一种永磁同步电机转子初始位置检测方法
【专利摘要】本发明涉及一种永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测新方法,该方法无需提取出高频电流的负序分量，采用离散傅里叶变换(DFT)提取出高频电流d、q轴分量的幅值，通过二者幅值之间的关系得到包含转子位置信息的误差项，然后利用PI调节器从误差项中提取出转子位置角。利用电机的铁芯饱和效应，通过高频电流矢量幅值的变化特性判断磁极N/S极性。该方法与传统外差法相比，不仅与注入信号初始相位无关，且不需要使用大量滤波器，其结构简单，易于数字实现，为基于高频注入法的无传感器控制中转子位置角的提取提供了一种新方法。
【专利说明】
一种永磁同步电机转子初始位置检测方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法，尤其是内埋式永磁 同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法。
【背景技术】
[0002] 在无传感器控制系统中，电机启动时若不能获得精确的转子初始位置角，轻则导 致磁链和力矩不完全解耦，恶化系统性能，严重时会引起长时间的启动电流冲击甚至损坏 变频器和电机。对于转子磁钢内埋式的PMSM，高频注入法是一种实用的转子位置辨识方法。 该方法先用滤波器分离出高频电流响应中的负序分量，然后利用外差法从中提取出含有转 子空间位置信息的误差项再通过龙贝格观测器获得转子位置角。这种方法不仅在提取负序 分量时需使用大量滤波器，造成信号相位延迟，且外差法外乘的三角函数与高频载波信号 有关，实际中由于采样、通信、信号处理的延时，得到的转子位置角中叠加了载波信号的相 位角，造成位置信息的估计误差。而且龙贝格观测器与电机机械方程有关，需要转动惯量等 机械参数，在某些场合无法获得精确的参数。
【发明内容】
[0003] 本发明旨在提供一种永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法，以解决现有永 磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法需要大量滤波器、计算复杂、造成转子位置信息 估计误差的问题。本发明的具体方案如下：
[0004] 一种永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法，包括以下步骤：
[0005] 步骤1:在估计坐标系dq的1轴和^轴分别注入高频旋转电压气彳和^^，得到含有 转子位置信息的高频电流响应&和& :
[0006] 步骤2:通过离散傅里叶变换(DFT)对所述高频电流响应~和~进行解调，提取所述 高频电流响应分量的幅值_|2和 y计算所述幅值平方差，得到所述转子位置的误差项
Λ 2
[0007] 步骤3:利用PI调节器- t将所述误差项调节至零以提取出转子位置角$ ; d q.
[0008] 步骤4:检测所述高频电流响应的所述幅值达到最大时对应的相位即可得到转子N 极的位置ΘΝ，将ΘΝ与提取出的转子位置角g作比较，若ΘΝ与g相差小于90°，则所述提取出的 转子位置角^为实际转子位置Θ，若ΘΝ与&相差大于90°，则所述提取出的转子位置角?加上 180°为实际转子位置Θ。
[0009] 采用上述技术方案，本发明具有的有益效果是：
[0010]本发明提供了一种永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测方法，该方法与传统外 差法相比，不仅与注入信号初始相位无关，且不需要使用大量滤波器，其结构简单，易于数 字实现，为基于高频注入法的无传感器控制中转子位置角的提取提供了一种新方法。本方 法尤其适用于内埋式永磁同步电机(PMSM)转子初始位置检测。
【附图说明】
[0011]图1示出了 DFT解调的转子位置角提取原理图；
[0012] 图2示出了 d轴定子磁链和电流关系；
[0013] 图3示出了磁极极性辨识的转子初始位置角检测原理图；
[0014] 图4示出了高频电流DFT幅值提取波形；
