CN1767359A - 永久磁铁同步电机的转子位置检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种永久磁铁同步电机的转子位置检测装置及其检测方法，其装置包括：输出启动永久磁铁同步电机的三相电压的电机启动装置；检测出的三相电压及三相电流，经过运算得转子位置情报，根据情报给电机启动装置输出启动控制信号的控制器。其方法包括如下阶段：检测相加三相电压及相应的三相电流阶段；依据叠加原理分离做出定子电流方程式的阶段；计算出二相电流i_α，i_β，算出二相电流和定子电流方程式，竖立转子电流方程式阶段；运算电机的逆电流e_α，e_β，得出转子的位置情报θ_e输出一定的信号电机启动的阶段。本发明的有益效果是：不需要设置转子位置的回路，采用了简单的位置检测方法，正确检测转子的位置，启动电机。增加产品的效率。

Description

永久磁铁同步电机的转子位置检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及的是永久磁铁同步电机，特别涉及的是永久磁铁同步电机的转子位置检测装置以及其检测方法。

背景技术

下面结合附图对现有技术永久磁铁同步电机的转子位置检测方法进行说明。

图1是现有技术永久磁铁同步电机的转子位置检测装置连接框图。

现有技术永久磁铁同步电机的转子位置检测装置如图1所示，包括：输出启动永久磁铁同步电机20三相电压Va、Vb、Vc的电机驱动装置10；检测永久磁铁同步电机20转子位置的检测装置30；根据检测装置30检测的转子位置信号输出永久磁铁同步电机20启动控制信号的微电脑40。

下面对现有技术永久磁铁同步电机转子位置检测装置的动作过程进行说明。

如图1所示，电机启动装置10根据微电脑40的控制信号输出三相电压Va、Vb、Vc，由此启动永久磁铁同步电机20；

永久磁铁同步电机的内部设置有永久磁铁，使相励磁(图中未示)与转子的位置同步，进行磁化；

为了准确的磁化相励磁，需要检测相关永久磁铁同步电机的转子位置；

检测装置30根据永久磁铁同步电机20的启动，检测永久磁铁同步电机(PMSM)转子的位置。

微电脑40接收检测装置30检测转子的位置信号，根据转子的位置信号控制其启动装置10，以使其驱动永久磁铁同步电机20。

但是现有技术永久磁铁同步电机的转子位置检测装置具存在如下问题。

首先，为了检测永久磁铁同步电机的转子位置，需要设置检测装置，比如孔传感器、译码器，这样必然增加电机相关的生产费用，提高生产成本。

其次，将对于环境比较敏感的检测装置设置在永久磁铁同步电机上，由此缩小了电机产品的适用范围，而且会降低产品的品质。

最后，如果在永久磁铁同步电机上设置了检测装置，就要在产品的内部预留一定的空间，上述电机不适用于其他产品。

发明内容

本发明的目的在于克服上述技术的不足，提供一种无需设置附加回路就可以检测永久磁铁同步电机的转子位置检测装置及其检测方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种永久磁铁同步电机的转子位置检测装置，包括：当输入某种信号时，输出启动永久磁铁同步电机的三相电压Va、Vb、Vc的电机启动装置；检测出电机启动装置输出的三相电压Va、Vb、Vc及相应的三相电流ia、ib、ic，并能够以所检测的三相电压Va、Vb、Vc和三相电流ia、ib、ic为基础，经过运算得出永久磁铁同步电机转子位置情报，并根据得到的转子位置情报给电机启动装置输出永久磁铁同步电机的启动控制信号的控制器。

所述永久磁铁同步电机的转子位置的检测方法，包括如下阶段：

检测相加于永久磁铁同步电机的三相电压Va、Vb、Vc以及相应的三相电流ia、ib、ic的阶段；

对于所检测出的三相电压进行换算，导出二相电压Vα、Vβ，并依据叠加原理分离所述各电压的电压源，做出永久磁铁同步电机的定子电流i_α ^r i_β ^r方程式的阶段；

