CN100553108C - 永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，它首先在电梯抱闸未打开时采用凸极饱和效应和公式θ_r≈(cos(2π/3)/sin(2π/3))((ΔI_c-ΔI_b)/(ΔI_c+ΔI_b))求得大致的初始磁极位置；然后采用矢量变换控制，在不知道准确转子磁链与力矩电流的位置时假定一正交的(D，Q)轴，令Q轴的给定为零，并同时给定一个两倍电动机额定电流的D轴电流矢量I_d′，构建一个位置环，根据抱闸打开后电动机转动方向，反向移动给定电流矢量I_d′的方向使电动机快速平衡静止；最后使此时的电流矢量I_d″＝(/2)I_d′直至负载再次平衡，然后利用三角定理得到公式β＝arctg(sinγ/(-cosγ))和T′＝I_d″sinβ，从而求出实际电动机负载T′和精确的电动机磁极位置β。本发明的优点是不但能获得电动机轴端负载值，而且能使初始磁极位置的检测更加精确，从而使启动更加舒适、平滑。

Description

永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法

技术领域：

本发明涉及一种在转子磁场定向控制下的永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法。

背景技术：

目前，用于电梯上的永磁同步电动机的矢量控制即磁场定向控制一般采用的是ID＝0的控制方法即要使转子的永磁体产生的转子磁链准确定位在矢量控制的D轴上，从而保证永磁同步电动机启动过程的舒适性和控制过程的稳定性。但是，由于转子的初始位置具有随意性，如果不进行磁极位置检测，转子磁链在电动机刚启动时就很难准确定位在D轴上，当转子磁链定位偏差较大时，就容易使电动机的控制失败，所以磁极位置的检测是用于电梯中的永磁同步电动机控制的关键。现有技术永磁同步电动机初始磁极位置的检测通常是利用编码器的UVW信号即霍尔磁极检测元件产生的信号来测量磁极位置，但利用UVW信号来判断初始磁极位置会存在较大的误差，影响永磁同步电动机的控制。而且，在电梯控制中，为了保证启动过程的舒适性，电动机需要得到准确的初始力矩补偿，现有技术是采用称重检测装置来获得这个准确的初始力矩补偿，但由于电梯轿箱底部的变形及模拟信号的漂移等问题，实际的电梯称重装置存在维护工作量大和维护费用高的问题。

针对上述问题，中国国家知识产权局网站上公开了一种申请号为200510024266.0名称为永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法的发明专利，该专利采用ID＝0的控制方法，先根据电流控制器积分输出值电压差ΔU(ΔU＝U_d+I_q*L_q*ω)与转子转速ω的乘积符号Y(Y＝ΔU*ω)来推断是否该增加或减小实际的转子磁链与假设的转子磁链之间的夹角，即当Y＜0时，使D轴向前移动角度Δθ；当Y＞0时，使D轴向后移动角度Δθ，最后，根据ΔU是否在零附近来确定矢量空间坐标D轴是否已经准确定位于转子磁链的磁场上即预设的转子磁链于实际的转子磁链重合，从而可以得出转子磁极的初始位置角。

然而，本申请人发现上述发明采用的推断方法需要预先获知准确的电动机电感，否则就会判错ΔU的符号，使得加减角度时很容易振荡；而且当ΔU趋向零时将会在零值附近振荡，其符号变化更明显，造成电动机启动时会有较大的加速度变化，从而使角度获得不容易收敛，无法保证电动机启动的舒适性；而且，采用该推断方法也不能获得电动机轴端的负载大小。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是，提供一种不但能够获得电动机轴端负载的大小，而且能够使初始磁极位置的检测更加精确，从而使启动更加舒适、平滑的永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法。

本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下三个步骤的永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法：它首先在电梯抱闸未打开时采用凸极饱和效应和公式 ${\mathrm{\θ}}_r\≈\frac{\cos \frac{2\mathrm{\π}}{3}({\mathrm{\ΔI}}_c-{\mathrm{\ΔI}}_b)}{\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}(\mathrm{\Δ}{I}_c+{\mathrm{\ΔI}}_b)}$ 求得大致的初始磁极位置；

所述的θ_r为大致的电动机初始磁极位置；

所述的 $\mathrm{\Δ}{I}_c=I_c^{+}+I_c^{-}=I_c-I_0$ ，所述的 $I_c=I_0+{\mathrm{\ΔI}}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$

所述的 ${\mathrm{\ΔI}}_b=I_b^{+}+I_b^{-}=I_b-I_0$ ，所述的 $I_b=I_0+{\mathrm{\ΔI}}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$

