CN108233812A - 一种永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents

一种永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种永磁无刷电机转子定位方法，包括以下步骤：向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。本发明公开的永磁无刷电机转子定位方法，能够将无人机电子转子拖动到任意位置启动电机，解决了现有无人机电机初始位置定位需要安装位置传感器并且定位存在死区的技术问题，实现了平滑无震荡地启动无人机电机。

Description

一种永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质
技术领域
本发明属于无人机电子转子定位技术领域，尤其涉及一种的无需位置传感器且无定位死区的无人机电机转子定位技术，具体的说是一种永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
近年来电动无人机发展迅猛，在军事、公安、农业、航拍等领域用用广泛。目前无人机绝大部分都采用永磁无刷电机驱动。永磁无刷电机结构简单、体积小、运行效率高、功率因数高、转动惯量小，被广泛应用在航天、电动汽车等驱动***中。
多旋翼无人机大多采用永磁无刷电机，无人机电机启动阶段，在未给电机绕组通电的情况下，电机转子的位置是任意的。为了能够平滑无震荡的启动无人机，必须要预先判断转子的初始位置。无人机电机转子初始位置判断的准确性关系到电机的起动稳定性和加速性能，以及正常运行过程中的控制性能。如果不能精确估算初始位置，电机的启动转矩减小，有可能引起失步而导致电机启动失败，也有可能出现转子位置突变和短暂反转，这些情况在某些应用领域是不允许的。
现有技术中一般采用位置传感器检测无人机电机转子的初始位置，但采用位置传感器检测转子初始位置存在着诸多技术问题。首先，多旋翼无人机在应用场景中是不适合采用位置传感器的。其次，采用位置传感器成本较高，不能够广泛使用。同时，现有的其他无人机电机转子位置的定位方法，都存在转子定位的死区，不能够将转子位置定位于任意需要的电角度，实现无人机平滑无震荡的启动。
因此，现在迫切需要研究出一种永磁无刷电机转子定位方法以及应用该方法的装置、设备和存储介质。该定位方法不需要采用位置传感器就可以实现无人机电机转子初始位置的检测和定位，同时可以将无人机电机转子拖到任意需要的电角度位置，然后从该位置启动无人机电机，以实现无人机平滑无震荡的启动，从而解决现有技术中存在的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质。本发明提供的永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质无需采用位置传感器就可以实现无人机电机转子初始位置的检测和定位，同时可以将无人机电机转子拖到任意需要的电角度位置，然后从该位置启动无人机电机，实现无人机平滑无震荡的启动，从而解决了现有技术中存在的问题。
为实现上述目的，本申请实施例提供了一种永磁无刷电机转子定位方法，其中，包括以下步骤：
向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；
令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；
令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
进一步的，所述第一电流矢量直轴电流的预定值Id为：
其中，TL为无人机电机负载转矩；
p为电机极对数；
ψf为转子磁链。
进一步的，所述预设的第一电角度为2π。
进一步的，所述设定的角速度小于或等于50rad/s。
进一步的，所述设定的时间介于100ms至500ms之间。
进一步的，所述预设的第二电角度为0。
另一方面，本申请实施例提供了一种永磁无刷电机转子定位装置，其中，包括：
电流注入单元：配置用于向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；
电流旋转单元：配置用于令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；
转子定位单元：配置用于令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
另一方面，本申请实施例提供了一种永磁无刷电机转子定位设备，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储所述设定的第一角速度、所述第一电角度、所述设定的时间以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述任一项所述的方法。