对于所检测的三相电流ia、ib、ic进行运算，计算出二相电流i_α，i_β，根据算出的二相电流和定子电流方程式，竖立永久磁铁同步电机的转子电流i_α ^r i_β ^r方程式的阶段；

以所述转子电流方程式为基础，运算出永久磁铁同步电机的逆电流e_α，e_β，得出转子的位置情报θ_e，并根据得出的转子位置情报，输出一定的信号，由此使永久磁铁同步电机启动的阶段。

本发明的有益效果是：本发明的永久磁铁同步电机的转子位置检测装置以及方法具有如下的效果：

首先，不需要设置检测永久磁铁同步电机的转子位置的回路，因此减少了产品的生产费用。

其次，永久磁铁同步电机在任何使用环境下，都可以正确检测转子的位置，启动电机。

最后，采用了简单的位置检测方法，检测各个产品中设有的永久磁铁同步电机的转子的位置，增加产品的效率。

附图说明

图1是现有技术永久磁铁同步电机转子位置检测装置连接框图；

图2是本发明永久磁铁同步电机转子位置检测装置连接框图；

图3是本发明永久磁铁同步电机转子位置检测方法流程图；

图4是本发明永久磁铁同步电机的等价回路图；

图5a、图5b是图4中的永久磁铁同步电机等价回路α-β轴上的等价回路图；

图6a、图6b是图5a的等价回路中分离出的电压源图；

图7a、图7b是图5b中的等价回路中分离出的电压源图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

图1是现有技术永久磁铁同步电机转子位置检测装置连接框图；图2是本发明永久磁铁同步电机转子位置检测装置连接框图；图3是本发明永久磁铁同步电机转子位置检测方法流程图；图4是本发明永久磁铁同步电机的等价回路图；图5a、图5b是图4中的永久磁铁同步电机等价回路α-β轴上的等价回路图；图6a、图6b是图5a的等价回路中分离出的电压源图；图7a、图7b是图5b中的等价回路中分离出的电压源图。

本发明永久磁铁同步电机的转子位置检测装置如图2所示，永久磁铁同步电机的转子检测装置包括：当输入某种信号时，输出启动永久磁铁同步电机三相电压Va、Vb、Vc的电机启动装置100；检测出电机启动装置100输出的三相电压Va、Vb、Vc以及相应的三相电流ia、ib、ic，并能够以所检测的三相电压Va、Vb、Vc和三相电流ia、ib、ic为基础，经过运算得出永久磁铁同步电机200转子位置信息，并根据得到的转子位置信息给电机启动装置100输出永久磁铁同步电机200的启动控制信号的控制器300。

下面结合附图3对本发明实施例进行说明。

首先，控制器300检测相加于电机200，即永久磁铁同步电机(PermanentMagnet Synchronous electric Motor，以下简称PMSM)的三相电压Va、Vb、Vc及相应的三相电流ia、ib、ic的阶段S100。

在这里，所述检测的三相电压是利用图4中的PMSM等价回路为基础运算，具有如下结果。

[数学式1]：

公式中Va、Vb、Vc分别是相加于永久磁铁同步电机200的各三相a、b、c上的电压，ia、ib、ic是对应所述三相电压的电流。

如图4所示，公式中Ra、Rb、Rc表示三相线圈的电阻；e_a、e_b、e_c表示三相a、b、c线圈上产生的感应速度电动势；Laa、Lbb、Lcc表示三相线圈的自身电感。而Mab、Mac、Mba、Mbc、Mca、Mcb则表示三相线圈相互之间的共同电感。

磁场电感Laa、Lbb、Lcc表示永久磁铁同步电机的泄漏感应系数I和各个相互电感M的和。

比如，所述电感Laa是l+(Mab+Mac)，其中(Mab+Mac)是(M/2+M/2)，因此Laa是(l+M)。

结果，所述永久磁铁同步电机200的各相a、b、c上的电压，即三相电压Va、Vb、Vc如数学式1所示，依据电流，速度电动势，电阻，自身电感以及共同电感之间的相互关系算出。

