專利名稱：低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法
技術領域：
本發(fā)明涉及永磁同步電機，特別涉及一種低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法。
背景技術：
近年來，內(nèi)嵌式永磁同步電機(IPMSMs)在工業(yè)控制領得到廣泛的應用。與傳統(tǒng)的電機相比，他們有許多優(yōu)勢，如高轉矩密度，高效率，低轉矩脈動，低噪音，以及容易維護等。 然而，同步電動機啟動要求轉子初始位置信息以獲得最大抓轉矩。轉子初始位置估算的準確性關系到電機能否順利啟動，如果初始位置角誤差過大，會導致電機在啟動時帶載能力低，甚至會出現(xiàn)反轉的現(xiàn)象。永磁同步電機轉子初始位置估算一直是永磁同步電機驅動研究的熱點和難點之一。通常采取安裝增量式脈沖編碼器或霍爾傳感器以獲得電機轉子的位置信息。由于電機起動時轉子位置是任意的，而增量式編碼器無法提供電機的初始位置，霍爾傳感器也不能給出精確的位置。因此轉子初始位置估算是永磁同步電機控制中必須解決的問題。一個簡單的轉子初始定位方法是直流電流激勵法，對電機任意兩相加一定的直流電流，使轉子磁極定位拉到給定位置。然而，轉子的旋轉方向是不可預測的的，而且，這種方法使轉子產(chǎn)生較大的扭動。目前研究和應用較多是高頻信號注入法。這種方法可以取得初始轉子位置，而不會導致轉子旋轉。這些方法可以在α β靜止坐標系或dq旋轉坐標系實施，注入的高頻信號與電機的空間凸極相互作用，產(chǎn)生包含有轉子位置信息信號。然后，利用過濾器和信號處理算法估算出轉子初始位置。然而，這些方法比較復雜，算法實現(xiàn)要求控制器性能高。同時， 注入的高頻信號產(chǎn)生電機噪音。另外，轉子位置信號依賴于電機的凸極顯性。當電機凸極性小，這種算法導致較大的轉子位置估計誤差。因此，有必要研究一種簡單、可靠、實用的轉子初始位置估計方法。開發(fā)的轉子初始位置估計方法改變傳統(tǒng)的對電機模型注入信號，而是通過對電機α β靜止坐標系注入特定信號，從而消除電機模型中與轉子位置無關的因素，同時突出電機凸極顯性特性獲得電機在靜止時準確的轉子位置。仿真和實驗結果表明，該方法能準確地估算轉子初始位置， 特別是對于低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機，與實際檢測的轉子位置相比較，估計出的轉子位置誤差小于5°。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述現(xiàn)有技術的缺陷以及實際應用需求，本發(fā)明提供了一種低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法。該方法改變傳統(tǒng)的對電機模型注入信號，而是通過對電機α β靜止坐標系注入特定信號，從而消除電機模型中與轉子位置無關的因素，同時突出電機顯性特性獲得電機在靜止時準確的轉子位置。本發(fā)明的具體技術方案如下
低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法，該方法包括如下步驟(1)連接永磁同步電機與一個電壓源逆變器；(2)輸入三相或者單相110伏/220伏交流電源經(jīng)AC/DC整流器整流成300伏直流電，然后再通過DC/AC逆變器用于脈沖電流注入和電機控制；(3)實現(xiàn)由B相和C相注入電流信號，A相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；由于使用Sin(2 0)不能得出唯一 θ值，將導致多個θ值。因此，此方法需要第二步信號注入。這樣就有了以下步驟(4)。(4)實現(xiàn)由A相和B相注入電流信號，C相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；(5)結合之前兩次計算出的轉子位置，準確地估算出電機的轉子初始位置。