阅读说明：本技术 一种永磁同步电机初始相位检测系统 (Permanent magnet synchronous motor initial phase detection system ) 是由 陈天航 刘雄 王昌杰 占颂 熊烁 聂文强 宋宝 唐小琦 周向东 江平 于 2019-10-22 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种永磁同步电机初始相位检测系统,属于永磁同步电机技术领域。现有技术中,存在检测转子初始相位偏差大甚至不能检测等问题。本发明提供了一种永磁同步电机初始相位检测系统,其特征在于：该检测系统包括：速度环及电流环调节器模块、坐标变换模块、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块、三相逆变电路模块、传感器及速度计算模块、永磁同步电机模块；其特点是初始相位检测误差小。(The invention relates to a system for detecting an initial phase of a permanent magnet synchronous motor, and belongs to the technical field of permanent magnet synchronous motors. In the prior art, the problems that the initial phase deviation of a rotor is large or even the rotor cannot be detected exist. The invention provides a permanent magnet synchronous motor initial phase detection system, which is characterized in that: the detection system includes: the device comprises a speed loop and current loop regulator module, a coordinate transformation module, a Space Vector Pulse Width Modulation (SVPWM) module, a three-phase inverter circuit module, a sensor and speed calculation module and a permanent magnet synchronous motor module; its advantages are small initial phase error.)

一种永磁同步电机初始相位检测系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机技术领域，具体涉及一种永磁同步电机初始相位检测系统。

背景技术

目前，随着中国制造2025的提出，许多食品加工、芯片制造、汽车生产等行业公司引进自动化生产线或者加大产线的自动化程度。为了保证生产可靠、加工精度高等，自动化生产线往往使用伺服控制系统。相比与电液伺服控制系统，永磁同步电机伺服控制系统能够满足不同功率要求，并且安装简单方便，能够实现高精度控制，保证产品的可靠性。

永磁同步电机伺服控制往往使用磁场定向控制或者直接转矩控制策略，这些控制策略要求在启动阶段完成转子初始相位的获取及电机动力线相序正确连接，在电机启动后能够实时获取转子电角度和速度。

永磁同步电机初始相位指的是电机启动前对应的转子初始位置电角度，初始相位检测的准确度影响着伺服系统的启动性能。采用磁场定向控制策略的伺服系统，若出现转子初始相位检测误差大的情况，控制系统输出转矩电流不在实际转子q轴上，会导致电机振动或者反转等启动异常问题，输出的转矩电流在实际转子d轴上存在分量，可能导致永磁体温度高，从而引起在电机寿命周期内永磁体磁通会下降等问题。当前在工业上使用磁栅正余弦编码器、增量式光电编码器、霍尔效应位置传感器等速度传感器，存在检测转子初始相位等偏差大甚至不能检测等问题，需要使用绝对式编码器、旋转变压器等高精密设备，提高了伺服系统成本。因此，对永磁同步电机初始相位检测技术进行研究具有十分重要的意义。

发明内容

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相位检测系统，其特征在于：该检测系统包括：速度环及电流环调节器模块、坐标变换模块、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块、三相逆变电路模块、传感器及速度计算模块、永磁同步电机模块；

指令速度ωref结合速度反馈值输出指令经所述速度环及电流环调节器模块的自动速度调节器ASR(automatics speed regulator)输出q轴指令电流i_qref，d轴指令电流i_dref和q轴指令电流i_qref分别结合d轴电流响应信号、q轴电流响应信号，再分别经过所述速度环及电流环调节器模块的自动电流调节器ACR(automatics current regulator)输出q轴电压u_q、d轴电压u_d，q轴电压u_q、d轴电压u_d经过所述坐标变换模块的ipark变换得到α-β坐标系下的电压信号，α-β坐标系下的电压信号信号经过所述空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块得到六路开关信号，所述六路开关信号经过所述三相逆变电路模块，由所述三相逆变电路模块产生的三相电压ua、ub、uc，其中ua、ub对应的输出电流ia、ib经过所述坐标变换模块的克拉克(Clark)变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号，所述两相静止α-β坐标系下的电流信号再经所述坐标变换模块的park变换得到转子同步旋转d-q坐标系下的所述d轴电流响应信号、所述q轴电流响应信号，所述d轴电流响应信号、所述q轴电流响应信号即为电流环反馈信号；

由所述三相逆变电路模块产生的三相电压ua、ub、uc作为所述永磁同步电机模块的输入电压，再由所述传感器及速度计算模块对所述永磁同步电机模块的转速及转子位置进行检测，并输出所述速度反馈值。

