交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法及装置与流程

本发明属于电机控制技术领域，尤其涉及一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法及装置。

背景技术：

交流永磁同步电机在启动之前电机转子的位置是未知的，此时需要获取电机转子的初始位置，并根据该初始位置来启动交流永磁同步电机。

目前，通常获取交流永磁同步电机启动时的电机转子初始位置的主要方法是采用示波器对电机转子初始位置进行检测，获取电机转子初始位置并对该初始位置进行调整来启动交流永磁同步电机。但是该方法工作量较大、效率低、且操作用中易发生错误，影响初始位置的检测的准确性和可操作性。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明实施例提供了一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法及装置，以解决现有技术中获取交流永磁同步电机启动时的电机转子初始位置时存在的工作量较大、效率低、且操作用中易发生错误，影响初始位置的检测的准确性和可操作性的问题。

本发明实施例的第一方面提供了一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法方法，包括：

获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合；

查询预保存的所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到所述当前各相脉冲信号的状态组合对应的所述电机转子的初始角度估计值；

在所述当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的所述电机转子的两路正交信号的角度累加值；

根据所述初始角度估计值和所述角度累加值，得出所述电机转子的初始角度值。

本发明实施例的第二方面提供了一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测装置，包括：

获取模块，用于获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合；

数据查询模块，用于查询预保存的所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到所述当前各相脉冲信号的状态组合对应的所述电机转子的初始角度估计值；

所述获取模块，还用于在所述当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的所述电机转子的两路正交信号的角度累加值；

数据处理模块，用于根据所述初始角度估计值与所述角度累加值，得出所述电机转子的初始角度值。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明的实施例提供的交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法及装置，获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合，查询预保存的电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到当前各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的初始角度估计值，在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号的角度累加值，根据所述电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，确定所述电机转子的当前状态为正转或反转。本发明通过检测到的各相脉冲信号的状态组合得到电机转子的初始角度估计值，在通过在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，检测到的两路正交信号得到正交信号的角度累加值，然后将初始角度估计值与角度累加值得到电机转子的初始角度值，能够实现方便、快速地确定电机转子的初始角度值，且具有较高的准确性和可操作性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的交流永磁同步电机控制系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一提供的一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法的实现流程图；

图3是本发明实施例提供的三相U、V、W相脉冲信号的对应的状态组合的示意图；

图4是本发明实施例二提供的一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法的实现流程图；

图5是本发明实施例提供的三相U、V、W相脉冲信号的状态组合与电机转子角度范围、初始角度估计值的对应关系示意图；

图6是本发明实施例提供的三相U、V、W相脉冲信号的状态组合与电机转子角度范围、角度范围及机械角度的对应关系示意图；

图7是本发明实施例三提供的一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测装置的结构框图；

图8是图7实施例的交流永磁同步电机转子的初始位置检测装置的获取模块的结构框图。

具体实施方式

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

图1是本发明实施例提供的交流永磁同步电机控制系统的结构示意图，其中包括：逆变器001、交流永磁同步电机002、坐标变换模块003、目标电流生成器004、第一电流环比例积分PI调节器005、第二电流环PI调节器006、电压反变换模块007、角度生成器008、位置传感器009、位置信号采集模块010、电流传感器011和求和模块012。电流传感器011与交流永磁同步电机002的定子连接，电流传感器011、坐标变换模块003、求和模块012依次连接，求和模块012与第一电流环PI调节器005、第二电流环PI调节器006分别连接，第一电流环PI调节器005、第二电流环PI调节器006与电压反变换模块007连接，电压反变换模块007与逆变器001连接，逆变器001与交流永磁同步电机002连接。坐标变换模块003与第一电流环PI调节器005构成交轴电流环；坐标变换模块3和第二电流环PI调节器006构成直轴电流环，交轴电流环和直轴电流环构成电流环。

