专利名称：永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法
技术领域：
本发明涉及一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，尤其是磁场定向控制下永磁同步电动机的初始磁极位置的推断方法。
背景技术：
由于永磁同步电动机的转子磁链是由安装在转子上的永磁体产生的，为了平稳启动和稳定地控制永磁同步电动机，需要知道永磁体在空间的初始位置。如果所获知的磁极位置的偏差超过±90电气角度时，永磁同步电动机将与指定的运转方向相反，反向转动。由于这种原因，磁极位置的检测是永磁同步电动机控制的关键。通常检测磁极位置的方法是在电机内部安装霍耳磁极检测元件，利用它直接测量出磁极位置。在已公开的专利技术中，例如2000年9月20日公告的CN 1267405A中国发明专利申请公开说明书就公开了一种“永磁无刷电动机初始磁极位置的推断方法”，该方法在空间坐标上任意设定γ轴和从γ轴前进90电角度的方向上设定δ轴，γ轴的电流控制器是闭环的，δ轴的电流控制器是开环的，推导出在γ轴的电流指令为阶跃状交替电流时δ轴方向上的感应电流，该感应电流积分值和γ轴电流指令值的乘积的符号为正时，使γ轴向前移动角度Δθ；当符号为负时，使γ轴向后移动角度Δθ。由此最终可以得到磁极位置方向与d轴方向或-d轴方向一致。
然而，这种检测方法仅适用于转子永磁体为嵌入式的IPM永磁同步电动机，其原理就是利用d轴方向与q轴方向磁阻的不同推导出δ轴上的感应电流。对于永磁体表面贴装的SPM永磁同步电动机，由于d轴方向与q轴方向的磁阻相同，d轴与q轴的凸机比接近于1，这种检测方法无法适用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，适用于凸机比为任意大小的永磁同步电动机。
为解决上述技术问题，本发明的永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，在磁场定向控制的永磁同步电动机系统中，采用矢量变换控制，转子磁链ψ定向在矢量控制用的d轴上，在d轴逆时针90度空间方向上建立q轴(力矩电流方向轴)，d轴和q轴组成矢量控制用的旋转坐标系，而在不明确真正的准确转子磁链ψ与力矩电流所在的位置时，假定一组正交的d′-q′轴，即真正的准确转子磁链ψ与力矩电流所在的位置，d′-q′轴与d-q轴相差α角；当采用ids＝0的控制方式时，根据电压差ΔU(＝Ud+Iq*Lq*ω)与转子转速ω乘积Y的符号，当Y＞0时，使d轴向后移动Δθ；当Y＜0时，使d轴向前移动Δθ，最终保证d′-q′轴与d-q轴相差的α角趋向于零；当反复执行这一动作过程，电压差ΔU最终会趋向于0，当电压差ΔU持续稳定在0值附近后，就可判断矢量空间坐标d轴已经准确定位于转子永磁体的磁场方向上，从而可以得到转子磁极初始位置角θ0′。
采用本发明的方法，其中需涉及到的参数有转子转速ω、电机q轴电感Lq、q轴电流Iq和d轴电压Ud。转子转速ω与q轴电流Iq能直接测量，电机q轴电感Lq由电机制造方提供，d轴电压Ud在矢量控制中能计算得到。所有这些参数都与电机的凸机比无关，所以本发明适用于凸机比为任意大小的永磁同步电动机。
图1是永磁同步电动机理想工作状态时的矢量图；图2是转子正方向旋转ψ滞后d轴α角度的关系图；图3是转子正方向旋转ψ超前d轴α角度的关系图；图4是转子反方向旋转ψ滞后d轴α角度的关系图；图5是转子反方向旋转ψ超前d轴α角度的关系图；图6是本发明永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法实施例的概念方框图；图7是图6中的磁极位置推断器的流程图；图8是磁极位置偏差α为+90度时，电机自学习启动时的加速度图；图9是磁极位置偏差α为+90度时，电机自学习启动时的速度图。
具体实施例方式
本发明永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，需要涉及到电机d轴方向的电压ΔU、电机运行速度ω。下面先推导一下本发明的原理。
在转子磁场定向的矢量控制中，如图1，转子磁链ψ定向在矢量控制的d轴上，永磁同步电动机在d轴和q轴的定子电压公式为Ud＝id*Ra-iq*ω*Lq(1)Uq＝iq*Ra+id*ω*Ld+E其中，d轴和q轴是矢量控制中的旋转坐标系、Ud是定子电压在d轴上的分量、Uq是定子电压在q轴上的分量、id是定子电流在d轴上的分量、iq是定子电流在q轴上的分量、ω是电机转子转速、Ld是d轴电感、Lq是q轴电感、Ra是定子相电阻，E是转子磁链ψ在q轴上的旋转感应电压。