优选地，所述检测系统还包括控制单元；

所述控制单元对所述检测系统进行初始化，在t＝0时,令n＝0,α0＝0,i_dref＝I,i_qref＝0；

所述控制单元施加d轴电压矢量，初始相位角为α，然后判断所述速度反馈值是否为0；如果所述速度反馈值不为零，令n＝n+1,并修正相位角α＝α+αn，其中然后所述控制单元再次施加d轴电压矢量，相位角为α＝α+αn，再次判断所述速度反馈值直至所述速度反馈值为0，并且稳定时间t大于0.5s；最后所述控制单元输出所述修正相位角α；

其中t是稳定时间，n为自然数，i_dref为d轴指令电压，i_qref为q轴指令电压，I为d轴施加电流矢量，大小可根据电机额定电流设置，范围为额定电流的80％-100％。

优选地，所述系统还包括增量式编码器，所述增量式编码器设置在所述传感器及速度计算模块和所述永磁同步电机模块之间。

优选地，所述传感器及速度计算模块包括增量式光电传感器和编码器值变化量计算模块，所述检测系统还包括控制单元；

所述控制单元对所述检测系统进行初始化，令θ₀＝0，n＝0,θ＝θ₀,θ₁＝0；然后施加电角度为θ的电压矢量并获取编码器值变化量d；

当d值不为0，n＝0时，判断d是否大于0，如果大于0，令θ₀＝180度，θ₂＝360度，d2＝d,d0＝-1,θ₁＝270度，n＝n+1；如果小于0，令θ₀＝180度，d0＝d,d2＝-1,θ₁＝90度，n＝n+1；最后令θ＝θ₁,再次施加电角度为θ的电压矢量并获取编码器值变化量d，并再次进行判断；

当d值不为0，n不为0时，令d1＝d，判断d0*d1是否小于0，如果小于0，θ₂＝θ₁，d2＝d1；如果大于等于0，θ₀＝θ₁，d0＝d1；最后令θ₁＝(θ₂+θ₀)/2,θ＝θ₁,再次施加电角度为θ的电压矢量并获取编码器值变化量d，并再次进行判断；

直至d＝0，且维持1s，则输出转子初始相位θ；

其中θ₀表示二分法相位的左边界，θ₂表示二分法相位的右边界，θ₁表示二分法相位区间的中间值，即下次施加电压矢量的电角度，搜索区间左边界电压矢量对应的编码器值变化量表示为d0，中间电压矢量对应的编码器值变化量为d1,搜索区间右边界电压矢量对应的编码器值变化量表示为d2。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明提供的永磁同步电机初始相位检测系统初始相位检测误差小；

(2)本发明提供的永磁同步电机初始相位检测系统可自动化完成检测与校正。

附图说明

图1是本发明永磁同步电机检测系统框图；

图2是本发明反正弦初始相位逼近控制框图；

图3是本发明反正弦相位逼近流程图；

图4是本发明二分法初始相位检测控制框图；

图5是本发明二分法初始相位检测流程图。

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。

具体实施方式

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。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

一、电机模型于控制策略

永磁同步电机由电压、磁链、转矩和机械运动等方程组成，方程中p表示微分算子d/dt，经过等幅值坐标变化，把定子的电压、电流、和磁链都变换到dq坐标系上，则旋转坐标系dq下的电压方程为：

其中u_d、u_q、ψ_d、ψ_q、i_d、i_q分别为dq上的电压、磁链、电流分量，ω为同步坐标系的旋转速度，即电角速度，R_s为各相绕组阻值。

将定子三相磁链ψ_A、ψ_B、ψ_C变换到dq上，得到在dq坐标系下的磁链方程为：

其中L_d、L_q分别为d轴、q轴上的电感分量。

旋转坐标系下的转矩方程为：

其中p_n表示电机极对数。

在伺服系统中的永磁同步电机，不仅要承受负载还要克服摩擦转矩和惯性力作用，因此，转矩平衡方程为：

其中T_L为负载转矩，B为摩擦系数，J为系统转动惯量。

在永磁同步电机运动控制中，一般采用矢量控制实现定子电流解耦，分解为dq坐标系下的励磁电流和转矩电流。本发明选择i_d＝0的矢量控制策略，即定子电流的励磁电流在控制过程中始终为0。将式(1.1)简化得到：