交流永磁同步电机控制系统的控制过程为：电流传感器011将检测到的交流永磁同步电机002定子的三相电流输入坐标变换模块003；坐标变换模块003将电流传感器011检测的三相电流进行Clark和Park变换后得到交轴电流I_q和直轴电流I_d；交轴电流I_q与目标电流生成器004输出的交轴电流I_qref比较，将比较值输入第一电流环PI调节器005得到交轴电压U_q，并将交轴电压U_q输入电压反变换模块007；直轴电流I_d与目标电流生成器004输出的直轴电流I_dref比较，将比较值输入第二电流环PI调节器005得到直轴电压U_d，并将直轴电压U_d输入电压反变换模块007；电压反变换模块007根据交轴电压U_q和直轴电压U_d生成三路控制信号V_a，V_b，V_c输入逆变器；逆变器根据V_a，V_b，V_c输入三相电压到交流永磁同步电机002，驱动交流永磁同步电机002工作。

在上述交流永磁同步电机控制系统的基础上，还包括：角度生成器008、位置传感器009和位置信号采集模块010。角度生成器008与坐标变换模块003连接，位置传感器009的输入端与交流永磁同步电机002的输出轴端连接，位置传感器009的输出端于位置信号采集模块010连接。其中，位置传感器009用于检测交流永磁同步电机002的输出信号(脉冲信号、正交信号等)，位置信号采集模块010用于记录位置传感器009检测到的信号。

交流永磁同步电机在启动之前电机转子的位置是未知的，此时需要获取电机转子的初始位置，并根据该初始位置来启动交流永磁同步电机，目前，通常获取交流永磁同步电机启动时的电机转子初始位置的主要方法是采用示波器对电机转子初始位置进行检测，获取电机转子初始位置并对该初始位置进行调整来启动交流永磁同步电机。但是该方法工作量较大、效率低、且操作用中易发生错误，影响初始位置的检测的准确性和可操作性。鉴于上述问题，本发明实施例提供了一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法及装置，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

实施例一

图2是本发明实施例一提供的一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法的实现流程图，本实施例包括：

S101：获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合。

其中，该位置传感器可以是增量式光电编码器，当电机转子在运动过程中，位置传感器可以检测到电机转子转动过程中的各相脉冲信号，交流永磁同步电机为三相U、V、W相脉冲信号，三相U、V、W相脉冲信号的相位差为120°，脉冲信号分为高电平区和低电平区，其中高电平区用1表示，低电平区用0表示。参考图3在电机转子一个电角度周期过程中，三相U、V、W相脉冲信号的对应的状态组合的示意图，共包含六个状态101、001、011、010、110、100。

S102：查询预保存的电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到当前各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的初始角度估计值。

其中，可以通过电机转子的各相脉冲信号的状态组合确定电机转子对应的角度范围，并根据电机转子对应的角度范围估计及电机转子的初始角度，从而建立电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系。

S103：在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号的角度累加值。

其中，在电机未完成初始定位的检测前，位置传感器需要实时检测当前电机转子的各相脉冲信号的状态组合，当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合时，获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号的角度累加值。

S104：根据所述初始角度估计值和所述角度累加值，得出所述电机转子的初始角度值。

具体地，当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合结束时，将初始角度估计值与角度累加值相加，得到的角度值即为电机转子的初始角度值。

本实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本实施例提供的交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法包括，获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合，查询预保存的电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到当前各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的初始角度估计值，在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号的角度累加值，将初始角度估计值与角度累加值相加，得到电机转子的初始角度值。本发明通过检测到的各相脉冲信号的状态组合得到电机转子的初始角度估计值，在通过在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，检测到的两路正交信号得到正交信号的角度累加值，然后将初始角度估计值与角度累加值得到电机转子的初始角度值，能够实现方便、快速地确定电机转子的初始角度值，且具有较高的准确性和可操作性。

实施例二

图4是本发明实施例二提供的一种交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法的实现流程图，在上述实施例的基础上，在步骤S101之前还包括：

S201：获取角度生成器生成的电机转子的角度值和增加量。

其中，角度生成器可以在一个电角度周期过程中，生成一个角度值θ₀，的取值范围为0～360°，然后生成一个增加量±Δθ，+Δθ和-Δθ可以表示电机转子的转动方向(正转或反转)不同，Δθ的单位为°/毫秒。

