CN110601632B - 一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及*** - Google Patents

一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及*** Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及***，其中估算方法包括：通过ADC电流采集模块对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值I m (n)以及相角θ 1 (n)；其中，n代表拍数；通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置。采用本发明的技术方案，估算的精度高，计算简单，避免了复杂的数字信号处理带来的固有延时。本发明可用于压缩机或者其他永磁电机的无位置传感控制。

Description

一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及***
技术领域
本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及***。
背景技术
永磁电机启动需要准确获取转子初始位置，可以避免反转、提升启动力矩，减小启动冲击等。通常情况下，转子位置信息来源于机械传感器，而机械传感器的存在不仅会使***有硬件成本上的增加，而且会降低***的鲁棒性和可靠性。
目前针对永磁同步电机的转子初始位置的估算有研究公开，通过向电机绕组中注入旋转高频电压信号，在定子绕组中生成一个高频电流矢量，通过产生高频电流分量中包含转子信息的负序电流，采用反正切算法得到高频注入位置估计值。上述方法计算复杂，提取负序电流需要大量的正余弦三角运算和数字滤波，工程实现较为复杂，并会带来信号相位的延时，影响位置估算精度，需要能够简易实现的方法。
发明内容
针对以上技术问题，本发明公开了一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法及***，估算的精度高，计算简单。
对此，本发明采用的技术方案为：
一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法，包括：
通过ADC电流采集模块对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θ1(n)；其中，n代表拍数；
通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；
根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置。
本发明的技术方案采用助数学几何，通过计算相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算椭圆长轴的方向，通过简单的几何运算就可以快速准确的估算出转子位置。
作为本发明的进一步改进，所述高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θI(n)采用以下步骤计算得到：
步骤S101，采集三相电流值Iu(n)、Iv(n)和Iw(n)；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流Iα(n)和Iβ(n)：
Figure GDA0002719120380000021
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值Im(n)和相角θI(n)：
Figure GDA0002719120380000022
作为本发明的进一步改进，所述高频旋转电压的α、β分量采用如下公式计算得到：
Figure GDA0002719120380000023
其中，Um为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
作为本发明的进一步改进，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线，采用以下公式估算转子的初始位置：
Figure GDA0002719120380000024
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，θ(x)为最大相电流矢量模值处的电流相角，Im(x),Im(x+1),Im(x-1)分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
作为本发明的进一步改进，所述转子初始位置的估算包括以下步骤：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期Ts，计算数字角频率ω＝2πΩTs和总共所需的发波拍数
Figure GDA0002719120380000025
置n＝0；
步骤S302，计算第n拍的发波电压Uα(n),Uβ(n)并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值Im(i)与相角θ1(i)，若拍数n加1<N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，估算转子的初始位置
Figure GDA0002719120380000026
本发明还公开了一种永磁同步电机的转子初始位置的估算***，其包括：
ADC电流采集模块，对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θ1(n)；其中，n代表拍数；
高频电压注入发波模块，通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；
转子初始位置估计模块，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置。
作为本发明的进一步改进，所述高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θI(n)采用以下步骤计算得到：
步骤S101，采集三相电流值Iu(n)、Iv(n)和Iw(n)；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流Iα(n)和Iβ(n)：
Figure GDA0002719120380000031
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值Im(n)和相角θI(n)：
Figure GDA0002719120380000032
作为本发明的进一步改进，所述高频旋转电压的α、β分量采用如下公式计算得到：
Figure GDA0002719120380000033
其中，Um为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
作为本发明的进一步改进，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线，采用以下公式估算转子的初始位置：
Figure GDA0002719120380000034
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，θ(x)为最大相电流矢量模值处的电流相角，Im(x),Im(x+1),Im(x-1)分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