[0015] 图5(a)示出了含位置信息的误差项波形；
[0016] 图5(b)示出了角度波形；
[0017] 图6示出了硬件实验平台；
[0018] 图7示出了不同初始位置下高频电流矢量轨迹；
[0019] 图8(a)示出了初始位置检测实验结果的实际值和检测值；以及
[0020] 图8(b)示出了初始位置检测实验结果的检测误差。
【具体实施方式】
[0021] 为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部 分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参 考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。
[0022]现结合附图和【具体实施方式】对本发明进一步说明。图1是DFT解调的转子位置角提 取原理图。为了分析高频电流信号的DFT解调原理，在dq坐标系基础上，引入一个新的坐标 系说，其按照= 为转子位置角Θ的估计值)旋转，则该坐标系的变换矩阵可表示 为：
[0023]
[0024] 由于注入高频电压激励信号的角速度远远大于转子角速度，因此永磁铁磁链 相比于定子电流产生的磁链可忽略不计，将dq坐标系下的磁链方程变换到％坐标系下，有：
[0025]
[0026] 将上式变形，得到电流响应表达式为：
[0027]
[0028] 式中：Lz = (Ld+Lq) /2，La = (Lq_Ld) /2。
[0029] 注入如下形式的旋转高频电压激励：
[0030]
(4)
[0031] 式中：m为注入信号幅值，〇^为注入信号频率。根据磁链-电压方程r.. = ，可得：
[0032]
[0033] 将式(5)代入式(3)中可得高频电流响应：
[0034]
[0035]
[0036] 根据式(6)可得电流分量的幅倌表达式为：
[0037]
[0038]
[0039]
[0040] 由式(8)可以看出，高频电流响应信号的d、q轴分量幅值关系式中包含了转子位置 信息，而电流的幅值可以通过傅里叶变换得到。类比于外差法，若要从误差项中提取转子位
[0042] 贝1J，在^坐标系中 置角，则误差项需要化简为sin(20)形式。因此，可将转化成dq坐标系，其坐标变换矩阵 为：
[0041]
[0043]
[0044] 因此，通过上述分析可知，利用PI调节器将式（10)所示的误差项闭环调节至0后， 得到的角度信息即为转子位置角g。
[0045] 参照图2和图3说明如何判断转子磁极极性，从而确定实际转子位置。图2示出了d 轴定子磁链和电流的关系。由图中可知，定子铁芯的饱和程度与d轴电流大小有关，当d轴电 流产生的磁通分量与转子磁通方向相同时，饱和程度增加；当d轴电流产生的磁通分量与转 子磁通方向相反时，饱和程度减弱。由于这种饱和效应的存在，当注入高频旋转电压激励 时，产生的高频电流响应会受到调制，当高频电流响应矢量信号转到转子N极时，幅值达到 最大，相反当转到S极时饱和程度减弱，电感增大，电流幅值减小。
[0046] 根据上述原理，检测高频电流响应信号的幅值达到最大时对应的相位即可得到转 子N极的位置ΘΝ，这个角度与转子实际位置角误差较大，但可以用来判断磁极极性。将Θ Ν与前 文中基于DFT高频电流解调提取出的转子位置角^进行比较，若二者相差小于90°，则提取 出的转子位置角^即为实际转子位置角Θ;若二者相差大于90°，则提取出的转子位置角§为 S极位置，加上180°即为实际转子位置角Θ。加入磁极极性辨识的DFT法转子初始位置角检测 原理如图3所示。因此，本发明的内埋式PMSM转子初始位置检测方法包括以下步骤：
[0047] 步骤1:在估计坐标系的3轴和q轴分别注入高频旋转电压气纟和1%，得到含有 转子位置信息的高频电流响应&和$ . 9
[0048] 步骤2:通过离散傅里叶变换(DFT)对所述高频电流响应$和^进行解调，提取所述 高频电流响应分量的幅值_|2和>计算所述幅值平方差，得到所述转子位置的误差项
2 ?-
[0049] 步骤3:利用PI调节器将所述误差项iA 调节至零以提取出转子位置角 ? .q
