永磁同步电机初始磁极位置和交直轴电感的辨识方法与流程

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机初始磁极位置和交直轴电感的辨识方法。

背景技术：

永磁同步电机在工业控制场合得到越来越多的应用，传统的方法中检测转子位置的方式如采用光电编码器，旋转编码器和磁编码器等，然而高精度、高分辨率的位置传感器价格昂贵，不仅增加了系统成本，还降低了系统应用的可靠性，因此无位置传感器控制技术已成为永磁同步电机控制研究的一个重要方向。为了实现高性能的永磁同步电机矢量控制系统，获取准确的转子磁极位置信息必不可少，在无位置传感器控制系统中，系统启动的初始位置检测就需求被辨识出来，以便某些不允许永磁同步电机自由旋转的场合电机能够平稳正常的启动。

目前电机初始磁极位置的辨识是通过高频信号的注入，实现对转子位置的估计，通过对电压基波上叠加高频电压分量，并对检测的电流信号进行信号提取以获取转子位置信息，这种方法对获取的电压、电流精度要求较高，不然就会影响初始位置精度；且这种方法只适合与电机能够转动的情况，对其他电机不能转动的场合，该方法就不能适用。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决上述背景技术存在的不足，提供一种方法简单、实现方便的永磁同步电机初始磁极位置和交直轴电感的辨识方法。

本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机初始磁极位置和交直轴电感的辨识方法，包括以下步骤：

步骤1，向电机控制器输出四个相互垂直方向的电压矢量，获取各方向对应的直轴电感，

当四个直轴电感中较大的两个直轴电感的差值大于设定值时，则以最大的直轴电感对应的电压矢量的方向为基准位置，以基准位置为基础调整输出电压矢量的方向，逐步确定电机初始磁极位置；

当四个直轴电感中较大的两个直轴电感的差值小于等于设定值时，则确定电机初始磁极位置为两个直轴电感对应的电压矢量方向的角度平分线所在位置；

步骤2，根据初始磁极位置，沿着初始磁极位置方向和初始磁极位置旋转90°方向分别输出两个电压脉冲矢量，检测这两个方向的电流分量，根据电机工作的数学模型计算电机的直轴电感和交轴电感。

进一步地，在向电机控制器输出四个相互垂直方向的电压矢量之前，先向电机控制器输出一定方向的电压矢量，检测该方向上的电压矢量对应的电流，根据电流大小确定电机控制器的开关频率。

进一步地，确定电机的开关频率的方法为：

1)设定一个电机控制器的开关频率，向电机控制器输出一个方向为A相、时间为一个开关周期的电压矢量，一个周期之后，检测在该电压矢量作用下的电流幅值；

2)若电流幅值大于等于电机额定电流的四分之一，则确定电机的开关频率为该电流幅值对应的开关频率；

3)若电流幅值小于电机额定电流的四分之一，则减小开关频率到上一次开关频率的一半，重新检测电流幅值，直到某个开关频率下对应的电流幅值大于电机额定电流的四分之一，则确定电机的开关频率为该电流幅值对应的开关频率。

进一步地，输出的四个电压矢量的方向分别为0°、90°、180°和270°。

进一步地，以基准位置为基础调整输出电压矢量的方向，逐步确定电机初始磁极位置的方法为：

A、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2ⁿ+θn和﹣θ0/2ⁿ+θn，n为正整数，θn为上一次选取的基准位置，θ0为标定值；

B、分别检测两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为下一次的基准位置；

C、判断两个电压矢量方向之差的绝对值是否小于等于设定值，若是则确定电机初始磁极位置为两个电压矢量方向的角度平分线所在位置；若不是则重复步骤A-B，直至两个电压矢量方向之差的绝对值小于等于设定值。

