对转永磁同步电机转子初始位置检测方法及系统

1.本发明属于永磁同步电机控制技术中转子位置角检测领域，具体涉及了一种对转永磁同步电机转子初始位置检测方法及系统。


背景技术：

2.水下航行器航行过程中需要稳定姿态，因此大多采用对转螺旋桨推动系统以克服陀螺效应，对转永磁同步推进电动机因为没有电刷、换向器和齿轮，有两个机械输出端口，可直接驱动对转螺旋桨推进系统，功率大，可靠性高，转矩脉动小、散热效果好，径向拉力和轴向拉力小，无陀螺效应等优良性能，因此在船舰、水下航行器等电力推进领域广泛应用。
3.为了保证电机的平滑旋转以及对电机的精确控制，不仅需要控制定子电枢电流，而且需要时刻准确的检测电机转子位置角。高性能永磁同步电机驱动系统通常采用转子磁场矢量控制，采用坐标变换方法，将定子电流从三相静止坐标(abc)变换到两相旋转坐标(dq)下，将电机定子电流解耦为两个独立的分量：励磁电流分量和转矩电流分量，然后分别加以控制，而永磁同步电机转子位置角是实现定子电流解耦控制的必要条件。转子位置角一般定义为旋转坐标系下的转子磁极(d轴)与三相静止坐标系下的a轴的夹角，当两轴重合(转子位置角为0
°
)时，安装在转子上的位置角传感器此时输出的绝对位置角即为转子初始位置角。
4.目前多采用的方法是磁极预定位法，给定子绕组上施加一个d轴方向的电流矢量，迫使转子磁极旋(d轴)与a轴重合后停止，进而获取转子的初始位置角。但是，采用这种检测位置角的方式，由于永磁同步电机定转子磁场产生转矩机理与二者夹角正弦值成正比，当角度接近零时，输出转矩同时趋于零；同时由于永磁同步电机的定位转矩(齿槽转矩)的存在，使得检测的角度难以达到绝对零点，从而在一定程度上影响了转子初始位置角的检测精度。
5.一些文献提出了一种调整内置式永磁同步电机转子初始位置角的方法及系统[1]，通过多次更新磁链位置角，并设定阈值，判断能使得转子正向转动的正交轴电流与反向转动的负交轴电流的差值，提高转子初始位置角检测的精度。但是，该方法算法实施过于复杂，计算量较大，并且设定了误差阈值，无法没有精准的获得转子初始位置角。另一些文献提出了一种永磁同步电机转子位置角检测及初始位置角标定方法[2]，通过电机定子线电压u
bc
关于转子位置角θ呈现余弦函数的周期变化规律，在示波器上分别记录定子线电压u
bc
波形与经过d/a模块转化输出转子位置角θ，先人为设定转子位置角初值并调整，最终使得线电压u
bc
的波峰与转子位置角θ的峰值相对应，进而获得转子初始位置角。该方法借助于示波器，角度输出d/a转化模块，提高了转子初始位置角的精度。还有一些文献提出了一种电机初始位置角自动标定角度补偿方法及系统[3]，根据电机的输入功率、ab线电压及a相电流得到a相的功率因数角，并根据电机的转速得到电角频率，并根据所述电角频率和所述功率因数角得到a相的内功率因数角，对电机转子初始位置角进行补偿，最终得到电机初始位置角。但该方法依赖于电机的输入功率p、线电压uab测量和a相电流的准确测量，另外，在
电机台架上为驱动控制器提供强电，选取合适的恒扭矩/恒转速工况，再利用功率分析仪等设备实时采集电机的输入功率p、ab线电压uab和a相电流i，上述特殊要求限制了该类方法应用的场景。
[0006]
总的来说，上述技术均是应用在传统意义上(定子绕组固定不动，转子可以旋转)的永磁同步电机的转子初始位置角寻找中，最终找到的转子初始位置角是一个固定的角度。而的对转永磁同步电机驱动系统，电机的定子绕组和转子相对于支架均在旋转，二者受相互作用力反向旋转，此时转子的初始位置角不再固定，将一直是变化的。因此，上述技术还不能应用在的对转永磁同步电机驱动系统中，精确测量电机转子的初始位置。
[0007]
以下文献是与本发明相关的技术背景资料：
[0008]
[1]刘雪冰、李文杰、周从源等，一种调整内置式永磁同步电机转子初始位置角的方法及系统，2016-12-23，201611206350.9
[0009]
[2]张剑、颜朝鹏、彭萌等，永磁同步电机转子位置角检测及初始位置角标定方法，2019-01-24，201910068623.5
[0010]
[3]孙阳阳，电机初始位置角自动标定角度补偿方法及系统，2016-10-12，201610891993.5


技术实现要素：

[0011]
为了解决现有技术中的上述问题，即对转永磁同步电机定子绕组和转子均在旋转时无法测量转子初始位置角的问题，本发明提供了一种对转永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法包括：
[0012]
步骤s10，在所述同步电机的转子绕组上设置旋转变压器
①
的转子，在定子绕组上设置旋转变压器
②
的转子，在电机机壳上设置旋转变压器
①
和旋转变压器
②
的定子；
[0013]
步骤s20，通过旋转变压器
②
的转子获取所述同步电机的当前转子的绝对位置角θ2，固定所述同步电机的定子绕组，并通过旋转变压器
①
的转子获取所述同步电机的当前定子绕组的位置角θ
10
；
[0014]
步骤s30，基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形和经过d/a模块转化的转子位置角θ之间的关系，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0；
[0015]
步骤s40，松开所述同步电机的定子绕组并转动，通过旋转变压器
①
的转子获得所述同步电机的定子绕组的绝对位置角θ1；
[0016]
步骤s50，基于固定定子绕组下的所述同步电机的转子初始位置角θ
′0以及所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，获得转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0；
[0017]
步骤s60，转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0和同步电机的当前转子的绝对位置角θ2为所述同步电机转子初始位置。
[0018]
在一些优选的实施例中，步骤s30包括：
[0019]
