一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法及系统

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，更具体地说，它涉及一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法及系统。

背景技术

永磁同步电机矢量控制需要获取转子磁场的准确位置角度，通常在获取磁极位置角度时，需要在电机轴端连接一个绝对位置角度编码器，以检测永磁同步电机的速度和磁极位置角度，但是对于无编码器的电机在启动阶段无法得到转子磁极的位置角度，需要开环控制电机启动，直到检测编码器的基准信号以后，矢量控制才可以正常使用。

而在初始位置角度不确定情况下，永磁同步电机启动的最优方法还是在静止情况下检测出磁极的准确初始位置角度，然后再启动，从而实现最大电流启动。然而，而常规初始位置识别算法在求取含位置信号的电流高频响应时，需要采用滤波环节实现载波信号分离与提取从而计算出转子位置，因此算法收敛较慢。

因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法及系统是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法及系统，在位置误差解耦时采用外差法求取电流响应的包络线，可避免使用滤波器，从而提高算法收敛速度且整个控制系统只需调节一组PI参数，调节方便，极大便利大容量高压控制系统现场调试。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法，包括以下步骤：

将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度；

利用电机d轴磁饱和效应，通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果，结合NS极结果和观测角度确定转子初始位置角。

进一步的，所述将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度的过程具体为：

电机运转前，在电机d轴注入高频电压方波，q轴电压保持为0；

将采集出来的三相电流通过Clark变换转换到αβ轴，提取α轴电流i

依据电流包络线i

将观测角度反馈到αβ轴以将α轴电流i

进一步的，所述观测角度与实际角度的误差消除依靠PI调节。

进一步的，所述通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果具体过程为：

沿观测角度所对应的转子角度方向注入电压正负方波，采集相应方向的d轴正负电流；

分别计算正方向、负方向的d轴电流的绝对值并比较，通过绝对值比较结果确定d轴的NS极方向。

进一步的，所述正方向、负方向d轴电流的绝对值具体为：

电压正负方波注入期间，将正方向的d轴电流和负方向的d轴电流分别累加，并对最终累加的电流取绝对值，得到相应方向的d轴电流的绝对值。

进一步的，所述通过绝对值比较结果确定d轴的NS极方向的过程具体为：选取绝对值大的方向为N。

进一步的，所述电压正负方波注入至少两个周期。

进一步的，若所述NS极结果为N极，则转子初始位置角等于观测角度。

进一步的，若所述NS极结果为S极，则转子初始位置角为观测角度与180°之和。

第二方面，提供了一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别系统，包括：

角度锁定模块，用于将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度；

NS极判断模块，用于利用电机d轴磁饱和效应，通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果，结合NS极结果和观测角度确定转子初始位置角。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提供的一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法，首先采用高频电压方波注入快速锁定转子初始位置，并且识别角度期间电机保持静止状态；然后在识别出来的角度方向注入电压正负方波，根据电机d轴磁饱和效应判断出识别出的角度是N极还是S极，相比于常规初始位置识别该算法构建的控制系统更为简单且调节方便，便于大容量高压控制系统现场调试。

2、本发明在位置误差解耦时采用外差法求取电流响应的包络线，而常规初始位置识别算法在求取含位置信号的电流高频响应时，需要采用滤波环节实现载波信号分离与提取，从而计算出转子位置，因此算法收敛较慢，本发明可避免使用滤波器，从而提高算法收敛速度且整个控制系统只需调节一组PI参数，调节方便，利于大容量高压控制系统现场调试；

3、本发明考虑到大容量高压系统的调试难度，利用高频方波注入简化电机电压电流方程，从而可依靠PI调节器完成对角度的快速搜索与准确锁定，调试方便高效，且该控制算法同样适用于一般永磁电机，故可使用同款变频器控制不同永磁电机，减小企业硬件开发成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例1中转子初始位置的识别控制框图；

图2是本发明实施例1中转子NS极的判断逻辑框图；

图3是本发明实施例1中转子初始角度为54°的仿真结果图；

图4是本发明实施例1中转子初始角度为80°的仿真结果图；

图5是本发明实施例1中转子初始角度为130°的仿真结果图；

图6是本发明实施例2中的系统框图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法，主要由以下步骤实现。

步骤一：将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度。

如图1所示，将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度的过程具体为：电机运转前，在电机d轴注入高频电压方波，q轴电压保持为0；将采集出来的三相电流通过Clark变换转换到αβ轴，提取α轴电流i

本发明在位置误差解耦时采用外差法求取电流响应的包络线，而常规初始位置识别算法在求取含位置信号的电流高频响应时需要采用滤波环节实现载波信号分离与提取从而计算出转子位置，因此算法收敛较慢，本算法可避免使用滤波器，从而提高算法收敛速度且整个控制系统只需调节一组PI参数，调节方便，极大便利大容量高压控制系统现场调试。

步骤二：利用电机d轴磁饱和效应，通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果，结合NS极结果和观测角度确定转子初始位置角。

如图2所示，通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果具体过程为：沿观测角度所对应的转子角度方向注入电压正负方波，采集相应方向的d轴正负电流；分别计算正方向、负方向的d轴电流的绝对值并比较，通过绝对值比较结果确定d轴的NS极方向。

在本实施例中，正方向、负方向d轴电流的绝对值具体为：电压正负方波注入期间，将正方向的d轴电流和负方向的d轴电流分别累加，并对最终累加的电流取绝对值，得到相应方向的d轴电流的绝对值。

而通过绝对值比较结果确定d轴的NS极方向的过程具体为：选取绝对值大的方向为N。若所述NS极结果为N极，则转子初始位置角等于观测角度。若所述NS极结果为S极，则转子初始位置角为观测角度与180°之和。

需要说明的是，电压正负方波注入过程至少需要两个两个周期。

以一个控制模型为例进行说明。控制模型中永磁电机额定转速为1000r/min，额定功率为2500kw，定子相电阻为0.171Ω，d轴电感为0.0462H，q轴电感为0.0962H。

如图3所示，图3为仿真过程中观测角度(红色线)与实际角度(蓝色线)的变化曲线，本次设定的转子初始角度为54°，从曲线可以看出观测角度

更改转子初始角度为80°，仿真结果如图4所示，从曲线可以看出观测角度

继续更改转子初始角度为130°，仿真结果如图5所示，0.1秒内完成了对转子位置的识别和锁定，识别稳定后的角度为129.5°，偏差仅为0.4％。

总的来说各个位置下识别角度都能做到快速精准，识别精度完全满足用于电机无位置启动。

实施例2：一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别系统，该系统用于实现实施例1中所记载的一种大容量永磁同步电机静止初始位置识别方法，如图6所示，包括角度锁定模块和NS极判断模块。

其中，角度锁定模块，用于将高频电压方波注入电机d轴后，利用电流锁相环锁定观测角度；NS极判断模块，用于利用电机d轴磁饱和效应，通过注入电压正负方波以在比较d轴正负电流大小后确定观测角度的NS极结果，结合NS极结果和观测角度确定转子初始位置角。

工作原理：首先采用高频电压方波注入快速锁定转子初始位置，并且识别角度期间电机保持静止状态；然后在识别出来的角度方向注入电压正负方波，根据电机d轴磁饱和效应判断出识别出的角度是N极还是S极，相比于常规初始位置识别该算法构建的控制系统更为简单且调节方便，便于大容量高压控制系统现场调试。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。