作为本发明的进一步改进，所述转子初始位置的估算包括以下步骤：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期Ts，计算数字角频率ω＝2πΩTs和总共所需的发波拍数
Figure GDA0002719120380000041
置n＝0；从n＝0开始步骤S302的计算；
步骤S302，计算第n拍的发波电压Uα(n),Uβ(n)并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值Im(i)与相角θ1(i)，若拍数n加1<N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，并按照上面的公式(4)估算转子的初始位置
Figure GDA0002719120380000042
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的技术方案，将求解转子位置可以转换为求解电流椭圆轨迹的长轴所在方向，并借助数学几何，通过计算相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算椭圆长轴的方向，通过简单的几何运算就可以快速准确的估算出转子位置。估算的精度高，计算简单，避免了复杂的数字信号处理带来的固有延时。本发明可用于压缩机或者其他永磁电机的无位置传感控制。
具体实施方式
下面对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明。
一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法，包括：
(1)通过ADC电流采集模块对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θ1(n)；其中，n代表拍数；具体步骤包括：
步骤S101，采集三相电流值Iu(n)、Iv(n)和Iw(n)；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流Iα(n)和Iβ(n)：
Figure GDA0002719120380000043
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值Im(n)和相角θI(n)：
Figure GDA0002719120380000051
(2)通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；所述高频旋转电压的α、β分量采用如下公式计算得到：
Figure GDA0002719120380000052
其中，Um为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
(3)根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置，具体算法步骤如下：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期Ts，计算数字角频率ω＝2πΩTs和总共所需的发波拍数
Figure GDA0002719120380000053
置n＝0；
步骤S302，计算第n拍的发波电压Uα(n),Uβ(n)并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值Im(i)与相角θ1(i)，若拍数n加1<N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，并按照如下的公式(4)估算转子的初始位置
Figure GDA0002719120380000054
Figure GDA0002719120380000055
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，θ(x)为最大相电流矢量模值处的电流相角，Im(x),Im(x+1),Im(x-1)分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
高频电流矢量的旋转轨迹为一个椭圆，长轴所在方向和转子位置重合，因此求解转子位置可以转换为求解电流椭圆轨迹的长轴所在方向。本发明的技术方案采用助数学几何，通过计算相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算椭圆长轴的方向，通过简单的几何运算就可以快速准确的估算出转子位置。
另外，本发明还公开了一种永磁同步电机的转子初始位置的估算***，其包括：
ADC电流采集模块，对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θ1(n)；其中，n代表拍数；
高频电压注入发波模块，通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；
转子初始位置估计模块，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置。
所述高频旋转电流的模值Im(n)以及相角θI(n)采用以下步骤计算得到：
步骤S101，采集三相电流值Iu(n)、Iv(n)和Iw(n)；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流Iα(n)和Iβ(n)：
Figure GDA0002719120380000061
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值Im(n)和相角θI(n)：
Figure GDA0002719120380000062
所述高频旋转电压的α、β分量采用如下公式计算得到：
Figure GDA0002719120380000063
其中，Um为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
所述转子初始位置估计模块根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线，采用以下步骤估算转子的初始位置：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期Ts，计算数字角频率ω＝2πΩTs和总共所需的发波拍数
Figure GDA0002719120380000064
置n＝0；
步骤S302，计算第n拍的发波电压Uα(n),Uβ(n)并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值Im(i)与相角θ1(i)，若拍数n加1<N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，并按照公式(4)估算转子的初始位置
Figure GDA0002719120380000071
Figure GDA0002719120380000072
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，θ(x)为最大相电流矢量模值处的电流相角，Im(x),Im(x+1),Im(x-1)分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
本实施方式的方法和***简单，通过简单的几何运算就可以快速准确的估算出转子位置。估算的精度高，计算简单，避免了复杂的数字信号处理带来的固有延时。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种永磁同步电机的转子初始位置的估算方法，其特征在于，包括：
通过ADC电流采集模块对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值I m (n)以及相角
