诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法与流程

本发明涉及一种诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法。

背景技术：

永磁同步电机由于其自身的特点而得到广泛的应用，具体来说，转子的永磁体结构使得驱动电机运行时的电能损耗更小，与普通的感应电机相比具有更高的效率，更高的功率因素和更大的启动转矩，符合节能减排、低碳环保的要求。此外它的体积小，重量轻，也是它的优势之一。

目前，矢量控制(foc)是永磁同步电机的一种成熟的、主流的控制手段。它需要选择电机某一旋转磁场轴作为特定的同步旋转坐标轴，具体可以分为转子磁场定向、气隙磁场定向和定子磁场定向。然而除了转子磁场定向，其余两种都在电机的磁链中存在耦合关系，反而使得控制变得复杂，只有转子磁场定向，通过模仿直流电机的控制方式，将定子绕组的电流分解为磁场分量和转矩分量，实现解耦控制。该控制算法要求根据转子永磁体的磁场方向来确定定子磁场的方向，这就使得在电机启动之前对转子位置的检测变得尤为重要。一般来说，对转子位置的检测使用例如旋转变压器等传感器来进行，或者运用无传感器技术，根据算法来对转子的初始位置进行估算，主流使用的方法为高频信号注入和直流锁轴法。

高频信号注入法利用了电机的凸极性原理，通过人为的向定子绕组注入一种持续的高频低压信号，采集电机对应产生的定子电流信号，再通过数据处理从中分离出转子的位置和极性信息。

直流锁轴法则是通过向电机的三相定子绕组的至少两相间通入一定大小的直流电流，此时定子具有一个固定的相位角，而转子的d轴就会被锁定到对应的相位角上，从而得到了当前的转子位置。

然而，无论是使用传感器检测转子初始位置还是根据算法进行位置估算，都因为模拟信号的处理或是转子存在阻尼等因素存在着测不准的问题，至使对转子位置的检测结果存在一定的误差，从而影响电机的矢量控制。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法，本方法验证转子初始位置检测的准确性并校正可能存在的误差，提高转子位置检测的精度，达到最大化电机输出转矩，提高电机运行的稳定性。

为解决上述技术问题，本发明诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法包括如下步骤：

步骤一、在采用高频信号注入或直流锁轴法对电机转子初始位置进行检测后，启动电机并运行至稳态；

步骤二、保持输入q轴的电流iq＝0，使得q轴的磁链为零，以去除q轴磁链对d轴电压ud的影响；

步骤三、增大电机转速ω，输入d轴电流id，并在电机的最小弱磁电流到电机可以接受的最大允许电流范围内改变id值的大小，同时测量d轴的电压ud；

步骤四、如果随着id值的变化，ud的值仅在趋近于零的范围内变化，表明ud值仅受到了电枢绕组电阻的影响，并且此时q轴与转子的磁场对齐，d轴与转子的磁场正交，证明电机转子初始位置检测结果准确；反之，如果ud值不断的增大或减小，说明电机转子初始位置检测结果存在偏差，需停机重新检测以校正误差。

由于本发明诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法采用了上述技术方案，即本方法首先使电机运行至稳态，保持输入q轴电流iq＝0；增大电机转速ω，输入d轴电流id，并在一定的范围内改变id的值,同时检测d轴的电压ud；如果ud仅在趋近于零的范围内小幅度的变动，证明启动前转子初始位置检测准确；反之，如果ud的值不断的增大或减小，说明转子初始位置的检测结果存在偏差，需停机重新检测以校正误差。本方法验证转子初始位置检测的准确性并校正可能存在的误差，提高转子位置检测的精度，达到最大化电机输出转矩，提高电机运行的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：

图1为电机转子初始位置检测准确时d-q轴示意图；

图2为电机转子初始位置存在测量偏差时电流分析的d-q轴示意图；

图3为电机转子初始位置存在测量偏差时电压分析的d-q轴示意图。

具体实施方式

本发明诊断永磁同步电机转子初始位置检测结果的方法包括如下步骤：

步骤一、在采用高频信号注入或直流锁轴法对电机转子初始位置进行检测后，启动电机并运行至稳态；

步骤二、保持输入q轴的电流iq＝0，使得q轴的磁链为零，以去除q轴磁链对d轴电压ud的影响；

步骤三、增大电机转速ω，输入d轴电流id，并在电机的最小弱磁电流到电机可以接受的最大允许电流范围内改变id值的大小，同时测量d轴的电压ud；

步骤四、如果随着id值的变化，ud的值仅在趋近于零的范围内变化，表明ud值仅受到了电枢绕组电阻的影响，并且此时q轴与转子的磁场对齐，d轴与转子的磁场正交，证明电机转子初始位置检测结果准确；反之，如果ud值不断的增大或减小，说明电机转子初始位置检测结果存在偏差，需停机重新检测以校正误差。理论上，当q轴与转子的磁场对齐、d轴与转子的磁场正交时，ud为电机定子绕组电阻与d轴电流的乘积，一般来说，定子绕组电阻的值在毫欧级别，即使是不同的电机该值均在10毫欧级左右，同时电机可以接受的最大允许电流因电机型号、igbt驱动模块等因素有较大的变动，一般来说，最大值在几百安级别；因此如果电机转子初始位置正确，则ud仅在一个近似于零的范围内变动，其相对于电机转子初始位置偏差的状态存在较大区别。

同理，还可以采用保持iq＝0，将id保持在一个非零的值，通过在一定范围内调整电机转速ω的方法来对转子初始位置检测的结果进行诊断，其与本方法的原理基本一致，都是根据电机稳态下的电压方程来实现诊断。