步骤s31，基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形与经过d/a模块转化的转子位置角θ呈现余弦函数的周期变化规律，设定固定定子绕组下的同步电机的转子位置角初值；
[0020]
步骤s32，调整所述固定定子绕组下的同步电机的转子位置角初值，使所述同步电机的定子电压u
bc
的波峰与所述经过d/a模块转化的转子位置角θ的峰值对应，获得固定定子
绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0。
[0021]
在一些优选的实施例中，所述同步电机的定子电压u
bc
的波峰与所述经过d/a模块转化的转子位置角θ的峰值对应时，所述同步电机的电机转子磁场方向与定子绕组a相重合。
[0022]
在一些优选的实施例中，所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，其表示为：δθ1＝θ
1-θ
10
[0023]
其中，δθ1为同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量。
[0024]
在一些优选的实施例中，所述转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0，其表示为：θ0＝θ
′
0-δθ1[0025]
其中，θ
′0为固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角。
[0026]
本发明的另一方面，提出了一种对转永磁同步电机转子初始位置检测系统，该系统包括以下模块：
[0027]
旋转变压器设置模块，配置为在所述同步电机的转子绕组上设置旋转变压器
①
的转子，在定子绕组上设置旋转变压器
②
的转子，在电机机壳上设置旋转变压器
①
和旋转变压器
②
的定子；
[0028]
转子绝对位置角获取模块，配置为通过旋转变压器
②
的转子获取所述同步电机的当前转子的绝对位置角θ2；
[0029]
固定定子绕组下电机定子绕组位置角获取模块，配置为固定所述同步电机的定子绕组，并通过旋转变压器
①
的转子获取所述同步电机的当前定子绕组的位置角θ
10
；
[0030]
固定定子绕组下电子转子初始位置角获取模块，配置为基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形和经过d/a模块转化的转子位置角θ之间的关系，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0；
[0031]
转动定子绕组下电机定子绕组绝对位置角获取模块，配置为松开所述同步电机的定子绕组并转动，通过旋转变压器
①
的转子获得所述同步电机的定子绕组的绝对位置角θ1；
[0032]
转动定子绕组下电子转子初始位置角获取模块，配置为基于固定定子绕组下的所述同步电机的转子初始位置角θ
′0以及所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，获得转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0；
[0033]
同步电机转子初始位置输出模块，配置为输出转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0和同步电机的当前转子的绝对位置角θ2作为所述同步电机转子初始位置。
[0034]
本发明的第三方面，提出了一种电子设备，包括：
[0035]
至少一个处理器；以及
[0036]
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
[0037]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的对转永磁同步电机转子初始位置检测方法。
[0038]
本发明的第四方面，提出了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质
存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的对转永磁同步电机转子初始位置检测方法。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法，利用双旋变检测转子初始位置角的方法，分别在对转电机的定子绕组和转子上安装双旋转变压器，利用双旋转变压器分别实时输出定子绕组和转子的绝对位置角信息，先固定定子绕组，按照传统意义上的永磁同步电机测量初始位置角，然后松开定子绕组，利用安装在定子绕组的双旋转变压器检测出定子绕组的位置角变化量，进而得到永磁同步电机转子初始位置角。本发明适用于对转电机这种复杂结构的电机特征(定子绕组和转子均旋转)，只需要在定子绕组额外安装一个双旋转变压器检测定子的位置角信息，无需再增加专用的标定软件及硬件检测电路，就可以像传统意义上的电机一样获得电机转子初始位置角，该方法简单易行，同时利用双旋变也提高了转子初始位置角的精度。
附图说明
[0041]
通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
[0042]
图1是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法的流程示意图；
[0043]
图2是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的双旋转变压器在对转永磁同步电机上的安装示意图；
[0044]
图3是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组被固定后获取定子绕组当前位置角示意图；
[0045]
图4是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组被固定后获取转子初始位置角示意图；
[0046]
图5是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组旋转时定子位置角变化示意图；
[0047]
