永磁同步電機轉子初始位置檢測方法
2023-04-30 08:39:41 1
專利名稱：永磁同步電機轉子初始位置檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種永磁同步電機轉子初始位置的檢測方法，更具體地說，涉 及利用微位移來判斷電機轉子初始位置的方法。
背景技術：
永磁伺服驅動系統通常採用矢量控制，矢量控制是利用從靜止坐標繫到旋 轉坐標系之間的變化，實現定子電流中勵磁分量和轉矩分量的解耦，從而使永 磁同步電機能像直流電機那樣分別對磁通和轉矩進行獨立控制。永磁同步電機 轉子位置的檢測是矢量控制解耦的必要條件，只有準確知道轉子位置，才可以 按照矢量坐標變化的要求，將永磁同步電機等效成dq坐標系上的等效模型。 轉子初始位置的檢測，是第一次施加定子電流矢量的基礎。根據矢量控制的原 則，若轉子位置檢測準確無偏差，那定子電流矢量所產生的磁勢將與轉子磁勢 剛好成90度直角關係，此時，兩者的作用力最大，即定子電流矢量被充分利 用。若轉子位置檢測不準確或偏差很大時，則可能會造成兩種磁勢間作用力偏 小甚至作用力方向與預先設定相反等情況，導致起動失敗。總之，永磁同步電 機要正常起動並運行，必須在電機定子三相繞組上施加正確的電流，產生相應 的空間矢量磁勢，與轉子磁場相互作用，以驅動轉子轉動。轉子初始位置檢測 準確與否將關係到定子三相繞組上施加的電流是否正確，以及是否最佳。
現有的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法分傳感器法和無傳傳感器法 兩大類。傳感器法主要有旋轉變壓器法、絕對式光電編碼器法、電機內置位置傳感器法。無傳感器法主要有高次諧波注入法、基於電感飽和性凸極的檢 測法、基於觀測器的位置檢測法。傳感器法使用簡單，但是安裝複雜、成本高； 無傳感器法中的高次諧波注入法和基於觀測器的位置檢測法算法較複雜、實現 困難，基於電感飽和性凸極性則受轉子結構影響大。
發明內容
本發明的目的是要解決現有技術的缺陷，提供一種採用簡配的增量式編碼 器的永磁同步電機轉子初始位置檢測的無傳感器法。
本發明所解決的技術問題可以採用以下技術方案來實現
一種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於根據預定的角度 步長和幅值步長施加不同矢量方向和幅值且初始幅值足夠小的定子電流矢量 作用在永磁同步電機定子上，永磁同步電機產生不同方向和大小的定子磁勢直 到永磁同步電機轉子產生微位移，再根據此時施加的定子電流的矢量方向與轉 子位置角成90度，檢測出轉子初始位置。
本發明中，施加的定子電流矢量首先保持幅值不變進行360度角度步長變
化，完成360度角度步長變化後永磁同步電機轉子仍未產生微位移後再根據幅 值步長增大定子電流矢量幅值，保持定子電流矢量幅值不變重複進行360度角 度步長變化直到永磁同步電機轉子產生微位移。
永磁同步電機轉子產生的微位移採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測，其 精度為±360/ (PX4)， P為增量式光電編碼器的總線數。
為了避免由於初始電流矢量過大，定子電流矢量方向與轉子位置角還未成 90度即造成轉子轉動，定子電流矢量初始幅值小於可使轉子轉動的最小電流矢 量幅值，即在任何方向不會讓轉子有微位移。若永磁同步電機轉子產生的微位移不能忽略，可以在已確定轉子位置的基 礎上，反向施加定子電流矢量，以使轉子反向微位移，以抵消先前初始位置檢 測時產生的微位移。
一種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於根據預定的龜度 步長和幅值步長施加不同矢量方向和幅值且初始幅值足夠小的定子電壓矢量 作用在永磁同步電機定子上，永磁同步電機產生不同方向和大小的定子磁勢直 到永磁同步電機轉子產生微位移，再根據此時施加的定子電壓的矢量方向與轉 子位置角成卯度，檢測出轉子初始位置。
本發明中，施加的定子電壓矢量首先保持幅值不變進行360度角度步長變
