一种测试电机转子初始位置角的方法与流程

本发明涉及一种测试电机转子初始位置角的方法，用于检测电机转子初始位置角。

背景技术：

随着新能源汽车技术的发展和推广，电机驱动的伺服性能要求越来越高。电机控制采用矢量控制方法，电机转子的初始位置角是矢量控制中的重要参数，需要预先测试得到。

电机转子的初始位置角度是电机控制中的重要参数，其准确性对于充分发挥电机性能有重要影响，现场中遇到的许多实际问题都与电机转子的初始位置角度错误有关，电机转子的初始位置角度测量和测量的准确性十分关键。

对永磁同步电机进行矢量控制时，控制器控制定子三相电流合成磁场的矢量方向。为了有效控制定子矢量，需要对转子位置进行精确测量。在电机上转子上安装位置传感器，如光电编码盘，旋转变压器等，并在控制板上安装解码芯片。位置传感器的初始定位主要目的是获得在电机转子位置角为0°时对应的编码器绝对角度，根据这一信息可以使得电机转子位置角与编码器的绝对角度一一对应。现以旋转变压器作为位置传感器为例说明。

1.直接测量法

电机转子的初始位置通常可以由测量电机反电势过零点和转子位置传感器角度的对应关系获得。测量电机反电势时，需要电机绕组开路，拖动被测电机转子以固定转速旋转，同时测量反电势和转子位置角度信号，找到角度对应关系。这种方法通常需要用到示波器或电压传感器等设备，由于工程现场条件限制，现场实际操作可行性较低。

2.间接测量法

间接测量法的原理是将电机转子停到与定子A相轴线重合的位置，也就是零度角位置，此时从旋变解码芯片读出当前位置信息，即为电机转子的初始位置。把电机旋转到与定子A相轴线重合的位置，需要给电机提供一个A轴轴线重合的电压矢量，此时电机的电流从A相流入电机并从B和C相流出电机。该方法测试条件要求高，电机负载大小会对测量精度有很大的影响，现场实际操作不易。

通常，在电机控制系统中会反馈一个电机转子当前位置角的参数，但是该参数有可能是一个错误的数值，也有可能是一个正确的数值，错误或者正确无法判断。要想准确测得电机转子初始位置角，可以在该反馈参数的基础上测试电机转子初始位置角的偏差，从而得到准确的电机转子初始位置角，所以如何准确测试电机转子初始位置角的偏差值是关键。

技术实现要素：

针对现有技术中的上述问题，本发明提供了一种测试电机转子初始位置角的方法，利用电机定子d轴和q轴的电压三角函数关系直接计算得出电机转子的初始位置角度偏差，为正确测试电机转子初始位置角提供了准确参考，该方法具有工程现场条件测试易于实现，现场人员易于掌握的特点。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种测试电机转子初始位置角的方法，包括以下步骤：

步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；

步骤2，所述电机运转后，使得所述电流i为零；

步骤3，测得此时所述电机定子d轴和q轴的电压u_d、u_q；

步骤4，根据u_d、u_q之间的三角函数关系计算得出所述电机转子的初始位置角度偏差θ_err。

进一步，所述电机正向旋转时，所述θ_err＝arctan 2(u_d,u_q)。arctan2是四象限三角函数“反正切”的表达式，下同。

进一步，所述电机反向旋转时，所述θ_err＝arctan 2(-u_d,-u_q)。

进一步，所述电流i通过变流器控制实现。

进一步，所述θ_err为电角度值或旋变解码芯片转换的数字脉冲数。

进一步，所述电机转子初始位置角θ为数字脉冲数，θ＝α+(β×γ)；

所述α为电机转子当前初始位置角反馈脉冲数；α是电机控制系统中反馈的电机转子当前位置角的参数，有可能是一个错误的数值，也有可能是一个正确的数值，错误或者正确无法判断。

所述β为所述电机转子的初始位置角度偏差方向，电机正转β＝1，电机反转β＝-1；

所述γ为所述电机转子的初始位置角度偏差θ_err的脉冲滤波值。

进一步，所述d轴电压u_d＝R_si_d-ω_eL_qi_q，所述q轴电压u_q＝R_si_q+ω_eL_di_d+ω_eψ_rd；

其中R_s为待测电机相电阻，L_d和L_q分别为电机d轴和q轴电感，ω_e为转子角速度，ψ_rd为转子磁链。

当控制器控制电流i为零的时，即i_d＝0和i_q＝0,可以得到：

u_d＝0

u_q＝ω_eψ_rd＝E

即d轴电压为零，q轴电压即为电机反电势。然而，当有初始位置角度偏差时，电机转子坐标系下，相对转子磁极位置d轴和q轴都会有角度偏差，如图1所示。此时，d轴电压和q轴电压不再为零，角度偏差θ_err和d轴和q轴电压为反正切三角函数关系，即：

当电机正向旋转时：θ_err＝arctan 2(u_d,u_q)

当电机反向旋转时：θ_err＝arctan 2(-u_d,-u_q)

进一步，所述电流i的频率低于电机额定频率。

进一步，所述电流i的频率为1/3电机额定频率。

进一步，所述电机为永磁同步电机，或者为电励磁同步电机。

本发明具有以下优点：

本发明提出一种测试转子初始位置角度新算法，相比现有技术中的算法(如：要求达到特定转速和测试持续时间4秒等)，本发明测试时间要求很低(小于1秒)，没有要求特定转速，而且不存在测试结果收敛性的问题，非常易于现场操作，从而提高产品的性能，可靠性和易用性。