上述步骤A-C的详细过程如下：

a、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2+θ1和﹣θ0/2+θ1，幅值相同，θ1为上述步骤1中第一次确定的初始位置，θ0为标定值，取值为45°；

b、分别检测步骤a中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第二次的基准位置θ2，即θ2等于θ0/2+θ1或﹣θ0/2+θ1；

c、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/4+θ2和﹣θ0/4+θ2，幅值相同；

d、分别检测步骤c中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第三次的基准位置θ3；

……

e、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2ⁿ+θn和﹣θ0/2ⁿ+θn，幅值相同；

f、分别检测步骤e中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第n+1次的基准位置θn+1；

g、上述每一次选取基准位置后均判断上一步骤中的两个电压矢量方向之差的绝对值是否小于等于设定值，若是则确定电机初始磁极位置为两个电压矢量方向的角度平分线所在位置；若不是则继续进行后面步骤，直至两个电压矢量方向之差的绝对值小于等于设定值。

更进一步地，通过以下公式计算电机的直轴电感和交轴电感：其中，ud为沿着初始磁极位置方向输出的电压矢量的幅值，为沿着初始磁极位置方向输出的电压矢量作用下的电流变化率，id为电机的直轴电感；uq为沿着初始磁极位置旋转90°方向输出的电压矢量的幅值，为沿着初始磁极位置旋转90°方向输出的电压矢量作用下的电流变化率，iq为电机的交轴电感。

本发明通过输出不同方向的脉冲电压矢量就能在不转动电机的前提下，准确辨识出电机磁极的初始位置和交直轴电感，不需要进行复杂的运算，也不需要复杂的算法，辨识方法原理简单，实现方便，精度高。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为本发明输出互相垂直的四个电压矢量的示意图。

图3为本发明电机初始磁极位置辨识过程中输出的不同电压矢量的示意图。

图4为本发明电机交直轴电感辨识时输出的电压矢量的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示，本发明一种永磁同步电机初始磁极位置和交直轴电感的辨识方法，包括以下步骤：

步骤1，向电机控制器输出四个相互垂直方向的电压矢量，获取各方向对应的直轴电感，

当四个直轴电感中较大的两个直轴电感的差值大于设定值时，则以最大的直轴电感对应的电压矢量的方向为基准位置θ1，以基准位置为基础调整输出电压矢量的方向，逐步确定电机初始磁极位置；

当四个直轴电感中较大的两个直轴电感的差值小于等于设定值时，则确定电机初始磁极位置为两个直轴电感对应的电压矢量方向的角度平分线所在位置；

步骤2，根据初始磁极位置，沿着初始磁极位置方向和初始磁极位置旋转90°方向分别输出两个电压脉冲矢量，检测这两个方向的电流分量，根据电机工作的数学模型(即后面的公式)计算电机的直轴电感和交轴电感。

上述方案中，在向电机控制器输出四个相互垂直方向的电压矢量之前，先向电机控制器输出一定方向的电压矢量，检测该方向上的电压矢量对应的电流，根据电流大小确定电机控制器的开关频率。确定电机的开关频率的方法如下：

1)设定一个电机控制器的开关频率，向电机控制器输出一个方向为A相、时间为一个开关周期的电压矢量，一个周期之后，检测在该电压矢量作用下的电流幅值；

2)若电流幅值大于等于电机额定电流的四分之一，则确定电机的开关频率为该电流幅值对应的开关频率；

3)若电流幅值小于电机额定电流的四分之一，则减小开关频率到上一次开关频率的一半，重新检测电流幅值，直到某个开关频率下对应的电流幅值大于电机额定电流的四分之一，则确定电机的开关频率为该电流幅值对应的开关频率。

上述方案中，输出的四个电压矢量的方向分别为0°、90°、180°和270°。以基准位置为基础调整输出电压矢量的方向，逐步确定电机初始磁极位置的方法为：

A、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2ⁿ+θn和﹣θ0/2ⁿ+θn，幅值相同，n为正整数，θn为上一次选取的基准位置，θ0为标定值；

B、分别检测两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为下一次的基准位置；

C、判断两个电压矢量方向之差的绝对值是否小于等于设定值，若是则确定电机初始磁极位置为两个电压矢量方向的角度平分线所在位置；若不是则重复步骤A-B，直至两个电压矢量方向之差的绝对值小于等于设定值。