S202：在电机转子根据电机转子的角度值和增加量转动一个电角度周期的过程中，获取电机转子的每一组各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的角度范围。

其中，电机转子根据电机转子的角度值和增加量转动一个电角度周期的过程中，在角度值θ0的基础上按照增加量的速度变化(增加或减少)，一般情况下，Δθ的取值小于0.01°/毫秒，以增加数据的准确性，则任意时刻的电机转子角度θ＝θ_k+1＝θ_k±Δθ，式中，K＝0,1,2.....N，Δθ＝360/(N+1)。

具体地，三相U、V、W相脉冲信号的对应的六组状态组合101、001、011、010、110、100对应的电机转子的角度范围的对应关系，参考表1和图5。

表1状态组合与角度范围对应关系表

S203：根据电机转子的角度范围，确定电机转子的初始角度估计值。

具体地，根据所述电机转子的角度值范围得出电机转子的角度值范围的中间值，并将角度范围的中间值作为电机转子的初始角度估计值。

参考表1，电机转子的角度范围(0°,60°]的中间值为30°；(60°,120°]的中间值为90°，(120°,180°]的中间值为150°；(180°,240°]的中间值为210°；(240°,300°]的中间值为270°；(300°,360°]的中间值为330°。

S204：根据电机转子的每一组各相脉冲信号的状态组合和电机转子的初始角度估计值，保存电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系。

具体地，三相U、V、W相脉冲信号的对应的六组状态组合101、001、011、010、110、100对应的电机转子的初始角度估计值的对应关系，参考表2和图5。

表2状态组合与初始角度估计值对应关系表

在一个例子中，可以在电机转子根据电机转子的角度值和增加量转动多个电角度周期的过程中，获取电机转子的每一组各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的角度范围，然后根据电机的极对数P，可以进行P次记录求其平均值。电机转子的角度值与电机转子的机械角度的转换与电机的极对数P有关，U、V、W信号状态组合、角度范围与机械角度间关系参考图6，电机转子在N个电角度周期，对应的电机转子的机械角度为360°×N/P。

在一个例子中，上述交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法，将获取预保存的电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系之前，还包括：

获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号；根据两路正交信号，确定电机转子两路正交信号的超前或滞后关系；根据电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，确定电机转子的当前状态为正转或反转。

具体地，电机转子的两路正交信号为位置传感器检测到的A、B正交信号，且A、B信号90°正交。根据电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，确定电机转子的当前状态为正转或反转的具体过程为(以A、B正交信号为例)：当A信号超前B信号，确定当前电机转子为反转；当A信号之后B信号，确定当前电机转子为正转。

需要说明的是：可以将表2的内容以及A、B正交信号的超前或滞后关系通过位置信号采集模块10记录并保存在EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory，电可擦可编程只读存储器)中。

在一个例子中，上述交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法，在根据两路正交信号，确定电机转子两路正交信号的超前或滞后关系之后，还包括：

确定角度生成器的增加量的方向；检测电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系对应的转动方向与增加量的方向是否一致；在检测到电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系对应的转动方向与增加量的方向不一致时，调整电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系。

具体地，当电机转子跟随角度生成器生成的角度缓慢旋转时，位置信号采集模检测位置传感器的两路正交信号的超前或滞后关系对应的转动方向与增加量的方向是否一致；如果Δθ>0，且两路正交信号的技术方向是增加趋势，则不用调整电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系；或者，如果Δθ<0，且两路正交信号的技术方向是减小趋势，则不用调整电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系；反之，则需要调整电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系。

需要说明的是，坐标变换模块3将电流传感器11检测的三相电流进行Clark和Park变换后得到交轴电流I_q和直轴电流I_d的具体过程为：

首先，电流传感器11检测的交流永磁同步电机2定子的三相电流分别为：i_a，i_b，则i_c＝-(i_a+i_b)，坐标变换模块3将i_a，i_b，i_c进行Clark变化，得到两相静止坐标系下的电流分量，即为i_α，i_β，其变化公式如下：