图4中的三相轴磁场，永久磁铁同步电机的定子磁场感应线，可以利用相互之间形成120°角的Ra的磁场感应线替代。

在表现永久磁铁同步电机的圆形转子特性时，各个定子相位磁场感应线的磁场电感Laa、Lbb、Lcc，依存于泄漏磁束链接数的组合，所述磁束链接数同等的共用定子相位，而所述共用电感(Mab，Mac，Mba，Mbc，Mca，Mcb)与转子的位置相互独立。

由此，数学式1定义的三相电压Va、Vb、Vc由数学式2运算出。

[数学式2]：

公式中P是数学式1中使用的 的微分，L表示

数学式2中的三相电压方程进行坐标变换，计算出α、β轴的二相电压Vα、Vβ阶段S110。

上述三相电压进行坐标变换后算出的二相电压Vα、Vβ由下面的数学式3定义。

[数学式3]：

$\left[\begin{array}{c}\mathrm{V\α}\\ \mathrm{V\β}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}-\mathrm{Ra}+\mathrm{pL}& 0\\ 0& -\mathrm{Ra}+\mathrm{pL}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]+\frac{1}{L}\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

上述e_α、e_β表示逆电动势，所述三相电压以及二相电压和所述三相电流及二相电流由数学式4定义。

[数学式4]：

$\mathrm{V\α}=\sqrt{\frac{2}{3}}(\mathrm{Va}-\frac{\mathrm{Vb}}{2}-\frac{\mathrm{Vc}}{2})$   $\mathrm{V\β}=\frac{\mathrm{Vb}-\mathrm{Vc}}{\sqrt{2}}$

$i_{\mathrm{\α}}=\sqrt{\frac{2}{3}}(i_a-\frac{i_b}{2}-\frac{i_c}{2})$   $i_{\mathrm{\β}}=\frac{i_b-i_c}{\sqrt{2}}$

数学式3中定义的二相电压Vα、Vβ，以叠加原理为依据，分离出各个电压源，树立永久磁铁同步电机200的定子电流方程式的阶段S120(i_α ^s，i_β ^s)。

结合图5a以及图5b；图6a以及图6b；图7a以及图7b说明以叠加原理算出的二相电压Vα、Vβ的运算处理过程，此时将所述算出的二相电压Vα、Vβ利用图5a以及图5b中的等价回路表示。

利用叠加原理从图5a中表示出的以Vα及e_α为电压源的等价回路中分离出两个电压源Vα以及e_α，如图6a以及图6b所示。

如图6a所示，以Vα为电压源的等价回路表示α轴的永久磁铁同步电机的定子电流成分i_α ^s；如图6b所示而以e_α为电压源的等价回路表示α轴的永久磁铁同步电机的转子电流成分i_α ^r。

上述以图6a及图6b的等价回路为依据的各个电压源Vα及e_α的方程式为数学式5。

[数学式5]：

$\mathrm{V\α}=\mathrm{RaS}{i}_{\mathrm{\α}}^s+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\α}}^s$   $e_{\mathrm{\α}}=\mathrm{RaS}{i}_{\mathrm{\α}}^r+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\α}}^r$

将数学式5中的Vα以i_α ^s为基准，将e_α以i_α ^r为基准进行整理，结果为数学式6。

[数学式6]：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\α}}^s=-\frac{\mathrm{Ra}}{L}{i}_{\mathrm{\α}}^s+\frac{1}{L}\mathrm{V\α}$   $\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\α}}^r=-\frac{\mathrm{Ra}}{L}{i}_{\mathrm{\α}}^r+\frac{1}{L}{e}_{\mathrm{\α}}$

