一种永磁电机转子初始位置检测方法
阅读说明：本技术 一种永磁电机转子初始位置检测方法 (Method for detecting initial position of permanent magnet motor rotor ) 是由 张海峰 李海涛 毛琨 陈宝栋 金浩 郑世强 于 2020-12-31 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种永磁电机转子初始位置检测方法,属于永磁电机控制的技术领域,由转子位置初次估计、转子磁极方向判别和转子位置初次估计的补偿三部分组成。首先,向估计的d轴注入高频载波电压,通过采集估计的q轴载波电流并进行闭环控制实现对转子位置的初次估计。在完成转子位置的初次估计后,利用离散傅里叶变换对该载波电流的幅值进行检测以对转子磁极方向进行判别。最后,根据转子磁极方向的判别结果对转子位置的初次估计值进行补偿,实现转子初始位置检测。本发明实现转子位置的初次估计与转子磁极方向判别算法的集成,检测算法简单,具有检测速度快、可靠性高的优点。(The invention discloses a method for detecting the initial position of a permanent magnet motor rotor, which belongs to the technical field of permanent magnet motor control and consists of three parts of compensation of initial estimation of the rotor position, judgment of the rotor magnetic pole direction and initial estimation of the rotor position. Firstly, injecting high-frequency carrier voltage into an estimated d axis, and realizing the primary estimation of the rotor position by collecting estimated q axis carrier current and carrying out closed-loop control. After the primary estimation of the rotor position is completed, the amplitude of the carrier current is detected by using discrete Fourier transform to judge the rotor magnetic pole direction. And finally, compensating the primary estimation value of the rotor position according to the judgment result of the magnetic pole direction of the rotor, and realizing the detection of the initial position of the rotor. The invention realizes the integration of the primary estimation of the rotor position and the discrimination algorithm of the rotor magnetic pole direction, has simple detection algorithm, and has the advantages of high detection speed and high reliability.)
技术领域
本发明涉及电机控制领域，尤其涉及一种永磁电机转子初始位置检测方法。
背景技术
永磁电机具有结构紧凑、功率密度高、动态性能好、效率高等优点，得到了越来越广泛的应用。实时的转子位置反馈是实现永磁电机高精度控制必不可少的。通常利用光电编码器、旋转变压器和线性霍尔传感器获得连续的转子位置信息，利用开关霍尔传感器获得离散的转子位置信息。然而这些机械传感器可能面临着安装难度大、出线困难、可靠性差的问题，因此无位置传感器控制成为解决这些问题的有效途径。当电机运行在中速或高速时，可以利用电机旋转所产生的反电动势提取转子的位置信息。当电机处于静止或者低速时，电机的反电动势为零或很小，难以从中检测出转子的位置信息，成为了制约无位置传感器控制广泛应用的重要因素。
为了解决永磁电机无位置传感器器的启动问题，工程中广为采用“三段式”的开环启动法启动电机，该方法不需要转子的位置信息，但存在启动时间长、启动电流大、易失步问题。为了进一步优化永磁电机的启动问题，利用电机的凸极结构或饱和凸极效应，基于转子位置检测的闭环启动方法得到了广泛关注。电感测量法、载波频率成分分析法和高频信号注入法是三类零速和低速下重要的转子位置检测方法。