Figure 513745DEST_PATH_IMAGE002
；其中，n代表拍数；
通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；
根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置；
所述高频旋转电流的模值
Figure 412299DEST_PATH_IMAGE003
以及相角
Figure 277487DEST_PATH_IMAGE004
采用以下步骤计算得到：
步骤S101，采集三相电流值
Figure 354028DEST_PATH_IMAGE006
、
Figure 124406DEST_PATH_IMAGE008
和
Figure 311805DEST_PATH_IMAGE010
；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流
Figure 484029DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 731471DEST_PATH_IMAGE014
：
Figure 992076DEST_PATH_IMAGE016
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值
Figure 45482DEST_PATH_IMAGE018
和相角
Figure 822946DEST_PATH_IMAGE019
：
Figure 490556DEST_PATH_IMAGE021
；
所述高频旋转电压的α、β分量
Figure 720680DEST_PATH_IMAGE023
、
Figure 764729DEST_PATH_IMAGE024
采用如下公式计算得到：
Figure 459015DEST_PATH_IMAGE026
，
其中，
Figure 48259DEST_PATH_IMAGE028
为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机的转子初始位置的估算方法，其特征在于，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线，采用以下公式估算转子的初始位置：
Figure 280526DEST_PATH_IMAGE030
，
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，
Figure 613419DEST_PATH_IMAGE032
为最大相电流矢量模值处的电流相角，
Figure 162212DEST_PATH_IMAGE034
分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
3.根据权利要求2所述的永磁同步电机的转子初始位置的估算方法，其特征在于，所述转子初始位置的估算包括以下步骤：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期
Figure 440134DEST_PATH_IMAGE036
，计算数字角频率
Figure 644850DEST_PATH_IMAGE038
和总共所需的发波拍数
Figure 30701DEST_PATH_IMAGE040
，置n=0；
步骤S302，计算第n拍的
Figure 371684DEST_PATH_IMAGE041
并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值I m (i)与相角
Figure 630627DEST_PATH_IMAGE043
，若拍数n加1 <N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，估算转子的初始位置
Figure 571907DEST_PATH_IMAGE045
。
4.一种永磁同步电机的转子初始位置的估算***，其特征在于，其包括：
ADC电流采集模块，对电机三相的电流进行采样，并计算得出高频旋转电流的模值I m (n)以及相角
Figure 246602DEST_PATH_IMAGE047
；其中，n代表拍数；
高频电压注入发波模块，通过高频电压注入发波模块在电机绕组中产生高频旋转电压；
转子初始位置估计模块，根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线来估算转子的初始位置；
所述高频旋转电流的模值
Figure 956938DEST_PATH_IMAGE048
以及相角
Figure 386782DEST_PATH_IMAGE050
采用以下步骤计算得到：
步骤S101，采集三相电流值
Figure 300511DEST_PATH_IMAGE052
、
Figure 42813DEST_PATH_IMAGE054
和
Figure 686284DEST_PATH_IMAGE055
；
步骤S102，将电流的三相变换成两相，采用如下公式计算得到第n拍α、β分量的电流
Figure 959134DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 875006DEST_PATH_IMAGE058
：
Figure 891504DEST_PATH_IMAGE060
步骤S103，采用如下公式计算高频旋转电流的模值
Figure 576432DEST_PATH_IMAGE062
和相角
Figure 82499DEST_PATH_IMAGE064
：
Figure 236400DEST_PATH_IMAGE066
；
所述高频旋转电压的α、β分量
Figure 305856DEST_PATH_IMAGE068
、
Figure 596023DEST_PATH_IMAGE070
采用如下公式计算得到：
Figure 538571DEST_PATH_IMAGE072
，
其中，
Figure 963124DEST_PATH_IMAGE074
为高频旋转电压的模值，ω为高频旋转电压的数字角频率，n为拍数。
5.根据权利要求4所述的永磁同步电机的转子初始位置的估算***，其特征在于，所述转子初始位置估计模块根据相邻三拍的高频旋转电流的模值与相角组成的多边形的重心线，采用以下公式估算转子的初始位置：
Figure 524687DEST_PATH_IMAGE076
，
其中x是高频旋转相电流矢量模值最大的索引，
Figure 184207DEST_PATH_IMAGE078
为最大相电流矢量模值处的电流相角，
Figure DEST_PATH_IMAGE079
分别为最大相电流矢量模值处的模值以及下一拍和上一拍的电流模值。
6.根据权利要求5所述的永磁同步电机的转子初始位置的估算***，其特征在于，所述转子初始位置的估算包括以下步骤：
步骤S301，确定高频电压矢量的模拟角频率Ω以及开关周期
Figure DEST_PATH_IMAGE081
，计算数字角频率
Figure 156711DEST_PATH_IMAGE082
和总共所需的发波拍数
Figure 816362DEST_PATH_IMAGE084
，置n=0；
步骤S302，计算第n拍的
Figure 40670DEST_PATH_IMAGE086
并进行发波，ADC电流采集模块进行采集相电流并计算，得到第i拍的相电流矢量模值I m (i)与相角，若拍数n加1 <N则重复该步骤计算第n+1拍的相电流矢量模值与相角，否则跳转到下一步；
步骤S301，确定相电流矢量模值最大的拍数x，估算转子的初始位置
Figure 979993DEST_PATH_IMAGE090
。
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