CN116208054B - 一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，涉及正弦型电励磁双凸极电机领域，该方法在正弦型电励磁双凸极电机静止时给励磁绕组通电，从而在电机励磁建压过程中，利用励磁绕组的励磁电流在上升过程中在三相电枢绕组上感应出的响应电流进行转子初始位置检测，无需额外注入信号，因此不需要考虑注入信号的幅值选取，检测过程中不产生电磁转矩，电机不会发生抖动甚至反转，该检测方法易于实现，显著缩短了位置估计时间，避免了初始位置检测过程电机出现抖动的问题。且相较于通过注入信号引起相电流变化的方法，本申请包含转子位置信息的相电流的值较大，增加了检测信号的信噪比，有利于提高位置估计的精度。

Description

一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法

技术领域

本申请涉及正弦型电励磁双凸极电机领域，尤其是一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法。

背景技术

正弦型电励磁双凸极电机是一种新型特种电机，具有结构简单可靠、适合在高温高速场合运行等优点，在航空航天、风力发电以及电动汽车等领域具有广阔的应用前景。由于正弦型电励磁双凸极电机的空载反电势呈较好的正弦性，采用矢量控制能够使正弦型电励磁双凸极电机实现良好的运行性能。

矢量控制需要实时获取转子位置信息，传统做法通过使用机械式位置传感器实现。然而，机械式位置传感器存在体积重量大、成本高、安装不便以及在特殊场合无法使用的问题，因此无位置传感器控制技术作为一种有效的解决方法得到了广泛的关注。无位置传感器控制技术主要分为基于高频信号注入法和基于电机基波模型法两大类，其中，基于高频信号注入法适用于零速和低速运行的无位置传感器控制技术，基于电机基波模型法适用于在中高速运行的无位置传感器控制技术。目前，零速和低速的无位置传感器控制技术是电机无位置传感器运行的一大难点。

转子初始位置估计是实现电机无位置传感器运行的基础，是电机实现无反转快速起动的关键。目前正弦波电机转子初始位置检测方法以高频信号注入法为主。刘颖等公开的“转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测”(中国电机工程学报，2011年6月25日，第31卷，第18期，48-54页)论文中介绍了一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法先在估计的d轴方向注入高频正弦信号进行初次位置估计，再在估计的d轴方向注入正负电压脉冲，利用不同磁极下d轴等效时间常数的不同判断d轴正方向，转子初始位置的初次估计值加上d轴正方向判断后的补偿值即为最终初始位置估计值。这种方法将估计过程分为初次位置估计和d轴正方向判断两个阶段，需两次分步注入信号，需要花费较长时间。牛大强等公开的“混合励磁电机低速区无位置传感器控制***研究”(河北工业大学硕士论文，2020年4月)论文中提出了一种基于数值解析的初始位置检测方法，该方法向励磁绕组中注入脉冲信号，通过检测电枢电流直接计算得出转子位置信息。

目前的初始位置检测方法通常都需要额外注入脉冲信号，注入信号的幅值不宜过大，否则容易引起电机的抖动，而注入信号的幅值过小则会减少位置估计信号的信噪比，降低位置检测的精度，因此往往存在操作复杂、检测时间长、易导致电机抖动的问题。

发明内容

本申请人针对上述问题及技术需求，提出了一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，本申请的技术方案如下：

一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，该方法包括：

在正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电；

确定正弦型电励磁双凸极电机的两相参考绕组在励磁绕组的励磁电流上升过程中的响应电流分别作为参考响应电流i₁和参考响应电流i₂，两相参考绕组是正弦型电励磁双凸极电机的其中两相电枢绕组；

根据两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂计算得到正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值

其进一步的技术方案为，计算正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值的方法包括：

计算得到转子初始位置估计值的第一估计值/>以及第二估计值/>

根据计算得到的和/>计算得到转子初始位置估计值/>

其进一步的技术方案为，根据计算得到的和/>计算得到转子初始位置估计值/>的方法包括：

当计算得到的和/>中一个取值为正一个取值为负时，确定转子初始位置估计值

当计算得到的和/>的取值均为正或取值均为负时，确定转子初始位置估计值

其进一步的技术方案为，该方法还包括：

结合三相电枢绕组的响应电流之和为0的特征，确定旋转坐标系下的电流幅值i_s关于自然坐标系下的两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式；

取旋转坐标系下的q轴电流i_q＝0、d轴电流i_d＝i_s并结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系，得到正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

其进一步的技术方案为，确定旋转坐标系下的电流幅值i_s关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式的方法包括：

确定旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系为其中，i_q是旋转坐标系中的q轴电流，i_d是旋转坐标系中的d轴电流，i_a、i_b、i_c分别是自然坐标系中的三相电枢绕组的响应电流，θ是转子位置；

