CN114710068A - 永磁同步电动机控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电动机控制装置，包括：永磁同步电动机、旋转变压器、角度计算单元、控制器；通过所述控制器给所述永磁同步电动机施加电压和电流，得到所述旋转变压器各对极零点与所述永磁同步电机转子上永磁体的相对角度，从而识别出所述旋转变压器的各对极。能够精确对旋转变压器的对极进行定位，以便能利用已存储的旋转变压器的误差数据或频率分析部得到的特定频率的振幅和角度对旋转变压器输出的信号进行校正以高精度抑制由于旋转变压器的组装误差或形状误差等产生的周期性误差。

Description

永磁同步电动机控制装置及方法

技术领域

本发明涉及控制领域，具体涉及一种永磁同步电动机控制装置。本发明还公开了一种永磁同步电动机控制方法。

背景技术

永磁同步电动机结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和直流电机相比，它没有直流电机的换向器和电刷等缺点；和异步电动机相比，它由于不需要无功励磁电流，因而效率高，功率因数高，力矩惯量比大，定子电流和定子电阻损耗减小，且转子参数可测、控制性能好；和普通同步电动机相比，它省去了励磁装置，简化了结构，提高了效率。永磁同步电动机拖动的***能够实现高精度、高动态性能、大范围的调速或定位控制，因此永磁同步电动机在电机拖动***上已广泛应用。与异步电动机不同，永磁同步电动机转子上的永磁***置需要事先确定或通过电动机控制器检出才能正常运转。所以永磁同步电动机的控制器一般会记录转子永磁体的角度或每次断电再上电后自动学出永磁体的角度。永磁同步电动机根据转子永磁体安装的方式和数量，有个相应的电气参数：极对数，假定为M，也就是转子每转1圈，机械角度从0°～360°变化1个周期，但转子永磁体对应的电气角度从0°～360°变化M个周期。

旋转变压器的机械性能牢固，耐环境性优异，因此广泛应用于电机的旋转角度的检测。然而，通常在旋转变压器中，由于转子的偏心或形状误差会引起依赖于旋转位置的周期性变化的误差，这些误差会导致计算出的角度有误差。旋转变压器按输出信号变化的周期数不同，可以分为1对极、2对极、3对极、……、或N对极的旋转变压器。一般来讲，极对数越多，上述所说的周期性变化的误差也越小，精度越高。为了降低成本，越来越多的厂家选择了极对数少的旋转变压器，这些周期性变化的误差就需要克服，以免对***的驱动性能造成不良影响。因此，目前已提出多种方法，以通过在控制装置侧抑制上述的误差，从而实现高精度的驱动。

日本特开平11-27973号中公开了下述技术：除了用于驱动控制的检测器以外，准备高精度检测器，预先对由用于驱动控制的检测器检测出的位置和由高精度检测器检测出的位置进行比较，计算检测误差，并存储在控制装置内。向电动机发出旋转指令以驱动电动机转动，以该存储的检测误差对检测器检出的位置进行校正。另外，在该专利里，作为不适合应用高精度检测器以计算检测误差的场合的方法，公开了下述技术：以对电动机进行控制的速度环特性无法追随的充分的速度使电动机旋转，基于该状态下的检测信号，对检测误差进行计算的技术；以及使速度环开环，即在不适用检测器的信号的条件下使电动机旋转，基于该状态下的检测信号，对检测误差进行计算的技术。

上述专利所展示的技术就是为了记录用于驱动控制的检测器的周期性误差，以用于校正检测器的信号，以实现高精度的驱动。如果是极对数为1的旋转变压器，根据其两相输出线圈输出的正弦和余弦信号计算出的角度与机械角度是一一对应的，那记录的周期性误差也与机械角度一一对应，可以根据旋转变压器两相输出线圈输出的正弦和余弦信号计算出的位置直接从存储的误差数据里找到需要校正的误差数据。

如果旋转变压器的极对数不是1，而是N对极(N为不等于1的正整数)，那根据其两相输出线圈输出的正弦和余弦信号计算出的角度(0°～360°)，旋转变压器转子每转1圈将变化N个周期，与机械角度不是一一对应。也就是，如果不借助其它方式，当控制装置断电后再上电或复位后，就无法直接根据其两相输出线圈输出的正、余弦信号计算出转子的机械角度，也就无法利用已存储的与机械角度一一对应的误差数据进行校正。