另一方面，本申请实施例提供了一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明所示例的永磁无刷电机转子定位方法，不需要在无人机内安装位置传感器，就可以实现对电机转子的位置进行定位，从而解决了现有技术中多旋翼无人机在应用场景中不适合采用位置传感器以及采用位置传感器成本高的问题。
2、本发明所示例的永磁无刷电机转子定位方法，能够将电机转子位置定位于需要的任意电角度，电机转子定位无定位死区，从而解决了现有技术中转子定位死区的问题，使无人机电机能够将转子位置定位于需要的任意电角度，从而实现无人机平滑无震荡启动。
3、本发明所示例的永磁无刷电机转子定位方法，能够精确定位无人机电机转子的位置，从而避免了现有技术中由于不能够精确估算转子初始位置，导致电机启动转矩减小，引起失步而导致电机启动失败，或者出现转子位置突变和短暂反转的情况。
4、本发明所示例的永磁无刷电机转子定位方法，能够实现无人机电机转子的精确定位，保证无人机飞行的安全性，提高电机启动的稳定性和加速性能，以及飞行过程中的控制性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1为本发明实施例一提出的永磁无刷电机转子定位方法过程示意图；
图2为本发明实施例一提出的永磁无刷电机转子定位方法中永磁无刷电机转子初始位置在同步旋转坐标系于水平参考轴之间的示意图；
图3为本发明实施例一提出的永磁无刷电机转子定位方法中永磁无刷电机转子被拖动开始时刻的示意图；
图4为本发明实施例一提出的永磁无刷电机转子定位方法中永磁无刷电机转子被拖动定位完成时刻的示意图；
其中，坐标系为给定的转子位置坐标系，即注入电流矢量坐标系；dp坐标系是实际的转子位置坐标系，虚线为水平参考坐标轴坐标系。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1所述，本实施例示例的一种永磁无刷电机转子定位方法，包括以下步骤：向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
为便于对本发明的理解，下面以本发明的定位原理，结合实施例中的对无人机电机转子的定位过程，对本发明提供的永磁无刷电机转子定位方法做进一步的描述：
本实施例示例的无人机电机为永磁无刷电机，在未给电机绕组通电的情况下，电机转子位置是任意的。如图2所示，图中同步旋转坐标系(dp坐标系)是由转子实际位置构成的坐标系，θ为转子实际位置角，在无人机电机启动的初始时刻，相对于水平参考坐标轴电机转子的位置是任意的，即转子实际位置角θ可为任意角度。
为了能够实现平滑无震荡的启动无人机电机，在启动前必须先检测转子的初始位置并对转子的初始位置进行定位。本实施例提出永磁无刷电机转子定位方法，不需要采用位置传感器就可以实现转子初始位置的检测和定位，具体操作方案如下：
在无人机电机启动时，为了让电机能够启动起来，电机产生的电磁转矩Te一定要大于负载转矩TL。在无人机电机定子绕组中施加一个电流矢量该电流矢量由直轴电流的电流值Id与交轴电流值Iq组成。其中直轴电流的电流值Id为预定值，交轴电流的电流值Iq为0。
在拖动阶段电磁转矩Te的大小与给定电流矢量在转子直轴上的电流分量成正比，关系如下：
Te＝1.5pψfIscosφ
其中，p为电机极对数；
ψf为转子磁链；
IS为给定电流矢量幅值；
φ为给定电流矢量与转子交轴q轴之间的夹角。
给定电流矢量幅值IS大小按照负载转矩TL大小来调节，其应满足的公式如下：
Te＝1.5pψfIscosφ＞TL，
即
由于φ一般为未知，故一般取可获得良好的定位效果。
本实施例示例的定位方法采用直轴电流旋转定位，即Is＝Id。因此，向同步旋转坐标系中注入的电流矢量中直轴电流值Id为预定值且电流值满足：
时，本实施例示例的永磁无刷电机转子定位方法可获得良好的定位效果。
在向同步旋转坐标系中注入的电流矢量之后，使该电流矢量以很低的设定角速度ω从给定0电角度位置旋转至2π电角度。
设定的角速度一般取值为：
ω≤50rad/s。
然后使该电流矢量给定位置角固定在2π电角度位置，并停留一段时间t。停留时间一般取值为：
100ms＜t＜500ms。
如图3至图4所示，坐标系为给定的转子位置坐标系，即注入电流矢量坐标系；dp坐标系是实际的转子位置坐标系；虚线为水平参考坐标轴坐标系。如图3至图4所示，电流矢量停留的这段时间中，永磁无刷电机转子被拖动至预设的第二电角度位置即0电角度位置，从而实现永磁无刷电机转子定位。
其中，图3为永磁无刷电机转子被拖动开始时刻的示意图，图中电流矢量给定位置角处于0位置；图4为永磁无刷电机转子被拖动定位完成时刻的示意图，图中电流矢量给定位置角固定于2π电角度位置。
图3至图4中坐标系是给定的转子位置坐标系，其初始位置为0位置，也即给定转子初始位置角θrotate＝0，如图3中轴所在的位置。从0位置开始以转速ω逆时针旋转，给定转子位置角按θrotate＝ωt给定。当θrotate＝2π时，θrotate固定不变。
调整电流矢量旋转的第一电角度θrotate，可以将转子位置定位于任意需要的第二电角度，且不存在任何定位死区。