然后，变换模块3根据角度生成器生成的电角度θ，将上述两相静止坐标系下的电流分量i_α，i_β进行PARK变换，得到两相同步旋转DQ坐标系下的电流分量，即为I_d，I_q，其其变化公式如下：

需要说明的是，目标电流生成器4生成的电流分量I_dref、I_qref的取值为：

式中，I_ee为交流永磁同步电机2的额定电流。

应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。

实施例三

对应于上文实施例所述的交流永磁同步电机转子的初始位置检测方法，图7示出了本发明实施例三提供的交流永磁同步电机转子的初始位置检测装置的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参照图7，该装置包括：包括：获取模块301、数据查询模块302、数据处理模块303。

其中，获取模块301，用于获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合。

数据查询模块302，用于查询预保存的所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到所述当前各相脉冲信号的状态组合对应的所述电机转子的初始角度估计值。

所述获取模块301，还用于在所述当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的所述电机转子的两路正交信号的角度累加值。

数据处理模块303，用于根据所述初始角度估计值与所述角度累加值，得出所述电机转子的初始角度值。

本发明实施例与现有技术相比存在的有益效果是：本发明的实施例提供的交流永磁同步电机转子的初始位置检测装置，获取位置传感器检测到的电机转子的当前各相脉冲信号的状态组合，查询预保存的电机转子的各相脉冲信号的状态组合与电机转子的初始角度估计值的对应关系，得到当前各相脉冲信号的状态组合对应的电机转子的初始角度估计值，在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，获取位置传感器检测到的电机转子的两路正交信号的角度累加值，根据所述电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，确定所述电机转子的当前状态为正转或反转。本发明通过检测到的各相脉冲信号的状态组合得到电机转子的初始角度估计值，在通过在当前各相脉冲信号的状态组合切换到下一个各相脉冲信号的状态组合过程中，检测到的两路正交信号得到正交信号的角度累加值，然后将初始角度估计值与角度累加值得到电机转子的初始角度值，能够实现方便、快速地确定电机转子的初始角度值，且具有较高的准确性和可操作性。

在一个例子中，所述获取模块301，还用于获取预保存的所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系。所述获取模块301，具体包括：获取单元3011、确定单元3012、数据保存单元3013。获取单元3011，用于获取角度生成器生成的所述电机转子的角度值和增加量，以及在所述电机转子根据所述电机转子的角度值和增加量转动一个电角度周期的过程中，获取所述电机转子的每一组各相脉冲信号的状态组合对应的所述电机转子的角度范围。确定单元3012，用于根据所述电机转子的角度范围，确定所述电机转子的初始角度估计值。数据保存单元3013，用于根据所述电机转子的每一组各相脉冲信号的状态组合和所述电机转子的初始角度估计值，保存所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系。

在一个例子中，所述确定单元3012，具体用于根据所述电机转子的角度值范围得出所述电机转子的角度值范围的中间值，并将所述角度范围的中间值作为所述电机转子的初始角度估计值。

在一个例子中，所述获取模块301，还用于所述第三获取模块将获取预保存的所述电机转子的各相脉冲信号的状态组合与所述电机转子的初始角度估计值的对应关系之前，获取所述位置传感器检测到的所述电机转子的两路正交信号。所述装置还包括：处理模块304，用于根据所述两路正交信号，确定所述电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，以及根据所述电机转子两路正交信号的超前或滞后关系，确定所述电机转子的当前状态为正转或反转。

在一个例子中，所述处理模块304，还用于在根据所述两路正交信号，确定所述电机转子两路正交信号的超前或滞后关系之后，确定所述角度生成器的增加量的方向。所述装置还包括：方向检测模块305、信号调整模块306。其中，方向检测模块305，用于检测所述电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系对应的转动方向与所述增加量的方向是否一致。信号调整模块306，用于在所述方向检测模块检测到所述电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系对应的转动方向与所述增加量的方向不一致时，调整所述电机转子的两路正交信号的超前或滞后关系。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本申请的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实施例的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本发明实施例各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。