专利名称：电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法
技术领域：
本发明涉及一种电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，属于电机控制技术领域。
背景技术：
随着高层建筑的不断增多，电梯已经成为不可或缺的垂直运输工具，这对电梯调速系统的性能提出了更高的要求。与交流异步电机相比，永磁同步曳引机应用于电梯曳引系统具有结构简单、节省空间、系统效率高及控制性能好等特点，在能源问题日益突出的今天，永磁同步曳引机的节能意义显得更加突出。因此，采用永磁同步电机的曳引系统已成为新型电梯系统发展的主流。随着曳引永磁同步电机控制技术的不断发展，欲进一步降低永磁同步电机驱动系统的成本，常常采用比较廉价的增量式编码器来检测电机转子位置信息，这种方案需要在电机运行之前对转子初始位置进行准确检测，因为在矢量控制方式下，所能产生的最大起动转矩取决于所获取转子磁极初始位置角的准确程度，如果初始位置角误差过大，将会导致电机带载能力受到限制，甚至出现反转的现象。因此，对于采用增量式编码器检测位置信息的曳引永磁同步电机矢量控制系统来说，转子初始位置角的准确获取极为重要。目前，出现了多种永磁同步电机转子初始位置的定位技术。一种简单有效的方法就是在电机绕组施加一定幅值的电流矢量，让电流矢量作用足够长的时间，使电机转子转动并定位到预先设置的方向；另外一种方法是针对电机安装有增量式编码器的场合，它采用闭环控制的思想，通过检测所安装增量式编码器反馈信号的微小变化量，对转子进行微动控制来实现检测磁极位置。然而，在电梯曳引系统中，在电梯运行前，由于电梯停机时抱闸的作用使得转子处于完全静止的状态，另外电机在正常起动运行之前是不允许让转子位置出现任何微小变动的，因此上述两种方法都无法在电梯起动的控制场合中应用。为了能够在电机完全静止的情况下获取转子初始位置信息，可以采用注入辅助信号的方法对转子磁极位置进行检测。这种辅助信号注入法需要对磁极极性进行判断，用于校正检测到的磁极位置，如果发生误判断将会导致位置检测角存在180°的误差，将造成矢量控制系统无法实现正常解耦控制，导致系统成为正反馈系统，从而发生失控的现象。
发明内容
为了解决现有采用辅助信号注入法获取电梯曳引机转子初始位置信息，易出现误判断进而造成控制系统失控的问题，提供一种电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法。本发明所述电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，所述曳引机为永磁同步电机，它包括以下步骤步骤一采用电流闭环控制被测曳引机定子的d轴电流和q轴电流，并在被测曳引机的定子绕组中注入高频电压信号UiC0SCOit,以获取被测曳引机转子磁极位置初判值 θ e(first)；式中Ui表示高频电压信号的幅值，Oi表示高频电压的频率，t表示时间；
步骤二 停止注入高频电压信号UiC0SCoit,然后采用开环控制被测曳引机，在被测曳引机转子磁极位置初判值ee(first)和该转子磁极位置初判值ee(first) + ji两个方向先后注入脉冲电压矢量；该两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，并且注入时间间隔为3ms 5ms ；步骤三采集开环控制下的被测曳引机输出的三相静止坐标系下的三相定子开环电流ia2、ib2和i。2，并将该三相定子开环电流ia2、ib2和i。2转换成两相同步旋转坐标系下的 d轴开环电流id2和q轴开环电流iq2 ；步骤四判断在转子磁极位置初判值θ e(first)方向注入脉冲电压矢量获得的d 轴开环电流id2的绝对值，是否大于在该转子磁极位置初判值ejfirst) + ^!