永磁同步电机转子初始位置自检测方法

1.本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法。


背景技术：

2.永磁同步电机(pmsm)具有体积小、运行效率高、功率密度高和转矩密度高等优点，在工业领域尤其是数控机床、新能源汽车等领域得到广泛应用。相较于永磁无刷直流电机，永磁同步电机的电磁转矩更加平稳，高速运行时噪声较低，有更优越的起动性能和低速性能。
3.永磁同步电机通常需要高精度的转子位置信息，这是采用矢量算法的高性能电机控制所需要的，然而通过高精度传感器获得转子位置的方法，不仅增加系统成本占用有限的空间，而且降低系统可靠性又增加维护成本，甚至在有些场合不宜使用。无速度传感器控制法在低速和零速区域，传统方法采用基波模型转子位置辨识，不易准确获取转子位置信息。
4.因此，如何更方便地获取永磁同步电机转子初始位置，使得永磁同步电机转子控制能够适应通用场景，成为目前亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明实施例提供了一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，以解决现有技术中无速度传感器控制法在低速和零速区域，传统方法采用基波模型转子位置辨识，存在不易准确获取转子位置信息的问题。
6.本发明实施例提供了一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，包括：
7.将高频电压信号注入到永磁同步电机中；
8.获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流；
9.通过pi观测器获取转子位置信息；
10.根据磁极磁性判断转子位置信息是否需要角度补偿；
11.若磁极磁性为n极，则不需要角度补偿；
12.若磁极磁性为s极，则将转子位置信息加上πrad的电角度补偿。
13.可选地，将高频电压信号注入到永磁同步电机中，包括：
14.将高频电压信号注入到估测的坐标系上，获得估测的轴的电压；
15.将估测的坐标系下注入的高频电压信号变换到d-q坐标系下，获得实际的d-q轴的电流；
16.获取估测的坐标轴与d-q坐标轴之间的第一角度差。
17.可选地，获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流，包括：
18.将采样电流从α-β轴变换到d-q轴，获取直交轴的电流，以及α-β坐标轴和d-q坐标
轴之间的第二角度差。
19.可选地，获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流，还包括：
20.将实际的直交轴的电压和直交轴的电流代入永磁同步电机在高频信号响应下的数学模型，获取α-β轴的电流。
21.可选地，获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流，还包括：
22.对α-β轴的电流进行差分运算；
23.通过跟踪误差信号表达式获取第三角度差；第三角度差用于表示转子位置误差角。
24.可选地，通过pi观测器获取转子位置信息，包括：
25.将第三角度差输入至pi观测器，得到转子位置估计值。
26.可选地，磁极磁性判断包括：
27.获取实际的d轴电流平均值；
28.若实际的d轴电流平均值为正，则磁极磁性收敛到n极；
29.若实际的d轴电流平均值为负，则磁极磁性收敛到s极。
30.可选地，采样平均值为零的测试信号作为高频电压信号。
31.本发明实施例的有益效果：
32.1、本发明实施例提供了一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，通过推导数学模型，通过pi观测器获取转子信息误差，再根据磁链和电流之间的关系辨识转子磁极，判断是否需要电角度补偿，提高了转子初始位置估计的准确度。
33.2、使用平均值为零的测试信号，不产生非零的电磁转矩，不会让电机转动，实现高效精准的转子位置初始检测。
附图说明
34.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
35.图1示出了本发明实施例中一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法的流程图；
36.图2示出了本发明实施例中一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法的电路图；
37.图3示出了本发明实施例中一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法的仿真结果；
38.图4示出了转子位于4.254rad时的磁极辨别；
39.图5示出了转子位于7.399rad时的位置检测；
40.图6示出了转子位于7.399rad时的磁极辨别。
具体实施方式
41.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没
有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
42.本发明实施例提供了一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，如图1所示，包括：
43.步骤s10，将高频电压信号注入到永磁同步电机中。
44.在本实施例中，将高频电压信号注入到估计d轴。在具体实施例中，高频信号发生器产生高频电压信号，并注入到估计的d轴坐标系中，高频电压信号如下式所示：
[0045][0046]
其中，t表示时间，t表示周期。
[0047]
高频电压信号注入到估测的坐标系上，得到：
[0048][0049]
和分别为估测的直交轴的电压。
[0050]
把坐标系下的注入信号变换到d-q坐标系下，得到
[0051][0052]
其中u
dh
和u
qh
分别为实际的直交轴的电压，δθ为两个旋转坐标系的角度差，即第一角度差。
[0053]
步骤s20，获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流。
[0054]
在本实施例中，将采样电流从α-β轴变换到d-q轴，获取直交轴的电流，以及α-β坐标轴和d-q坐标轴之间的第二角度差。