专利CN10720690A，一种位置检测器的角度误差校正装置，其频率分析部通过对检出的电机电流进行频率分析，得到角度误差对应的特定频率成分的振幅和角度，然后根据检出的旋转位置及频率分析部得到的特定频率的振幅和角度，对旋转位置进行校正。这个专利中的位置检测器如果是旋变变压器，也必须事先对旋转变压器的对极进行定位，才能用频率分析部得到的特定频率的振幅和角度进行校正。

解决此问题的简单办法是加装额外的开关，旋转变压器每转一圈，所述开关信号动作一次。事先存储此开关动作时对应旋转变压器的机械角度，通过此开关来实现利用已存储的旋转变压器周期性误差数据或频率分析部得到的特定频率的振幅和角度对旋转变压器的信号进行校正的目的。但此解决方案会增加控制装置的成本，性价比不高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是,提供一种永磁同步电动机控制装置，能够精确对旋转变压器的对极进行定位，以便能利用已存储的旋转变压器的误差数据或频率分析部得到的特定频率的振幅和角度对旋转变压器输出的信号进行校正以高精度抑制由于旋转变压器的组装误差或形状误差等产生的周期性误差。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种永磁同步电动机控制装置，包括：永磁同步电动机，包括转子；旋转变压器，安装在永磁同步电动机的转子轴上；所述旋转变压器用于输出正弦和余弦的信号；角度计算单元，用于采集所述旋转变压器输出的正弦和余弦的信号、并输出对应永磁同步电动机转子的角度信号；控制器，用于接收所述角度计算单元输出的角度信号，并输出电压和电流控制永磁同步电动机的速度和力矩，以驱动永磁同步电动机的转子转动；通过所述控制器给所述永磁同步电动机施加电压和电流，得到所述旋转变压器各对极零点与所述永磁同步电机转子上永磁体的相对角度，从而识别出所述旋转变压器的各对极。

优选地，所述旋转变压器包括：励磁线圈，正弦检测线圈，用于对旋转变压器转子进行检测；余弦检测线圈，用于对旋转变压器转子进行检测；所述旋转变压器通过交流励磁电压对励磁线圈进行驱动，从而在正弦检测线圈的输出端子输出按旋转变压器转子的角度进行振幅调制的正弦信号，并在余弦检测线圈的输出端输出按旋转变压器转子角度进行振幅调制的余弦信号。

优选地，所述永磁同步电动机的极对数M和所述旋转变压器的极对数N满足M、2M、3M、……、(N-1)M都不能整除N的关系，M和N都是正整数。

优选地，所述角度控制单元包括：励磁电路，用于驱动所述励磁线圈；差动放大器，用于对所述正弦检测线圈输出端之间的电压和余弦检测线圈的输出端之间的电压进行差动放大并输出信号；A/D转换器，用于采集所述差动放大器输出信号并输出正弦信号和余弦信号；角度计算器，用于采集所述A/D转换器输出的正弦信号和余弦信号，并输出脉冲信号至所述控制器。

优选地，所述控制器对脉冲信号计数并形成脉冲计数值，所述脉冲计数值对应旋转变压器的转子的机械角度。

优选地，所述永磁同步电动机控制装置还包括：检测器，记录旋转变压器输出的转子位置与检测器输出的转子位置之间的误差数据。

优选地，所述检测器为高精度编码器。

优选地，所述角度计算单元与控制器为两个独立部件，或角度计算单元与控制器集成为一个部件。

本发明还公开了一种永磁同步电动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制器对永磁同步电动机的电流或旋转变压器输出的信号进行频率分析，得到特定频次的振幅和相角；