其中I₀代表电流变化率的平均值，ΔI₀是测得冲击电流；

接着在磁场定向的永磁同步电动机系统中，采用矢量变换控制，在不知道准确的转子磁链与力矩电流的位置时，假定一正交的D，Q轴，令Q轴的给定为零，并同时给定一个两倍额定电流的D轴电流矢量I′_d，构建一个位置环，根据抱闸打开后电动机的转动方向，反向移动给定电流矢量I′_d的方向，最终使电动机快速平衡静止；

最后利用打开抱闸后电梯曳引机电动机负载不变的特点，减小给定的电流矢量I′_d至

倍电动机额定电流，使此时的电流矢量 $I_d^{\′\′}=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d^{\′},$ 直至负载再次平衡，然后利用三角定理得到公式 $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\sqrt{3}-\cos \mathrm{\γ}}$ 和T′＝I″_dsinβ，根据这两个公式求出实际的电动机负载T′和精确的电动机磁极位置β，最后存储电动机磁极的初始位置，用作下次的启动运行；

所述的I′_d为一给定的电流矢量，其方向固定且大小为两倍电动机额定电流。

采用本发明的方法后，我们在不需要知道精确的电动机参数如定子线圈电感等的情况下就能使电动机快速平衡；而且我们还能获得电动机轴端负载的大小以及更加精确的电动机初始磁极位置，从而使电动机在带载情况下更加舒适、平滑的启动。

附图说明：

图1是相绕组上的电流为正方向时转子磁链的方向和电流产生的磁链的方向示意图。

图2是相绕组上的电流为反方向时转子磁链的方向和电流产生的磁链的方向示意图。

图3是电动机各相绕组的控制电路示意图。

图4是向U相施加正向电压脉冲时各相绕组的电流反馈示意图。

图5是定子线圈电感值随电角度变化示意图。

图6是电流变化率随电角度变化示意图。

图7是转子在不同机械扇区时对各相绕组电流影响程度的示意图。

图8是电动机启动轴端负载示意图。

图9是抱闸打开时电动机快速平衡示意图。

图10是测定负载大小的示意图。

图11是本发明永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法的工作原理流程方框图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施方式对本发明永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法作进一步的说明：

如图11所示，本发明主要包括以下三个步骤：

(一)、在永磁同步电动机中，转子磁链可以影响相绕组产生的磁链，如图1所示，由于饱和凸极效应影响，即当正向电流产生的磁链ψ_A+的方向与转子磁链ψ_M的方向基本相同时，转子磁链能够通过影响相绕组(即定子线圈磁链)来增加定子铁芯的饱和程度，从而降低相绕组的电感值；如图2所示，当反向电流产生的ψ_A-的方向与转子磁链ψ_M的方向相反时，转子磁链能够通过影响相绕组(即定子线圈磁链)来减小定子铁芯的饱和程度，从而增大相绕组的电感值。由于相绕组的电感是随着定子铁芯饱和程度的变化而变化，因此我们可以利用电感的变化和转子位置的关系来求得大致的电动机初始磁极位置。

根据上述凸极饱和原理，我们在电梯抱闸未打开时即电动机转子固定情况下，先向U相绕组发送一个正向的电压脉冲U_DC，即将图3中的K_U、K_V和K_W开启，将K_U’、K_V’和K_W’闭合，此时U相的上管导通，V相和W相的下管导通，如图4所示，我们分别测定记录各相绕组的电流最大幅值I_A ⁺、I_B ^-和I_C ^-；然后我们向U相绕组发送一个宽度相同的反向电压脉冲U_DC，即将图3中K_U、K_V和K_W闭合，将K_U’、K_V’和K_W’开启，此时U相的下管导通，V相和W相的上管导通，同样，我们也分别测定记录各相绕组的电流最大幅值I_A ^-、I_B ⁺和I_C ⁺。

图5和图6是定子线圈电感和电流变化率随电角度变化的示意图，变化如图5和图6表现为类似正弦，而上述电压脉冲的宽度可以根据测得电感作出适当调整，使冲击电流大致保持在两倍左右的电动机额定电流。接着，我们可以构造以下求各相绕组电流的公式模型，其中I₀代表电流变化率的平均值，如图6所示，I₀大致为42.5；ΔI₀是测得冲击电流，它是随电角度正弦变化的；θ_r为大致的电动机初始磁极位置。

I_a＝I₀+ΔI₀COS(2θ_r)                         (1)

$I_b=I_0+{\mathrm{\ΔI}}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(2\right)$

$I_c=I_0+{\mathrm{\ΔI}}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3})---\left(3\right)$