[0050] 步骤4:检测所述高频电流响应的所述幅值达到最大时对应的相位即可得到转子N 极的位置ΘΝ，将ΘΝ与所述提取出的转子位置角g作比较，若ΘΝ与|相差小于90°，则所述提取 出的转子位置角g为实际转子位置Θ，若ΘΝ与&相差大于90°，则所述提取出的转子位置角备 加上180°为实际转子位置Θ。
[0051 ] 本发明通过仿真和实验来验证其有效性和准确性。在Matlab/Simulink软件平台 上进行仿真，需要注意的是电机元件模型忽略饱和效应，因而无法依据铁芯饱和特性进行 磁极极性辨识的仿真。本文先在软件环境中验证基于DFT解调的转子位置角提取方法的正 确性，然后在dSPACE硬件在线平台中验证基于该方法的转子初始位置角检测。仿真电机参 数与实验电机一致:额定功率2kW，额定电流8A，电枢每相绕组电阻为7 Ω，直轴电感2.5mH， 交轴电感8.5mH，极对数为3。注入高频电压频率1250Hz，幅值5V。
[0052]图4所示为注入高频旋转激励后感应的高频电流d轴分量及其幅值波形。由图可 知，所设计的高频电流信号DFT解调法，能够将注入频率的高频电流幅值提取出来，进而为 实现从幅值关系中提取转子位置误差项奠定基础
[0053]图5所示为基于DFT高频电流解调法的转子位置角提取波形，其中图（a)所示为根 据d、q轴电流幅值关系得到的误差项波形，图（b)所示为利用PI调节器从 误差项中提取出的角度与实测角度波形。由图中可知，该方法能够提取出转子位置角且精 度高、响应快。
[0054] 为验证上述基于DFT高频电流解调的转子初始位置检测方法的有效性，搭建了如 图6所示的内埋式PMSM变频调速实验平台。主要由内埋式永磁同步电机，通用变频器DR50A 及dSPACE实时仿真系统组成。dSPACE单板处理器DS1104自动完成代码的编译然后产生PWM 脉冲驱动开关器件工作。通过编码器测得转子实际位置，注入频率1250Hz，幅值10V的旋转 高频电压，对高频电流进行DFT法解调进而提取出转子位置。
[0055] 图7所示为不同初始位置时高频电流矢量的轨迹波形，从图中可以看出，高频电流 的轨迹为一椭圆，且椭圆的长轴与水平线的夹角即为转子位置角。
[0056] 图8所示为基于DFT高频电流解调初始位置检测的实验结果。转子实际位置事先用 编码器测得，然后在无基波激励下对高频电流进行解耦进而提取出转子位置，对检测结果 误差进行曲线拟合，如图（b)所示，检测结果与实际结果在5°电角度内，精度较高，能够满足 矢量控制要求。
[0057]尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明 白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对 本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
【主权项】
1. 一种永磁同步电机转子初始位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤1:在估计坐标系dq的(1轴和q轴分别注入高频旋转电压1^和1^,得到含有转子 位置信息的高频电流响应匕和^ . s. 步骤2:通过离散傅里叶变换(DFT)对所述高频电流响应^和·^进行解调，提取所述高频 电流响应分量的幅值^ 2和& 2计算所述幅值平方差，得到所述转子位置的误差项步骤3:利用PI调节器将所述误闭环调节至零以提取出转子位置角^ . 步骤4:检测所述高频电流响应的所述幅值达到最大时对应的相位即可得到转子N极的 位置ΘΝ，将ΘΝ与提取出的转子位置角^作比较，若0〃与^相差小于90°，则所述提取出的转子 位置角g为实际转子位置Θ，若0〃与&相差大于90°，则所述提取出的转子位置角I加上180° 为实际转子位置Θ。
【文档编号】H02P6/18GK105932912SQ201610328768
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年5月17日
【发明人】张辑, 陈丽安, 郑雪钦
【申请人】厦门理工学院