专利名称：低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法
技术领域：
本发明涉及永磁同步电机，特别涉及一种低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法。
背景技术：
近年来，内嵌式永磁同步电机(IPMSMs)在工业控制领得到广泛的应用。与传统的电机相比，他们有许多优势，如高转矩密度，高效率，低转矩脉动，低噪音，以及容易维护等。 然而，同步电动机启动要求转子初始位置信息以获得最大抓转矩。转子初始位置估算的准确性关系到电机能否顺利启动，如果初始位置角误差过大，会导致电机在启动时带载能力低，甚至会出现反转的现象。永磁同步电机转子初始位置估算一直是永磁同步电机驱动研究的热点和难点之一。通常采取安装增量式脉冲编码器或霍尔传感器以获得电机转子的位置信息。由于电机起动时转子位置是任意的，而增量式编码器无法提供电机的初始位置，霍尔传感器也不能给出精确的位置。因此转子初始位置估算是永磁同步电机控制中必须解决的问题。一个简单的转子初始定位方法是直流电流激励法，对电机任意两相加一定的直流电流，使转子磁极定位拉到给定位置。然而，转子的旋转方向是不可预测的的，而且，这种方法使转子产生较大的扭动。目前研究和应用较多是高频信号注入法。这种方法可以取得初始转子位置，而不会导致转子旋转。这些方法可以在α β静止坐标系或dq旋转坐标系实施，注入的高频信号与电机的空间凸极相互作用，产生包含有转子位置信息信号。然后，利用过滤器和信号处理算法估算出转子初始位置。然而，这些方法比较复杂，算法实现要求控制器性能高。同时， 注入的高频信号产生电机噪音。另外，转子位置信号依赖于电机的凸极显性。当电机凸极性小，这种算法导致较大的转子位置估计误差。因此，有必要研究一种简单、可靠、实用的转子初始位置估计方法。开发的转子初始位置估计方法改变传统的对电机模型注入信号，而是通过对电机α β静止坐标系注入特定信号，从而消除电机模型中与转子位置无关的因素，同时突出电机凸极显性特性获得电机在静止时准确的转子位置。仿真和实验结果表明，该方法能准确地估算转子初始位置， 特别是对于低凸极内嵌式永磁同步电机，与实际检测的转子位置相比较，估计出的转子位置误差小于5°。
发明内容
鉴于上述现有技术的缺陷以及实际应用需求，本发明提供了一种低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法。该方法改变传统的对电机模型注入信号，而是通过对电机α β静止坐标系注入特定信号，从而消除电机模型中与转子位置无关的因素，同时突出电机显性特性获得电机在静止时准确的转子位置。本发明的具体技术方案如下
低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法，该方法包括如下步骤(1)连接永磁同步电机与一个电压源逆变器；(2)输入三相或者单相110伏/220伏交流电源经AC/DC整流器整流成300伏直流电，然后再通过DC/AC逆变器用于脉冲电流注入和电机控制；(3)实现由B相和C相注入电流信号，A相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；由于使用Sin(2 0)不能得出唯一 θ值，将导致多个θ值。因此，此方法需要第二步信号注入。这样就有了以下步骤(4)。(4)实现由A相和B相注入电流信号，C相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；(5)结合之前两次计算出的转子位置，准确地估算出电机的转子初始位置。上述方案中，所述步骤(3)具体步骤包括①关闭逆变器开关Ql和Q2，A相没有电流；②在一个PWM周期Τ，打开Q3和Q6，关闭Q4和Q5 ；在此期间直流母线电压加到B 相和C相之间从而在B相和C相产生一个电流ib和i。；下一个PWM周期T，打开Q4和Q5， 关闭Q3和Q6。直流母线电压加到C相和B相之间从而使B相和C相的电流ib和i。回零；③转换电流ib和i。到α β静止坐标系Ia和I0 ；④根据直流母线电压和PWM开关信号计算Va。和Vb。，进而计算出定子电压在α轴上分量Va ；⑤计算电机转子位置θ ；⑥重复上述步骤，并将所得出的若干个结果中计算出转子位置的平均值。上述方案中，所述步骤(4)具体步骤包括①关闭逆变器Q5和Q6，C相没有电流；②在一个PWM周期Τ，关闭Q2和Q3，打开Ql和Q4 ；在此期间直流母线电压加到A 相和B相之间从而在A相和B相产生一个电流ia和ib ；下一个PWM周期T，关闭Ql和Q4， 打开Q2和Q3。直流母线电压加到B相和A相之间从而使A相和B相的电流ia和ib回零。③转换电流ia和ib到α β静止坐标系Ia和I0 ；④根据直流母线电压和PWM开关信号计算Va。和Vab，进而计算出定子电压在α轴和β轴上分量Va和V0 ；⑤由公式sin (2 θ + ji /3)计算出的转子位置θ值；⑥重复上述步骤，并将所得出的若干个结果中计算出转子位置的平均值。本发明方法作为一种能够准确、可靠地估计转子初始位置的电流信号注入方法。 对于直轴和交轴电感相差很小低凸极内嵌式永磁同步电机，该方法能够准确、可靠地估计转子初始位置的。该方法改变传统的对电机模型注入信号，而是通过对电机α β静止坐标系注入特定信号，从而消除电机模型中与转子位置无关的因素，同时突出电机显性特性获得电机在静止时准确的转子位置。仿真和实验结果表明，该方法能准确地估算转子初始位置，特别是对于低凸极内嵌式永磁同步电机，与实际检测的转子位置相比较，估计出的转子位置误差小于5°。该方法对硬件和软件的要求较低，有利于工业实现，具有较高的实用意义。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。