化，完成360度角度步長變化後永磁同步電機轉子仍未產生微位移後再根據幅 值步長增大定子電壓矢量幅值，保持定子電壓矢量幅值不變重複進行360度角 度步長變化直到永磁同步電機轉子產生微位移。
永磁同步電機轉子產生的微位移採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測，其 精度為±360/ (PX4)， P為增量式光電編碼器的總線數。
為了避免由於初始電壓矢量過大，定子電壓矢量方向與轉子位置角還未成 90度即造成轉子轉動，定子電壓矢量初始幅值小於可使轉子轉動的最小電壓矢 量幅值，即在任何方向不會讓轉子有微位移。
若永磁同步電機轉子產生的微位移不能忽略，可以在已確定轉子位置的基 礎上，反向施加定子電壓矢量，以使轉子反向微位移，以抵消先前初始位置檢 測時產生的微位移。
本發明施加的定子電流、電壓矢量幅值初始值通常都比較小，在任何方向 不會讓轉子有微位移，其變化由小到大，方向在周向循環，通過合理設置幅值 變化步長和角度變化步長，檢測來的轉子位置可達到士360/ (PX4)機械角度的精度。
本發明施加的定子電流由於最大也不超過剛好能抵消負載進行轉動那一 刻的電流值，所以通常比較小，不像高頻信號注入法等為了提高角度解析度需 要比較大的定子電流值。
定子電流、電壓矢量方向的切換頻率可以設置的較低，雖然加長轉子初始 位置辨識的時間，但這對整個系統而言是微不足到的。因此，通過合理的設置 後，本發明將體現出電流噪聲小、振動非常微弱的優點，與此同時，辨識精度 卻不受影響。
圖1是永磁同步電機矢量控制系統電流環結構原理圖。
圖2是永磁同步電機矢量圖。
圖3是本發明實施例一轉子初始位置推斷的流程圖。 圖4是本發明實施例一定子電流矢量變化過程示意圖。 圖5是本發明實施例二定子電壓矢量變化過程示意圖。
具體實施例方式
為了使本發明實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解， 下面結合具體圖示，進一步闡述本發明。 實施例1
如圖1所示，永磁同步電機矢量控制的電流環中，通常是對電機三相電流 中的兩相電流採樣(三相電流和為零，所以另外一相可計算得知)，然後通過 CLARKE變化和PARK變化得到反饋電流值id、 iq，參考電流idref、 iqref各自與其反饋值id、 iq的差值經PI調節後得到udref、 uqref，再經PARK逆變化 得到uaref、 uPref，最後經SVPWM，將電壓脈衝施加到永磁同步電機上。 參見圖2，定子電流矢量Is則是由id、 iq兩個量來進行調節，id、 iq反饋
值獲取等所需的坐標變化是以轉子位置角e為基礎的，所以如果轉子位置角e
不準確，勢必會造成定子磁勢Fs施加的不正確。因此，電機在啟動時，如果
轉子初始位置角e檢測不正確，將直接影響電機正常啟動，轉子初始位置角e 的檢測有異常重要的作用。
定子電流矢量Is方向與轉子位置角e成90度時，定子磁勢Fs與轉子磁勢 Fr也成90度，此時為定子磁勢Fs施加的最佳角度，最小的定子磁勢Fs(即 最小定子電流矢量)與轉子磁勢Fr相互作用，即可帶動轉子轉動，如果定子 電流矢量作用的時間較短則會產生一個微位移。因此，在最小的定子磁勢Fs 作用下使得轉子轉動(或者產生微位移)，即可得知此時施加的定子磁勢Fs與 轉子磁勢Fr成90度，定子電流矢量Is方向與轉子位置角e也成90度，由於
定子電流矢量is已知，便可檢測出轉子的初始位置角e。
參見圖3、圖4，本實施例中，首先對系統上電，然後對永磁同步電機定 子施加初始定子電流矢量Isl，初始定子電流矢量Isl應該足夠小，甚至是在任 何方向不會讓轉子有微位移，以避免由於初始電流矢量Isl過大，定子電流矢 量Is方向與轉子位置角還未成90度即造成轉子轉動，使得轉子初始位置角e 檢測不準確。
然後採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測轉子是否有微位移，增量式光電 編碼器精度為土360/ (PX4)機械角度，P為增量式光電編碼器的總線數，通 常增量式光電編碼器的總線數可達到2000，保證了轉子初始位置檢測的精度。