方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流id2的绝对值；若是，执行步骤五；若否，执行步骤六；步骤五获得被测曳引机转子初始位置角氛为氣=《C/ r<)，完成被测曳引机转子初始位置检测；步骤六获得被测曳引机转子初始位置角氛为θΒ=θχ/^ ) + π，完成被测曳引机转子初始位置检测。所述步骤一中获取被测曳引机转子磁极位置初判值θ e(first)的具体方法为步骤一一初始化被测曳引机定子的d轴闭环给定电流&、q轴闭环给定电流ζ和被测曳引机转子的给定位置角氣,，使其值均为0 ；步骤一二将所述定子的d轴闭环给定电流&与定子的d轴闭环电流反馈值idlf作差后，经PI调节形成定子的d轴闭环给定电压，该d轴闭环给定电压与高频电压信号 UiCOS ω it叠加，形成定子d轴闭环注入高频电压信号后给定电压；同时将定子的q轴闭环给定电流ζ与定子的q轴闭环电流反馈量iqlf作差后，经PI 调节形成定子的q轴闭环给定电压‘；将定子d轴闭环注入高频电压信号后，将给定电压定子的q轴闭环给定电压 <进行两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的转换，获得两相静止坐标系下的电压参考量^/^和“么，将该电压参考量^jnW1通过三相逆变桥输出给被测曳引机，所述三相逆变桥采用空间矢量脉宽调制方法进行控制；步骤一三采集被测曳引机输出的三相定子闭环电流ial、ibl和iel，将该三相定子闭环电流ial、ibl和U进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的转换，获得两相同步旋转坐标系下的定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流，所述定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流iql分别经低通滤波后获得定子d轴闭环反馈量 Idlf和定子q轴闭环反馈量iqlf ；步骤一四定子d轴闭环反馈电流idl经过带通滤波后得到电流idli，定子q轴闭环反馈电流经过带通滤波后得到电流iqli，将电流idli与电流经乘法器相乘后形成电流信号impy，该电流信号impy再经低通滤波后形成电流误差信号ΗΔ θε), Δ 9^表示被测曳引机转子位置实际值与观测获得的其转子磁极位置初判值θ Jfirst)的差值，该电流误差信号i(A 0e)经PI调节后输出被测曳引机转子的给定位置角，当PI调节将电流误差信号i(A 0e)调节为0时，输出的被测曳引机转子的给定位置角氣^乍为被测曳引机转子磁极位置初判值θ e (first)ejjirst、= h\。所述步骤二中采用开环控制被测曳引机的具体方法为采用脉冲电压矢量发生器形成两相同步旋转坐标系的定子d轴开环给定电压和定子q轴开环给定电压<2，并将该定子d轴开环给定电压和定子q轴开环给定电压<2 进行两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的转换，获得两相静止坐标系下的定子电压参考量<2和<2，将该定子电压参考量<2和<2通过三相逆变桥输出给被测曳引机，实现被测曳引机的控制，所述三相逆变桥采用空间矢量脉宽调制方法进行控制。本发明的优点是本发明方法在检测转子初始位置角的过程中始终保持被测曳引机的转子处于静止的状态，先在其定子绕组注入高频电压信号，经滤波器提取高频电流信号，并进行旋转坐标变换，通过将d轴和q轴电流分量作乘法运算，再经过一个低通滤波器后可以获取转子位置误差信号，从而得到转子磁极位置初判值；然后再往定子绕组注入两个相反方向的脉冲电压矢量，通过比较其d轴开环电流分量的大小，判断出转子磁极极性， 最后将判断出的磁极极性信息对之前获得的磁极位置初判值进行校正，最终得到转子初始位置角。本发明方法的检测过程不会造成转子初始位置的移动，因而不会出现误判断，及造成检测精度低；对转子磁极极性的判断简单易行；本发明的判断结果可靠，实用价值高， 能够保证在曳引机完全静止状态下准确地估计获得转子磁极的初始位置。