本方法测试条件要求低，现场人员易掌握和实现，收敛快准确性高；同时在电机和控制器正常工作的间隙时间也可进行测试，如果电机转子初始位置角度错误，会立即给出初始位置角度的正确值，从而提高了系统故障诊断和纠错能力及功能安全特性。

本方法无需增加任何硬件投资；变流器控制软件修改简单易行；工程现场条件测试易于实现；现场人员易于掌握；测试过程快速，用时短，准确性高；可在系统正常运行间隙测试，提高系统故障诊断和功能安全性。

本方法明确了电机控制器中电机端电压与初始转子位置角的对应关系；可实现在线故障诊断和纠错控制，提高系统功能安全性。

附图说明

图1是电机定子d轴和q轴电压之间的三角函数关系示意图；

图2是使用计算机程序进行电机转子初始位置角标定的界面图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例1

如图1所示，在本发明实施例1中，一种测试电机转子初始位置角的方法，包括以下步骤：

步骤1，首先给待测电机一个电流i使电机运转；电流i的频率较低，只要电机旋转起来便可测试，电流频率决定了电机旋转起来的转速，因此电流i的频率可在额定转速范围内即可，如电流i的频率为1/3电机额定频率。

步骤2，电机运转后，使得电流i为零；

步骤3，测得此时电机定子d轴和q轴的电压u_d、u_q；

步骤4，根据u_d、u_q之间的三角函数关系计算得出此时电机转子的初始位置角度偏差θ_err。

本实施例所测试的电机为同步电机，可以是永磁同步电机，或者是电励磁同步电机。

永磁电机中的d轴和q轴是定义转子同步坐标系时，定义d轴在转子N极，q轴与d轴正交，超前d轴90度。所以，有这个坐标系以后，电机的定子的和转子的物理量都可以折算到这个坐标系下表示。其实质是整个电机定义了一个d轴和q轴，这个坐标轴在转子上随转子一起旋转。比如定子绕组上的三相电压量u_a，u_b和u_c折算到转子同步坐标系下为u_d和u_q，就分别称为定子d轴电压或定子q轴电压，属于定子上的物理量。

当电机正向旋转时，θ_err＝arctan 2(u_d,u_q)。arctan2是四象限三角函数“反正切”的表达式，下同。

当电机反向旋转时，θ_err＝arctan 2(-u_d,-u_q)。

电流i通过变流器控制实现。变流器为被测电机自带，或购买电机后，客户自行购买的变流器匹配。

θ_err为电角度值或旋变解码芯片转换的数字脉冲数。

所述θ_err为电角度值θ_e，它也可以表示为旋变解码芯片转换的数字脉冲数D。

电角度值θ_e与数字脉冲值D的转换关系为：

θ_e＝(D/4096)*(P_M/P_R)*360；其中P_M为电机极对数，P_R为旋转变压器极对数。

解码芯片的转换精度决定数字脉冲值的范围。例如：12位精度对应数字脉冲范围是2¹²＝4096。

如图2所示，当电机转子初始位置角θ为数字脉冲数时，θ＝α+(β×γ)；

α为电机转子当前初始位置角反馈脉冲数；

β为电机转子的初始位置角度偏差方向，电机正转β＝1，电机反转β＝-1；

γ为电机转子的初始位置角度偏差θ_err的脉冲滤波值。该参数是滤掉了信号中的高频干扰和毛刺的数值，增强了测试的准确性和抗干扰性。

图2所示是为了将错误的转子初始角度调整补偿为正确的转子初始角度，试验对象先使用传统方法测得初始位置角度的脉冲值为1083。之后分别更改成错误的初始角度，使用本实施例的测试方法，测得转子初始位置角度基本维持在1083左右的脉冲值。

图2所示是上位机界面图，可以在电脑屏幕上显示，需要上位机软件(如：LabVIEW)通过CAN通信实现。

电机转子的初始位置角度偏差θ_err的计算原理如下：

忽略d轴和q轴间的互感，仅考虑基波分量，电机电压方程为：

u_d＝R_si_d-ω_eL_qi_q (1)

u_q＝R_si_q+ω_eL_di_d+ω_eψ_rd (2)

其中R_s为电机相电阻，L_d和L_q为电机d轴和q轴电感，ω_e为电角速度，ψ_rd为转子磁链。

当控制器控制电流为零的时，即i_d＝0和i_q＝0可以得到：

u_d＝0 (3)

u_q＝ω_eψ_rd＝E (4)

即d轴电压为零，q轴电压即为电机反电势。然而，当转子有初始位置角度偏差时，在电机转子坐标系下，相对转子磁极位置定子的d轴和q轴都会有角度偏差，如图1所示。此时，d轴电压和q轴电压不再为零，角度偏差θ_err和d轴和q轴电压为反正切三角函数关系，即：

当电机正向旋转时：θ_err＝arctan 2(u_d,u_q) (5)

当电机反向旋转时：θ_err＝arctan 2(-u_d,-u_q) (6)

因此根据方程(5)或(6)，可以实时计算得出转子初始位置角度偏差。

本实施例中的测试方法实际使用中依靠计算机程序实现，把测试方法写成代码，对变流器控制软件修改增加功能即可，简单易行。

实施例2

在本发明实施例2中，电机转子的初始位置角度偏差θ_err的三角函数关系采用如下表示：

电机正向旋转时，所述θ_err＝arccot2(u_q,u_d)。

电机反向旋转时，所述θ_err＝arccot2(-u_q,-u_d)。

当然还可以使用其他三角函数表示，例如反正弦、反余弦，在此不一一列举。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行其他的改进或变形。本领域技术人员应该明白，上述的具体描述只是更好的解释本发明的目的，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。