若轉子有微位，立即撤銷初始電流矢量Isl的作用，通過初始電流矢量Isl 的方向得到轉子初始位置，否則順時針(當然逆時針同樣是可以的)按角度步 長A9e改變定子電流矢量的角度。如圖4所示，定子電流矢量變為Is2，角度 步長A0e可根據實際情況選定，但應大於增量式光電編碼器的精度。同樣採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測轉子是否有微位移，若轉子有微位移，立即撤 銷初始電流矢量Is2的作用，通過電流矢量Is2的方向得到轉子初始位置，否 則順時針(當然逆時針同樣是可以的)按角度步長A0e改變定子電流矢量的角 度，直到某一定子電流矢量Isn使轉子產生微位移。
若定子電流矢量角度改變360度回到了初始角度，即定子電流矢量變化回 Isl也未使轉子產生微位移，此時再按幅值步長AIs增加定子電流矢量的幅值， 使定子電流矢量從Isl變化到Isl'，幅值步長AIs可根據情況選定，為了提高 檢測精度，幅值步長AIs可取的足夠小。重複上述的步驟改變定子電流矢量的 角度，檢測轉子是否產生微位移，若定子電流矢量角度再次改變360度回到了 初始角度，則繼續增加定子電流矢量的幅值，重複以上的步驟直到轉子產生微 位移，根據此時定子電流矢量的角度，即可得到轉子的初始位置。
在位置檢測後會使轉子有360/ (PX4)的微位移，通常情況下，此微位移 對整個系統影響可以忽略，若不能忽略，還可以反向施加定子電壓矢量，以使 轉子反向微位移，以抵消先前初始位置檢測時產生的微位移。
實施例2
參見圖5，本實施例中，首先對系統上電，然後對永磁同步電機定子施加 初始定子電壓矢量Usl，初始定子電壓矢量Usl應該足夠小，甚至是在任何方 向不會讓轉子有微位移，以避免由於初始電壓矢量Usl過大，定子電壓矢量 Us方向與轉子位置角還未成90度即造成轉子轉動，使得轉子初始位置角e檢
然後採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測轉子是否有微位移，增量式光電 編碼器精度為土360/ (PX4)機械角度，P為增量式光電編碼器的總線數，通 常增量式光電編碼器的總線數可達到2000，保證了轉子初始位置檢測的精度。
若轉子有微位，立即撤銷初始電壓矢量Usl的作用，通過初始電壓矢量 Usl的方向得到轉子初始位置，否則順時針(當然逆時針同樣是可以的)按角 度步長Aee改變定子電壓矢量的角度。如圖4所示，定子電壓矢量變為Us2， 角度步長Aee可根據實際情況選定，但應大於增量式光電編碼器的精度。同樣 採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢測轉子是否有微位移，若轉子有微位移，立 即撤銷初始電壓矢量Us2的作用，通過電壓矢量Us2的方向得到轉子初始位置，否則順時針(當然逆時針同樣是可以的)按角度步長A0e改變定子電壓矢量的 角度，直到某一定子電壓矢量Usn使轉子產生微位移。
若定子電壓矢量角度改變360度回到了初始角度，即定子電壓矢量變化回 Usl也未使轉子產生微位移，此時再按幅值步長AUs增加定子電壓矢量的幅值， 使定子電壓矢量從Usl變化到Usl'，幅值步長AUs可根據情況選定，為了提 高檢測精度，幅值步長AUs可取的足夠小。重複上述的步驟改變定子電壓矢 量的角度，檢測轉子是否產生微位移，若定子電壓矢量角度再次改變360度回 到了初始角度，則繼續增加定子電壓矢量的幅值，重複以上的步驟直到轉子產 生微位移，根據此時定子電壓矢量的角度，即可得到轉子的初始位置。
在位置檢測後會使轉子有360/ (PX4)的微位移，通常情況下，此微位移 對整個系統影響可以忽略，若不能忽略，還可以反向施加定子電壓矢量，以使 轉子反向微位移，以抵消先前初始位置檢測時產生的微位移。
本發明中需要涉及的參數有定子電壓矢量、定子電壓矢量、定子電壓矢量 與A相繞組電壓所產生磁勢方向的夾角、編碼器反饋脈衝數，因此本發明不受 永磁同步電機凸極性的制約，適用於任何類型的永磁同步電機。
以上顯示和描述了本發明的基本原理和主要特徵和本發明的優點。本行業
的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中