图1为本发明方法的流程图；图2为采用电流闭环控制被测曳引机获取转子磁极位置初判值的原理框图；图3为采用采集开环控制被测曳引机判断转子磁极极性的原理框图；图4为获取被测曳引机转子初始位置角的原理框图；图5为两相同步旋转坐标系与三相静止坐标系的相对关系示意图；图6为被测曳引机转子初始位置角为43. 5°时的实验波形图；图7为被测曳引机转子初始位置角为M9. 5°时的实验波形图。图6与图7中，曲线E表示被测曳引机转子位置实际值，曲线F表示观测过程中获得的被测曳引机转子转子磁极位置初判值θ Jfirst)及最后获得的转子初始位置角氛；图6与图7中，纵坐标a相电流表示在本发明方法检测过程中，采集获得的三相定子电流中的a相的定子闭环电流ial和定子开环电流ia2。
具体实施例方式具体实施方式
一下面结合图1至图5说明本实施方式，本实施方式所述电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，所述曳引机为永磁同步电机，它包括以下步骤步骤一采用电流闭环控制被测曳引机定子的d轴电流和q轴电流，并在被测曳引机的定子绕组中注入高频电压信号UiC0SCOit,以获取被测曳引机转子磁极位置初判值
6θ e(first)；式中Ui表示高频电压信号的幅值，Qi表示高频电压的频率，t表示时间；步骤二 停止注入高频电压信号UiC0SCoit,然后采用开环控制被测曳引机，在被测曳引机转子磁极位置初判值ee(first)和该转子磁极位置初判值ee(first) + ji两个方向先后注入脉冲电压矢量；该两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，并且注入时间间隔为3ms 5ms ；步骤三采集开环控制下的被测曳引机输出的三相静止坐标系下的三相定子开环电流ia2、ib2和i。2，并将该三相定子开环电流ia2、ib2和i。2转换成两相同步旋转坐标系下的 d轴开环电流id2和q轴开环电流iq2 ；步骤四判断在转子磁极位置初判值θ e(first)方向注入脉冲电压矢量获得的d 轴开环电流id2的绝对值，是否大于在该转子磁极位置初判值ejfirst) + ^!方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流id2的绝对值；若是，执行步骤五；若否，执行步骤六；步骤五获得被测曳引机转子初始位置角氛为氣=《C/ r<)，完成被测曳引机转子初始位置检测；步骤六获得被测曳引机转子初始位置角氛为0e = θJJirst) +π，完成被测曳引机转子初始位置检测。
具体实施方式
二 下面结合图2、图3和图4说明本实施方式，本实施方式为对实施方式一的进一步说明，本实施方式所述步骤一中获取被测曳引机转子磁极位置初判值 θ e (first)的具体方法为步骤一一初始化被测曳引机定子的d轴闭环给定电流&、q轴闭环给定电流ζ和被测曳引机转子的给定位置角氣,，使其值均为O ；步骤一二将所述定子的d轴闭环给定电流&与定子的d轴闭环电流反馈值idlf作差后，经PI调节形成定子的d轴闭环给定电压，该d轴闭环给定电压与高频电压信号 UiCOS ω it叠加，形成定子d轴闭环注入高频电压信号后给定电压；同时将定子的q轴闭环给定电流ζ与定子的q轴闭环电流反馈量iqlf作差后，经PI 调节形成定子的q轴闭环给定电压‘；将定子d轴闭环注入高频电压信号后，将给定电压定子的q轴闭环给定电压 <进行两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的转换，获得两相静止坐标系下的电压参考量^/^和“么，将该电压参考量^jnW1通过三相逆变桥输出给被测曳引机，所述三相逆变桥采用空间矢量脉宽调制方法进行控制；步骤一三采集被测曳引机输出的三相定子闭环电流ial、ibl和iel，将该三相定子闭环电流ial、ibl和U进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的转换，获得两相同步旋转坐标系下的定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流，所述定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流分别经低通滤波后获得定子d轴闭环反馈量idlf 和定子q轴闭环反馈量iqlf ；步骤一四定子d轴闭环反馈电流idl经过带通滤波后得到电流idli，定子q轴闭环反馈电流经过带通滤波后得到电流iqli，将电流idli与电流经乘法器相乘后形成