任意指定某个对极的零点为记录周期性误差或频率分析的起始点，同时学习出这对极零点的磁极角度，预设为角度θ，并存储起来；

当控制器断电后再上电或者复位后，先对永磁同步电动机输出电压和电流进行磁极学习，并驱动电动机转动，根据已学习到的磁极角度，能确定旋转变压器各对极零点的磁极角度；

将旋转变压器各对极零点的磁极角度与已存储的角度θ进行比较，角度最接近的就是断电或复位前所指定的对极的零点，也就完成了对旋变变压器的对极定位。

本发明通过所述控制器给所述永磁同步电动机施加电压和电流，得到所述旋变变压器各对极零点与所述永磁同步电机转子上永磁体的相对角度，从而识别出所述旋变变压器的各对极。

附图说明

图1是本发明的永磁同步电动机控制装置实施例一结构框图。

图2是图1的旋转变压器的各线圈的波形的波形图。

图3是图1中角度计算单元各信号的对应关系图。

图4是本发明的永磁同步电动机控制装置实施例二结构框图。

图5是本发明的永磁同步电动机控制装置实施例二中旋转变压器与检测器输出A信号或B信号的计数值对比图。

图6是本发明的永磁同步电动机控制装置实施例二中旋转变压器转动一圈记录图4中计数值1和计数值2的偏差值误差数据图。

图7是本发明的永磁同步电动机控制装置实施例二中通过磁极学习学到的误差数据起始点对应的某个对极的零点的磁极角度图。

附图标记说明

1 旋转变压器 2 励磁线圈

3 余弦检测线圈 4 正弦检测线圈

5 励磁电路 6 差动放大器

7 角度计算单元 8 A/D转换器

9 旋转变压器转子 10 角度计算器

11 控制器 12 永磁同步电动机

13 检测器

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明所涉及的控制装置的实施例详细地进行说明。另外，本发明并不限定于本实施例。

实施例一

图1是表示本发明实施例一的结构框图。图中，旋转变压器1由励磁线圈2、对旋转变压器转子9进行检测的正弦检测线圈4、以及对旋转变压器转子9进行检测的余弦检测线圈3构成。通过以图2中(a)曲线所示的交流励磁电压对励磁线圈2进行驱动，从而在正弦检测线圈4的输出端子输出图2中(c)所示的按旋转变压器转子9的角度进行振幅调制的正弦信号，并在余弦检测线圈3的输出端输出图2中(b)所示的按旋转变压器转子9的角度进行振幅调制的余弦信号。这里，图2中的横轴表示旋转变压器转子9的机械角度。

接着对从旋转变压器1输出的信号的处理方法进行阐述。图1中，通过励磁电路5，以图2中(a)所示的交流电压信号对旋转变压器1的励磁线圈2进行驱动。由差动放大器6对旋转变压器1的正弦检测线圈4的两输出端之间的电压、以及余弦检测线圈3的两输出端之间的电压进行差动放大，并输出到A/D转换器8(即模拟数字转换器)。A/D转换器8(即模拟数字转换器)采集图2中(c)及图2中(b)中所表示的正弦值与余弦值的峰值点，获得如图3中d和e所示的正弦以及余弦信号。

图1中角度计算器10根据A/D转换器8输出的正弦信号和余弦信号输出A信号、B信号和Z信号，对应如图3所示的脉冲信号A1、脉冲信号B2和脉冲信号Z3。控制器11将对A信号、B信号进行计数，形成如图3中像锯齿波的脉冲计数值f，对应旋转变压器转子9的机械角度，由于旋转变压器的转子与永磁同步电动机的转子同轴安装在一起，也对应永磁同步电动机转子的机械角度。

如图1所示，本实施例中旋转变压的转子9的形状有4个波形，说明旋转变压器是4对极，每转一圈，图1中正弦线圈4和余弦线圈3输出的信号将变化4个周期，如图2中(b)和图2中(c)所示波形的峰值，图1角度计算单元7里的A/D转换器8输出的正、余弦波形也将变化4个周期。图3中脉冲信号Z3有4个脉冲，每个脉冲对应图3中正弦波形d的零点，也对应图3中脉冲计数值f的零点，这4个零点对应旋变变压器各对极的零点。如果任意指定某个Z信号为第1对极的零点位置，之后就是第2、3和第4个对极的Z相信号，反向运行时，之后就是第4、3和第2个对极的Z相信号。每转一圈，这样的Z信号变化4次，周而复始。

本实施例的角度计算单元7与控制器11是两个独立部件，但也可以集成在一起，本发明不受其限制。

在本实施例中，以旋转变压器为N对极、永磁同步电动机为M对极为例，M、2M、3M、……、(N-1)M都不能整除N。如果旋转变压器某个对极的零点对准永磁同步电动机转子的永磁体磁场，也就是这个对极零点的磁极角度为0度，那后续N-1个对极零点的磁极角度分别为