上述步骤A-C的详细过程如下：

a、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2+θ1和﹣θ0/2+θ1，θ1为上述步骤1中第一次确定的初始位置(即可以是0°、90°、180°或270°)，θ0为标定值，取值为45°；

b、分别检测步骤a中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第二次的基准位置θ2，即θ2等于θ0/2+θ1或﹣θ0/2+θ1；

c、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/4+θ2和﹣θ0/4+θ2；

d、分别检测步骤c中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第三次的基准位置θ3；

……

e、向电机控制器输出两个电压矢量，两个电压矢量方向分别为θ0/2ⁿ+θn和﹣θ0/2ⁿ+θn；

f、分别检测步骤e中两个电压矢量作用下的电流幅值，比较两个电流变化率的大小，选取较大的电流变化率对应的电压矢量方向作为第n+1次的基准位置θn+1；

g、上述每一次选取基准位置后均判断上一步骤中的两个电压矢量方向之差的绝对值是否小于等于设定值，本发明设定值为11.25，也可以根据需要设置其他值，提高精度，若是则确定电机初始磁极位置为两个电压矢量方向的角度平分线所在位置；若不是则继续进行后面步骤，直至两个电压矢量方向之差的绝对值小于等于设定值。

上述方案中，通过以下公式计算电机的直轴电感和交轴电感：其中，ud为沿着初始磁极位置方向输出的电压矢量的幅值，为沿着初始磁极位置方向输出的电压矢量作用下的电流变化率，id为电机的直轴电感；uq为沿着初始磁极位置旋转90°方向输出的电压矢量的幅值，为沿着初始磁极位置旋转90°方向输出的电压矢量作用下的电流变化率，iq为电机的交轴电感。

本发明的目的是为了辨识永磁同步电机的初始磁极位置和交直轴电感，以供电机在无位置传感器的控制中能正常平稳的带载启动，以及在控制算法中需要利用电机参数进行闭环控制。本发明通过脉冲电压矢量法，输出不同方向的脉冲电压，通过脉冲电压激励出的电流信号，逐步寻找逼近磁极位置，首先要确定电机控制器的开关频率，开关频率根据一个脉宽下输出电流达到额定电流的四分之一左右为准。通过不同方向的电压矢量作用，计算该方向下的电流变化率的最大值，在相同电压幅值作用下，某个方向上电流变化率的值越大，则这个方向越逼近转子d轴，磁极的位置可以沿着这个思路开始找。

以下通过实施例对本发明的上述技术方案进行详细说明。

先将电机控制器的载波开关频率设为10kHz，输出一个方向为A相，时间为一个开关周期的电压矢量，即为0°电压矢量，一个周期之后，检测在该0°对应的电压矢量作用下激励出的电流信号，A相电流分量的幅值如果大于等于电机额定电流的四分之一，则在该开关频率下继续之后的初始位置辨识辨识操作；如果小于电机的额定电流的四分之一，则减小开关频率到5kHz，若A相电流还是小于额定电流的四分之一，则继续减小为上一次开关频率的一半，直到某个开关频率下对应的A相电流幅值大于额定电流的四分之一，则在该开关频率下继续之后的初始磁极位置辨识操作。

开关频率确定之后，在静态坐标系alfa-beta坐标系下，分别输出0°、90°、180°和270°互相垂直的四个电压矢量，如图2所示，四个方向分别输出一个开关周期的电压矢量，定义为V1，V2，V3，V4，分别检测在这四个电压矢量作用下分别激励出的电流信号，分别对应0°、90°、180°和270°的电流分量，计算出在这四个方向上电流变化率对应的最大值，用每个方向上的电压除以该方向上电压作用对应的电流变化率，得到直轴电感Ld1，Ld2，Ld3，Ld4，如果Ld1，Ld2，Ld3，Ld4的值中较大的两个值(假设为Ld2和Ld3)之间的差值大于设定值，设定值为较小的那个电感值(Ld2或Ld3)乘以5％，则认为只有一个最大的Ldn，则磁极位置在该最大电感值对应的角度前后45°内，则继续之后的辨识。如果对应的四个电感值中较大的两个值(假设为Ld2和Ld3)之间的差值小于等于设定值，则磁极位置刚好在这两个最大电感值对应的角度的平分线上，电机初始磁极位置辨识完毕。