电感测量法、载波频率成分分析法和高频信号注入法在一定程度上解决了电机在零速和低速下的转子位置检测问题。电感测量法虽然在原理和算法实现上都较为简单，但是需要离线或在线的获取转子不同位置下绕组的电感值，占用了过多的硬件资源，且转子位置的检测效果过分依赖检测电路和参数的准确性。基于载波成分分析法的转子位置检测方法占用系统资源较少，但是检测的精度受正弦脉宽调制精度的影响，且无法应用于空间矢量脉宽调制的电机控制中。电感测量法和基于载波成分分析法的转子位置检测方法都依赖于转子的凸极结构，对凸极率低的永磁电机的位置检测效果较差，更无法对无凸极结构的永磁电机进行转子位置检测。相比以上两种方法，高频信号注入法具有注入信号灵活、信噪比高、检测效果好的优点，成为解决电机在零速和低速下转子位置检测的最重要的一类方法。
高频信号注入法分为旋转高频信号注入法和脉振高频信号注入法。旋转高频信号注入法利用转子自身的凸极结构通过对该凸极结构的跟踪实现转子位置的检测；脉振高频信号注入法利用转子自身的凸极结构或者激发的饱和凸极效应通过闭环控制实现对转子位置的跟踪，该方法可以应用于有凸极结构的永磁电机，也可应用于无凸极结构的永磁电机。无论旋转高频信号注入法还是脉振高频信号注入法，载波信号既可以是电压信号，也可以是电流信号。高频电流注入法的精度不受逆变器非线性及死区的影响，但是需要电流控制器具有足够的带宽和精度实现对高频电流信号的跟踪，另外还需要增加额外的电压传感器，增加了系统的复杂度和实现难度。因此，在实际应用中，脉振高频电压信号注入法更为常用。
发明内容
本发明技术解决问题：针对电机处于静止时转子位置检测难度大、检测不可靠的问题，提供一种永磁电机转子初始位置检测方法，实现转子位置的初次估计与转子磁极方向判别算法的集成，检测算法简单，具有检测速度快、可靠性高的优点。
本发明的永磁电机转子初始位置检测方法由转子位置初次估计、转子磁极方向判别和转子位置初次估计的补偿三部分组成。转子位置初次估计：向估计的d轴注入高频载波电压，通过采集估计的q轴载波电流并进行闭环控制实现对转子位置的初次估计。转子磁极方向判别：在完成转子位置的初次估计后，利用离散傅里叶变换对载波电流的幅值进行检测以对转子磁极方向进行判别。转子位置初次估计的补偿：根据转子磁极方向的判别结果对转子位置的初次估计值进行补偿，实现转子初始位置检测。
本发明采用的技术方案具体如下：包括下述步骤：
步骤1：转子位置初次估计向估计的d轴(记为d轴)注入高频载波电压，通过采集轴的载波电流并进行闭环控制实现对转子位置的初次估计；
(1-1)建立两相静止坐标系(记为α-β坐标系)、实际的转子同步旋转坐标系(记为d-q坐标系)和估计的转子同步旋转坐标系(记为坐标系)，其中d轴与α轴之间的角度为实际的转子位置θe，轴与α轴之间的角度为估计的转子位置且
(1-2)向轴注入高频载波电压Vmcos(ωht)，此时耦合到轴的载波电流为：
式中，Vm为注入高频电压的幅值，ωh＝2πfh为注入高频电压的角速度，fh为注入高频电压的频率(250Hz≤fh≤1000Hz)，R为电机绕组的电感，Ld、Lq分别为电机绕组d轴、q轴电感，△Lh＝(Lq-Ld)/2为半差电感，j为虚数单位，t为时间；
(1-3)把式(1)改写为幅值相角形式：
式中，为d轴的阻抗强度、为q轴的阻抗强度、为d轴的阻抗角、为q轴的阻抗角，对式(2)乘以sin(ωht)进行解调和低通滤波，并把sin(2△θe)近似为2△θe，得到含有转子位置误差的表达式：
(1-4)采用PI控制器对f(△θe)进行闭环控制，将位置估计误差△θe调整为0，完成转子位置初次估计过程，获得转子位置的初次估计值。
步骤2：转子磁极方向判别，在完成转子位置的初次估计后，利用离散傅里叶变换对该载波电流的幅值进行检测以对转子磁极方向进行判别。
(2-1)在执行步骤A时，采集轴的载波电流id0，并提取id0的幅值Id0；
(2-2)在轴高频载波电压上叠加一个正向的直流偏置电压Vd，采集此时轴的高频载波电流id1，并提取id1的幅值Id1；
(2-3)如果Id1≥Id0，则轴与d轴方向相同，即估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相同；如果Id1＜Id0，则轴与d轴方向相反，即估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相反；
步骤3：转子位置初次估计的补偿，如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相同，则转子位置的初次估计值即为转子的初始位置；如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相反，则转子的初始位置为转子位置的初次估计值加180°。
注入高频电压的角速度ωh需满足ωh＝R/Ld，以保证转子位置初次估计的稳定性；
所述步骤(2-1)和(2-2)中高频载波电流幅值的计算过程如下：
(3-1)对id0、id1以fs的采样频率采集M个数据点，得到两个电流序列，分别为id0(0),id0(1)…id0(M-1)、id1(0),id1(1)…id1(M-1)；
(3-2)对两个电流序列进行离散傅里叶变换，得到id0、id1的幅值为：
本发明带来的有益效果可体现在如下方面：
