提高三级式同步电机转子初始位置检测精度的方法与流程

本发明属于同步电机控制技术领域，涉及一种提高三级式同步电机转子初始位置检测精度的方法。

背景技术：

三级式同步电机矢量控制的实现离不开一项很重要的技术，那就是对于转子位置的实时检测。只有精准地检测出转子的位置，才能够施加正确的电压矢量实现矢量控制。如果转子位置检测得不够准确，很可能会导致系统施加错误的电压矢量，使电机输出转矩下降，甚至可能会导致电机转子反转。

由于旋转变压器在安装时会不可避免地存在安装误差，此安装误差会导致旋转变压器检测出的转子位置与真实位置存在偏差，继而导致矢量控制效果大打折扣。所以在安装好旋转变压器之后，应该设法检测出真实的转子位置，得到安装误差，将此安装误差输入到控制器中，就可以利用旋转变压器实时地得到正确的转子位置。

目前同步电机转子初始位置的检测方法大致上可分为以下两类：

(1)预定位法。通过施加特定角度的电压矢量，使同步电机转子的d轴正方向旋转至同步电机定子的A轴，从而确定电机转子的初始位置。采用该方法时，需要让电机的负载为轻载或者空载才能保证转子检测精度。而且采用该方法定位时，电机的转子位置可能会发生变动。在某些场合，同步电机转子端的负载始终较大，并且不允许反转，此时上述方法就无法满足要求。

(2)利用同步电机的凸极特性。利用三级式同步电机主发电机的凸极特性，使用脉冲电压注入法获取360°电角度范围内的三相电流响应值，并对电流数据进行坐标变换处理，最后使用傅里叶级数拟合变换之后得到的响应电流曲线，从而有效地滤除励磁电流脉动的干扰，提高转子初始位置检测的精度。但是当转子初始位置处于定子的a相附近时，由于d轴正方向附近的数据点过少，在此利用傅里叶拟合得到的拟合曲线无法很好地反映出数据点的变化规律，傅里叶拟合的效果会大打折扣，故转子初始位置检测的精度较差。所以要想提高该检测方法的可靠性，需要对傅里叶拟合的算法加以改进。

技术实现要素：

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种提高三级式同步电机转子初始位置检测精度的方法。

技术方案

一种提高三级式同步电机转子初始位置检测精度的方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：给三级式同步电机的主发电机励磁绕组施加励磁电压；

步骤2：以定子的a相为起点，设置每隔5°电角度施加幅值恒定的电压矢量脉冲。电压脉冲矢量的幅值为18.4V，一共施加360°电角度，一个检测周期内共有72个数据点；

步骤3：采集三相电流响应曲线的最大值：将所施加的脉冲电压矢量u的方向定义为d'轴正方向，将电流数据从三相静止坐标系变换到两相旋转d'q'坐标系，得到d'轴电流响应值i_d'；

步骤4：检测i_d'响应数据点最大值所处的位置，将其作为d轴正方向所处的位置；

步骤5：将180°定为平移后数据点最大值所处的位置，确定所需的平移量X°，根据所需的平移量对i_d'进行平移，得到i_d″；

步骤6：采用三阶傅里叶拟合上一步骤中得到的i_d″数据点，检测出i_d″数据点最大值所处的位置Y°；

步骤7：则d轴正方向与定子a相之间相差的电角度为Y°-X°，根据初始角为使永磁体的d轴与定子绕组a相轴线对齐而旋转的电角度得知转子的初始位置。

有益效果

本发明提出的一种提高三级式同步电机转子初始位置检测精度的方法，通过对现有傅里叶拟合算法进行改进，解决三级式同步电机在零位附近定位不准的问题，从而提高转子初始位置检测方法的可靠性。

优越性：

(1)解决了零位附近定位不准的问题。

(2)将i_d'响应数据点最大值所处的位置平移到最佳拟合精度处，能显著提高定位精度。

附图说明

图1：定子三相电流响应曲线

图2：采用三阶傅里叶拟合后的i_d'响应曲线

图3：平移前i_d'响应曲线

图4：平移后i_d'响应曲线

图5：定位误差与平移后d轴正方向所处位置之间的关系图

图6：采用三阶傅里叶拟合平移到180°处的数据点

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

(1)给三级式同步电机的主发电机励磁绕组施加励磁电压；

(2)以定子的a相为起点，设置每隔5°电角度施加幅值恒定的电压矢量脉冲。电压脉冲矢量的幅值为18.4V，一共施加360°电角度，则一个检测周期内共有72个数据点。

