永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法技术

本发明专利技术公开了一种永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法，属于电机控制领域。本发明专利技术方法是向电机定子绕组中注入高频电压信号，采样三相电流并变换到两相静止坐标系中；采用位置闭环收敛，从高频电流的幅值中解调出磁极位置；再对基频电流闭环控制，根据电流幅值的变化判断极性；最终得到转子初始位置。本发明专利技术方法在实施过程中转子保持静止状态，位置解调没有使用滤波器和高频角度的坐标变换，避免了滤波器和数字控制延时的影响，提高了辨识精度，实用性和可靠性高，易于工程化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及永磁同步电机转子初始位置检测方法，特别是涉及基于高频电压注入法的位置检测，属于电机控制领域。
技术介绍
永磁同步电机具有功率密度大、效率高的优点，在电动汽车中得到了广泛应用。为了实现永磁同步电机驱动系统高精度、高性能的矢量控制，必须在电机起动前获取转子的位置信息。初始位置检测不准确会导致电机带载能力下降，甚至出现反转现象。永磁同步电机转子初始位置检测可以分为转子预定位法和信号注入法。转子预定位法是一种简单有效的方法，向电机绕组中施加固定幅值的直流量，使转子转动并最终停在预定位置。中国专利技术专利CN101651442A于2010年2月17日公开的《电机转子电角度修正方法及系统》，采用闭环控制的思想，根据转子的转速变化是否大于指定阈值，调整初始控制角。该方法存在以下缺点：1)需要使电机转动，不适用于整车工况；2)转子转动受到摩擦力矩和负载力矩的影响，降低了位置检测精度。信号注入法可以实现转子静止状态下的初始位置检测，主要有电压脉冲注入法和高频电压注入法。电压脉冲注入法是向定子电角度一周注入脉冲信号，检测电流响应的幅值来判断转子位置。但该方法存在的缺点为：需要选取合适的脉冲幅值和持续时间，幅值过大或时间过长会出现过流和电机抖动，幅值过小或时间过短会降低辨识精度，实用性差。高频电压注入法是利用电机的凸极性来检测位置，先对磁极位置进行估计，再对磁极极性进行判断。中国专利技术专利CN101630938A于2010年1月20日公开的《无位置传感器永磁同步电机转子初始位置辨识方法》，向磁极正反两个方向注入电压脉冲，根据电流响应来判断极性。2004年IEEE文献“ANovelMethodforInitialRotorPositionEstimationforIPMSynchronousMachineDrives”(“一种新型的IPM同步电机驱动系统的初始位置辨识方法”——2004年IEEE工业应用期刊)，利用高频电流的二次项来判断极性。上述高频电压注入法中存在以下缺点：1)两种极性判断方法可靠性低：采用电压脉冲注入法进行极性判断，必须选取合适的电压脉冲幅值和持续时间，采用高频电流二次项进行极性判断，二次项分量信噪比低，容易造成极性误判；2)需要采用滤波器处理信号，并进行高频角度的坐标变换，滤波器和数字控制延时会降低位置检测精度。
技术实现思路
本专利技术要解决的关键技术为：针对现有永磁同步电机转子初始位置检测技术中存在的转子转动、实用性差、极性误判和检测精度低的问题，提供了一种永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法，向电机绕组注入高频电压信号，首先采用位置闭环收敛，从高频电流的幅值中解调出磁极位置，再对基频电流闭环控制，根据电流幅值的变化判断极性，最终得到转子初始位置。为了实现本专利技术的目的，本专利技术提供了一种永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法，包括向电机绕组注入高频电压信号，采样得到三相电流ia、ib和ic，从电流信号中提取转子初始位置θinit，包括以下步骤：步骤1，向电机静止αβ坐标系中注入高频电压信号uαh、uβh，如下式所示：uαhuβh=uh-sinωhtcosωht]]>其中，uh为高频电压的幅值，ωh为高频电压的角频率，t表示注入高频电压信号的时间；步骤2，采样电机定子三相绕组电流ia、ib和ic，变换到静止αβ坐标系中得到iα和iβ，变换公式如下：iαiβ=231-12-12032-32iaibic]]>步骤3，对位置进行闭环检测，从高频电流信号的幅值中解调出磁极位置角