[0055][0056]
其中，i
dh
和i
qh
分别为直交轴的电流，θ为两个坐标系的角度差，即第二角度差，i
αh
和i
βh
分别为α-β轴的采样电流。
[0057]
将实际的直交轴的电压和直交轴的电流代入永磁同步电机在高频信号响应下的数学模型，获取α-β轴的电流。
[0058]
永磁同步电机在高频信号响应下的数学模型为：
[0059][0060]
其中，ρ为微分算子，l
dh
和l
qh
为电感。
[0061]
将变换到d-q轴坐标系下的注入信号和定子电流代入到永磁同步电机在高频信号响应下的数学模型，得到：
[0062][0063]
假设第一角度差趋近于0，将上式简化为：
[0064][0065]
对上式α-β轴的电压进行差分运算，得到：
[0066][0067]
由跟踪误差信号表达式得出第三角度差：
[0068][0069]
第三角度差用于表示转子位置误差角。
[0070]
步骤s30，通过pi观测器获取转子位置信息。
[0071]
在本实施例中，将第三角度差输入至pi观测器，得到转子位置估计值。通过pi观测器得到估计的转子位置，但是此时估计的转子位置可能与实际的转子位置存在180
°
的电角度差，所以需要通过判断d轴电流平均的正负来决定是否需要补偿πrad的电角度以得到真实的转子位置。
[0072]
步骤s40，根据磁极磁性判断转子位置信息是否需要角度补偿。
[0073]
若磁极磁性为n极，则不需要角度补偿；
[0074]
若磁极磁性为s极，则将转子位置信息加上πrad的电角度补偿。
[0075]
永磁同步电机的磁系统随电枢磁势的增大会产生饱和，使磁链与电流之间呈现非线性关系。由于永磁体磁势的存在，d轴正负电流对电机d轴磁系统的影响不同。在d轴电流为负时，d轴磁链和电感主要受永磁体产生的磁链影响，电机处于去磁状态，此时转子收敛到s极；而当d轴电流为正时，电机处于增磁状态，d轴磁系统受d轴电流影响而易产生饱和，使得d轴电感随d轴电流的增加而减小，此时转子收敛到n极。
[0076]
在本实施例中，磁极磁性判断包括：
[0077]
获取实际的d轴电流平均值；
[0078]
若实际的d轴电流平均值为正，则磁极磁性收敛到n极；
[0079]
若实际的d轴电流平均值为负，则磁极磁性收敛到s极。
[0080]
在具体实施例中，当求解的d轴电流平均值为正时，则磁极极性收敛到n极，那么不需要补偿，通过pi观测器得到的转子位置信息即为实际的转子位置；
[0081]
当求解的d轴电流平均值为负时，则磁极极性收敛到s极，需要补偿πrad，通过pi观测器得到的转子位置信息加上补偿的电角度即为实际的转子位置。
[0082]
在具体实施方式中，采用如图2所示电路结构实现永磁同步电机转子初始位置自检测方法，电路包括高频信号发生器模块，αβ/dq坐标变换模块，abc/dq坐标变换模块，svpwm模块，逆变器模块，电机本体，电流采样模块，磁极极性判断模块，pi观测器和角度补偿模块；其中，αβ/dq坐标变换模块分别与svpwm模块和高频信号发生器模块相连，用于提供注入的高频方波电压信号并且进行坐标变换；逆变器模块分别与svpwm模块和电机本体相连，用于调制坐标变换后的信号并驱动电机；电流采样模块分别与电机本体和坐标变换模块相连，用于采样两相电流并获得磁极极性判断和pi观测器所需的信号；角度补偿模块分别与磁极极性判断模块和pi观测器相连，用于在完成判断磁极极性和得到转子位置信息后得到实际的转子位置。
[0083]
向电机估计的d轴坐标系注入高频电压信号，估计的q轴为0，经过park逆变换得到调制电压u
α
和u
β
。采用空间矢量调制(svpwm)产生igbt的开关信号，直流侧电压经过电压源逆变器(vsi)作用产生三相交流电驱动电机。采用电流传感器采样定子a、c相电流，进而得到三相电流ia、ib和ic，换到与估计位置同步旋转的坐标系中，得到d-q轴电流id和iq。将公式进行整理化简得到角度差，通过pi观测器得到转子位置信息。根据d轴电流的平均值来判断转子磁极极性，是否需要角度补偿。
[0084]
在simulink上进行仿真实验，验证该方法的实施方式。仿真采用表贴式永磁同步电机，额定电压为36v，额定转矩为0.637n.m，额定功率为200w，额定电流为7.5a，额定转速为5000r/min，极对数为4。
[0085]
实现永磁同步电机无传感器控制包括以下步骤：
[0086]
步骤1，产生频率为1khz、幅值为3.6v的脉冲信号，然后叠加-1.8v，得到频率为1khz、幅值为1.8v的一个方波信号。然后，将高频方波信号注入到估计的d轴上，估计的q轴输入为0；然后进行park逆变换，最后是svpwm模块，产生脉冲信号驱动逆变电路。
[0087]
步骤2，将采集到的三相电流经过clark变换后得到静止两相坐标系下的电流；由于定子电流中包含开关管的15khz的高频信号，需要首先进行低通滤波，截止频率选为3khz。然后通过以下公式进行计算：
[0088][0089]
得到转子位置误差信号，送入pi观测器，得到了转子位置。其中p为2180，i为240，正限幅为10，负限幅为-10。
[0090]
步骤3，首先经过park变换环节将定子电流从两相静止坐标系下变换到估测的坐标系下，进而对估计d轴的电流进行分析，利用其波形平均值来判断收敛到n极还是s极，最后对转子位置进行补偿，得到估测的转子初始位置。
[0091]
如图3所示为本发明提供的初始位置检测仿真结果，图3中转子的实际位置是4.254rad。在0.015s以后，估测的转子位置正确跟踪到了实际的转子位置，误差在0.02rad以内。
[0092]
如图4所示为转子位于4.254rad时的磁极辨别结果，此时不需要进行补偿，即加0rad。
[0093]
如图5所示为转子位于7.399rad时观测到的转子位置，此时观测到的位置与转子
位于4.254rad时相同，估测的依然为4.254rad。
[0094]
如图6所示为转子位于7.399rad时的磁极辨别结果，需要补偿πrad，补偿后得到最终正确的位置7.399rad。
[0095]
本发明实施例实现了永磁同步电机初始位置自检测。此外，使用平均值为零的测试信号，不产生非零的电磁转矩，因此不会让电机转动。本发明实施例还能智能判断转子磁极磁性，并补偿电角度。
[0096]
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

