具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供了一种同步电机的转子初始位置检测方法，如图1所示，包括：

步骤101，向同步电机的励磁绕组注入既定交流电压信号后获取同步电机的定子绕组的三相线电压信号；

步骤102，基于同步电机的定子绕组的三相线电压信号确定含有同步电机的转子位置的交流信号；

步骤103，利用含有同步电机的转子位置的交流信号确定同步电机的转子初始位置。

上述步骤101中，按下式确定向同步电机的励磁绕组注入既定交流电压信号u_fh：

u_fh＝U_fhcosω_ht

式中，U_fh为交流电压信号的电压幅值，ω_h为交流电压信号的频率。

优选的，所述既定交流电压信号的频率的取值范围为0.01～1000HZ，既定交流电压信号的电压幅值的取值范围为额定空载励磁电压的1％～100％。

在本发明的实施例中，以一台300kW同步电机为例说明该方案的实施方式，电机额定功率为300kW，额定电压为380V，额定电流为506.4Nm，额定转速为750rpm，极对数为4，空载励磁电源为19.4V，空载励磁电流为79.7A；选择注入的既定交流电压信号频率为300Hz，幅值为19.4V，既定交流电压信号u_fh为：

u_fh＝19.4cos(600·πt)

之后，采集注入的交流电压信号以及采集的三相线电压波形，根据如图2所示的当转子位置为80°时，注入的交流电压信号和三相线电压波形图-1，可以得到三相线电压中幅值最大的为u_ab，幅值最小的为u_bc；根据图3所示的当转子位置为130°时，既定交流电压信号和三相线电压波形图-2，可以得到此时三相线电压中幅值最大的为u_ca，幅值最小的为u_ab；由此得出，当电机转子处于不同位置时，同样的交流信号会感应出三相幅值不同，且同频率、同相位振荡的反电势。结果证明三相线电压幅值变化是转子位置变化的函数，通过从三相定子绕组感应出来的电压信号中可以解调出含有同步电机的转子位置的信息。

通过下述方法获取含有同步电机的转子位置的信息：

根据同步电机的定子绕组的三相线电压信号确定同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号；

将同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号输入至带通滤波器，获取带通滤波器输出的含有同步电机的转子位置的交流信号。

进一步的，根据所述同步电机的定子绕组的三相线电压信号确定同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号包括：

按下式确定同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号：

其中，u_α为同步电机的定子绕组的两相静止坐标系中α轴的电压信号，u_β为同步电机的定子绕组的两相静止坐标系中β轴的电压信号，u_ab为同步电机的定子绕组的a相和b相之间的电压信号、u_bc为同步电机的定子绕组的b相和c相之间的电压信号、u_ca为同步电机的定子绕组的c相和a相之间的电压信号。

优选的，利用含有同步电机的转子位置的交流信号确定同步电机的转子初始位置，包括：

将含有同步电机的转子位置的交流信号输入至锁相环控制器，获取所述锁相环控制器输出的同步电机的转子初始位置；

其中，含有同步电机的转子位置的交流信号包括含有同步电机的转子位置的α轴的交流信号和含有同步电机的转子位置的β轴的交流信号。

在本发明的实施例中，通过上述方法利用含有同步电机的转子位置的交流信号确定同步电机的转子初始位置，得到如图4所示的当转子位置为80°时，检测过程中估计位置和估计转速波形图-1和图5所示的当转子位置为130°时，检测过程中估计位置和估计转速波形图-2；从图中可以得到：估计位置值在200ms内可以收敛到真实值，稳态时位置误差在0.0015°以内，另外电机转速也可以准确估算出来，为下一步实现电机无位置传感器运行奠定了良好的基础；还可以实现当电机处于其他任意位置时，均可以准确得到转子位置信息。

为了进一步说明本技术方案的适用性范围广泛，本发明的实施例还提供了如图6所示的注入较低频率和幅值的交流信号及位置估计波形图，其中，转子位置为80°，注入电压频率为10Hz，幅值为直流量的10％；通过本技术方案提供的方法，从图中可以得到，估计位置值在400ms内可以收敛到真实值，稳态时位置误差在0.0015°以内。

进一步的，在本发明的实施例中，基于Type-II型锁相环来估算转子初始位置，如图7所示的Type-II型锁相环控制器原理框图，Type-II型锁相环控制器包括：第一乘法器、第二乘法器、加法器、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；加法器、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器依次连接；鉴相器包括：依次连接的第三乘法器和低通滤波器；