如图5b所示，将以Vβ及e_β为电压源的等价回路利用叠加原理分离出所述两个电压源Vβ以及e_β时，如图7a以及7b所示。

如图7a所示，以Vβ为电压源的等价回路表示为依据β轴的永久磁铁同步电机的定子电流i_β ^s成分。如图7b所示以e_β为电压源的等价回路表示为依据β轴的永久磁铁同步电机的转子电流i_β ^r成分。

依据图7a及图7b的等价回路，各个电压源Vβ以及e_β的方程式为数学式7所示。

[数学式7]：

$\mathrm{V\β}=\mathrm{RaS}{i}_{\mathrm{\β}}^s+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\β}}^s$   $e_{\mathrm{\β}}=\mathrm{RaS}{i}_{\mathrm{\β}}^r+L\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\β}}^r$

将数学式7中的Vβ以i_β ^s为基准，将e_β以i_β ^r为基准进行整理，结果为数学式8。

[数学式8]：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\β}}^s=-\frac{\mathrm{Ra}}{L}{i}_{\mathrm{\β}}^s+\frac{1}{L}\mathrm{V\β}$   $\frac{d}{\mathrm{dt}}{i}_{\mathrm{\β}}^r=-\frac{\mathrm{Ra}}{L}{i}_{\mathrm{\β}}^r+\frac{1}{L}{e}_{\mathrm{\β}}$

利用数学式6以及8，整理α-β轴的永久磁铁同步电机定子电流(i_α ^s，i_β ^s)以及转子电流(i_α ^r，i_β ^r)时，结果为数学式9及10。

[数学式9]：

永久磁铁同步电机的定子电流，如数学式9所示，表示为二相电压Vα、Vβ项

[数学式10]：

永久磁铁同步电机转子电流(i_β ^r i_α ^r)如数学式10中定义，可以表示为逆电动势(e_α，e_β)相。

对数学式9定义的永久磁铁同步电机定子电流(i_α ^s，i_β ^s)进行运算处理后，得出如数学式11定义的定子电流方程式(i_α ^s i_β ^s)。

[数学式11]：

$i_{\mathrm{\α}}^s=\frac{\mathrm{V\α}}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})+i\left(0\right)e^{-\frac{R}{L}t}$   $i_{\mathrm{\β}}^s=\frac{\mathrm{V\β}}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})+i\left(0\right)e^{-\frac{R}{L}t}$

上述控制器300检测出相加于永久磁铁同步电机200三相电压Va、Vb、Vc，由此可以得出三相电压值，根据数学式4的定义可以知道所述Vα、Vβ二相电压。

由于永久磁铁同步电机的变量，电阻R以及电感L都可以知道，因此根据数学式11算出永久磁铁同步电机的定子电流(i_α ^s i_β ^s)。

利用所检测出的三相电流ia、ib、ic，带入数学式4中得出二相电流(i_α，i_β)阶段S130。

利用所算出的二相电流(i_α，i_β)和定子电流(i_α ^s i_β ^s)的差值，建立永久磁铁同步电机的转子电流(i_α ^s i_β ^s)方程阶段S140。

即，三相电流是已知的，利用数学式4可以得出二相电流，由此经过运算得出的转子二相电流方程式(i_α ^r i_β ^r)如数学式12。

[数学式12]：

$i_{\mathrm{\α}}^r=\frac{e_{\mathrm{\α}}}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})+i\left(0\right)e^{-\frac{R}{L}t}$   $i_{\mathrm{\β}}^r=\frac{e_{\mathrm{\β}}}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})+i\left(0\right)e^{-\frac{R}{L}t}$

数学式12中定义的转子方程式(i_α ^r i_β ^r)可以定义为如下的数学式13。

[数学式13]：

$i_{\mathrm{\α}}^r\left(n\right)2\frac{e_{\mathrm{\α}}\left(n\right)}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}\left(\mathrm{XT}\right)})+i_{\mathrm{\α}}^r(n-1)e^{-\frac{R}{L}\left(\mathrm{XT}\right)}$

