本發(fā)明涉及一種基于交直軸電流響應包絡線的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法，屬于電機控制領域。

背景技術：

永磁同步電機由于自身功率因素高、功率密度大和高效率等優(yōu)點，被廣泛使用。永磁同步電機通常采用矢量控制，精確的轉(zhuǎn)子位置必不可少。機械位置傳感器能實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的高精度檢測，但通常價格高昂，易受環(huán)境條件限制，而且存在增加電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量、增大系統(tǒng)體積及系統(tǒng)可靠性降低等缺點，因此，無位置傳感器控制算法應運而生。在無位置傳感器控制算法中，零速和低速下的轉(zhuǎn)子位置是難點，特別是表貼式永磁同步電機，其直軸和交軸電感近似相等，相對于內(nèi)置式永磁同步電機檢測難度更高。

針對永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置的檢測問題，國內(nèi)外進行了許多探討?！盎诟哳l注入法的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究”(見《中國電機工程學報》，2007)通過向三相繞組注入高頻電壓信號導致電機電感參數(shù)變化，根據(jù)高頻阻抗的大小和信號注入的位置之間的關系來獲取轉(zhuǎn)子初始位置，再向電機注入正反向的電壓脈沖，通過檢測電流響應來判斷永磁體的正方向?！稗D(zhuǎn)子磁鋼永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測”(見《中國電機工程學報》，2011)在估算坐標系中注入高頻正弦電壓信號，通過閉環(huán)調(diào)節(jié)獲得電機轉(zhuǎn)子初始位置，通過向直軸注入電壓脈沖，檢測電壓脈沖產(chǎn)生的電流衰減為零所需時間多少來判斷永磁體正方向。以上兩種方法均需要向電機注入多次不同形式的電壓信號，實現(xiàn)過程復雜耗時。CN 103986395 A在利用高頻電壓注入法實現(xiàn)初次初始位置估算的基礎上，通過提取d軸電流響應的高次諧波信號來進行d軸正方向的判斷，雖然解決了多次注入電壓信號的問題，但是信號的提取需要設計相應的濾波器和積分環(huán)節(jié)，計算復雜，對系統(tǒng)硬件要求較高。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于交直軸電流響應包絡線的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法，向永磁同步電機估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系注入脈振高頻電壓信號，控制估算坐標系低頻旋轉(zhuǎn)，提取交軸電流響應正包絡線零值處所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值獲取轉(zhuǎn)子初始位置的初次估算值，提取直軸電流響應正包絡線最大值處所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值來獲取永磁體的正方向，經(jīng)過位置補償后獲得電機轉(zhuǎn)子初始位置。全程只需要注入一次電壓信號，無需使用濾波器、積分器等環(huán)節(jié)且不依賴電機參數(shù)。

為了實現(xiàn)上述檢測方法，本發(fā)明采用如圖1所示的系統(tǒng)來實現(xiàn)，包括：檢測控制器、電壓源逆變橋、永磁同步電機、相電流傳感器四個部分，檢測控制器輸出的PWM信號送到電壓源逆變橋；電壓源逆變橋交流側與永磁同步電機的三相繞組連接；相電流傳感器檢測永磁同步電機的相繞組電流，其輸出的信號送到檢測控制器。

檢測控制器包含派克逆變換模塊、PWM模塊、克拉克變換模塊、派克變換模塊、正包絡線提取模塊、磁極正方向判斷模塊、初始位置初值檢測模塊、位置補償模塊、誤差補償模塊。派克逆變換模塊的輸入為注入的脈振高頻電壓信號和人為給定的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定，輸出至PWM模塊；PWM模塊輸出的PWM信號到電壓源逆變橋；克拉克變換模塊的輸入為相電流傳感器輸出的電流信號，輸出到派克變換模塊；派克變換模塊的輸入為克拉克變換模塊的輸出和人為給定的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定，輸出到正包絡線提取模塊；正包絡線提取模塊輸出分別至磁極正方向判斷模塊和初始位置初值檢測模塊；磁極正方向判斷模塊和初始位置初值檢測模塊的輸出共同給到位置補償模塊；位置補償模塊的輸出至誤差補償模塊。

派克逆變換模塊實現(xiàn)估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系到兩相靜止坐標系的變換，其中，估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的直軸與兩相靜止坐標系的α軸的夾角為低頻旋轉(zhuǎn)位置給定角度θ′，變換方程為

式中u_α和u_β為兩相靜止坐標系α軸和β軸的電壓矢量，u_d′和u_q′分別為估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系直軸和交軸的電壓矢量，派克逆變換模塊5的電壓輸入為如下的脈振高頻電壓信號

