无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法与流程

本发明涉及电机驱动领域，具体涉及一种无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法。

背景技术：
永磁同步电机由于其效率、功率密度高等优势，正慢慢取代传统异步感应电机应用于越来越多的驱动场合。要实现永磁同步电机高性能的矢量控制策略必须实时获取转子速度信息，通常的方法是配备编码器。在传统异步感应电机的应用中通常不需要转子初始位置识别，异步感应电机的转子初始位置可默认为零，因为转子磁链是通过定子磁链在磁场中旋转感应而产生出来的，因此传统异步感应电机仅需配备普通增量式编码器便能实现高性能矢量控制。而永磁同步电机由于永磁体磁极的存在，倘若定子磁链方向施加错误，将造成永磁同步电机不可预期的旋转、失步，乃至启动失败。而通常采用的增量式编码器并不具备转子磁极初始位置识别能力，要实现高性能的永磁同步电机矢量控制必须配备带有转子磁极初始位置识别能力的编码器，例如绝对式编码器、UVW编码器、正余弦编码器、旋转变压器等。但这些编码器的使用在给永磁同步电机带来高精度控制性能的同时，也给驱动系统带来了成本较高、码盘故障率高等问题。因此，为节省成本，同时兼顾系统稳定性与性能，若适配普通增量式编码器便需要额外的转子初始位置识别算法与之相配合。当然，也可采用无速度传感器永磁同步电机矢量控制方案，这也需要转子初始位置识别算法的支撑。因此，永磁同步电机转子磁极初始位置识别技术是低端编码器/无编码器永磁同步电机矢量控制的关键支撑技术。无速度传感器永磁同步电机对转子磁极初始位置信号的获取只能通过电机本体的特性进行计算获得。常用的方法大致有：电感测量法（专利公开号CN1350720A）、高频信号注入法（专利公开号CN1539195A、CN1489822A）和脉冲注入法。由于高频信号注入法对电机本体参数依耐性强，对电流、电压采样精度要求高，算法工程实现复杂等缺点，在实际应用中并不多见，仅限于理论研究。脉冲注入法则主要分为电流脉冲注入法和电压脉冲注入法，其中电压脉冲注入法由于工程实现简单，得到了最为广泛的应用。脉冲注入法由于应用最为广泛，也已有不少专利申请做出了详细介绍，例如公开号为CN101369796A的专利文件中公开了一种检测永磁同步电机转子磁极初始位置的方法和系统，该申请提供了一种预设-判断-调整的三步识别转子磁极初始位置方法，但此方法在调整角度步长过程中，可能造成永磁同步电机转子不必要的转动，这也将影响后期辨识判断的准确性；同时由于在线判断调整角度步长，还将造成转子初始磁极识别时间的不固定性。增量式编码器/无速度传感器永磁同步电机的转子磁极初始位置识别的准确性直接影响永磁同步电机启动力矩，及启动稳定性。因此，提高永磁同步电机转子磁极初始位置识别精度已经逐渐成为该技术领域的重要议题。

技术实现要素：
本发明的目的是为了克服以上的不足，提供一种能够解决在无速度传感器或增量式低端编码器情况下实现永磁同步电机转子磁极初始位置识别的问题，从而实现永磁同步电机启动力矩、启动稳定性的提升的无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法。本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法，包括以下步骤：、通过两个电流传感器分别获取电机的两相电流Isa、Isb，并通过两相电流计算第三相电流Isc；、通过空间电压矢量调制模块向永磁同步电机定子绕组注入幅值为Vm1,脉宽为Tm1，脉宽间隔为Dm1，方向间隔60°的六个电压矢量脉冲V1～V6；、分别读取注入六个电压矢量脉冲信号时的六个三相电流信号Isabc1～Isabc6，并分别读取六个三相电流模值的峰值Ispk1～Ispk6；、将电压矢量方向相反的三相电流模值峰值两两相加得到电机A、B、C轴线上的三个电流计算值ISA、ISB、ISC，并通过CLARK坐标变换将其转换至αβ坐标系分量ISα、ISβ，通过反正切求取估测转子磁极位置角θs1，θs1为0~180°；、分别根据所施加的电压矢量角度θ进行PARK坐标变换，将采样电流Isabc坐标变换至q轴电流Isq，并分别读取注入六个电压矢量脉冲时q轴电流的峰值Isqpk1～Isqpk6；、对比六个q轴电流峰值的大小确定转子磁极位置所处在的电压矢量扇区Vn，将电压矢量扇区折算至0～180°范围内，估测转子磁极位置角θs2；vii、将两种判据方法估测得来的转子磁极初始位置角相减Δθs=|θs1－θs2|，当Δθs≤30°时表明所施加电压矢量脉冲可有效识别出在180°范围内的转子初始磁极位置角信号，进入步骤ix，反之，则键入步骤viii；viii、加大注入电压幅值Vm1，重新进入步骤ii；ix、分别施加在θs1和θs1+180°方向上的两个电压矢量VL和VH，其幅值均为Vm2(>Vm1)，脉宽均为Tm2(>Tm1)，脉宽间隔均为Dm2(>Dm1)；x、分别读取两个电压矢量方向上三相电流模值的峰值IspkL、IspkH，如果|IspkL－IspkH|＞ΔIspk则进入步骤xii，反之进入步骤xi；xi、加大注入电压幅值Vm2后重新进入步骤ix；xii、当IspkL＞IspkH时转子磁极初始位置角为θs1；反之，则转子磁极初始位置角为θs1+180°。本发明的进一步改进在于：采用“两步法”分别对永磁同步电机的转子磁极初始位置进行了预识别和再识别，从而确保识别转子磁极初始位置的准确性，在转子磁极初始位置预识别中，采用了双重判断预识别的方法，分别将通过电压矢量扇区判断的转子磁极初始位置区间角度与通过三相电流模值计算得到的转子磁极初始位置角度值进行比较，从而实现双重判断预识别，采用了利用电机饱和特性的转子磁极初始位置再识别方法，从而实现在双重判断预识别结果的基础上，对最终转子磁极初始位置进行了再识别，进而确保转子磁极初始位置的准确性。本发明的进一步改进在于：所述“两步法”第一步为转子磁极初始位置的识别，为步骤i～viii，利用永磁同步电机隐极式或凸极式的凸极特性确立磁极所在位置，误差为180°电角度，“两步法”第二步为转子磁极初始位置再识别，为步骤ix～xii，利用同步机的磁路饱和特性确立最终磁极所在方向。本发明与现有技术相比具有以下优点：通过“两步法”对转子磁极初始位置进行识别：“第一步”为转子磁极初始位置预识别，如上述步骤i～viii所示，利用永磁同步电机（隐极式、凸极式）的凸极特性确立磁极所在位置（误差为180°电角度）；“第二步”为转子磁极初始位置再识别，如上述步骤ix～xii所示，利用同步机的磁路饱和特性确立最终磁极所在方向。“两步法”中第一步所依赖的凸极特性一般存在于凸极式永磁同步电机中，但隐极式永磁同步电机在设计的过程中，也存在着轻微的凸极特性，而第二步所依赖的饱和特性不管是凸极式、还是隐极式均存在此特性。因此，本发明提供的无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法不仅适用于凸极式永磁同步电机，还适用于隐极式永磁同步电机，具有一定的普遍适用性。在“两步法”中转子磁极初始位置预识别步骤采用了六个电压矢量扇区判断与电流角度计算判断双重判断识别方法，确定了180°范围内的转子磁极方向，提高了转子磁极方向预识别的精度；转子磁极初始位置再识别步骤中，向电机注入了幅值较大，周期较长的电压矢量脉冲，以确保电机定子磁路饱和，从而更加精确的确认转子磁极所在位置，这种识别方法简单易行，稳定可靠。附图说明：图1为本发明无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法实现的流程图；图2为本发明实施例中永磁同步电机定子相电感的空间分布特性图；图3为本发明实施例中永磁同步电机定子A相电感分别在磁路不饱和、饱和情况下的空间分布特性图；图4为本发明实施例中永磁同步电机定子三相电感在定子铁心饱和情况下的空间分布特性图；图5为本发明实施例中六个方向电压脉冲矢量图；具体实施方式：下面将结合本发明实施例中的附图与公式，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作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。