$i_{\mathrm{\β}}^r\left(n\right)2\frac{e_{\mathrm{\β}}\left(n\right)}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}\left(\mathrm{XT}\right)})+i_{\mathrm{\β}}^r(n-1)e^{-\frac{R}{L}\left(\mathrm{XT}\right)}$

将数学式13中的

定义为K_T对于逆电动势(e_α(n)，e_β(n))整理数学式13后，得出数学式14的逆电动势。

[数学式14]：

$e_{\mathrm{\α}}\left(n\right)=-\frac{R}{1-K_T}[i_{\mathrm{\α}}^r\left(n\right)-K_T{i}_{\mathrm{\α}}^r(n-1)]$

$e_{\mathrm{\β}}=\frac{R}{1-K_T}[i_{\mathrm{\β}}^r\left(n\right)-K_T{i}_{\mathrm{\β}}^r(n-1)]$

对于数学式14算出的逆电动势进行运算处理，得出永久磁铁同步电机的转子位置情报(θ_e)阶段S160。

所述逆电动势(e_α，e_β)和转子位置情报(θ_e)之间具有为数学式15的关系。

[数学式15]：

$e_{\mathrm{\α}}=-\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_m\sin \left({\mathrm{\θ}}_e\right)$   $e_{\mathrm{\β}}=\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ω}}_e{\mathrm{\λ}}_m\cos \left({\mathrm{\θ}}_e\right)$

对于逆电动势(e_α，e_β)进行分割运算处理得到数学式16定义的转子位置情报(θ_e)。

[数学式16]：

${\mathrm{\θ}}_e={\tan }^{-1}\left(\frac{e_{\mathrm{\α}}}{e_{\mathrm{\β}}}\right)$

所述逆电动势(e_α，e_β)值可以利用数学式14算出，通过数学式16则可得出转子位置情报(θ_e)。

控制器300根据所得出的转子位置情报(θ_e)，给电机启动装置100发出控制信号，驱动永久磁铁同步电机阶段S170。

所述电机启动装置100根据控制器300的控制信号输出启动永久磁铁同步电机200的三相电压Va、Vb、Vc。

Claims (2)

1.一种永久磁铁同步电机的转子位置检测装置，其特征是该位置检测装置包括：当输入某种信号时，输出启动永久磁铁同步电机的三相电压(Va、Vb、Vc)的电机启动装置(100)；检测出电机启动装置(100)输出的三相电压(Va、Vb、Vc)及相应的三相电流(ia、ib、ic)，并能够以所检测的三相电压(Va、Vb、Vc)和三相电流(ia、ib、ic)为基础，经过运算得出永久磁铁同步电机转子位置情报，并根据得到的转子位置情报给电机启动装置(100)输出永久磁铁同步电机(200)的启动控制信号的控制器(300)。

2.一种权利要求1中所述的永久磁铁同步电机的转子位置的检测方法，其特征是该检测方法包括如下阶段：

检测相加于永久磁铁同步电机(200)的三相电压(Va、Vb、Vc)以及相应的三相电流(ia、ib、ic)的阶段；

对于所检测出的三相电压进行换算，导出二相电压(Vα、Vβ)，并依据叠加原理分离所述各电压的电压源，做出永久磁铁同步电机(200)的定子电流(i_α ^s，i_β ^s)方程式的阶段；

对于所检测的三相电流(ia、ib、ic)进行运算，计算出二相电流(i_α，i_β)，根据算出的二相电流和定子电流方程式，竖立永久磁铁同步电机(200)的转子电流(i_α ^ri_β ^r)方程式的阶段；

以所述转子电流方程式为基础，运算出永久磁铁同步电机的逆电流(e_α，e_β)，得出转子的位置情报(θ_e)，并根据得出的转子位置情报，输出一定的信号，由此使永久磁铁同步电机启动的阶段。

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