式中U_m為注入的脈振電壓幅值、ω_h為脈振角速度；

派克變換模塊為兩相靜止坐標系到估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系的變換，其變換方程為

式中i_d′和i_q′為估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的直軸和交軸電流響應、i_α和i_β兩相靜止坐標系下的α軸和β軸的電流響應；

派克逆變換模塊和派克變換模塊中的θ′通過人為給定，給定值為θ′＝ω_lt，ω_l為低頻旋轉(zhuǎn)角速度、t為當前時刻；

正包絡線提取模塊實現(xiàn)交直軸電流響應正包絡線的提取，交軸和直軸電流響應正包絡線用和表示，其表達式為

式中θ為永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置、Z_q和Z_d為電機的交軸和直軸阻抗，分別為電機的均值阻抗和差值阻抗，交直軸電流響應正包絡線是通過采集每個高頻周期內(nèi)交直軸電流響應的最大值，經(jīng)過零階保持后得到；

磁極正方向判斷模塊通過檢測直軸電流響應正包絡線的最大值時刻對應的θ′值，實現(xiàn)永磁體磁極正方向的判斷，永磁體磁極正方向位置θ_d＝θ_max1，θ_max1為取得最大值時刻的θ′值；

初始位置初值檢測模塊通過檢測交軸電流響應正包絡線取零值時刻對應的θ′值，實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置的初次估算，轉(zhuǎn)子初始位置初值θ_q＝θ₀，θ₀為時刻的θ′值。

位置補償模塊聯(lián)立磁極正方向θ_d及初始位置的初次估算值θ_q，做如下位置補償后獲得轉(zhuǎn)子初始位置估算值θ_e：

當θ_d＝θ_q時，θ_e＝θ_q；

當θ_d>θ_q時，若則θ_e＝θ_q；

若則

若則θ_e＝θ_q+π；

若則

當θ_d<θ_q時，若則θ_e＝θ_q；

若則

若則θ_e＝θ_q-π；

若則

誤差補償模塊實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子初始位置估算值θ_e進行多次估算取平均，以減小初始位置檢測誤差，表達式為式中n為估算次數(shù)。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下顯著優(yōu)點：(1)本發(fā)明無需注入正負脈沖電壓，僅需要檢測幾個低頻旋轉(zhuǎn)信號周期時間就能完成轉(zhuǎn)子初始位置的檢測，檢測過程得到簡化，縮短了檢測時間。(2)在檢測過程中，無需使用濾波器、積分環(huán)節(jié)等需要大量計算的模塊，節(jié)約系統(tǒng)資源，提高運算速度。(3)在檢測過程中，避免了電機轉(zhuǎn)子易發(fā)生抖動的問題。(4)能適用于表貼式和內(nèi)置式兩種永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置的檢測。

下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明：

附圖說明

圖1永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測系統(tǒng)結構框圖；

圖2估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系、實際兩相旋轉(zhuǎn)坐標系及兩相靜止坐標系的相對關系圖；

圖3直軸電流響應正包絡線的極值關系圖；

具體實施方式

如圖1所示，本發(fā)明提供一種基于交直軸電流響應包絡線的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法，向永磁同步電機估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系注入脈振高頻電壓信號，控制估算坐標系以一低頻頻率旋轉(zhuǎn)，提取交軸電流響應正包絡線零值處所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值獲取轉(zhuǎn)子初始位置的初次估算值，提取直軸電流響應正包絡線最大值處所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值來獲取永磁體的正方向，經(jīng)過位置補償后獲得電機轉(zhuǎn)子初始位置，具體實施方法如下：

在估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下，向d′軸注入脈振高頻電壓信號，q′軸電壓為零，注入的高頻電壓信號為

人為控制估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系以一低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ′低頻旋轉(zhuǎn)，低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ′為：

θ′＝ω_lt

注入信號經(jīng)過派克逆變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電壓分量u_α、u_β，再經(jīng)過PWM模塊生成電壓源逆變橋的開關控制PWM信號驅(qū)動永磁同步電機。相電流傳感器采集到的相電流，經(jīng)過克拉克變換模塊得到兩相靜止坐標系下的電流i_α、i_β，再經(jīng)過派克變換模塊得到估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系下的交直軸電流i_d′、i_q′響應。

在每個低頻旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，通過正包絡線提取模塊提取交軸電流響應i_q′的正包絡線初始位置初值檢測模塊獲得時所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ₀，即得到初始位置的初次估算值θ_q＝θ₀。