如图1示出了一种无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法，包括以下步骤：、通过两个电流传感器分别获取电机的两相电流Isa、Isb，并通过两相电流计算第三相电流Isc；、通过空间电压矢量调制模块向永磁同步电机定子绕组注入幅值为Vm1,脉宽为Tm1，脉宽间隔为Dm1，方向间隔60°的六个电压矢量脉冲V1～V6；、分别读取注入六个电压矢量脉冲信号时的六个三相电流信号Isabc1～Isabc6，并分别读取六个三相电流模值的峰值Ispk1～Ispk6；、将电压矢量方向相反的三相电流模值峰值两两相加得到电机A、B、C轴线上的三个电流计算值ISA、ISB、ISC，并通过CLARK坐标变换将其转换至αβ坐标系分量ISα、ISβ，通过反正切求取估测转子磁极位置角θs1，θs1为0~180°；、分别根据所施加的电压矢量角度θ进行PARK坐标变换，将采样电流Isabc坐标变换至q轴电流Isq，并分别读取注入六个电压矢量脉冲时q轴电流的峰值Isqpk1～Isqpk6；、对比六个q轴电流峰值的大小确定转子磁极位置所处在的电压矢量扇区Vn，将电压矢量扇区折算至0～180°范围内，估测转子磁极位置角θs2；vii、将两种判据方法估测得来的转子磁极初始位置角相减Δθs=|θs1－θs2|，当Δθs≤30°时表明所施加电压矢量脉冲可有效识别出在180°范围内的转子初始磁极位置角信号，进入步骤ix，反之，则键入步骤viii；viii、加大注入电压幅值Vm1，重新进入步骤ii；ix、分别施加在θs1和θs1+180°方向上的两个电压矢量VL和VH，其幅值均为Vm2(>Vm1)，脉宽均为Tm2(>Tm1)，脉宽间隔均为Dm2(>Dm1)；x、分别读取两个电压矢量方向上三相电流模值的峰值IspkL、IspkH，如果|IspkL－IspkH|＞ΔIspk则进入步骤xii，反之进入步骤xi；xi、加大注入电压幅值Vm2后重新进入步骤ix；xii、当IspkL＞IspkH时转子磁极初始位置角为θs1；反之，则转子磁极初始位置角为θs1+180°。永磁同步电机存在两种凸极效应：一种是结构凸极效应，一种是饱和凸极效应。通常的结构凸极效应是由电机转子的不对称及磁路的不对称所造成的，这对凸极机来讲非常明显。这体现为定子相自感的空间分布特性。如下式1所示：式1根据式1可令：式2式中，L0为基波气隙磁链的自感；Ls为电枢漏感；L2为与转子位置相关的磁链自感量；Lsa0、Lsb0、Lsc0分别为磁路不饱和情况下的三相定子相电感。因此，三相定子相电感的空间分布特性如图2所示。由图可知，定子相电感为转子位置的函数。以A相为例，在电机未通电流情况下，转子磁极N极或S极对齐定子A相轴线方向时，永磁体产生的磁通与定子A相绕组的交联最多，将引起磁路饱和，饱和度最高；而转子磁极N极方向正交定子A相轴线时，永磁体对定子A相轴线无任何磁通贡献（N极S极作用相互抵消），饱和度最低。当磁路饱和度高时，Lma最小，则Lsa0最小，反之Lsa0最大。因此，当转子磁极N极/S极与该相轴线同方向时，此时相电感最小，与该相轴线正交时，此时相电感值最大。因此，相电感在360°电角度范围内为2倍频正弦函数，如式1、图2所示。而对于隐极式永磁同步电机来讲，尽管永磁体是均匀贴在转子轴面上，但永磁体之间存在铁桥。铁桥的目的是提高转子机械稳定性，而刚好铁桥在q轴方向上，因此q轴电感Lq要略大于d轴电感Ld。因此，即使是针对隐极式永磁同步电机，由于铁桥的存在，永磁体上还是存在着些许的结构凸极效应，因此式1与图2特性同样适用于隐极式永磁同步电机。根据图3所示Lsa0为磁路不饱和情况下的A相电感函数波形，可通过注入幅值较小的电压脉冲信号，确保电流不引起磁路饱和的情况下，通过对电流的采样，实现转子N/S磁极方向的预识别，此为本发明所述“两步法”的第一步：转子磁极初始位置预识别。但是，如图3所示可知，此预识别的结果有两个答案，它们互差180°电角度，这是由于相电感的空间分布函数为2倍频的关系。此时，若要进一步获得转子磁极的位置，需要使用永磁同步电机饱和凸极效应进行进一步识别。永磁同步电机的饱和凸极效应与电机自身凸/隐极结构无关，取决于定子铁心的饱和程度。以定子A相绕组为例，当定子A相轴线通入幅值较大的直流电流时，当转子磁极N极与定子A相轴线方向相同时，绕组电流将使绕组磁链增加，从而引起定子铁心饱和程度增加，同时，也会略微减小与定子等效相电感。