(1)本发明给出了转子位置初次估计系统的稳定性条件，量化了系统的参数范围，避免了系统参数设计时的反复试凑过程，提高了转子位置初次估计系统参数整定的效率；
(2)本发明利用离散傅里叶变换的原理，对注入载波电压频率处的载波电流幅值进行提取，相较于常规的遍历法获取幅值的方法，减小了运算量，避免了测量噪声对幅值检测的影响；
(3)本发明的转子磁极方向判别方法仅需在转子位置初次估计系统的基础上叠加直偏置电压，因此转子位置的初次估计与转子磁极方向判别算法可以集成，简化了设计，提高了检测速度。
附图说明
图1为ABC坐标系、坐标系与d-q坐标系示意图；
图2为转子初始位置检测方法示意图；
图3为转子位置初次估计示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明。
如图1所示，建立两相静止坐标系α-β、实际转子同步旋转坐标系d-q和估计转子同步旋转坐标系其中d轴与α轴之间的角度为实际的转子位置θe，轴与α轴之间的角度为估计的转子位置且
如图2所示，本发明的永磁电机转子初始位置检测方法，包含以下步骤：
步骤A)转子位置初次估计：向估计的轴注入高频载波电压，通过采集轴的载波电流并进行闭环控制实现对转子位置的初次估计；
步骤B)转子磁极方向判别：在完成转子位置的初次估计后，利用离散傅里叶变换对该载波电流的幅值进行检测以对转子磁极方向进行判别。
步骤C)转子位置初次估计的补偿：根据步骤A的转子位置初次估计和步骤B的转子磁极方向判别结果，如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相同，则转子位置的初次估计值即为转子的初始位置；如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相反，则转子的初始位置为转子位置的初次估计值加180°。
所述步骤A中转子位置初次估计包含以下步骤：
(1)向轴注入高频载波电压Vmcos(ωht)，此时耦合到轴的载波电流为：
式中，Vm为注入高频电压的幅值，ωh＝2πfh为注入高频电压的角速度，fh为注入高频电压的频率(250Hz≤fh≤1000Hz)，R为电机绕组的电感，Ld、Lq分别为电机绕组d轴、q轴电感，△Lh＝(Lq-Ld)/2为半差电感，j为虚数单位，t为时间；
(2)把式(1)改写为幅值相角形式：
式中，为d轴的阻抗强度、为q轴的阻抗强度、为d轴的阻抗角、为q轴的阻抗角，对式(2)乘以sin(ωht)进行解调和低通滤波，并把sin(2△θe)近似为2△θe，得到含有转子位置误差的表达式：
(3)采用PI控制器对f(△θe)进行闭环控制，将位置估计误差△θe调整为0，完成转子位置初次估计过程，获得转子位置的初次估计值。
在具体实施方式中，脉振电压的幅值Vm为10V、频率fh为500Hz，PI控制器的比例增益为30、积分增益为120。
在完成转子位置初次估计后，由于三角函数的周期性，转子位置的初次估计值可能为实际的转子位置，也可能与实际的转子位置相差180°。图3给出了α-β坐标系下转子位置初次估计值与实际转子位置的示意图，其中位置1、位置2、位置3和位置4为实际的转子位置，位置1’、位置2’、位置3’和位置4’为实际的转子位置。可以看出，当实际的转子位置位于位置1和位置4时，转子位置初次估计值位置1’和位置4’收敛到了实际的转子位置；当实际的转子位置位于位置2和位置3时，转子位置初次估计值位置2’和位置3’收敛到了实际的转子位置的相反方向。进一步分析得出，当实际的转子位置位于α-β坐标系的右半平面时，转子位置的初次估计值与实际的转子位置相同；当实际的转子位置位于α-β坐标系的左半平面时，转子位置的初次估计值与实际的转子位置相差180°。因此，需要进一步判别转子的磁极方向以得到实际的转子位置。
所述步骤B中转子磁极方向判别包含以下步骤：
(1)在进行转子位置初次估计时，以fs的采样频率采集M个轴的高频载波电流id0，电流序列为id0(0),id0(1)…id0(M-1)；
(2)通过以下变换提取id0的幅值为：
(3)在轴高频载波电压上叠加一个正向的直流偏置电压Vd，以fs的采样频率采集M个轴的高频载波电流id1，电流序列为id1(0),id1(1)…id1(M-1)；
(4)通过以下变换提取id1的幅值为：
(5)如果Id1≥Id0，则轴与d轴方向相同，即估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相同；如果Id1＜Id0，则轴与d轴方向相反，即估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相反；
在具体实施方式中，电流的采样频率fs为5kHz，采样序列的长度M为20。
所述步骤C中转子位置初次估计的补偿包含以下步骤：
(1)根据获取转子位置的初次估计值，根据三获取转子磁极方向判别结果；
(2)如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相同，则转子位置的初次估计值即为转子的初始位置；如果估计的转子磁极方向与实际的转子磁极方向相反，则转子的初始位置为转子位置的初次估计值加180°。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。