7电流信号impy，该电流信号impy再经低通滤波后形成电流误差信号ΗΔ θ6), Δ 06表示被测曳引机转子位置实际值与观测获得的其转子磁极位置初判值θ Jfirst)的差值，该电流误差信号i(A 0e)经PI调节后输出被测曳引机转子的给定位置角，当PI调节将电流误差信号i(A 0e)调节为0时，输出的被测曳引机转子的给定位置角氣^乍为被测曳引机转子磁极位置初判值θ e (first)ee、first、= ee”本实施方式中，在动态检测过程中，电流误差信号0e)经PI调节后输出被测曳引机转子的给定位置角，当△ θ e不为零时，g卩，观测获得的转子磁极位置初判值 θ e (first)与转子位置实际值存在误差时，输出的转子的给定位置角忒i是动态变化的；通过PI调节电流误差信号ΗΔ θ ε)，当调节结果为零时，可判断此时Δ θε为零，PI调节输出的转子的给定位置角&趋于稳定，此时PI调节后输出被测曳引机转子的给定位置角&即为转子磁极位置初判值ee(first)。该转子磁极位置初判值ee(first)可认为与转子位置实际值相等。在整个判定过程中，如果PI调节的电流误差信号0e)不为0，则需返回步骤一二继续其过程，直到PI调节的电流误差信号ΗΔ θ6)为0，则此过程结束，继续后面的判定。本发明中，曳引机系统可以模仿直流电机的控制方法对曳引机进行控制。在电机转子位置可知的情况下，借助坐标变换，可以转换成等效直流电机来控制。只要通过本发明方法知道了电机转子初始位置角氣，则转子任意时刻的位置都可获得。永磁同步电机是交流同步调速系统的主要环节，如图5所示，取转子永磁体基波励磁磁场轴线为d轴，q轴顺着旋转方向超前d轴90度，d-q轴系随同转子以角速度一道旋转，曳引机转子的给定位置角的空间坐标以d轴与参考轴A 相轴间的角度氣来表示，规定A相所在轴——参考轴A相轴为零度。则转子初始位置角氣为初始时的转子磁场与参考轴A相轴之间的夹角。曳引机的电磁转矩基本上取决于定子电流在q轴上的分量，而d轴上的分量主要用途是励磁，本发明要在电机静止的状态下进行检测转子的初始位置，因此，自始至终
=0，进行电流闭环过程中，在d轴上注入高频电压信号UiCos ω it。本发明分两大部分确定转子初始位置角氣，第一部分如步骤一所述，获得转子磁极位置初判值θ Jfirst)，第二部分如步骤二至步骤四所述，是对转子磁极的极性的判断， 进而获得转子初始位置角氣为步骤五或步骤六所述的结论。下面进行详细说明首先是电流闭环控制过程，参见图2所示，在定子绕组中注入高频电压信号，本发明参照直流电机的控制方法，在电机的d轴注入高频电压信号UiCos ω it，通过q轴电流分量提取有关转子磁极位置的信息，从而实现对磁极位置的检测。本发明提出的确定曳引机转子初始位置角氛的方法，通过控制d轴闭环注入高频后给定电压‘和q轴闭环给定电压^间接控制定子三相电流ia、ib和i。，控制量为直流量， 而不是三相电流控制模式下的正弦量，控制信号的产生不像产生正弦信号那样复杂，可以像控制直流电机那样来控制曳引机，控制方法简单，控制效果明显。所述两相同步旋转坐标转换成两相静止坐标按公式(1)所示的坐标变换公式进
~ * ~ Ual— 八 COS θβ\八 -sin<9ei~ * ~ uqi*八 sin θei八 C0S<9el氺氺 _Udl_
(1)从而实现在曳引机静止状态下往定子绕组注入高频电压信号。所注入的高频电压信号将会根据电机结构凸极性以及磁饱和特性在定子绕组上激励出相应的高频电流分量， 所产生的高频电流分量中包含了与转子磁极位置有关的信息，通过转子磁极位置检测环节对q轴闭环反馈电流进行信号处理可以得到转子磁极的位置，所检测到的位置为转子磁极的N极或者S极的位置。电流检测环节通过传感器检测电机定子电流，将测量结果传送到控制系统。采样得到的为三相定子电流ial、ibl和iel，也可以只检测其中的两相，根据三相电流瞬时值和为 0计算出第三相电流。然后按公式( 进行坐标变换