由q轴电压方程可得到：定子绕组生成的空间磁动势分量与永磁体的空间磁场矢量成90°，则有电磁转矩与q轴电流成正比，对式(1.3)进行化简：

由于永磁体的磁链ψ_r不变，电磁转矩仅与q轴电流幅值有关，则控制q轴电流大小就能够实现对电磁转矩控制，故该控制策略算法简单，控制灵活，电机转速适合在额定转速范围内运行。

本发明采用i_d＝0的永磁同步电机初始相位检测的系统，如图1所示。该检测系统主要包含下面几个部分：速度环及电流环调节器模块、坐标变换模块、空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块、三相逆变电路模块、传感器及速度计算模块、永磁同步电机模块。

指令速度ωref经自动速度调节器ASR(automatics speed regulator)输出q轴指令电流i_qref和d轴指令电流i_dref，再分别经过自动电流调节器ACR(automatics currentregulator)输出q轴电压u_q、d轴电压u_d，q轴电压u_q、d轴电压u_d经过ipark变换得到α-β坐标系下的电压信号信号，α-β坐标系下的电压信号信号经过空间矢量脉冲宽度调制(SVPWM)模块得到六路开关信号，六路开关信号经过三相逆变器，由逆变器产生的三相电压ua、ub、uc，其中ua、ub对应的输出电路ia、ib经过克拉克(Clark)变换得到两相静止α-β坐标系下的电流信号，两相静止α-β坐标系下的电流信号再经派克(Park)变换得到转子同步旋转d-q坐标系下的d轴电流响应信号、q轴电流响应信号，d轴电流响应信号、q轴电流响应信号即为电流环反馈信号。

由逆变器产生的三相电压ua、ub、uc作为电磁同步电机PMSM的输入电压，再由传感器对电磁同步电机PMSM的转速及转子位置进行检测，并输出速度反馈值。

转子位置定位是通过施加电流矢量，在电流矢量作用下，转子的N极与电流矢量对齐。根据坐标变化和永磁同步电机PMSM分析，本发明提出电流闭环锁定转子位置控制策略。

电流环采用PI控制，锁定的转子位置与施加的电流矢量有关，本发明通过d轴指令电流I_dref＝I_s和电角度θ＝θ₀设置锁定转子的位置和锁定力矩大小，设置q轴指令电流i_qref＝0。

二、初始相位检测

绝对式光电编码器初始相位检测技术

绝对式光电编码器的转轴在不同位置时所对应光电编码值唯一，具有掉电记忆功能，在下次上电时，能够根据光电编码值计算出转轴位置，因此可以使用绝对式编码器检测转子初始相位。绝对式编码器采用协议传输数据，协议中包含编码器转轴的单圈位置、多圈位置、报警信息、EEPROM内容等，其中单圈位置是编码器转轴所在位置对应光电编码值。

在绝对式编码器装配过程中，电机厂商使用预定位法将电机转子锁定在固定相位θ_s，通过协议对编码器进行单圈位置复位，即编码器零点与转子相位θ_s对齐。在检测系统上电时，通过协议下发读取单圈位置指令，编码器反馈协议数据帧，控制器对协议数据帧进行解析，提取转子单圈位置值V_E，根据式(2.1)计算转子初始相位θ₀。

式中p为电机极对数，V_C为编码器单圈脉冲个数，θ₀与θ_s单位为rad。

检测系统使用绝对式光电编码器获取的转子初始相位的精度与很多因素有关。最主要的因素是绝对式编码器的分辨率，常见的绝对式编码器位数有17bit、19bit、20bit、23bit等，绝对式编码器位数选型与系统要求精度有关。其次，在对编码器零点校正过程中，编码器零点调整仪器的精度和工人操作误差也是初始相位检测精度影响因素。

因此，绝对式光电编码器获取转子初始相位方法过程简单，能够准确获得初始相位。但是，由于绝对式编码器存在协议解析以及编码器本身价格昂贵问题，许多低端自动化设备中未能得到使用。

增量式光电编码器初始相位检测技术

不同于绝对式编码器，增量式光电编码器通过码盘刻线位置差产生电平高低变化的脉冲信号，它的结构简单能够小型化。增量式光电编码器根据有无霍尔传感器分为两种。无霍尔传感器的增量式编码器在上电时，无法获取转子的初始相位。有霍尔传感器的增量式编码器可以通过霍尔传感器的状态估计转子初始相位。本节分析和实现有霍尔传感器增量式光电编码器初始相位检测方法，下文无特殊说明则增量式光电编码器即为有霍尔传感器。