图6是本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组旋转时转子初始位置角示意图。
具体实施方式
[0048]
下面结合附图和实施例对本技术作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
[0049]
需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
[0050]
本发明的一种对转永磁同步电机转子初始位置检测方法，该方法包括：
[0051]
步骤s10，在所述同步电机的转子绕组上设置旋转变压器
①
的转子，在定子绕组上设置旋转变压器
②
的转子，在电机机壳上设置旋转变压器
①
和旋转变压器
②
的定子；
[0052]
步骤s20，通过旋转变压器
②
的转子获取所述同步电机的当前转子的绝对位置角θ2，固定所述同步电机的定子绕组，并通过旋转变压器
①
的转子获取所述同步电机的当前
定子绕组的位置角θ
10
；
[0053]
步骤s30，基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形和经过d/a模块转化的转子位置角θ之间的关系，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0；
[0054]
步骤s40，松开所述同步电机的定子绕组并转动，通过旋转变压器
①
的转子获得所述同步电机的定子绕组的绝对位置角θ1；
[0055]
步骤s50，基于固定定子绕组下的所述同步电机的转子初始位置角θ
′0以及所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，获得转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0；
[0056]
步骤s60，转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0和同步电机的当前转子的绝对位置角θ2为所述同步电机转子初始位置。
[0057]
为了更清晰地对本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法进行说明，下面结合图1对本发明实施例中各步骤展开详述。
[0058]
本发明第一实施例的对转永磁同步电机转子初始位置检测方法，包括步骤s10-步骤s50，各步骤详细描述如下：
[0059]
步骤s10，在所述同步电机的转子绕组上设置旋转变压器
①
的转子，在定子绕组上设置旋转变压器
②
的转子，在电机机壳上设置旋转变压器
①
和旋转变压器
②
的定子。
[0060]
旋转变压器输出信号需要经过旋变解码芯片(电路)处理，然后直接读取旋转解码芯片的输出值就是测量到的角度。
[0061]
旋变解码芯片为与旋转变压器结合实现角度位置和速度信号解码的元件，现有技术已经存在诸多的可选用旋变解码芯片，可以针对不同的应用场景选择不同型号的旋变解码芯片，本发明对此不作限定。
[0062]
如图2所示，为本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的双旋转变压器在对转永磁同步电机上的安装示意图，旋转变压器
①
包括旋变
①
号定子和旋变
①
号转子，旋转变压器
②
包括旋变
②
号定子和旋变
②
号转子。旋变
①
号转子和旋变
②
号转子设置在对转永磁同步电机的机壳上，也可以安装在固定电机的支架上，旋变
①
号定子设置在对转永磁同步电机的定子绕组上，随电机的定子绕组同步旋转，旋变
②
号定子设置在对转永磁同步电机的转子上，随电机的转子同步旋转。
[0063]
步骤s20，通过旋转变压器
②
的转子获取所述同步电机的当前转子的绝对位置角θ2。
[0064]
如图3所示，为本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组被固定后获取定子绕组当前位置角示意图，旋转变压器
①
用于实时输出对转永磁同步电机的定子绕组的绝对位置角信息θ1，旋转变压器
②
用于实时输出对转永磁同步电机的转子的绝对位置角θ2。
[0065]
固定所述同步电机的定子绕组，并通过旋转变压器
①
的转子获取所述同步电机的当前定子绕组的位置角θ
10
。
[0066]
步骤s30，基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形和经过d/a模块转化的转子位置角θ之间的关系，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0。
[0067]
步骤s31，基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形与经过d/a模块转化的转子位置角θ呈现余弦函数的周期变化规律，设定固定定子绕组下的同步电机的转子位置角初值；
[0068]
步骤s32，调整所述固定定子绕组下的同步电机的转子位置角初值，使所述同步电机的定子电压u
bc
的波峰与所述经过d/a模块转化的转子位置角θ的峰值对应，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0。
[0069]
如图4所示，为本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组被固定后获取转子初始位置角示意图，电机的定子绕组被固定，当电机转子磁场(d轴)方向与定子绕组a相重合时，旋转变压器
②
输出电机转子的绝对位置角，即为固定定子绕组下的转子位置角初始角度，记为θ
′0。此时对转电机的定子绕组被固定，与传统意义上的电机(定子绕组固定)旋转变化情况一样了，因而可以采用现用的技术寻找转子初始位置角，例如通过电机定子线电压u
bc
关于转子位置角θ呈现余弦函数的周期变化规律，在示波器上分别记录定子线电压u
bc
波形与经过d/a模块转化输出转子位置角θ，人为先设定转子位置角初值并调整，最终使得线电压u
bc
的波峰与转子位置角θ的峰值相对应，也就是电机转子磁场(d轴)方向与定子绕组a相重合，得到转子初始位置角。这仅是一种寻找转子初始位置角的方法，在其他应用场景，也可以根据实际需要选择其他的转子初始位置角寻找方法，本发明在此不做限定。