在完成对电机转子初始位置的辨识之后，启动电机直至电机运行在稳态。此时，电机的瞬时磁链没有变化，所以电机d轴和q轴的磁链和电压方程分别为：

ψd＝ldid+ψf

ψq＝lqiq

ud＝-ωψq+rsid

uq＝ωψd+rsiq

其中:ψd和ψq为d轴，q轴的定子磁链，ψf为转子磁链，ud和uq为定子d、q轴的电压，ld和lq为d、q轴的电枢电感，id和iq为d、q轴的电流，rs为电枢绕组的电阻，ω为电机的电角速度。

当电机运行在稳态时，保持q轴的电流为0，那么此时：

ψq＝0

ud＝rsid

ud＝rsid

此时改变d轴电流的大小，观察d轴上的电压。如图1所示，如果转子位置辨识准确无误，q轴与转子位置对齐，d轴与q轴垂直，那么d轴的电流不会在q轴上产生投影，所以d轴电压ud无论id怎么变化都只会因为电枢电阻的存在而产生一个趋近于零的很小的值。又因为根据电机的特性，rs的值是已知的，所以当设定的id值固定时，可以用得到的理论值与测量值进行相互验证。

当转子初始位置的检测存在误差的时候，即q轴未能与转子的磁场位置对齐，如图2所示，此时磁场中就存在两个坐标系：交轴与转子磁场对齐，直轴与转子磁场正交的真坐标系，两轴用d-q表示；存在偏差角误差的伪坐标系，两轴用d'-q'表示。

假设转子初始位置的检测存在偏差角θ，那么此时所有的输入、输出以及对电压的观测都基于伪坐标系d'-q'，根据测试流程保持iq'＝0,输入一个d'轴上的电流id'，因为偏差角θ的存在，id'实际上会被分解，在真坐标系的d-q轴上出现投影，产生电流id和iq。也就是说，依据伪坐标系来保持iq'＝0，输入电流id'，实际在真坐标系的d轴和q轴上都提供了电流。依据电机的电压方程，可以判断出在真坐标系上产生了电压ud和uq。而电压和电流之间存在一个相位角并且对横轴电压的观测是基于伪坐标系的。所以为了方便描述，这里引入伪电压坐标系du'-qu'，该坐标系与伪坐标系d'-q'之间的偏差角为

将ud分解，投影在伪电压坐标系的两轴上，在图2中标注为ud1和uq1；同样，uq被分解投影在伪电压坐标系上被标注为ud2和uq2。可以看到，在伪坐标系上施加电流id'，最终会有额外的电压加在横轴d'上，其值为ud1-ud2。需要注意的是，这个额外产生的电压值非常小，为了能准确的检测到这个电压，根据电压方程，需要使用一个高转速来放大这个电压值，所以在改变横轴的电压前需要将电机的转速ω升高并保持在一个较高的值。

综上所述，当存在位置偏差角的时候，测得的横轴电压不仅仅是由电枢绕组上的电压产生的rsid'。还受到伪坐标系上交轴电流、交轴磁链的影响。

如图3所示，如果从电压的角度来分析，因为不涉及到电流，所以使用的真，伪坐标系均为电压坐标系，图3中用du-qu和du'-qu'表示，它们之间存在偏差角θ，当对转子初始位置的定位产生误差的时候，伪坐标系的交轴q'上的电压uq'会在真坐标系的两轴上进行投影，产生电压ud和uq。而这两个电压也会在伪坐标系上进行二次分解和投影。ud在伪坐标系的两轴上投影产生电压ud1和uq1，uq在伪坐标系上投影产生电压ud2和uq2，所以可以得出结论：uq'最终加在伪坐标系横轴d'上的电压为ud1-ud2。加上电枢绕组电阻产生的电压，最终横轴电压为：

ud'＝ud1-ud2+rsid'

根据上式可知，额外加在du'轴上的电压至使ud'不等于rsid'。

又因为根据电机交轴的电压方程，当iq'＝0时：

uq'＝ω(ldid'+ψf)

该式中，因为在改变d轴电流之前已将转速提高并保持在一个较高的值，所以ω值恒定，uq'值的变动主要来源于id'的变化。而上文中已经阐明了uq'对ud'的影响。所以可以通过uq的变化，会造成了ud发生相应的变化，以此来证明q轴没有与转子位置对齐，转子初始位置的检测存在误差。

除了上文中描述的，将iq＝0，保持ω较大且不变，改变id的方法外。也可以将id保持在一个非零的值不变，通过改变转速ω来判断横轴电压是否改变，以此来判断转子初始位置是否对正。其原理和本方法基本相同，都是根据电机的电压稳态方程来进行判断。

从电流的角度分析，因为偏差角的存在，输入的定值电流id'最终会在d'轴上加上额外的电压。这个电压有一部分来自于ud，另一部分来自于uq。这两个值在转子位置没有对齐的情况下都受到转速的影响，会随着转速的改变而改变。这也最终导致了ud'的值随着转速改变而发生相应的变化。

从电压的角度分析，从上文可知ud'的改变是因为uq'，根据已经给出的uq'的方程，在保证id'是一个非零值的情况下，改变转速ω会影响uq'的值，从而改变ud'的值。以此来证明q轴没有与转子位置对齐，转子初始位置的检测存在误差。

本发明在无需额外设备的情况下，可以用于验证转子初始位置检测的准确性并校正可能存在的误差，以提高对转子位置检测的精度，达到最大化电机输出转矩，提高电机运行的稳定性。另外，保证转子位置的对齐可以最大程度的输出设计中能达到的额定转矩，也可以保证电机在不同工况下运行的稳定性，相应的提高安全性能。