上述方案中，所述步驟(3)具體步驟包括①關閉逆變器開關Ql和Q2，A相沒有電流；②在一個PWM周期Τ，打開Q3和Q6，關閉Q4和Q5 ；在此期間直流母線電壓加到B 相和C相之間從而在B相和C相產(chǎn)生一個電流ib和i。；下一個PWM周期T，打開Q4和Q5， 關閉Q3和Q6。直流母線電壓加到C相和B相之間從而使B相和C相的電流ib和i?；亓悖虎坜D換電流ib和i。到α β靜止坐標系Ia和I0 ；④根據(jù)直流母線電壓和PWM開關信號計算Va。和Vb。，進而計算出定子電壓在α軸上分量Va ；⑤計算電機轉子位置θ ；⑥重復上述步驟，并將所得出的若干個結果中計算出轉子位置的平均值。上述方案中，所述步驟(4)具體步驟包括①關閉逆變器Q5和Q6，C相沒有電流；②在一個PWM周期Τ，關閉Q2和Q3，打開Ql和Q4 ；在此期間直流母線電壓加到A 相和B相之間從而在A相和B相產(chǎn)生一個電流ia和ib ；下一個PWM周期T，關閉Ql和Q4， 打開Q2和Q3。直流母線電壓加到B相和A相之間從而使A相和B相的電流ia和ib回零。③轉換電流ia和ib到α β靜止坐標系Ia和I0 ；④根據(jù)直流母線電壓和PWM開關信號計算Va。和Vab，進而計算出定子電壓在α軸和β軸上分量Va和V0 ；⑤由公式sin (2 θ + ji /3)計算出的轉子位置θ值；⑥重復上述步驟，并將所得出的若干個結果中計算出轉子位置的平均值。本發(fā)明方法作為一種能夠準確、可靠地估計轉子初始位置的電流信號注入方法。 對于直軸和交軸電感相差很小低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機，該方法能夠準確、可靠地估計轉子初始位置的。該方法改變傳統(tǒng)的對電機模型注入信號，而是通過對電機α β靜止坐標系注入特定信號，從而消除電機模型中與轉子位置無關的因素，同時突出電機顯性特性獲得電機在靜止時準確的轉子位置。仿真和實驗結果表明，該方法能準確地估算轉子初始位置，特別是對于低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機，與實際檢測的轉子位置相比較，估計出的轉子位置誤差小于5°。該方法對硬件和軟件的要求較低，有利于工業(yè)實現(xiàn)，具有較高的實用意義。
以下結合附圖和具體實施方式
來進一步說明本發(fā)明。

圖1為α β靜止坐標系與dq旋轉坐標系之間的角度示意圖。圖2為電流注入B相和C相，A相沒有電流的電路圖。圖3為從上倒下分別為母線電壓Vbus，電機AC相電壓Va。和電機B相電流ib波形的對照圖。圖4為電流注入A相和B相，C相沒有電流的電路圖。圖5為從上倒下分別為母線電壓Vbus，電機AC相電壓Va。和電機A相電流ib波形的對照圖。圖6為試驗論證平臺結構示意圖。圖7為估計轉子位置與實際轉子位置比較圖。
具體實施例方式為了使本發(fā)明實現(xiàn)的技術手段、創(chuàng)作特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合具體圖示，進一步闡述本發(fā)明。首先，具體介紹一下本發(fā)明方案中所涉及的數(shù)學算法在旋轉dq坐標系，內(nèi)嵌式永磁同步電機的數(shù)學模型
V；R +PL d -0)Lq'h'ι“0 “Vq._ wLd R + pLqΛ.十ωψ
(1)
其中Vd和\是定子電壓在d軸和q軸分量；Id和Id的定子電流在d軸和q軸分量；Ld和Lq定子電感在d軸和q軸分量；R為定子電阻；ω是轉子角速度；Ψ是電機磁鏈； ρ = d/dt0電機轉子位置θ定義為α β靜止坐標系與dq旋轉坐標系之間角度如圖1所示。轉換上面等式(1)到α β靜止坐標系
K=RKWW
Zo + Z,cos(20) Z1 sin(2^) Li sin(2^) L0-LlCos(Ie)
2 +2 !,
-sin(26>) cos(2^) Ia-sin^
,+ωψ