ld\
V
COS^
el
COS
- 2 θ el ——π
cos
- 2 OeXjT-K
-sin 0e\ - sin
2 )G 2 nIsin6e\ ——π-sin6e\ +—πI 3 JI 3 J
la\ hi tCl
(2)将三相静止坐标系下的三相定子闭环电流ial、ibl和iel转换成两相同步旋转坐标系下的d轴闭环反馈电流idl和q轴闭环反馈电流，分别经过低通滤波后形成d轴闭环反馈量idlf和q轴闭环反馈量iqlf。此处所述低通滤波滤除的是高频电流激励分量和PWM 高频开关噪声。先对采样得到的d轴和q轴闭环反馈电流^和进行带通滤波，滤除低频信号成分和PWM高频开关噪声信号成分，从而获得由注入高频电压信号激励产生的电流信号idli 和，可以表示为
(3)
iqll=Bmiql) = ^^(ALsm2Aee)，
式中Ld为d轴电感，Lci为q轴电感，ΣΖ = ^ld +i^表示均值电感，AL = ^d ^
表示差值电感。然后将电流idli与作乘法运算，可以得至I
Λ2hn ·V =
V
U1
1-cos 2鄉▲ T (
--AL
2
ΣΣ sin 2A0e+-AL sin 4Δ θε
(4)
(OlLdLq j再将信号idli “Μ进行低通滤波，将公式(4)的高频成分滤除，得到一个与转子磁极位置检测误差△ θ ε成正弦函数关系的误差信号ΗΔ θ ε)，该误差信号可以表示为
9
权利要求
1.一种电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，所述曳引机为永磁同步电机，其特征在于它包括以下步骤步骤一采用电流闭环控制被测曳引机定子的d轴电流和q轴电流，并在被测曳引机的定子绕组中注入高频电压信号uiCOScoit，以获取被测曳引机转子磁极位置初判值 θ e(first)；式中Ui表示高频电压信号的幅值，Qi表示高频电压的频率，t表示时间；步骤二停止注入高频电压信号UiCos ω it，然后采用开环控制被测曳引机，在被测曳引机转子磁极位置初判值ee(first)和该转子磁极位置初判值ee(first) + ji两个方向先后注入脉冲电压矢量；该两个方向注入的脉冲电压矢量的幅值相同、脉宽相等，并且注入时间间隔为3ms 5ms ；步骤三采集开环控制下的被测曳引机输出的三相静止坐标系下的三相定子开环电流 ia2、ib2和i。2，并将该三相定子开环电流ia2、ib2和i。2转换成两相同步旋转坐标系下的d轴开环电流id2和q轴开环电流iq2 ；步骤四判断在转子磁极位置初判值θ Jfirst)方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流id2的绝对值，是否大于在该转子磁极位置初判值ejfirst) + ^!方向注入脉冲电压矢量获得的d轴开环电流id2的绝对值； 若是，执行步骤五；若否，执行步骤六； 步骤五获得被测曳引机转子初始位置角氛为 氣=《(Χ)，完成被测曳引机转子初始位置检测； 步骤六获得被测曳引机转子初始位置角氛为 θΒ=θχ/^ ) + π，完成被测曳引机转子初始位置检测。
2.根据权利要求1所述的电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，其特征在于所述步骤一中获取被测曳引机转子磁极位置初判值θ Jfirst)的具体方法为步骤一一初始化被测曳引机定子的d轴闭环给定电流&、q轴闭环给定电流ζ和被测曳引机转子的给定位置角氣,，使其值均为O ；步骤一二 将所述定子的d轴闭环给定电流&与定子的d轴闭环电流反馈值idlf作差后，经PI调节形成定子的d轴闭环给定电压‘，该d轴闭环给定电压‘与高频电压信号 UiCos ω