当上述的四个电压矢量确定了一个最大的电感值之后，将电机磁极位置确定在某个角度(0°，90°，180°，270°之一)的正负45°以内，经过前面所述的四个电压矢量，就将电机初始磁极位置确定在90°范围内，接下来就是要在90°的范围继续寻找初始磁极位置。通过不同相位的电压脉冲信号，根据给定电压和检测电流变化率的值进一步缩小电机初始磁极位置的范围，沿着90°范围的中线，再取中线和边界线取两条平分线，沿着这两条平分线的方向再输出两个电压矢量，电压幅值相等，这样根据检测的电流，计算出电压方向的电流变化率，电机初始磁极位置更接近电流变化率更大的区域，这样就进一步将电机初始磁极位置确定在45°的区间内，再在该45°区间内取中线，将该中线与边界线平分，得到两个方向，沿着这两个方向输出脉冲电压矢量，电压幅值相同，通过比较这两个方向上电压矢量作用下的电流信号，就可以进一步确认缩小电机初始磁极位置的区间在22.5°范围内，以此类推，再输出两个脉冲电压矢量进一步将电机初始磁极位置确定在11.25°范围内，然后取平均值，最终确定的电机初始磁极位置就在5.625误差范围内，一般都满足工业现成的应用需求。

以第一次通四个相互垂直的电压矢量确定的角度(即第一次确定的基准位置)是0°为例，如图3所示，则电机磁极的初始位置在-45°～45°之间，之后再输出两个电压矢量一个开关周期，电压幅值为2*Udc/3，电压相位分别为-45/2+0和45/2+0，定义此电压矢量分别为V5，V6，在此电压矢量作用下，分别求取在-22.5°和22.5°下的电流幅值，因为时间相同，都是一个开关周期，所以电流幅值更大，则代表电流幅值变化率更大，也即该角度与电机初始磁极位置更接近，因此可以进一步缩小初始磁极位置的范围。例如，如果22.5°对应的电压矢量作用下对应的电流变化率更大，则说明电机初始磁极位置在22.5°附近，0°～45°之间。与上述给定电压矢量方法类似，在22.5－22.5/2和22.5+22.5/2，即11.25°和33.75°方向上分别注入两个电压矢量，定义为V7，V8，电压幅值为2*Udc/3，作用时间都为一个开关周期，检测在这两个电压矢量作用下的电流，通过坐标变换计算出在11.25°和33.75°方向上对应的电流幅值，也即在此方向对应的电流变化率，例如，如果11.25°对应的电压矢量作用下对应的电流变化率比33.75°电压对应的电流变化率更大，则说明电机初始磁极位置在11.25°附近，即0°～22.5°之间。同样的方法，在5.625°和16.875°方向上分别注入两个电压矢量，定义为V9，V10，电压幅值为2*Udc/3，作用时间都为一个开关周期，检测在这两个电压矢量作用下的电流，那个电压方向上对应的电流变化率更大，则说明电机初始磁极位置与哪一个角度更为接近，例如5.625°电压矢量作用下对应的电流变化率更大，则将电机初始磁极位置缩小到0°～11.25°之间，就取磁极的初始位置为5.625°，电机初始磁极位置辨识结束，辨识误差在5.625°以内。

在辨识完电机初始磁极位置之后，如图4所示，沿着电机初始磁极的位置输出一个电压矢量V11，作用时间为一个开关周期，电压幅值为2*Udc/3，将这个电压矢量作用下得出的电流信号进行坐标变换，根据公式计算出电压矢量方向上的电流，然后根据电压矢量和电流变化率可以得到直轴电感Ld，这样就可以得到电机的直轴电感值。再沿着电机初始磁极位置逆时针旋转90°方向，输出一个电压幅值为2*Udc/3，作用时间为一个开关周期的电压矢量V12，计算该电压矢量方向上的电流，根据公式计算出交轴电感Lq，这样就完成了电机交直轴电感的辨识过程。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。