一种永磁同步电机初始位置检测方法与流程

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种永磁同步电机初始位置的检测方法。

背景技术：

现有的永磁同步电机初始位置检测方法主要有以下几种：

预定位法：在电机启动前向电机施加一个直流电信号，让电机转子转动，锁定到一个指定的角度，优点是得到的转子初始角度就是转子实际的角度；但缺点也很明显，如果转子实际位置和施加的指定位置相差较大，会造成转子过大的转动，在有些场合下不允许转子有过大的转动；

电压脉冲法：在电机静止时施加幅值相同、方向不同的一系列电压脉冲，检测并比较其相应的定子电流大小来估算转子位置。该方法通过不断的角度细分进行判断，理论上可以实现较高的检测精度，且不依赖电机参数，但是随着估计角度的逐渐逼近，电流值相近难以分辨，检测难度会增大进而造成检测误差；

高频脉振电压注入法：利用电机磁饱和效应，向d轴注入高频脉振电压信号后，对q轴电流进行多次滤波器处理后进行提取含转子位置信息的信号，通过pid调节最终得到估计角度。滤波器的使用会引起相位延迟，相位延迟量很难精确补偿，会降低位置估计的准确性，且整个过程算法较复杂，不利于推广使用。

除了预定位法外，其他方法检测出来的转子值只能保证在一定范围精度内，仍然存在检测误差，而实际检测的误差大小和电机参数、电流采样精度、实验条件等密切相关，很难保证达到理论的精度。

技术实现要素：

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种永磁同步电机初始位置检测方法。采用高频脉振注入+预定位法的初始位置检测原理，先利用高频脉振注入法检测到转子初始位置估计值在此基础上，再通过预定位法使转子固定到转子估计值处。有效解决了传统高频脉振注入法滤波器相位滞后造成的估计误差问题，同时简化了算法，提高了转子位置估计精度。和传统高频脉振注入法相比，具有检测精度高、实现简单、实用性强等优点。

本发明提供的永磁同步电机初始位置检测方法，具体包括以下步骤：

步骤(1)，在所述永磁同步电机的两相旋转估计坐标系上注入高频脉振电压，通过检测反馈电流得到转子初始位置初次估计值

步骤(2)，向电机绕组施加两次电压脉冲矢量，根据d轴电流值判断d轴正方向，并得到转子初始位置最终估计值

步骤(3)，采用预定位法将转子锁定到所述转子初始位置最终估计值处，转子初始位置检测完成；

优选地，所述步骤(1)检测转子初始位置初次估算角的具体过程如下：

步骤(1.1)，在所述永磁同步电机的两相旋转估计坐标系上注入高频脉振电压信号，注入角度在180°角度范围内进行扫描，每次施加时间周期为t，每周期递增5°，得到反馈电流

步骤(1.2)，对所述反馈电流进行低通滤波提取其幅值，然后计算幅值与幅值的差值；

步骤(1.3)，比较不同角度下所述差值的大小，最大电流幅值差值对应的角度即为转子初始位置初次估计角。

优选地，所述步骤(2)判断d轴正方向的具体过程如下：

步骤(2.1)，得到所述转子初始位置初次估计角后，向估计坐标系的直轴分别注入两次电压脉冲信号两次注入角度分别为

步骤(2.2)，比较两次反馈电流的大小，若注入角度对应的更大，则表明就是直轴方向，则转子补偿值转子的最终估计角度反之，为直轴反方向，转子补偿值转子的最终估计角度完成d轴正方向的判断，并得到转子初始角度最终估计值

优选地，所述步骤(3)预定位法的具体过程为：向估计交轴上注入直流电压信号注入角度为所述步骤(2)得到的最终估计角度通过预定位法将转子最终锁定到所述最终估计角度处，转子初始位置检测完成。