技术特征：
1.一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，包括：将高频电压信号注入到永磁同步电机中；获取所述永磁同步电机的定子绕组的采样电流；通过pi观测器获取转子位置信息；根据磁极磁性判断所述转子位置信息是否需要角度补偿；若所述磁极磁性为n极，则不需要角度补偿；若所述磁极磁性为s极，则将所述转子位置信息加上πrad的电角度补偿。2.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，将高频电压信号注入到永磁同步电机中，包括：将所述高频电压信号注入到估测的坐标系上，获得估测的轴的电压；将所述估测的坐标系下注入的所述高频电压信号变换到d-q坐标系下，获得实际的d-q轴的电压；获取所述估测的坐标轴与所述d-q坐标轴之间的第一角度差。3.根据权利要求2所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，获取所述永磁同步电机的定子绕组的采样电流，包括：将所述采样电流从α-β轴变换到d-q轴，获取直交轴的电流，以及所述α-β坐标轴和所述d-q坐标轴之间的第二角度差。4.根据权利要求3所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，获取所述永磁同步电机的定子绕组的采样电流，还包括：将所述实际的直交轴的电压和所述直交轴的电流代入永磁同步电机在高频信号响应下的数学模型，获取α-β轴的电流。5.根据权利要求4所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，获取所述永磁同步电机的定子绕组的采样电流，还包括：对所述α-β轴的电流进行差分运算；通过跟踪误差信号表达式获取第三角度差；所述第三角度差用于表示转子位置误差角。6.根据权利要求5所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，通过pi观测器获取转子位置信息，包括：将所述第三角度差输入至所述pi观测器，得到转子位置估计值。7.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，磁极磁性判断包括：获取实际的d轴电流平均值；若所述实际的d轴电流平均值为正，则磁极磁性收敛到n极；若所述实际的d轴电流平均值为负，则磁极磁性收敛到s极。8.根据权利要求1所述的永磁同步电机转子初始位置自检测方法，其特征在于，采样平均值为零的测试信号作为所述高频电压信号。

技术总结
本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置自检测方法，包括：将高频电压信号注入到永磁同步电机中；获取永磁同步电机的定子绕组的采样电流；通过PI观测器获取转子位置信息；根据磁极磁性判断转子位置信息是否需要角度补偿；若磁极磁性为N极，则不需要角度补偿；若磁极磁性为S极，则将转子位置信息加上πrad的电角度补偿。通过推导数学模型，通过PI观测器获取转子信息误差，再根据磁链和电流之间的关系辨识转子磁极，判断是否需要电角度补偿，提高了转子初始位置估计的准确度。高了转子初始位置估计的准确度。高了转子初始位置估计的准确度。


技术研发人员：张志良 魏海峰 刘维亭 王浩陈
受保护的技术使用者：江苏科技大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/25