第二乘法器的输出端与所述加法器的输入端正反馈连接，所述第一乘法器的输出端与所述加法器的输入端负反馈连接；加法器的输出端与所述第三乘法器的输入端连接；第三乘法器的输入量还包括与所述加法器的输出信号频率相同的正弦信号；压控振荡器的输出端通过正弦计算器与所述第一乘法器的输入端连接；第一乘法器的输入量还包括含有同步电机的转子位置的α轴的交流信号；压控振荡器的输出端还通过余弦计算器与所述第二乘法器的输入端连接；第二乘法器的输入量还包括含有同步电机的转子位置的β轴的交流信号；

将含有同步电机的转子位置的交流信号输入至Type-II型锁相环控制器的主要实现流程包括：加法器输出的交流信号f_h(Δθ_r)与同频率正弦信号相乘后经过低通滤波器(LPF)输出位置误差信号ε(Δθ_r)；

其中，按下式确定加法器输出的交流信号f_h(Δθ_r)：

式中，u_αh为含有同步电机的转子位置的交流信号包括含有同步电机的转子位置的α轴的交流信号，u_βh为含有同步电机的转子位置的β轴的交流信号，为转子位置估计值与θ_r为转子位置真实值；

环路滤波器采用一个比例积分调节器(PI)进行位置误差调节，PI表达式为：

其中，K_P为比例项系数，K_i为积分项系数，s为积分算子；

然后，压控振荡器采用一个积分器1/s输出位置估计值

最终当锁相环的比例积分调节器收敛时，Δθ_r等于0，此时，锁相环的输出即为同步电机的转子初始位置估计值

值得注意的是，本发明实施例中提及的所有角度均为电角度。

为了更好的说明本发明所提供的技术方案，本发明的实施例还提供了如图8所示的静止变频器启动同步电机转子初始位置检测装置的拓扑图，该拓扑图包括：变压器、整流桥、电抗器、逆变桥、同步电机、励磁系统、电压传感器、静止变频器控制系统和上位机；电网母线通过变压器连接整流桥，将三相正弦信号变为脉动的直流信号，再经过电抗器滤波后作为逆变桥输入，其输出即为控制同步电机的三相变频电压；电压传感器采集机端电压，并输入到静止变频器控制系统中用于解调位置信息，静止变频器控制系统作为激励源产生励磁脉冲，实现特定频率的交流信号注入到励磁绕组中；初始位置检测过程中，整流桥和逆变桥脉冲均为封锁状态，上位机完成对控制系统指令下发和数据交互。

本发明提供了一种同步电机的转子初始位置检测装置，如图9所示，包括：

获取模块，用于向同步电机的励磁绕组注入既定交流电压信号后获取同步电机的定子绕组的三相线电压信号；

确定模块，用于基于同步电机的定子绕组的三相线电压信号确定含有同步电机的转子位置的交流信号；

估测模块，用于利用含有同步电机的转子位置的交流信号确定同步电机的转子初始位置。

优选的，既定交流电压信号的频率的取值范围为0.01～1000HZ，既定交流电压信号的电压幅值的取值范围为额定空载励磁电压的1％～100％。

优选的，确定模块，包括：

第一获取单元，用于根据同步电机的定子绕组的三相线电压信号确定同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号；

第二获取单元，用于将同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号输入至带通滤波器，获取带通滤波器输出的含有同步电机的转子位置的交流信号。

进一步的，第一获取单元，具体用于：

按下式确定同步电机的定子绕组的两相静止坐标系的电压信号：

其中，u_α为同步电机的定子绕组的两相静止坐标系中α轴的电压信号，u_β为同步电机的定子绕组的两相静止坐标系中β轴的电压信号，u_ab为同步电机的定子绕组的a相和b相之间的电压信号、u_bc为同步电机的定子绕组的b相和c相之间的电压信号、u_ca为同步电机的定子绕组的c相和a相之间的电压信号。

优选的，估测模块，具体用于：

将含有同步电机的转子位置的交流信号输入至锁相环控制器，获取锁相环控制器输出的同步电机的转子初始位置；

其中，含有同步电机的转子位置的交流信号包括含有同步电机的转子位置的α轴的交流信号和含有同步电机的转子位置的β轴的交流信号。

进一步的，锁相环控制器包括：第一乘法器、第二乘法器、加法器、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器；

加法器、鉴相器、环路滤波器和压控振荡器依次连接；

鉴相器包括：依次连接的第三乘法器和低通滤波器；

第二乘法器的输出端与所述加法器的输入端正反馈连接，第一乘法器的输出端与加法器的输入端负反馈连接；

加法器的输出端与第三乘法器的输入端连接；

第三乘法器的输入量还包括与加法器的输出信号频率相同的正弦信号；

压控振荡器的输出端通过正弦计算器与第一乘法器的输入端连接；

第一乘法器的输入量还包括含有同步电机的转子位置的α轴的交流信号；

压控振荡器的输出端通过余弦计算器与第二乘法器的输入端连接；

第二乘法器的输入量还包括含有同步电机的转子位置的β轴的交流信号。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。