度，因为M、2M、3M、……(N-1)M都不能整除N，所以这N个对极零点的磁极角度是各不相同的。以此为条件，在测量旋转变压器周期性误差或分析特定频率的振幅和角度时，任意指定某个对极的零点为记录周期性误差或频率分析的起始点，同时学习出这对极零点的磁极角度，假定为θ，并存储起来。那后续N-1个对极零点的磁极角分别为

当控制器断电后再上电或者复位后，首先对永磁同步电动机输出电压和电流进行磁极学习，并驱动电动机转动，根据已学习到的磁极角度，能确定旋转变压器各对极零点的磁极角度，并与已存储的角度θ进行比较，角度最接近的就是断电或复位前所指定的对极的零点，也就完成了对旋变变压器的对极定位，此后就可以用已存储的周期性误差数据或特定频率的振幅和角度对旋转变压器的信号进行校对，以抑制由于旋转变压器的组装误差或形状误差等产生的周期性误差。

实施例二

图4是永磁同步电动机控制装置实施例二结构框图，其中，12是永磁同步电动机，旋转变压器1安装在永磁同步电动机12的转子轴上，角度计算单元7通过采集旋转变压器输出的正弦、余弦的信号输出对应永磁同步电动机12转子的角度信号，并输出给控制器11，控制器11输出电压控制永磁同步电动机12速度和力矩，驱动转子转动。为满足M、2M、3M、……、(N-1)M都不能整除N的原则，本实施例选择4对极的旋转变压器，9对极的永磁同步电动机，这样，9、2*9、3*9都不能整除4。

为记录旋转变压器1因转子的偏心或形状误差会引起依赖于旋转位置的周期性变化的误差，本实例在永磁同步电动机12的转子轴上再加装一个高精度的检测器13，例如光电编码器。当然，检测器13不一定需要与旋转变压器1安装在同一转轴上，只要能精确检测出永磁同步电动机12的转子角度就可以。

为了便于做对比，角度计算单元7设置成对旋转变压器每对极输出2048个A信号和B信号，4个对极每圈共可输出8192个A信号和B信号，检测器13为高精度编码器，例如，可以是每一圈输出8192个A信号和B信号的光电编码器。

控制器11驱动永磁同步电动机12的转子转动，旋转变压器1与检测器13输出A信号或B信号的计数值对比如图5，计数值g是图4中检测器13输出脉冲的计算值，一圈8192个脉冲，计数值h是图4中角度计算7输出脉冲计数值，每对极共输出2048个脉冲，一圈也有8192个。因转子的偏心或形状误差，对应图4中旋转变压器1输出信号的计数值h相对计数值g有明显的波动。

任意找某个对极的零点作为记录误差数据的起点，旋转变压器转动一圈，记录图4中计数值g和计数值h的偏差值，如图6。为了提高精度，可以多记录几圈，取各角度对应误差数据的平均值。这些误差数据需要保存起来，保存误差数据后可以拆掉图4中检测器13。

接下来进入磁极学习。图4中，旋转变压器1的转子与永磁同步电动机12的转子同轴安装在一起，如果不再更换旋转变压器1，其转子与永磁同步电动机12的转子上永磁体的相对位置也已确定。通过磁极学习学到上述误差数据起始点对应的某个对极的零点的磁极角度θ，如图7，为旋转变压器输出脉冲的计数值i，每对极对应2048个脉冲，每一圈8192个脉冲，永磁同步电机的磁极角度j，因为是9对极，每一圈磁极角度从0°～360°变化9次，旋转变压器第一个对极的零点对应的磁极角度为θ，那其它3个对极零点对应磁极角度分别为90°+θ、180°+θ和270°+θ，4个对极零点对应的磁极角度彼此不同。

***停电后再上电或者复位后，控制器11已无法辨认出检测器输出的Z信号与上次磁极学习时确定的对极的零点的对应关系，也就无法利用已存储的周期性误差数据对旋转变压器信号进行校正以消除周期性误差。此时需再次进入磁极学习模式，并驱动电机转动，在完成磁极学习后，就能直接推算出各对极零点的磁极角度，并与θ进行比较，与θ偏差最小的Z信号就是上次记录误差数据的起点，也就确定了其余Z信号对应的对极。