反之，当转子磁极S极与定子A相轴线方向相同时，绕组电流将使绕组磁链减小，从而减小铁心饱和程度，同时，也会略微增大定子相电感。由于转子磁极N极、S极的所处位置的定子相电感值不同，因此可以实现N/S极的区分。依然以定子A相等效电感为例，如图3所示为A相等效相电感在定子铁心不饱和（Lsa0）及饱和情况下（Lsa）的对比波形。由图可知，磁极S极所处位置相电感在饱和与不饱和情况下均无特别变化。然而，磁极N极所处位置的相电感在饱和时要明显小于不饱和情况下的相电感，同时也明显小于磁极S极所处位置的相电感值。因此，可在饱和情况下，实现对转子位置的最终识别。这便是本发明所述“两步法”的第二步：转子磁极初始位置再识别。如图4所示为三相电感在定子铁心饱和情况下的空间分布曲线。由图可看出，三相电感分别在转子磁极N极所处位置时电感值最小。在具体实现中，进行转子磁极初始位置预识别过程中，只需施加六个幅值较小的电压矢量如图5所示，V1、V2、V3、V4、V5、V6分别为角度间隔60°的六个电压矢量。其中V1与电机A相轴线重合，V3与电机B相轴线重合，V5与电机C相轴线重合。如图5所示，此时转子磁极初始位置角为θ0。如式3所示为将电压矢量方向相反的三相电流模值峰值两两相加得到电机A、B、C轴线上的三个电流计算值ISA、ISB、ISC：式3通过CLARK变换可得式4:式4根据式4可计算得到估测转子磁极位置角θs1式5同时，通过比较六个q轴电流峰值的大小确定转子磁极位置所处在的电压矢量扇区Vn，将电压矢量扇区折算值0~180°范围内的估测转子磁极位置角θs2。如图5所示，可确定转子磁极位置所处扇区为电压矢量V2所在扇区。当估测转子磁极位置角之差Δθs=|θs1－θs2|＞30°时，表明预识别角度不正确，需要加大所施加六个方向电压矢量脉冲的幅值以正确区分转子磁极所处方向。当估测转子磁极位置角之差Δθs=|θs1－θs2|≤30°时，表明通过两种角度估测方式得到的结果相近，证明了预识别角度的正确性，便可进入再识别步骤，以实现转子磁极初始位置角的最终确定。在转子磁极初始位置角再识别步骤中，需要分别在预识别过程中得到的转子磁极初始位置角方向上（θs1）及其反方向上（θs1+180°）施加幅值较大（Vm2）的电压矢量以使永磁同步电机磁路饱和，从而区分出转子磁极N极所处的角度。如图5所示，转子磁极初始位置角再识别中所施加的两个电压矢量分别为VL与VH。由于在转子磁极初始位置角预识别中以得到转子磁极所处的位置角，因此在转子磁极初始位置角再识别过程中所施加的电压矢量方向与转子磁极所处方向接近，因此即使施加幅值较大的电压矢量也不会引起转子位置变化。本发明所采用的“两步法”分别对永磁同步电机的转子磁极初始位置进行了预识别和再识别，从而确保识别转子磁极初始位置的准确性。在转子磁极初始位置预识别中，采用了双重判断预识别的方法，分别将通过电压矢量扇区判断的转子磁极初始位置区间角度与通过三相电流模值计算得到的转子磁极初始位置角度值进行比较，从而实现双重判断预识别。采用了利用电机饱和特性的转子磁极初始位置再识别方法，从而实现在双重判断预识别结果的基础上，对最终转子磁极初始位置进行了再识别，进而确保转子磁极初始位置的准确性。与传统识别方法相比，本发明所采用方法在识别过程中不会造成电机转子不必要的转动，识别时间短，识别精度高，简单易行，稳定可靠，提升了永磁同步电机矢量控制的启动性能。本发明方法除适用于无传感器永磁同步电机驱动系统外，还能适用于相类似的无刷直流电机驱动系统。需要说明的是，上述装置和系统内的各单元之间的控制策略、执行过程等内容，由于与本发明方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述。本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：闪存（FlashMemory）、只读存储器（ROM，ReadOnlyMemory）、随机存取存储器（RAM，RandomAccessMemory）、磁盘或光盘等。以上对本发明实施例所提供的无速度传感器永磁同步电机转子磁极初始位置识别方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。