在本实施例中，电流矢量虽然固定在预设的第一电角度位置，但电流矢量仍然会产生电磁转矩，产生电磁转矩可以拖动电机转子旋转。只要电流矢量不为0，就会有转矩产生，也就可以拖动电机转子的旋转。在本实施例中，之所以保持电流矢量固定在预设的第一电角度位置，是为了将转子拖到给定的电流矢量所在的位置。
在本实施例中，电流矢量以很低的设定角速度ω旋转可以排除转子定位的死区。由于，在无人机电机启动时，转子实际位置角θ可为任意角度，当实际转子q轴与电流矢量的夹角φ很小时，电磁转矩Te很小，可能在启动时不足以克服负载转矩TL，而通过低速旋转可以改变转子q轴与电流矢量的夹角φ的大小，不至于无法拖动转子。而一旦转子被拖动，控制电流矢量停的位置就可以将转子拖到任意需要的位置了。采用电流矢量旋转，可以消除定位死区问题。因为电流矢量旋转后，无论转子位置在哪，电流矢量都可以覆盖得到，可以产生足够的电磁转矩拖动转子旋转。
本实施例提供的一种永磁无刷电机转子定位装置，包括：
电流注入单元：配置用于向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；
电流旋转单元：配置用于令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；
转子定位单元：配置用于令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
本实施例提供的一种永磁无刷电机转子定位设备，包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储所述设定的第一角速度、所述第一电角度、所述设定的时间以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如上述任一项所述的方法。
本实施例提供的一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，该程序被处理器执行时实现如上述任一项所述的方法。
除去实施例一所述的外，本发明示例的永磁无刷电机转子定位方法、装置、设备及存储介质除了可以用于测量永磁无刷交流电机(PMSM)的转子定位外还可以用于测量永磁无刷直流电机(BLDCM)的转子定位。
以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims (9)

1.一种永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，包括以下步骤：
向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；
令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；
令所述第一电流矢量固定在所述预设的第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
2.根据权利要求1所述的永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，所述第一电流矢量的直轴电流的预定值Id为：
其中，TL为无人机电机负载转矩；
p为电机极对数；
ψf为转子磁链。
3.根据权利要求1所述的永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，所述预设的第一电角度为2π。
4.根据权利要求1所述的永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，所述设定的第一角速度小于或等于50rad/s。
5.根据权利要求1所述的永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，所述设定的时间介于100ms至500ms之间。
6.根据权利要求1所述的永磁无刷电机转子定位方法，其特征在于，所述预设的第二电角度为0。
7.一种永磁无刷电机转子定位装置，其特征在于，包括：
电流注入单元：配置用于向电机的定子绕组施加第一电流矢量，所述第一电流矢量的直轴电流大小为预定值，交轴电流大小为0；
电流旋转单元：配置用于令所述第一电流矢量以设定的第一角速度旋转至预设的第一电角度；
转子定位单元：配置用于令所述第一电流矢量固定在所述第一电角度，并停留设定的时间，以使所述电机的转子被拖动至预设的第二电角度位置，实现永磁无刷电机转子定位。
8.一种永磁无刷电机转子定位设备，其特征在于，所述设备包括：
一个或多个处理器；
数据存储器，用于存储所述设定的第一角速度、所述第一电角度、所述设定的时间以及一个或多个程序；
当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器执行如权利要求1-6中任一项所述的方法。
9.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征是，该程序被处理器执行时实现如权利要求1-6中任一项所述的方法。
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