在每個低頻旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，通過正包絡線提取模塊提取直軸電流響應i_d′的正包絡線通過磁極正方向判斷模塊求取的最大值時刻對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ_max1，即為永磁體磁極正方向θ_d＝θ_max1。

經(jīng)過位置補償模塊對檢測到的初次估算值進行補償獲得轉(zhuǎn)子初始位置估算值θ_e，位置補償方法如下：

當θ_d＝θ_q時，θ_e＝θ_q；

當θ_d>θ_q時，若則θ_e＝θ_q；

若則

若則θ_e＝θ_q+π；

若則

當θ_d<θ_q時，若則θ_e＝θ_q；

若則

若則θ_e＝θ_q-π；

若則

經(jīng)過誤差補償模塊對檢測到的轉(zhuǎn)子初始位置估算值進行多次檢測取平均值，以減小誤差，最后獲得永磁同步電機的轉(zhuǎn)子初始位置

對上述檢測原理進行理論分析如下：

永磁同步電機靜止條件下的數(shù)學模型為

式中，Z_d、Z_q分別為永磁同步電機的d-q軸阻抗、i_d、i_q分別為d軸和q軸電流u_d、u_q分別為d軸和q軸電壓。

在圖2估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系、實際兩相旋轉(zhuǎn)坐標系及兩相靜止坐標系的相對關系圖中，d′-q′坐標系為估算兩相旋轉(zhuǎn)坐標系；d-q為實際兩相旋轉(zhuǎn)坐標系；α-β為兩相靜止坐標系，由坐標系變換可得

經(jīng)化簡后能得到估算坐標系下永磁同步電機的電流響應表達式為

代入注入的電壓信號，可將永磁同步電機的電流響應表達式化簡為

設函數(shù)函數(shù)包絡線求取方程應滿足條件，F(xiàn)₍′_t)為F_(t)的一階導數(shù)。函數(shù)的導數(shù)為

聯(lián)立方程得出交直軸響應電流的包絡線表達式為

分別為直軸、交軸電流響應包絡線。

位置檢測分析：

交軸電流響應包絡線表達式為

取交軸電流響應的正包絡線為

的解為

可知，當注入的低頻旋轉(zhuǎn)位置信號與轉(zhuǎn)子位置重合即θ′＝θ時，交軸電流響應正包絡線取得零點，交軸電流響應正包絡線的零值位置所對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ′的大小為θ₀，轉(zhuǎn)子的初始位置初次估算值為

θ_q＝θ₀

在一個電角度周期內(nèi)，交軸電流響應正包絡線存在4個零點，分別對應著4個低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值，因此還需要檢測出永磁體磁極正方向才能獲得轉(zhuǎn)子初始位置。

磁極檢測分析：

直軸電流響應包絡線表達式為

取直流電流響應的正包絡線為

對進行求導并令導數(shù)等于0，可以求得

則可知當時，在對應的角度位置處取得2個極大值和2個極小值，極大值、極小值對應的低頻旋轉(zhuǎn)位置給定值θ′分別用θ_max1、θ_max2、θ_min1、θ_min2表示。由電機磁飽和效應可知，當定子轉(zhuǎn)子磁場方向重合，電樞反應起純助磁作用，磁路更加飽和，飽和電感最小，電流峰值最大，即當?shù)皖l旋轉(zhuǎn)位置給定與轉(zhuǎn)子位置重合即θ′＝θ時，直軸電流響應正包絡線取得最大值，如圖3所示，θ_max1處對應的極大值也是最大值，則永磁體正方向為

θ_d＝θ_max1

由交直軸電流響應正包絡線表達式可看出，該檢測方法的關鍵在于ΔZ≠0，ΔZ值越大，檢測效果越好。永磁同步電機永磁體磁導率與空氣磁導率相當，致使表貼式永磁同步電機交直軸電感近似相等，但直軸電感的大小會隨著電機直軸磁路的飽和而變小，由于交軸磁路工作點為原點，通常不會進入飽和狀態(tài)，交軸電感值不變，致使表貼式永磁同步電機直軸電感小于交軸電感，呈現(xiàn)出一定的凸極性。向表貼式永磁同步電機注入高頻脈振電壓信號能改變直軸磁路的飽和程度，使得表貼式永磁同步電機的交直軸電感值不相等，以實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的檢測。內(nèi)置式永磁同步電機自身具有凸極性，交直軸電感差異較大，因此，該方法同樣適用于內(nèi)置式永磁同步電機的初始位置檢測。