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征，根据得到旋转坐标系下的电流幅值i_s关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式为/>i₁和i₂是i_a、i_b、i_c的其中两个响应电流。

其进一步的技术方案为，得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式的方法包括：

取i_q＝0、结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系变换得到：

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征转换得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

其进一步的技术方案为，正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组采用Y型连接并分别连接三相全桥逆变器的三个桥臂的桥臂中点，对正弦型电励磁双凸极电机的控制方法还包括：

在正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，控制三相全桥逆变器的三个桥臂的上桥臂开关管均关断、控制三个桥臂的下桥臂开关管均导通，使得正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组均处于短路状态且旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压恒等于0，使得在给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电并得到转子初始位置估计值的检测过程中，正弦型电励磁双凸极电机的电磁转矩为0、转子不产生转动。

其进一步的技术方案为，给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电的方法包括：

采集流过励磁绕组的励磁电流实际值i_f；

将励磁电流给定值与励磁电流实际值i_f的差值作为PI控制器的输入，对PI控制器的输出通过PWM控制算法产生第一控制信号；

按照第一控制信号控制正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组所连接的不对称半桥，使得励磁绕组的励磁电流实际值i_f上升并跟随励磁电流给定值

本申请的有益技术效果是：

本申请公开了一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，该方法在电机励磁建压过程中直接进行初始位置检测，无需额外注入信号，不需要考虑注入信号的幅值选取，检测过程中不产生电磁转矩，因此检测方法易于实现，显著缩短了位置估计时间，避免了初始位置检测过程电机出现抖动的问题。且相较于通过注入信号引起相电流变化的方法，本申请包含转子位置信息的相电流的值较大，增加了检测信号的信噪比，有利于提高位置估计的精度。

而且本申请电机建立磁场的必要过程直接进行转子初始位置的检测，无需增加额外的***时间来进行检测，简化了估计过程。

附图说明

图1是本申请的转子初始位置检测方法的控制框图。

图2是励磁电流、三相电枢绕组的感应电流、d轴电流、q轴电流在转子初始位置检测过程中的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本申请的具体实施方式做进一步说明。

本申请公开了一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，请参考图1所示的控制框图，在该方法针对的正弦型电励磁双凸极电机的拓扑结构中，正弦型电励磁双凸极电机(SDSEM)的三相电枢绕组A、B、C采用Y型连接，也即A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组的一端相连，三相电枢绕组的另一端分别连接三相全桥逆变器的三个桥臂的桥臂中点，三相全桥逆变器连接母线电压U_DC1。正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组F连接内部不对称半桥，不对称半桥连接母线电压U_DC2。

在该正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电。给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电的方法包括：采集流过励磁绕组F的励磁电流实际值i_f。将励磁电流给定值与励磁电流实际值i_f的差值作为PI控制器的输入，对PI控制器的输出通过PWM控制算法产生第一控制信号S_F。按照第一控制信号S_F控制正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组所连接的不对称半桥，使得励磁绕组的励磁电流实际值i_f上升并跟随励磁电流给定值/>

在励磁绕组的励磁电流上升过程中，正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组上会感应出响应电流，自然坐标系(abc坐标系)中A相电枢绕组、B相电枢绕组和C相电枢绕组上感应出的响应电流分别为i_a、i_b、i_c。由于三相电枢绕组采用Y型连接，因此i_a+i_b+i_c＝0。

本申请取其中任意两相电枢绕组作为两相参考绕组，则这两相参考绕组感应出的响应电流分别作为参考响应电流i₁和参考响应电流i₂，因此，i₁和i₂是i_a、i_b、i_c的其中两个响应电流。比如在图1中，以A相电枢绕组和B相电枢绕组为两相参考绕组，则参考响应电流i₁＝i_a，参考响应电流i₂＝i_b。选取其他的两相参考绕组的组合方式都是类似的，可以以此类推。

然后根据两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂计算得到正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值转子初始位置估计值/>关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式是预先拟合得到的，确定方法包括：

(1)结合三相电枢绕组的响应电流之和为0、也即i_a+i_b+i_c＝0的特征，确定旋转坐标系下的电流幅值i_s关于自然坐标系下的两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系为：

其中，i_q是旋转坐标系中的q轴电流，i_d是旋转坐标系中的d轴电流，θ是转子位置。

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征，根据的关系，可以转换得到旋转坐标系下的电流幅值i_s关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式为

(2)由于励磁磁链只与d轴磁链存在耦合关系，因此励磁电流变化只会引起d轴电流i_d的变化，而q轴电流i_q始终等于0。该过程的励磁电流i_f、三相电枢绕组感应出的响应电流i_a、i_b、i_c、d轴电流i_d和q轴电流i_q随着时间的变化波形图如图2所示。