如果每隔5°电角度施加电压脉冲矢量，一共施加360°电角度，则一个检测周期内共有72个数据点，精度已经能满足要求。若再增加数据点的个数，精度的提升并不是很明显，但定位过程所需的时间会成比例地增加，所以每隔5°电角度施加电压脉冲矢量较为合适。电压脉冲矢量的幅值要求在每一次施加时保持一致，采用的18.4V，效果较好。

(3)采集三相电流响应曲线的最大值，如图1所示。将所施加的脉冲电压矢量u的方向定义为d'轴正方向，将电流数据从三相静止坐标系变换到d'q'坐标系(两相旋转坐标系)，得到d'轴电流响应值i_d'。

(4)检测i_d'响应数据点最大值所处的位置，将其近似地作为d轴正方向所处的位置。

(5)当转子初始位置在0°附近时，若想将d轴正方向平移到90°处，可将θ＝270°～360°范围内的点往左平移360°，然后整体往右平移90°，如图3与图4所示。将d轴正方向平移到90°处虽然能提高精度，但精度不一定最高。所以应探究将d轴正方向平移到何处时傅里叶拟合的精度达到最高。以图5中的实验数据为例，采用三阶傅里叶拟合的定位误差与平移后d轴正方向所处位置之间的关系如图6所示。从图6中可以看出，将d轴正方向平移到180°附近时定位误差最小。故应将180°定为平移后数据点最大值所处的位置，从而确定所需的平移量X°。根据所需的平移量将步骤(3)中的i_d'电流数据进行平移，得到i_d″。

将d轴正方向平移到90°处虽然能提高精度，但精度不一定最高。所以应探究将d轴正方向平移到何处时傅里叶拟合的精度达到最高。然后我们通过试验发现将d轴正方向平移到180°处拟合的精度最高，所以以后平移时应该将d轴正方向平移到180°处。

i_d'响应曲线的横坐标是脉冲电压矢量与定子a相之间的夹角，纵坐标是在该角度下施加脉冲电压矢量所得到的i_d'响应值。i_d'响应曲线最大值所处的位置就是d轴正方向，也就是d轴正方向与定子a相之间相差的电角度值。平移操作其实就是对i_d'响应曲线的横坐标进行了变换处理，将d轴正方向平移到180°处，使d轴正方向的左右两边都有较多的数据点，这能提高傅里叶拟合的精度与可靠性。本步骤中得到的i_d'就是下一步骤中“平移后的i_d'”。为了加以区分，在正文中将“平移后的i_d'”命名为i_d″；

(6)采用三阶傅里叶拟合i_d″响应数据点，检测出数据点最大值所处的位置Y°。

(7)平移前d轴正方向所处的位置即为Y°-X°。根据初始角为使永磁体的d轴与定子绕组a相轴线对齐而旋转的电角度得知转子的初始位置。

i_d'响应曲线的横坐标是脉冲电压矢量与定子a相之间的夹角，纵坐标是在该角度下施加脉冲电压矢量所得到的i_d'响应值。i_d'响应曲线最大值所处的位置就是d轴正方向，检测出该值，也就检测出了d轴正方向与定子a相之间相差的电角度值，从而也就知道了转子的初始位置。举个例子，假设d轴正方向处于30°附近，我们将d轴正方向往右平移到180°附近，得到i_d″，平移量为150°。拟合i_d″响应曲线，发现其最大值所处的位置为181.3°，但因为我们将d轴正方向往右平移了150°，所以d轴正方向实际所处的位置为181.3°-150°＝31.3°。也就是说，d轴正方向与定子a相之间相差31.3°电角度，从而也就知道了转子的初始位置。

在图2的例子中，原始的定位误差为8.4°，而采用平移算法时的定位误差为0.6°。在图5的例子中，原始的定位误差为1°，而采用平移算法时的定位误差为0.5°，这充分证明了平移算法的优越性。