对极的顺序确定后，就可以应用已存储到的旋转变压器误差数据，对旋转变压器信号进行补偿，提升电梯运行性能。

所述永磁同步电机的磁极学习，是利用转子永磁体饱和效应，给定子线圈输出电压和电流，确定转子上的永磁体的位置，此后才能对永磁同步电机进行速度和力矩的控制。

本实施例是在永磁同步电动机12的转子上另加装检测器13以记录旋转变压器1输出的转子位置与检测器13输出的转子位置之间的误差数据。当然也可以不加装检测器13，通过控制器11对永磁同步电动机12的电流或旋转变压器3输出的信号进行频率分析，得到特定频次的振幅和相角，起始位置点的确定方式与前述任意找某个对极的零点一样。行业的技术人员应该了解，本发明不受其限制。

以上实施例显示和描述了本发明的基本原理和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，而不是以任何方式限制本发明的范围，在不脱离本发明范围的前提下，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范围内。

Claims (9)

1.一种永磁同步电动机控制装置，其特征在于，包括：

永磁同步电动机，包括转子；

旋转变压器，安装在永磁同步电动机的转子轴上；所述旋转变压器用于输出正弦和余弦的信号；

角度计算单元，用于采集所述旋转变压器输出的正弦和余弦的信号、并输出对应永磁同步电动机转子的角度信号；

控制器，用于接收所述角度计算单元输出的角度信号，并输出电压和电流控制永磁同步电动机的速度和力矩，以及驱动永磁同步电动机的转子转动；

通过所述控制器给所述永磁同步电动机施加电压和电流，得到所述旋转变压器各对极零点与所述永磁同步电机转子上永磁体的相对角度，从而识别出所述旋转变压器的各对极。

2.如权利要求1所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述旋转变压器包括：

励磁线圈，

正弦检测线圈，用于对旋转变压器转子进行检测；

余弦检测线圈，用于对旋转变压器转子进行检测；

所述旋转变压器通过交流励磁电压对励磁线圈进行驱动，从而在正弦检测线圈的输出端子输出按旋转变压器转子的角度进行振幅调制的正弦信号，并在余弦检测线圈的输出端输出按旋转变压器转子角度进行振幅调制的余弦信号。

3.如权利要求1所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述永磁同步电动机的极对数M和所述旋转变压器的极对数N满足M、2M、3M、……、(N-1)M都不能整除N的关系，M和N都是正整数。

4.如权利要求1所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述角度控制单元包括：

励磁电路，用于驱动所述励磁线圈；

差动放大器，用于对所述对正弦检测线圈输出端之间的电压和余弦检测线圈的输出端之间的电压进行差动放大并输出信号；

A/D转换器，用于采集差动放大器输出信号并输出正弦信号和余弦信号；

角度计算器，用于采集所述A/D转换器输出的正弦信号和余弦信号，并输出脉冲信号至所述控制器。

5.如权利要求4所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述控制器对脉冲信号计数并形成脉冲计数值，所述脉冲计数值对应旋转变压器的转子的机械角度。

6.如权利要求1所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述永磁同步电动机控制装置还包括：

检测器，记录旋转变压器输出的转子位置与检测器输出的转子位置之间的误差数据。

7.如权利要求6所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述检测器为高精度编码器。

8.权利要求1所述的永磁同步电动机控制装置，其特征在于，所述角度计算单元与控制器为两个独立部件，或角度计算单元与控制器集成为一个部件。

9.一种使用如权利要求1-8中之一的永磁同步电动机控制装置的永磁同步电动机控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

通过控制器对永磁同步电动机的电流或旋转变压器输出的信号进行频率分析，得到特定频次的振幅和相角；

任意指定某个对极的零点为记录周期性误差或频率分析的起始点，同时学习出这对极零点的磁极角度，预设为角度θ，并存储起来；

当控制器断电后再上电或者复位后，先对永磁同步电动机输出电压和电流进行磁极学习，并驱动电动机转动，根据已学习到的磁极角度，能确定旋转变压器各对极零点的磁极角度；

将旋转变压器各对极零点的磁极角度与已存储的角度θ进行比较，角度最接近的就是断电或复位前所指定的对极的零点，也就完成了对旋变变压器的对极定位。

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