因此取旋转坐标系下的q轴电流i_q＝0、d轴电流i_d＝i_s并结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系，可以得到正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式，包括：

取i_q＝0、结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系变换得到：

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征转换得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

由此得到的转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式包括两个表达式，通过如下两个表达式可以分别计算得到转子初始位置估计值/>的第一估计值/>和第二估计值/>其中：

则通过上述方法拟合得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式后，即可以代入采集得到的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂，计算得到转子初始位置估计值/>包括：

首先分别计算得到转子初始位置估计值的第一估计值以及第二估计值/>然后根据计算得到的/>和/>计算得到转子初始位置估计值/>当计算得到的/>和/>中一个取值为正一个取值为负时，确定转子初始位置估计值/>当计算得到的/>和/>的取值均为正或取值均为负时，确定转子初始位置估计值/>

另外在按照本申请提供的方法进行转子初始位置检测的过程中，对正弦型电励磁双凸极电机的控制还包括：在正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，给定αβ坐标系中的α轴电压u_α＝0以及β轴电压u_β＝0，采用SVPWM控制方法(空间矢量脉宽调制法)根据u_α＝0和u_β＝0得到第二控制信号S_ABC，按照第二控制信号S_ABC控制三相全桥逆变器，以控制三相全桥逆变器的三个桥臂的上桥臂开关管均关断、控制三个桥臂的下桥臂开关管均导通。使得正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组均处于短路状态且旋转坐标系(dq坐标系)下的d轴电压和q轴电压恒等于0，也即使得在给正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电并得到转子初始位置估计值/>的检测过程中，正弦型电励磁双凸极电机的电磁转矩为0、转子不产生转动，避免在转子初始位置检测过程中发生抖动甚至反转的问题。

以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本申请不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本申请的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本申请的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种正弦型电励磁双凸极电机转子初始位置检测方法，其特征在于，所述方法包括：

在所述正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，给所述正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电；

确定所述正弦型电励磁双凸极电机的两相参考绕组在所述励磁绕组的励磁电流上升过程中的响应电流分别作为参考响应电流i₁和参考响应电流i₂，两相参考绕组是所述正弦型电励磁双凸极电机的其中两相电枢绕组；

根据两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂计算得到所述正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值

计算所述正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值的方法包括：

计算得到转子初始位置估计值的第一估计值/>以及第二估计值/>

根据计算得到的和/>计算得到转子初始位置估计值/>包括：当计算得到的/>和/>中一个取值为正一个取值为负时，确定转子初始位置估计值/>当计算得到的/>和/>的取值均为正或取值均为负时，确定转子初始位置估计值/>

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

结合三相电枢绕组的响应电流之和为0的特征，确定旋转坐标系下的电流幅值i_s关于自然坐标系下的两相参考绕组的参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式；

取旋转坐标系下的q轴电流i_q＝0、d轴电流i_d＝i_s并结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系，得到所述正弦型电励磁双凸极电机的转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定旋转坐标系下的电流幅值i_s关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式的方法包括：

确定旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系为其中，i_q是旋转坐标系中的q轴电流，i_d是旋转坐标系中的d轴电流，i_a、i_b、i_c分别是自然坐标系中的三相电枢绕组的响应电流，θ是转子位置；

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征，根据得到旋转坐标系下的电流幅值i_s关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式为/>i₁和i₂是i_a、i_b、i_c的其中两个响应电流。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式的方法包括：

取i_q＝0、结合旋转坐标系与自然坐标系之间的坐标变换关系变换得到：

结合i_a+i_b+i_c＝0的特征转换得到转子初始位置估计值关于参考响应电流i₁和参考响应电流i₂的表达式。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组采用Y型连接并分别连接三相全桥逆变器的三个桥臂的桥臂中点，对所述正弦型电励磁双凸极电机的控制方法还包括：

在所述正弦型电励磁双凸极电机静止过程中，控制所述三相全桥逆变器的三个桥臂的上桥臂开关管均关断、控制三个桥臂的下桥臂开关管均导通，使得所述正弦型电励磁双凸极电机的三相电枢绕组均处于短路状态且旋转坐标系下的d轴电压和q轴电压恒等于0，使得在给所述正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电并得到转子初始位置估计值的检测过程中，所述正弦型电励磁双凸极电机的电磁转矩为0、转子不产生转动。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，给所述正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组通电的方法包括：

采集流过励磁绕组的励磁电流实际值i_f；

将励磁电流给定值与励磁电流实际值i_f的差值作为PI控制器的输入，对所述PI控制器的输出通过PWM控制算法产生第一控制信号；

按照所述第一控制信号控制所述正弦型电励磁双凸极电机的励磁绕组所连接的不对称半桥，使得所述励磁绕组的励磁电流实际值i_f上升并跟随所述励磁电流给定值