cos(2^) sin(2^)」Ip[ cos^ 其中Va和V0分別是定子電壓在α軸和β軸上分量；Ια和I0是定子電流在a 軸和β軸上分量；θ是轉子的角位置； Ln = L1 =
Ld+Lq
~2~ Ld-Lq
2~ 由于電機處于靜止狀態(tài)，ω = 0代入⑵式，得至IJ
權利要求
1.低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法，其特征在于，包括如下步驟(1)連接永磁同步電機與一個電壓源逆變器；(2)輸入三相或者單相110伏/220伏交流電源經(jīng)AC/DC整流器整流成300伏直流電， 然后再通過DC/AC逆變器用于脈沖電流注入和電機控制；(3)實現(xiàn)由B相和C相注入電流信號，A相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；(4)實現(xiàn)由A相和B相注入電流信號，C相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；(5)結合之前兩次計算出的轉子位置，準確地估算出電機的轉子初始位置。
2.根據(jù)權利要求1的低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法，其特征在于，所述步驟(3)具體步驟包括①關閉逆變器開關Ql和Q2，A相沒有電流；②在一個PWM周期Τ，打開Q3和Q6，關閉Q4和Q5；在此期間直流母線電壓加到B相和 C相之間從而在B相和C相產(chǎn)生一個電流ib和i。；下一個PWM周期T，打開Q4和Q5，關閉 Q3和Q6。直流母線電壓加到C相和B相之間從而使B相和C相的電流ib和i?；亓悖虎坜D換電流ib和i。到αβ靜止坐標系Ia和Ie ；④根據(jù)直流母線電壓和PWM開關信號計算Va。和Vb。，進而計算出定子電壓在α軸上分量Va ；⑤計算電機轉子位置θ；⑥重復上述步驟，并將所得出的若干個結果中計算出轉子位置的平均值。
3.根據(jù)權利要求1的低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法，其特征在于，所述步驟(4)具體步驟包括①關閉逆變器Q5和Q6，C相沒有電流；②在一個PWM周期Τ，關閉Q2和Q3，打開Ql和Q4；在此期間直流母線電壓加到A相和 B相之間從而在A相和B相產(chǎn)生一個電流ia和ib ；下一個PWM周期T，關閉Ql和Q4，打開 Q2和Q3。直流母線電壓加到B相和A相之間從而使A相和B相的電流ia和ib回零；③轉換電流、和ib到αβ靜止坐標系Ia和Ie ；④根據(jù)直流母線電壓和PWM開關信號計算Va。和Vab，進而計算出定子電壓在α軸和β 軸上分量Va和Ve ；⑤由公式sin(2θ + π/3)計算出的轉子位置θ值；⑥重復上述步驟，并將所得出的若干個結果中計算出轉子位置的平均值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種低凸極內(nèi)嵌式永磁同步電機轉子初始位置的估算方法。該方法包括如下步驟(1)連接永磁同步電機與一個電壓源逆變器；(2)輸入三相或者單相110伏/220伏交流電源經(jīng)AC/DC整流器整流成300伏直流電，然后再通過DC/AC逆變器用于脈沖電流注入和電機控制；(3)實現(xiàn)由B相和C相注入電流信號，A相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；(4)實現(xiàn)由A相和B相注入電流信號，C相沒有電流信號的情況下，通過計算得出的電機轉子位置θ，并重復多次從而得出轉子位置的平均值；(5)結合之前兩次計算出的轉子位置，準確地估算出電機的轉子初始位置。
文檔編號H02P21/14GK102332862SQ20111028759
公開日2012年1月25日 申請日期2011年9月26日 優(yōu)先權日2011年9月26日
發(fā)明者姜海峰, 徐黃生 申請人:江陰歆拓電子科技有限公司