一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法

本发明涉及电机控制领域，具体涉及一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法。

背景技术：

永磁同步电机具有体积小、重量轻、运行可靠等优点，使其在各个领域的应用很广泛，但在控制过程中需要预先知道转子的位置信息，当前获取转子位置信息的方法主要是通过安装在转子上的位置传感器如光电编码器，霍尔原件等，但安装传感器不仅仅会提高使用成本，还会使系统带来复杂度增加，可靠性降低等特点，所以有越来越多的学者开始研究无位置传感器的估计与测速的方法。其中常用的方法包括电压脉冲矢量注入法、高频脉振电压信号注入法等。

其中电压脉冲注入法的基本思想:将一系列等幅值的电压矢量脉冲施加到电机，然后得到相应的定子电流，通过定子电流获取转子初始位置。因此通过检测电流的变化能够获得转子初始位置，而且角度误差在理论上不大。但转子初始位置检测的准确性会受到电压矢量的幅值和作用时间的影响，它们产生的影响不可忽略。

高频脉振电压信号注入法相对比较简单，静动态性能比较好。但是在测量过程中需要多次使用滤波器来处理和控制信号，提取转子位置信息。多次使用滤波器，限制了电流环的带宽从而降低了驱动性能，对信号造成了一定的延时，降低了估测速度和位置估计的准确性。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：针对背景技术缺陷的问题，提出一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，在检测过程中无需使用滤波器，减少使用滤波器带来的相位延迟的问题，可以使转子初始位置检测更加精确。

本发明的技术解决方案是：一种无传感器永磁同步电机初始位置检测方法，步骤如下：

(1)在永磁同步电机旋转坐标系的d轴注入高频方波电压，得到高频响应电流信号，通过对电流信号的处理解耦出转子的初始估计位置

(2)向与处施加两次电压脉冲矢量，根据d轴相应电流大小来判断d轴的正方向，并对转子进行角度补偿。

(3)将转子的初始位置估计值与角度补偿值相加，得到转子的最终估计值

所述步骤(1)检测转子初始位置初次估算角的具体过程如下：

步骤(1.1)，向估计转子同步旋转坐标系的d轴注入与逆变器频率相同的方波信号可以检测得到d、q轴下的电流分量id、iq，将id、iq进行坐标变换得到高频电流相应iαh、iβh。

步骤(1.2)，由于电机存在凸极效应，测量得到的iαh、iβh包含转子的位置信息，对其进行信号的处理与调节可以得到转子的初始估算位置

所述步骤(2)判断转子磁极正方向具体实施过程如下：

步骤(2.1)，在得到初次估算位置角后，向轴注入两次大小相等方向相反的电压脉冲信号，注入的角度为

步骤(2.2)，比较注入两次电压脉冲信号得到的电流值大小，若|ia0|＞|ia1|，则角就是实际的直轴方向；否则，角的方向为直轴的反方向。

所述步骤(3)对转子初始位置角进行补偿方法，其具体过程如下：

若角是实际的直轴方向，转子不需要进行角度补偿，最终角度若角的方向为直轴的反方向，需要对其进行角度补偿，最终角度

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

(1)本发明与传统的正弦电压注入法相比，无需使用低通滤波器的使用，可以使检测精度进一步提高；

(2)对于磁极的辨识，无需增加硬件便可以完成，实现了电机在静止状态下磁极初始位置的准确获取。

附图说明

图1为永磁同步电机转子初始位置检测控制原理图；

图2为两相静止坐标系、实际两相同步旋转坐标系与估计两相同步旋转坐标系的相对关系示意图；

图3为转子检测位置与实际位置对比图；

具体实施方式

现结合实例、附图对本发明做进一步描述。

如图1所示，本发明提供了一种无传感器永磁同步电机初始位置检测控制系统。

初始位置检测原理如下：

首先需要建立坐标系关系图，如图2所示，定义实际的角度为θ，估算的角度为估算的角度误差为δθ，d-q为实际同步旋转坐标系，为估计转子同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系。

pmsm在同步dq坐标系下的数学模型为

(1)式中id、iq和ud、uq分别是pmsm中d、q轴下的电流与电压分量；ψf为永磁体磁链；p为微分算子；r为定子电阻；ld、lq分别为d、q轴电感。

由于注入的方波电压信号频率远远大于基波运行频率，所以定子电阻压降和反电动势的影响可以忽略，pmsm在高频信号激励下可以等效为感性负载，有

(2)式中分别为d、q轴下高频电压、电流分量；下标h表示高频量；上标r表示转子轴系。

将(2)式进行坐标变换，变换到静止αβ坐标系，得到高频电流相应为

向d轴注入方波电压信号

(4)式中为观测的d轴高频电压分量；为观测的q轴高频电压分量；uinj为注入的高频电压幅值；k为离散采样时刻；上标为观测转子轴系。

可以得到可以得到αβ坐标系下高频相应电流信号包络为

(5)式中ωh为注入方波电压信号频率；iαh、iβh分别为α轴、β轴下的高频响应电流包络；lavg＝(ld+lq)/2为电感均值；ldif＝(ld-lq)/2为电感差值。

由于电机存在凸极效应ld≠lq，所以iαh、iβh包含转子位置信息。

当位置跟踪器收敛时δθe＝0

因此在提取iαh、iβh后可以通过数学公式来计算转子位置误差信息。

图1为本发明提出的永磁同步电机初始位置检测的控制系统原理图，本发明提出的转子初始位置检测过程主要分为一下三个部分：

步骤一：检测转子初始位置初次估计值：在永磁同步电机旋转坐标系的d轴注入高频方波电压得到高频响应电流信号通过对电流信号的处理解耦出转子的初始估计位置

步骤二：判断d轴正方向：向与处施加两次电压脉冲矢量，比较注入两次电压脉冲信号得到的电流值大小，若|ia0|＞|ia1|，则角就是实际的直轴方向；否则，角的方向为直轴的反方向。

步骤三：对转子的初始位置估计值进行角度补偿值，得到转子的最终估计值若角是实际的直轴方向，转子不需要进行角度补偿，最终角度若角的方向为直轴的反方向，需要对其进行角度补偿，最终角度

图3为转子检测位置与实际位置对比图：从图中可以看出位置检测误差平均小于3°，此转子误差较小，对永磁同步电机的启动控制影响不大。

以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。