[0070]
步骤s40，松开所述同步电机的定子绕组并转动，通过旋转变压器
①
的转子获得所述同步电机的定子绕组的绝对位置角θ1。
[0071]
步骤s50，基于固定定子绕组下的所述同步电机的转子初始位置角θ
′0以及所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，获得转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0。
[0072]
同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，其表示如式(1)所示：δθ1＝θ
1-θ
10
ꢀꢀꢀ
(1)
[0073]
其中，δθ1为同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量。
[0074]
如图5所示，为本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组旋转时定子位置角变化示意图，对转电机定子绕组松开后，按照顺时针旋转到任意位置角，旋转变压器
①
将输出电机定子绕组的绝对位置角θ1，那么相对于电机定子绕组初始位置角(定子绕组被固定)位置角变化量为δθ1＝θ
1-θ
10
。
[0075]
转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0，其表示如式(2)所示：θ0＝θ
′
0-δθ1ꢀꢀꢀ
(2)
[0076]
其中，θ
′0为固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角。
[0077]
如图6所示，为本发明对转永磁同步电机转子初始位置检测方法一种实施例的对转电机定子绕组旋转时转子初始位置角示意图，从图中可以看出，此时电机的转子初始位置角θ0可以表示为θ0＝θ
′
0-δθ1。
[0078]
步骤s60，转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0和同步电机的当前转子的绝对位置角θ2为所述同步电机转子初始位置。
[0079]
上述实施例中虽然将各个步骤按照上述先后次序的方式进行了描述，但是本领域技术人员可以理解，为了实现本实施例的效果，不同的步骤之间不必按照这样的次序执行，其可以同时(并行)执行或以颠倒的次序执行，这些简单的变化都在本发明的保护范围之
内。
[0080]
本发明第二实施例的对转永磁同步电机转子初始位置检测系统，该系统包括以下模块：
[0081]
旋转变压器设置模块，配置为在所述同步电机的转子绕组上设置旋转变压器
①
的转子，在定子绕组上设置旋转变压器
②
的转子，在电机机壳上设置旋转变压器
①
和旋转变压器
②
的定子；
[0082]
转子绝对位置角获取模块，配置为通过旋转变压器
②
的转子获取所述同步电机的当前转子的绝对位置角θ2；
[0083]
固定定子绕组下电机定子绕组位置角获取模块，配置为固定所述同步电机的定子绕组，并通过旋转变压器
①
的转子获取所述同步电机的当前定子绕组的位置角θ
10
；
[0084]
固定定子绕组下电子转子初始位置角获取模块，配置为基于所述同步电机的定子电压u
bc
波形和经过d/a模块转化的转子位置角θ之间的关系，获得固定定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ
′0；
[0085]
转动定子绕组下电机定子绕组绝对位置角获取模块，配置为松开所述同步电机的定子绕组并转动，通过旋转变压器
①
的转子获得所述同步电机的定子绕组的绝对位置角θ1；
[0086]
转动定子绕组下电子转子初始位置角获取模块，配置为基于固定定子绕组下的所述同步电机的转子初始位置角θ
′0以及所述同步电机的定子绕组的位置角在固定定子绕组和转动定子绕组间的变化量，获得转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0；
[0087]
同步电机转子初始位置输出模块，配置为输出转动定子绕组下的同步电机的转子初始位置角θ0和同步电机的当前转子的绝对位置角θ2作为所述同步电机转子初始位置。
[0088]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0089]
需要说明的是，上述实施例提供的对转永磁同步电机转子初始位置检测系统，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
[0090]
本发明第三实施例的一种电子设备，包括：
[0091]
至少一个处理器；以及
[0092]
与至少一个所述处理器通信连接的存储器；其中，
[0093]
所述存储器存储有可被所述处理器执行的指令，所述指令用于被所述处理器执行以实现上述的对转永磁同步电机转子初始位置检测方法。
[0094]
本发明第四实施例的一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于被所述计算机执行以实现上述的对转永磁同步电机转子初始位置检测方法。
[0095]
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，
在此不再赘述。
[0096]
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(ram)、内存、只读存储器(rom)、电可编程rom、电可擦除可编程rom、寄存器、硬盘、可移动磁盘、cd-rom、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0097]
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
[0098]
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
[0099]
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。