优选地，所述的高频脉振电压信号为高频余弦信号，其频率ωh需要远大于所述电机的额定频率，且需要远小于igbt的载波频率；所述的高频脉振电压信号每次施加时间周期t为高频信号频率周期的10-20倍；

优选地，所述检测方法用于检测隐极和凸极两种pmsm转子初始位置。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)相比传统高频脉振电压法，简化了其复杂的实现算法，避免了滤波器带来的相位滞后而造成检测误差的问题；

(2)有效解决了直接预定位法造成转子转动量过大的问题；

(3)通过预定位法将转子固定到转子初始位置最终估计值处，理论上最终检测得到的转子初始值就是转子的实际位置，具有检测精度高、实现简单、实用性强等优点。另外本发明无需额外改变或添加硬件电路。

附图说明

图1为永磁同步电机转子初始位置检测控制原理图；

图2为两相静止坐标系、实际两相旋转坐标系与估计两相旋转坐标系的关系示意图；

图3为永磁同步电机转子初始位置检测流程图；

图4为转子实际初始位置为18°时的simulink仿真结果图；

图5为转子实际初始位置为30°时的simulink仿真结果图；

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施例

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明提供了一种永磁同步电机初始位置检测的控制系统。

初始位置检测原理如下：

为简化分析，假设磁场在空间分布是正弦的，并且忽略涡流损耗和磁滞损耗，高频激励下的pmsm电压方程为

(1)式中：udh、uqh和idh、iqh分别为转子d-q旋转坐标系下高频定子电压、电流分量；rdh、rqh和ldh、lqh分别为该坐标系下各轴高频电阻和电感；d为微分算子。假定注入到电机中的高频信号的频率为ωh，则稳态下式(1)可写为

(2)式中：zdh、zqh分别为转子速旋转坐标下的d、q轴高频阻抗

如图2所示，轴与α轴夹角为估算角实际转子位置角为θ，估算的轴和实际d轴间夹角为δθ，有以下关系式：

图2对应的坐标系变换矩阵为

考虑到为了减小电机的转矩脉动，选择在估计的同步旋转坐标系轴上注入高频脉振电压信号，高频脉振电压信号为：

可得到估计的两相旋转坐标系下的电流响应为

式中：

对反馈的dq轴电流低通滤波后，提取幅值

由(7)式可知，估计坐标系下的电流值均包含估算角误差信息，对其低通滤波提取幅值后，根据电流幅值大小来判断转子初始位置的初次估计值。

图1为本发明提出的永磁同步电机初始位置检测的控制系统原理图，图3为永磁同步电机转子初始位置检测流程图，本发明提出的转子初始位置检测过程分为以下三部分：

步骤1，检测转子初始位置初次估计值：选择两相旋转估计坐标系，注入高频脉振电压，图1中电压施加模型输出为检测反馈电流并进行低通滤波处理，由(7)式可知，包含转子位置信息，为了提高分辨率，通过计算两者差值并比较，得到转子初始位置初次估计值

步骤2，判断d轴正方向：向估计直轴上分别在和两个相反方向注入电压脉冲信号比较两次反馈电流的大小，若注入角度对应的更大，则表明就是实际的直轴方向，则转子补偿值转子的最终估计角度反之，为直轴反方向，转子补偿值转子的最终估计角度完成d轴正方向的判断；

步骤3，采用预定位法将转子锁定到处：向估计交轴上注入直流电压信号角度为步骤2得到的最终估计角度将转子最终锁定到处，转子初始位置检测完成，最终估计角度就是转子的实际位置值。

为了验证所述方法的可行性，在simulink中进行了仿真验证，具体结果如下：

如图4所示，当转子初始位置为18°时，转子初始位置最终估计值为20°，转子最终实际位置为21°。

如图5所示，当转子初始位置为30°时，转子初始位置最终估计值为30°，转子最终实际位置为30°。

上述两个仿真实例表明初始位置检测过程中转子最大转动量在10°以内，检测误差在1°以内，验证了本发明所提方法的有效性。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。