位转换器的处理获得永磁同步电机的实时电角度theta_origin；

(5-3)将获得的实时电角度theta_origin输入到锁相环测速装置，MCU控制角度滤波器进行滤波处理，然后通过双积分锁相环测速模块得到电机的实时角速度W；

(5-4)MCU将通过双积分锁相环测速模块得到的电机实时角速度W分别与设定的电机运行的最小角速度为W_min和电机运行的最大角速度为W_max进行比较，

如果W_min≤W≤W_max，计算角度补偿量delta，并将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中，转入步骤(5-2)，

如果W≤W_min或W≥W_max，转入步骤(5-5)；

(5-5)MCU对存放在角度补偿寄存器内的角度补偿量delta和实时角速度W进行拟合，得到角度补偿量delta和实时角速度W的一次函数delta＝kw+d_s，其中，k为一次函数的斜率，d_s为一次函数的偏移量；

(5-6)MCU将一次函数中的k和d_s存入角度补偿器中。

6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置的方法，其特征在于，计算角度补偿量delta，并将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中的具体步骤如下：

(6-1)将实时电角度theta_origin与角度补偿量delta相加得到theta，然后将theta输入到电机矢量闭环控制装置中；

(6-2)MCU控制电机矢量闭环控制装置工作，对theta进行处理，输出永磁同步电机的电压的d轴分量Ud，将电压的d轴分量Ud输入到d轴电压滤波器中；

(6-3)MCU控制d轴电压滤波器对电压的d轴分量Ud进行滤波处理，得到滤波后的电压Ud_f，

如果Ud_f≠0，将实时角速度W和电压Ud_f输入角度补偿PI模块进行计算，得到角度补偿量delta，转入步骤(6-1)，

如果Ud_f＝0，将角度补偿量delta和实时角速度W存入角度补偿寄存器中。

7.根据权利要求6所述的永磁同步电机的转子角度自动对位置装置的方法，其特征在于，将实时角速度W和电压Ud_f输入角度补偿PI模块进行计算，得到角度补偿量delta的具体过程如下：

(7-1)实时角速度W和电压Ud_f通过乘法器M进行相乘得到第一乘积，参数变量Kp1直接与第一乘积相乘得到第二乘积；

(7-2)第一乘积通过积分器S得到积分量，参数变量Ki1与积分量相乘得到第三乘积；

(7-3)通过加法器将第二乘积和第三乘积相加，得到角度补偿量delta。