一般有霍尔传感器的增量式光电编码器并行输出A、B、Z、U、V、W信号，以多摩川增量式编码器为例，霍尔信号传递通过6根差分信号线(U+、U-、V+、V-、W+、W)，差分信号转换模块将霍尔信号转换为单端信号，传输到主控芯片引脚上。

转子逆时针旋转(CCW，Counter Clockwise)时霍尔传感器UVW信号的状态，检测系统根据霍尔UVW信号电平高低确定转子磁极定位编码。编码器Z信号高电平出现在霍尔U相信号的上升沿，电机厂商在生产时，一般将Z信号高电平状态与转子电角度0位置对齐，则磁极定位编码与转子位置关系如图表3.1所示。检测系统上电时，霍尔传感器根据转子当前位置反馈霍尔UWV信号，主控芯片根据U、V、W信号对应的引脚电平状态判断转子磁极对应的编码，通过查表2.1估计转子初始相位，由表2.1可知，转子初始相位值存在电角度误差。

表2.1磁极定位编码与转子位置关系

因此，增量式编码器反馈的霍尔UVW相信号可以估计转子初始相位，但估计误差相对绝对式编码器较大，当转子旋转到Z脉冲信号位置，检测系统才能准确获取转子相位。转子从初始位置转到Z脉冲信号位置的过程，转子相位不准确，会导致转矩波动，需要提高增量式编码器检测初始相位精度。

基于增量式编码器的反正弦逼近初始相位检测技术

无霍尔传感器的增量式光电编码器不能反馈转子初始相位，有霍尔传感器的光电编码器存在估计转子初始相位误差大的问题。增量式编码器作为伺服系统速度反馈传感器，转子第一次过Z脉冲零点前，转子相位存在一定误差，但通过编码器AB脉冲信号能准确计算转子转速。本发明根据增量式编码器计算转子转速与相位无关的特点，提出一种以零速为控制目标的反正弦逼近转子初始相位的方法。

反正弦相位逼近转子相位法采用速度闭环与电流闭环，施加d轴电流矢量i_dref，初始矢量相位角α设置为0°，如图2所示。速度调节器的输出作为相位校正及矢量角计算模块的输入。电流环采用闭环控制策略，其中指令力矩电流i'_qref设置为0。电流矢量施加后转子产生微动，指令速度为0的速度环调节器输出q轴指令电流i_qref。将d轴指令电流i_dref和q轴指令电流i_qref作为反正弦函数输入，求出相位修正角α_n。

每次相位修正角求和作为下次d轴电流矢量相位角α，当施加d轴电流矢量，转子不微动，保持0.5s认为该相位角α_pst即为检测结果。

常规的PID控制器，设置指令速度ω_ref＝0，电机负载转矩逆时针方向增大导致转子逆时针微动，速度传感器反馈ω_Fdb＞0，经过偏差计算输入到PID控制器中，PID控制器输出i_qref＜0，即对电机施加反相电磁转矩保持系统稳定。i_qref幅值的大小与偏差计算结果成正比。

本发明采用以PID控制器作为速度环调节器，电流环调节器使用PI控制器，反正弦逼近初始相位实现流程图如图3所示。对于不同功率电机，d轴施加的电流矢量I大小不同，可根据电机额定电流进行设置，一般设置范围为额定电流80％-100％。

上述方法在转子初始相位未知情况下，向永磁同步电机定子线圈通入d轴电流矢量，转子相位与作用电流矢量相位差引起转子转动，将速度环PID输出作为相位纠正输入，从而使d轴电流矢量逼近转子相位，从而完成初始相位检测。检测过程中相位角逼近速度与速度环PID参数有关，同一电机设备，相同的转子转速波动，速度环增益越大、积分时间常数越小，速度环输出越大，相位角修正越快。转子在电流矢量作用下的转子转动范围，和电流矢量初始相位与转子初始相位差有关，相位差大，则检测带来的转子波动大，甚至严重改变转子初始相位。由此可见本方法可以逼近转子初始相位，相对于预定位法，相位检测缩小了转子波动范围，但检测过程中的转子波动范围仍不可控。针对该问题，进行相位搜索研究，减小初始相位检测过程中的转子波动范围。

基于增量式编码器的二分法初始相位检测技术

常见的搜索方法顺序查找、二分查找、差值查找以及斐波那契查找法。顺序查找将在电角度[0,360°]范围内依次施加电压矢量，判断施加电压矢量后编码器反馈值是否变化，当编码器反馈值不变，该电压矢量对应的电角度即作为转子初始相位。顺序查找的时间复杂度为O(n)，n为电角度细分倍数，顺序查找最差情况会施加n次电压矢量，多次电压矢量作用会导致转子初始相位变动大。