θmag；(1)将两相静止坐标系即静止αβ坐标系中的电流iα和iβ变换到两相旋转坐标系中，得到id1和iq1，坐标变换角度为收敛角θcon，变换公式如下：id1iq1=cosθconsinθcon-sinθconcosθconiαiβ]]>(2)分别计算id1和iq1的幅值平方和计算式如下：Id12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1id1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1id1(k)sin(kωhTs))2)]]>Iq12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1iq1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1iq1(k)sin(kωhTs))2)]]>其中，Ts为采样周期，Th为注入高频电压信号的周期、ωh为注入高频电压信号的角频率，k为采样点计数，id1(k)和iq1(k)分别表示id1、iq1的第k个电流值；(3)将作为PI调节器的输入，PI调节器的表达式GPI(s)为：GPI(s)=kp+kis]]>其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例项系数，ki为积分项系数；(4)调节PI调节器的参数使得收敛到0，PI调节器的输出为磁极位置角θmag，收敛角θcon与θmag满足如下关系：θcon＝θmag+0.25π步骤4，根据步骤3所得到的磁极位置角θmag，对基频电流闭环控制，根据电流幅值的变化，输出极性判断标志位fpol；(1)将两相静止坐标系中的电流iα和iβ变换到两相旋转坐标系中，得到id2和iq2，坐标变换角度为磁极位置角θmag，变换公式如下：id2iq2=cosθmagsinθmag-sinθmagcosθmagiαiβ]]>(2)对基频电流闭环控制，从id2和iq2中分离出基频分量作为电流闭环的反馈值idb和iqb，电流指令值分别为idref和iqref，采用PI调节器实现反馈值无静差跟踪指令值；(3)令idref＝0，iqref＝0，计算id2的幅值平方，记为(4)令idref＝0.6isn，isn为电机额定电流，iqref＝0，再次计算id2的幅值平方，记为(5)若则极性判断标志位fpol＝1，否则fpol＝2。步骤5，若fpol＝1，转子初始位置角θinit＝θmag，若fpol＝2，转子初始位置角θinit＝θmag+π。优选的，uh的值为20％的电机额定电压，ωh的值为5％的开关角频率。本专利技术专利具有如下优点：1)采用高频电压信号注入的方法，可以在转子静止状态检测初始位置，适用于整车工况；2)高频电压幅值、频率以及基频电流指令值的取决于电机驱动系统，增强了算法的实用性；3)磁极位置解调过程没有使用滤波器和高频角度的坐标变换，避免了滤波器和数字控制延时的影响，检测精度高；4)计算电流幅值来获取磁极位置和判断极性，简单易行；5)对基频电流闭环控制，可以改变电机的饱和特性，增强了极性判断的可靠性。附图说明图1为本专利技术方法的实施流程图。图2为本专利技术方法的磁极位置解调流程图。图3为本专利技术方法的极性判断流程图。图4为采用磁极位置闭环收敛法的电路原理图。图5为采用基频电流闭环控制判断极性的电路原理图。图6为转子初始位置为30时，电流幅值变化波形及位置检测结果。图7为转子初始位置为30时，分别采用本专利技术方法与传统方法的对比波形。具体实施方式下面结合附图，来说明本专利技术的具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法，包括向电机绕组注入高频电压信号，采样得到三相电流ia、ib和ic，从电流信号中提取转子初始位置θinit，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，向电机静止αβ坐标系中注入高频电压信号uαh、uβh，如下式所示：uαhuβh=uh-sinωhtcosωht]]>其中，uh为高频电压的幅值，ωh为高频电压的角频率，t表示注入高频电压信号的时间；步骤2，采样电机定子三相绕组电流ia、ib和ic，变换到静止αβ坐标系中得到iα和iβ，变换公式如下：iαiβ=231-12-12032-32iaibic]]>步骤3，对位置进行闭环检测，从高频电流信号的幅值中解调