我们通过上述公式的变换，并根据电梯在抱闸未打开时记录的各相绕组的电流最大幅值I_a ^-、I_a ⁺、I_b ⁺、I_b ^-、I_c ^-和I_c ⁺代入上述公式可推导得到以下公式：

$\mathrm{\Δ}{I}_a=I_a^{+}{+I}_a^{-}=I_a-I_0---\left(4\right)$

${\mathrm{\ΔI}}_b=I_b^{+}+I_b^{-}=I_b-I_0---\left(5\right)$

$\mathrm{\Δ}{I}_c=I_c^{+}+I_c^{-}=I_c-I_0---\left(6\right)$

将上述公式(2)和(3)分别代入(5)和(6)，我们得到：

$\frac{\sin \left({2\mathrm{\θ}}_r\right)}{\cos \left({2\mathrm{\θ}}_r\right)}=\frac{\cos \left(\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)}{\sin \left(\frac{2\mathrm{\π}}{3}\right)}\frac{({\mathrm{\ΔI}}_c-{\mathrm{\ΔI}}_b)}{({\mathrm{\ΔI}}_c+{\mathrm{\ΔI}}_b)}---\left(7\right)$

我们假定θ_r很小，即sin(2θ_r)＝θ_r，cos(2θ_r)＝1，通过对公式(7)的三角变换后，我们得到以下公式：

${\mathrm{\θ}}_r\≈\frac{\cos \frac{2\mathrm{\π}}{3}}{\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}}\frac{({\mathrm{\ΔI}}_c-{\mathrm{\ΔI}}_b)}{({\mathrm{\ΔI}}_c+{\mathrm{\ΔI}}_b)}---\left(8\right)$

由于一个角度π＝3.14，因此公式(8)中的θ_r可以看作是以数值表示的一个角度，

图7表示的是转子在不同机械扇区时对各相绕组电流所产生的影响程度示意图，由于ΔI_a、ΔI_b以及ΔI_c各有正负两种情况，因此图7中显示的扇区数量为六个，并且所示的扇区宽度为正负30度，所以，我们可以根据ΔI_a、ΔI_b以及ΔI_c的符号来确定大致电角度所在的扇区，然后根据公式(8)来求得大致的初始磁极位置。换句话说，根据公式(8)求出的θ_r会有两个数值即电角度，我们可以根据图7以及ΔI_a、ΔI_b以及ΔI_c的符号来确定其中一个我们所需的电角度即大致的初始磁极位置。

(二)、根据上述方法确定的初始磁极位置还存在大约+/-12度的偏差，因此我们通过以下原理和步骤来得到更加精确的磁极位置。

在转子磁场定向的矢量控制中，转子磁链是定向在矢量控制的D轴上，由于初始磁极位置的偏差，实际的D轴与我们发出的D轴矢量I_d之间存在一定的偏差，其偏差的角度为θ.如图8所示，我们令Q轴的给定为零，D轴的给定为一个方向固定且大小为两倍电动机额定电流的D轴电流矢量I′_d，从而产生了一个实际的Q轴分量I_q(T′)。图8中所示的X为电动机轴。如果实际的Q轴分量I_q(T′)不足以平衡轴端负载T，那么我们在打开抱闸后，电动机就会转动，由于电流矢量I′_d方向已固定，它不会随着反馈的电角度变化而变化。因此，电动机的转动使得实际的Q轴分量I_q(T′)慢慢加大，当Q轴分量I_q(T′)等于轴端负载T时，电动机就取得了平衡。如果实际的Q轴分量I_q(T′)大于轴端负载T，在打开抱闸后，电动机反方向转动，因为电流矢量I′_d方向已固定，它不会随着反馈的电角度变化而变化。因此，电动机的反方向转动使得实际的Q轴分量I_q(T′)慢慢减小，当Q轴分量I_q(T′)等于轴端负载T时，电动机也就取得了平衡。但是，在实际应用过程中，由于电动机负载端在转动时存在惯性，因此电动机在停止转动前有可能越过平衡点，冲过第一或第三象限，使得实际的Q轴分量I_q(T′)不再按正弦单调递增或递减，从而使电动机无法取得平衡。