描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和範圍的前提下，本發明
還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本發明範圍內。本
發明要求保護範圍由所附的權利要求書及其等效物界定。
權利要求
1. 一種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於根據預定的角度步長和幅值步長施加不同矢量方向和幅值且初始幅值足夠小的定子電流矢量作用在永磁同步電機定子上，永磁同步電機產生不同方向和大小的定子磁勢直到永磁同步電機轉子產生微位移，再根據此時施加的定子電流的矢量方向與轉子位置角成90度，檢測出轉子初始位置。
2. 如權利要求1所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於:施加的定子電流矢量首先保持幅值不變進行360度角度步長變化，完成360度角度步長變化後永磁同步電機轉子仍未產生微位移後再根據幅值步長增大定子電流矢量幅值，保持定子電流矢量幅值不變重複進行360度角度步長變化直到永磁同步電機轉子產生微位移。
3. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於永磁同步電機轉子產生的微位移採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢
4. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於定子電流矢量初始幅值小於可使轉子轉動的最小電流矢量幅值。
5. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於若永磁同步電機轉子產生的微位移不能忽略，在已確定轉子位置的基礎上，反向施加定子電流矢量，以使轉子反向微位移。
6. —種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於根據預定的角度步長和幅值步長施加不同矢量方向和幅值且初始幅值足夠小的定子電壓矢量作用在永磁同步電機定子上，永磁同步電機產生不同方向和大小的定子磁勢直到永磁同步電機轉子產生微位移，再根據此時施加的定子電壓的矢量方向與轉子位置角成90度，檢測出轉子初始位置。
7. 如權利要求1所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於:施加的定子電壓矢量首先保持幅值不變進行360度角度步長變化，完成360度角度步長變化後永磁同步電機轉子仍未產生微位移後再根據幅值步長增大定子電壓矢量幅值，保持定子電壓矢量幅值不變重複進行360度角度步長變化直到永磁同步電機轉子產生微位移。
8. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於永磁同步電機轉子產生的微位移採用增量式光電編碼器反饋脈衝檢
9. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於定子電壓矢量初始幅值小於可使轉子轉動的最小電壓矢量幅值。
10. 如權利要求1或2所述的永磁同步電機轉子初始位置檢測方法，其特徵在於若永磁同步電機轉子產生的微位移不能忽略，在已確定轉子位置的基礎上，反向施加定子電壓矢量，以使轉子反向微位移。
全文摘要
本發明提供一種採用簡配的增量式編碼器的永磁同步電機轉子初始位置檢測的無傳感器法。該方法通過控制驅動器輸出不同方向、不同幅值的電流、電壓矢量，以改變相應的磁勢，即與轉子磁勢間的相互作用，然後分析轉子的微移動來判斷轉子磁勢的位置，得到轉子初始位置。本發明不像高頻信號注入法等為了提高角度解析度需要比較大的定子電流值，體現出電流噪聲小、振動非常微弱的優點，與此同時，辨識精度卻不受影響。
文檔編號H02P21/00GK101459407SQ20091009533
公開日2009年6月17日 申請日期2009年1月8日 優先權日2009年1月8日
發明者暉 周, 鄒積浩 申請人:東元總合科技(杭州)有限公司