出磁极位置角θmag；(1)将两相静止坐标系即静止αβ坐标系中的电流iα和iβ变换到两相旋转坐标系中，得到id1和iq1，坐标变换角度为收敛角θcon，变换公式如下：id1iq1=cosθconsinθcon-sinθconcosθconiαiβ]]>(2)分别计算id1和iq1的幅值平方和计算式如下：Id12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1id1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1id1(k)sin(kωhTs))2)]]>Iq12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1iq1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1iq1(k)sin(kωhTs))2)]]>其中，Ts为采样周期，Th为注入高频电压信号的周期、ωh为注入高频电压信号的角频率，k为采样点计数，id1(k)和iq1(k)分别表示id1、iq1的第k个电流值；(3)将作为PI调节器的输入，PI调节器的表达式GPI(s)为：GPI(s)=kp+kis]]>其中，s为拉普拉斯算子，kp为比例项系数，ki为积分项系数；(4)调节PI调节器的参数使得收敛到0，PI调节器的输出为磁极位置角θmag，收敛角θcon与θmag满足如下关系：θcon＝θmag+0.25π步骤4，根据步骤3所得到的磁极位置角θmag，对基频电流闭环控制，根据电流幅值的变化，输出极性判断标志位fpol；(1)将两相静止坐标系中的电流iα和iβ变换到两相旋转坐标系中，得到id2和iq2，坐标变换角度为磁极位置角θmag，变换公式如下：id2iq2=cosθmagsinθmag-sinθmagcosθmagiαiβ]]>(2)对基频电流闭环控制，从id2和iq2中分离出基频分量作为电流闭环的反馈值idb和iqb，电流指令值分别为idref和iqref，采用PI调节器实现反馈值无静差跟踪指令值；(3)令idref＝0，iqref＝0，计算id2的幅值平方，记为(4)令idref＝0.6isn，isn为电机额定电流，iqref＝0，再次计算id2的幅值平方，记为(5)若则极性判断标志位fpol＝1，否则fpol＝2。步骤5，若fpol＝1，转子初始位置角θinit＝θmag，若fpol＝2，转子初始位置角θinit＝θmag+π。...

【技术特征摘要】
1.一种永磁同步电机转子初始位置闭环检测方法，包括向电机绕组注入高频电压信号，采样得到三相电流ia、ib和ic，从电流信号中提取转子初始位置θinit，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，向电机静止αβ坐标系中注入高频电压信号uαh、uβh，如下式所示：uαhuβh=uh-sinωhtcosωht]]>其中，uh为高频电压的幅值，ωh为高频电压的角频率，t表示注入高频电压信号的时间；步骤2，采样电机定子三相绕组电流ia、ib和ic，变换到静止αβ坐标系中得到iα和iβ，变换公式如下：iαiβ=231-12-12032-32iaibic]]>步骤3，对位置进行闭环检测，从高频电流信号的幅值中解调出磁极位置角θmag；(1)将两相静止坐标系即静止αβ坐标系中的电流iα和iβ变换到两相旋转坐标系中，得到id1和iq1，坐标变换角度为收敛角θcon，变换公式如下：id1iq1=cosθconsinθcon-sinθconcosθconiαiβ]]>(2)分别计算id1和iq1的幅值平方和计算式如下：Id12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1id1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1id1(k)sin(kωhTs))2)]]>Iq12=4Ts2Th2((Σk=0Th/Ts-1iq1(k)cos(kωhTs))2+(Σk=0Th/Ts-1iq1(k)sin(kωhTs))2)]]>其中，Ts为采样周期，Th为注入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张兴，李浩源，杨淑英，曹朋朋，杨健，
申请(专利权)人：合肥工业大学，
类型：发明
国别省市：安徽;34