在永磁同步电动机矢量控制中，一般采取d轴电流指令ids＝0的控制方式，在电机转速稳定时，d轴电流值id为0，公式(1)可简化为Ud＝-iq*ω*Lq(2)Uq＝iq*Ra+E在转子磁链ψ准确定位在矢量控制的d轴上时，可得ΔU＝Ud+iq*ω*Lq＝0 (3)但是，由于转子的初始位置具有任意性，如果不进行磁极位置检测，转子磁链ψ在电机刚开始启动时，很难准确定位在d轴上。在转子正转时，假定转子磁链ψ实际位于假想的d′轴上，如图2所示。此时d′轴的角度是θ′＝ω*t+θ0′，d轴的角度是θ＝ω*t+θ0，这两个轴都以转子转速ω(电角度)旋转、d′轴滞后d轴α度(0°～180°)。根据该矢量图，可得出下式ΔU＝Ud+iq*ω*Lq＝E*sinα (4)易知ΔU＞0。为了使转子磁链Ψ与d轴方向一致，必须减小d轴的角度θ，使θ角趋向于θ′(θ与θ′差值为α)。
当d′轴超前d轴α角度(-0°～-180°)时，其电流电压空间矢量如图3所示。根据该矢量图，可得ΔU＝E*sinα＜0。为了使转子磁链Ψ与d轴方向一致，必须增加d轴的角度θ，使θ角趋向于θ′。
由上所述，在转子正转时，可得出1.ΔU＞0时，d轴的角度θ需减小；2.ΔU＜0时，d轴的角度θ需增大。
在转子反方向旋转时，情况又有所不同，此时转子磁链Ψ在q轴上的感应电压E为负值，转子转速ω为负值。假定转子磁链Ψ所在的d′轴滞后d轴α角度(0°～180°)时，其空间矢量如图4。根据该矢量图，可得出ΔU＝E*sinα＜0。为了使转子磁链Ψ与d轴方向一致，必须减小θ角，使得θ角趋向于θ′。
当转子磁链Ψ超前d轴α角度(-0°～-180°)时，其空间矢量如图5，根据该矢量图，可得出ΔU＝E*sinα＞0。为了使转子磁链Ψ与d轴方向一致，必须增大θ角，使得θ角趋向于θ′。
由上所述，当转子反方向转动时，可得出1.ΔU＞0时，d轴的角度θ需增加；2.ΔU＜0时，d轴的角度θ需减小。
综合上面在电机转子正转和负转两种情况的分析，判断ΔU和转速ω的正负，可以选择合适的Δθ，经过反复推断，可以最终得出磁极的初始位置θ0′。
下面参照
本发明的实施过程。
在图6中，除了磁极位置推断器外，是电动机典型的矢量控制框图。通过电流互感器反馈电动机u相和v相的电流IU和IV，经过电流3/2变换，得到d轴电流id和q轴电流iq，电流控制器根据d轴电流指令ids和q轴电流指令iqs可得到d轴电压Ud和q轴电压Uq，再经过电压2/3变换，可输出3相电压UU、UV、UW去驱动电机运行，从而达到闭环控制。
增加的磁极位置推断器，它的动作流程如图7所示，其中的ΔU＝Ud+Iq*Lq*ω，转子正方向转动时ω为正，反方向转动时ω为负。根据ΔU与ω乘积Y的符号，可推导如下
1.Y＞0时，选择合适的负值Δθ；2.Y＜0时，选择合适的正值Δθ。
这样，d轴的角度θ＝ω*t+θ0加上Δθ后，就会往d′轴方向移动了Δθ绝对值的大小。当反复执行这一过程后，d轴的角度θ＝ω*t+θ0就会逐渐趋近于d′轴的角度θ′＝ω*t+θ0′。当ΔU＝Ud+Iq*Lq*ω的值趋近0时，且持续稳定在0值附近后，就可判断此时d轴的角度θ已经等于d′轴的角度θ′，从而得到了转子磁极初始位置θ0′。然后将θ0′值存储在相应控制系统内存中，以便再次启动同步电动机时，就可直接取用θ0′即可，无需再次学习推断磁极初始位置。
图8和图9为应用11KW永磁同步电动机的恒负载转矩系统中，初次进行初始磁极位置推断时，电机的加速度图形和速度图形。从图中可知，2秒钟后，电机系统便进入稳定状态。可知本方法具有很大的优越性和先进性。
权利要求
1.一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，其特征在于在磁场定向控制的永磁同步电动机系统中，采用矢量变换控制，转子磁链ψ定向在矢量控制用的d轴上，在d轴逆时针90度空间方向上建立q轴，即力矩电流方向轴，d轴和q轴组成矢量控制用的旋转坐标系，而在不明确真正的准确转子磁链ψ与力矩电流所在的位置时，假定一组正交的d′-q′轴，即真正的准确转子磁链ψ与力矩电流所在的位置，d′-q′轴与d-q轴相差α角；当采用ids＝0的控制方式时，根据电压差ΔU＝Ud+Iq*Lq*ω与转子转速ω乘积Y的符号，当Y＞0时，使d轴向后移动Δθ；当Y＜0时，使d轴向前移动Δθ，最终保证d′-q′轴与d-q轴相差的α角趋向于零；当反复执行这一动作过程，电压差ΔU最终会趋向于0，当电压差ΔU持续稳定在0值附近后，就可判断矢量空间坐标d轴已经准确定位于转子永磁体的磁场方向上，从而可以得到转子磁极初始位置角θ0′。
全文摘要
本发明公开了一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法。在矢量控制系统中，当采用i
文档编号H02P6/18GK1832328SQ20051002426
公开日2006年9月13日 申请日期2005年3月9日 优先权日2005年3月9日
发明者刘玉兵, 朱武标 申请人:上海三菱电梯有限公司