it叠加，形成定子d轴闭环注入高频电压信号后给定电压μ:；同时将定子的q轴闭环给定电流ζ与定子的q轴闭环电流反馈量iqlf作差后，经PI调节形成定子的q轴闭环给定电压<；将定子d轴闭环注入高频电压信号后，将给定电压M=和定子的q轴闭环给定电压^进行两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的转换，获得两相静止坐标系下的电压参考量和权么，将该电压参考量^jnW1通过三相逆变桥输出给被测曳引机，所述三相逆变桥采用空间矢量脉宽调制方法进行控制；步骤一三采集被测曳引机输出的三相定子闭环电流ial、ibl和iel，将该三相定子闭环电流ial、ibl和U进行三相静止坐标系到两相同步旋转坐标系的转换，获得两相同步旋转坐标系下的定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流，所述定子d轴闭环反馈电流idl和定子q轴闭环反馈电流、分别经低通滤波后获得定子d轴闭环反馈量idlf和定子q轴闭环反馈量iqlf ；步骤一四定子d轴闭环反馈电流idl经过带通滤波后得到电流idli，定子q轴闭环反馈电流经过带通滤波后得到电流iqli，将电流idli与电流经乘法器相乘后形成电流信号impy，该电流信号impy再经低通滤波后形成电流误差信号ΗΔ θε), Δ 表示被测曳引机转子位置实际值与观测获得的其转子磁极位置初判值θ Jfirst)的差值，该电流误差信号ΗΔ Θ》经PI调节后输出被测曳引机转子的给定位置角，当PI调节将电流误差信号 (Δ θε)调节为0时，输出的被测曳引机转子的给定位置角作为被测曳引机转子磁极位置初判值θ e (first)θXfirst) = Θλ。
3.根据权利要求2所述的电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，其特征在于所述步骤二中采用开环控制被测曳引机的具体方法为采用脉冲电压矢量发生器形成两相同步旋转坐标系的定子d轴开环给定电压和定子q轴开环给定电压<2，并将该定子d轴开环给定电压和定子q轴开环给定电压<2进行两相同步旋转坐标系到两相静止坐标系的转换，获得两相静止坐标系下的定子电压参考量 <2和<2，将该定子电压参考量<2和<2通过三相逆变桥输出给被测曳引机，实现被测曳引机的控制，所述三相逆变桥采用空间矢量脉宽调制方法进行控制。
4.根据权利要求1、2或3所述的电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，其特征在于所述高频电压信号UiCos ω it的频率范围为500Hz 2kHz，高频电压信号的幅值Ui为被测曳引机额定电压幅值的15% 60%。
5.根据权利要求1、2或3所述的电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，其特征在于所述在被测曳引机转子磁极位置初判值θ Jfirst)和该转子磁极位置初判值 θ e(first)+ π两个方向先后注入的脉冲电压矢量的幅值为被测曳引机额定电压幅值的 40% 70%，该两个方向注入的脉冲电压矢量的脉宽为700μ s 900μ S。
全文摘要
电梯无齿轮曳引机转子初始位置检测方法，属于电机控制技术领域。它解决了现有采用辅助信号注入法获取电梯曳引机转子初始位置信息，易出现误判断进而造成控制系统失控的问题。它首先获取被测曳引机转子磁极位置初判值θe(first)；然后在被测曳引机转子磁极位置初判值θe(first)和该转子磁极位置初判值θe(first)+π两个方向先后注入脉冲电压矢量；获得被测曳引机两相同步旋转坐标系下的d轴开环电流id2和q轴开环电流iq2；判断注入脉冲电压后两个id2的大小；计算获得被测曳引机转子初始位置角本发明适用于电梯曳引机的转子初始位置检测。
文档编号H02P6/16GK102427322SQ201110331399
公开日2012年4月25日 申请日期2011年10月27日 优先权日2011年10月27日
发明者于泳, 吴芳, 张国强, 徐殿国, 李刚, 杨荣峰, 王高林 申请人:哈尔滨工业大学