二分查找法首先分别施加电角度0°和180°的电压矢量，根据编码器反馈值判断转子电角度范围(0,180°)或(180°,360°)，再施加中间电压矢量，依据中间电压矢量作用下编码器值变动情况，缩小电角度范围，编码器值不发生改变的电压矢量对应的电角度即作为转子初始相位。二分查找的时间复杂度为O(log₂n)，搜索过程中施加的电压矢量次数少，操作简单。

差值查找法和斐波那契查找法最坏情况下时间复杂度分别为O(log₂(log₂n))、O(log₂n)，搜索相对于二分法更快。但在相位搜索过程中，要求每次施加电压矢量作用时间和电压矢量幅值相同，根据编码器反馈值变换的大小和正负判断下次施加电压矢量的电角度。但施加电压矢量的幅值和作用时间难以选择，在相同的作用时间内，当施加相同幅值的电压矢量与转子位置垂直时，转子会出现大幅度转动。因此，本节采用二分法作为转子初始相位搜索算法。

二分法初始相位检测在预定位法的基础上，通过对相位进行二分法搜索获取转子的初始相位。对电机定子施加电压矢量，在电压矢量作用下转子转动，将转子转动引起的增量式编码器反馈信号的增减，作为相位搜索判断条件，不断缩小转子相位范围，从而搜索得到转子初始相位。

以转子初始相位为60°为例，表2.2列出矢量施加的相关参数。施加电压矢量F₁后，由编码器值变化量d＜0可判断相位搜索区间为[0°,180°]，计算得到下一次电压矢量角度为90°，根据编码器值变化量缩小区间为[0°,90°]。以此类推，在施加8次电压矢量后，转子初始相位定位到60.46°，此时二分法能否继续搜索取决于增量式编码器线数。

表2.2 60°初始相位检测过程参数

本节初始相位检测控制方案是在电流闭环锁定转子位置控制基础上修改的，如图4所示。通过u_d施加电压矢量，θ为给定矢量角度，图中反馈电流矢量I_s计算公式如下。

在二分法相位检测过程中，转子微动方向通过编码器反馈的AB脉冲相位关系判断，转子微动幅值通过对AB脉冲计数获取。设PMSM为p对极，光电编码器转轴旋转一圈产生的正交脉冲数为m。控制器编码器信号处理电路采用四倍频电路，即转子转过机械角度360°会产生4m个脉冲。每个脉冲对应电角度θ_min为：

每次施加电压矢量后，转子偏移的电角度(Δθ)与编码器值变化量d_n有关，则有：

在进行二分法相位搜索过程中，每次施加电压的大小和电压持续的时间很重要，如果电压大和持续时间长会让转子偏离初始相位，电压小或者持续施加短会导致编码器不能检测到转子转动。此外，由于负载和摩擦带来的转矩，转子在不同初始相位受力不同。当施加的电压矢量电角度与转子相位差小于θ_stmin，转子不会产生微动，此时编码器值变化量为0。

针对这一问题，本发明采用下面方法解决。将施加的电压矢量幅值逐渐增大，同时判断反馈电流情况和编码器值是否变化。若在增加电压矢量过程中，转子微动，则撤销电压矢量。若反馈电流矢量达到电机额定电流的100％，转子仍未发生转动，即d＝0，则认为当前电压矢量角度即为转子位置。

本发明所设计的二分法初始相位检测流程如图5所示，转子相位区间通过施加电角度为0的电压矢量进行判断。图中编码器值变化量d与编码器类型有关，本节采用多摩川省线式编码器进行分析，其转轴逆时针旋转时编码器值增加。d＝0代表在当前电压矢量作用下转子未动，d>0表明转子向正方向微动，d<0时则相反。θ₀表示二分法相位的左边界，θ₂表示二分法相位的右边界，θ₁表示二分法相位区间的中间值，即下次施加电压矢量的电角度。搜索区间左边界电压矢量对应的编码器值变化量表示为d₀，中间电压矢量对应的编码器值变化量为d₁，通过计算d₀*d₁是否小于0，缩小搜索区间，并计算下次电压矢量角度θ₁。当施加电压矢量θ时，编码器变化量d＝0，且维持1s，则转子初始相位即为θ，二分相位搜索结束。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

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。