图1为α β静止坐标系与dq旋转坐标系之间的角度示意图。图2为电流注入B相和C相，A相没有电流的电路图。图3为从上倒下分别为母线电压Vbus，电机AC相电压Va。和电机B相电流ib波形的对照图。图4为电流注入A相和B相，C相没有电流的电路图。图5为从上倒下分别为母线电压Vbus，电机AC相电压Va。和电机A相电流ib波形的对照图。图6为试验论证平台结构示意图。图7为估计转子位置与实际转子位置比较图。
具体实施例方式为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。首先，具体介绍一下本发明方案中所涉及的数学算法在旋转dq坐标系，内嵌式永磁同步电机的数学模型
V；R +PL d -0)Lq'h'ι“0 “Vq._ wLd R + pLqΛ.十ωψ
(1)
其中Vd和\是定子电压在d轴和q轴分量；Id和Id的定子电流在d轴和q轴分量；Ld和Lq定子电感在d轴和q轴分量；R为定子电阻；ω是转子角速度；Ψ是电机磁链； ρ = d/dt0电机转子位置θ定义为α β静止坐标系与dq旋转坐标系之间角度如图1所示。转换上面等式(1)到α β静止坐标系
K=RKWW
Zo + Z,cos(20) Z1 sin(2^) Li sin(2^) L0-LlCos(Ie)
2 +2 !,
-sin(26>) cos(2^) Ia-sin^
,+ωψ
cos(2^) sin(2^)」Ip[ cos^ 其中Va和V0分别是定子电压在α轴和β轴上分量；Ια和I0是定子电流在a 轴和β轴上分量；θ是转子的角位置； Ln = L1 =
Ld+Lq
~2~ Ld-Lq
2~ 由于电机处于静止状态，ω = 0代入⑵式，得至IJ
权利要求
1.低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法，其特征在于，包括如下步骤(1)连接永磁同步电机与一个电压源逆变器；(2)输入三相或者单相110伏/220伏交流电源经AC/DC整流器整流成300伏直流电， 然后再通过DC/AC逆变器用于脉冲电流注入和电机控制；(3)实现由B相和C相注入电流信号，A相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；(4)实现由A相和B相注入电流信号，C相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；(5)结合之前两次计算出的转子位置，准确地估算出电机的转子初始位置。
2.根据权利要求1的低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法，其特征在于，所述步骤(3)具体步骤包括①关闭逆变器开关Ql和Q2，A相没有电流；②在一个PWM周期Τ，打开Q3和Q6，关闭Q4和Q5；在此期间直流母线电压加到B相和 C相之间从而在B相和C相产生一个电流ib和i。；下一个PWM周期T，打开Q4和Q5，关闭 Q3和Q6。直流母线电压加到C相和B相之间从而使B相和C相的电流ib和i。回零；③转换电流ib和i。到αβ静止坐标系Ia和Ie ；④根据直流母线电压和PWM开关信号计算Va。和Vb。，进而计算出定子电压在α轴上分量Va ；⑤计算电机转子位置θ；⑥重复上述步骤，并将所得出的若干个结果中计算出转子位置的平均值。
3.根据权利要求1的低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法，其特征在于，所述步骤(4)具体步骤包括①关闭逆变器Q5和Q6，C相没有电流；②在一个PWM周期Τ，关闭Q2和Q3，打开Ql和Q4；在此期间直流母线电压加到A相和 B相之间从而在A相和B相产生一个电流ia和ib ；下一个PWM周期T，关闭Ql和Q4，打开 Q2和Q3。直流母线电压加到B相和A相之间从而使A相和B相的电流ia和ib回零；③转换电流、和ib到αβ静止坐标系Ia和Ie ；④根据直流母线电压和PWM开关信号计算Va。和Vab，进而计算出定子电压在α轴和β 轴上分量Va和Ve ；⑤由公式sin(2θ + π/3)计算出的转子位置θ值；⑥重复上述步骤，并将所得出的若干个结果中计算出转子位置的平均值。
全文摘要
本发明公开了一种低凸极内嵌式永磁同步电机转子初始位置的估算方法。该方法包括如下步骤(1)连接永磁同步电机与一个电压源逆变器；(2)输入三相或者单相110伏/220伏交流电源经AC/DC整流器整流成300伏直流电，然后再通过DC/AC逆变器用于脉冲电流注入和电机控制；(3)实现由B相和C相注入电流信号，A相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；(4)实现由A相和B相注入电流信号，C相没有电流信号的情况下，通过计算得出的电机转子位置θ，并重复多次从而得出转子位置的平均值；(5)结合之前两次计算出的转子位置，准确地估算出电机的转子初始位置。
文档编号H02P21/14GK102332862SQ20111028759
公开日2012年1月25日 申请日期2011年9月26日 优先权日2011年9月26日
发明者姜海峰, 徐黄生 申请人:江阴歆拓电子科技有限公司