为此，我们可以构造一个位置环(角度位置闭环)，如图9所示，所述位置环的输入为打开抱闸后电动机转动的角度θ₁，位置环的输出为我们发出的D轴电流矢量I′_d的反向偏转角θ₂即D轴电流矢量I_d’实际移动的角度，同时我们引入一个负载惯性系数K_p，根据电动机转动后编码器的反馈角度θ₁即打开抱闸后电动机转动的角度，我们将θ₁乘以K_p后来反向快速移动D轴电流矢量I_d’，最终使位置环的输出限幅为θ₁+θ₂＜π/2，θ₁+θ₂＜π/2的目的是为了确保发出的电流矢量大致在一、三象限之内，从而使实际的Q轴分量T′仍旧保持大致的单调递增或递减。因此，当我们根据抱闸打开后编码器的反馈角度θ₁乘以K_p来反向快速移动给定的D轴电流矢量I_d’后，此时的电动机已转过了θ₁角度，那么我们发出的D轴电流矢量I_d’实际移动的角度θ₂应该等于(K_p+1)θ₁。在限制矢量移动角度的最大角度后，根据负载的惯性选择合适的K_p值，从而使电机非常快速的取得平衡，而且不会产生过大的加速度。

(三)、经过上述步骤后，如图10所示，当电动机取得平衡后，因为电动机轴端负载T在打开抱闸后大小不变，我们减小发出的D轴电流矢量I′_d至电动机额定电流的倍，即此时的D轴电流矢量 $I_d^{\′\′}=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d^{\′},$ 由于D轴电流矢量I″_d的角度未变即D轴电流矢量没有转动，因此Q轴分量I_q(T′)将不足以平衡电动机，电动机将转动，电动机的转动将增大Q轴分量I_q(T′)，从而使电动机重新平衡，由于D轴电流矢量是转动γ后从I′_d到达I″_d位置的，这里的γ＝(K_p+1)θ₁，因此，根据三角定理，我们将得到以下公式：

I′_d*cos(β+γ)＝I″_dcosβ            (9)

$\frac{\sqrt{3}}{2}=\frac{\cos (\mathrm{\β}+\mathrm{\γ})}{\cos \mathrm{\β}}---\left(10\right)$

公式(9)和公式(10)经三角变换后，我们得到以下两个公式

$\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\sqrt{3}-\cos \mathrm{\γ}}---\left(11\right)$

T′＝I″_dsinβ                        (12)

因为公式(11)和公式(12)中的γ和I″_d都是已知的，因此，我们可以较准确的得到实际D轴与我们目前的偏差角为β即精确的电动机初始磁极位置，而目前的电机轴上负载为T′，修正后，测得的实际负载可以作为力矩补偿加入控制，以获得较好的启动舒适性。

Claims (1)

1、一种永磁同步电动机初始磁极位置的推断方法，它包括以下三个步骤：

①在电梯抱闸未打开时采用凸极饱和效应和公式 ${\mathrm{\θ}}_r\≈\frac{\cos \frac{2\mathrm{\π}}{3}(\mathrm{\Δ}{I}_c-\mathrm{\Δ}{I}_b)}{\sin \frac{2\mathrm{\π}}{3}(\mathrm{\Δ}{I}_c+\mathrm{\Δ}{I}_b)}$ 求得大致的初始磁极位置；

所述的θ_r为大致的电动机初始磁极位置；

所述的 $\mathrm{\Δ}{I}_c=I_c^{+}+I_c^{-}=I_c-I_0,$ 所述的 $I_c=I_0+\mathrm{\Δ}{I}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r-\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$

所述的 $\mathrm{\Δ}{I}_b=I_b^{+}+I_b^{-}=I_b-I_0,$ 所述的 $I_b=I_0+\mathrm{\Δ}{I}_0\mathrm{COS}({2\mathrm{\θ}}_r+\frac{2\mathrm{\π}}{3}),$

其中I₀代表电流变化率的平均值，ΔI₀是测得冲击电流；

②、在磁场定向的永磁同步电动机系统中，采用矢量变换控制，在不知道准确的转子磁链与力矩电流的位置时，假定一正交的D，Q轴，令Q轴的给定为零，并同时给定一个两倍电动机额定电流的D轴电流矢量I′_d，构建一个位置环，根据抱闸打开后电动机的转动方向，反向移动给定的电流矢量I′_d的方向，最终使电动机快速平衡静止；

③、利用打开抱闸后电梯曳引机电动机负载不变的特点，减小给定的电流矢量I′_d至

倍电动机额定电流，使此时的电流矢量 $I_d^{\′\′}=\frac{\sqrt{3}}{2}{I}_d^{\′},$ 直至负载再次平衡，然后利用三角定理得到公式 $\mathrm{\β}=\mathrm{arctg}\frac{\sin \mathrm{\γ}}{\sqrt{3}-\cos \mathrm{\γ}}$ 和T′＝I″_dsinβ，根据这两个公式求出实际的电动机负载T′和精确的电动机磁极位置β，最后存储电动机磁极的初始位置，用作下次的启动运行；

所述的I′_d为一给定的电流矢量，其方向固定且大小为两倍电动机额定电流。

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