CN102401626B - 一种永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法，步骤为：（1）利用外力旋转电机转子；（2）采样电机线线反电动势和转子位置传感器输出的位置值，得到n组数据(n表示多组)；（3）将线线反电动势变换到两相静止坐标系；（4）用转子位置传感器输出的位置值，通过Clark变换将两相静止坐标系反电动势变换到旋转坐标系中，得到旋转坐标系直轴反电动势和交轴反电动势；（5）利用上一步得到的直轴和交轴反电动势比例，通过反正切运算得到n个角度值，求均值得到转子位置传感器安装偏差。该方法可以精确地估计出隐极和凸极永磁同步电机转子位置传感器的安装偏差，得到很高的精度。

Description

一种永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法，属于高精度伺服控制领域，涉及精密机床、光电跟踪瞄准设备的伺服控制系统。

背景技术

永磁同步电机采用电子换向，所以转子的位置信息直接影响着电机速度、位置控制的精度和动态性能。在伺服系统等高精度控制的场合一般需要安装码盘、旋转变压器等位置传感器来获得电机转子的准确位置。由于安装的误差会使位置传感器的零位产生偏差，位置传感器的零位偏差将造成转子位置检测的零位偏差，而永磁同步电机转子位置检测零位偏差的存在将引起不期望和不可控制的直轴电流，严重时会造成电机无法启动甚至反转。位置传感器在安装时与转子实际位置会造成一定的偏差，该偏差即零位偏差。实际应用中采用的电机多为多对极电机，转子机械角度零位偏差的估计误差，变换为电角度时，将成极对数倍的增加，所以在高精度的电机控制系统中，需要精确估计出转子位置零位误差。在有位置传感器的控制中，常采用的零位检测方法是预定位法，即在电机定子中加入直流电或施加固定方向的电压矢量（一般以U相为零位方向），电机稳定后获取的转子位置即为零位位置。如果电机带负载，或者电机的摩擦转矩较大，该方法将造成较大的估计误差。另一种方法就是采用无传感器控制方法中的转子初始位置获取方法，同时获取位置传感器初始值，从而得到位置传感器安装偏差。但是无位置传感器转子初始位置估计方法的共同特点就是估算精度不够高，从而导致位置传感器安装偏差估计值精度不高，违背了使用位置传感器以得到高精度转子位置值的初衷。如贾洪平和贺益康在论文《基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究》（《中国电机工程学报》2007年5月第27卷第15期）中利用注入电机中的高频信号引起PMSM d、q轴磁路饱和程度的差异实现隐极及凸极2种PMSM转子初始位置的检测，同时根据定子铁心的非线性磁化特性，判断永磁体的N/S极极性，但该方法的精度仅为5°电角度。如周元钧等人在论文《改进的永磁同步电机转子初始位置检测方法》（《电机与控制学报》2010年3月第14卷第2期）改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始d轴位置。并且针对传统旋转高频电压注入法无法检测出转子永磁体极性问题，在d-q旋转坐标系下，通过分析永磁同步电机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出了根据定子铁芯非线性磁化特性获得判别N/S极极性信息的新方案，但该方法较复杂，而且精度也仅为3.44°电角度。胡任之、徐永向等人在论文《永磁同步电动机位置传感器零位偏差估计方法》（《微电机》2009年第42卷第2期）中分析了存在位置传感器零位偏差时永磁同步电动机的电磁转矩,分析了基于电磁转矩模型的位置传感器零位偏差的估算原理,给出了实现方法。将该方法与转子预定位法相结合,解决了负载条件下永磁同步电动机位置传感器零位偏差估计的问题。该方法需要电机作匀速或匀加速运动，在未获取转子位置值的情况下较难达到理想的运转情况，该方法精度为0.35°电角度。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种永磁同步电机反电动势的转子位置传感器零位偏差估计方法，该方法利用永磁同步电机反电动势与转子磁极位置的偏差的关系，精确估计出永磁同步电机（PMSM）转子位置传感器安装偏差。

本发明采用的技术方案为：永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法，原理如下：

定义电机三相分别为U、V、W，规定以U相方向为转子的零位方向。

利用永磁同步电机反电动势模型

$\left\{\begin{array}{c}{e}_u={\mathrm{P\Ψ}}_{\mathrm{fu}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}\\ e_v={\mathrm{P\Ψ}}_{\mathrm{fv}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}(\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}-2\mathrm{\π}/3)\\ e_w={\mathrm{P\Ψ}}_{\mathrm{fw}}=-{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}(\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}+2\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.$      （式1）

其中P为微分算子，即为

；ω_re为电机转子的角速度，逆时针方向为正；

为转子磁极与U相重合时U相磁链的最大值；e_u、e_v、e_w分别为U、V、W相反电动势（以中心结点为电压参考点）；Ψ_fu、Ψ_fv、Ψ_fw分别为U、V、W相定子绕组磁链；θ_re是U相到转子磁极的实际角度，即不包含位置传感器安装偏差。

利用Clark变换，得到α-β坐标系中反电动势表示为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& -\frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_u\\ e_v\\ e_w\end{array}\right]=\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}\end{array}\right]$    （式2）

其中e_α表示α轴反电动势，e_β表示β轴反电动势，

假设电机转子位置传感器安装偏差为Δθ，则位置传感器输出的位置值θ′_re=θ_re+Δθ，即从位置传感器采样到的值为转子实际角位置加上传感器安装时产生的偏差。

进行以下变换，得到旋转坐标系中反电动势的表达式：

$\left[\begin{array}{c}{e}_d^{\′}\\ e_q^{\′}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}\cos {{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{re}}& \sin {{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{re}}\\ -\sin {{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{re}}& \cos {{\mathrm{\θ}}^{\′}}_{\mathrm{re}}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\α}}\\ e_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]$

$=\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}\left[\begin{array}{cc}\cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}+\mathrm{\Δ\θ})& \sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}+\mathrm{\Δ\θ})\\ -\sin ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}+\mathrm{\Δ\θ})& \cos ({\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}+\mathrm{\Δ\θ})\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}-\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}\\ \cos {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{re}}\end{array}\right]$    （式3）

$=\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\ω}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\Ψ}}_f^{\′}\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\Δ\θ}\\ \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right]$

其中

分别表示利用电机转子位置传感器采样值

进行解耦得到的旋转坐标系中的直、交轴反电动势值。

利用下式可求出Δθ：

$\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\left\{\begin{array}{cc}\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& e_q^{\&prime;}=0,e_d^{\&prime;}>0\\ -\frac{\mathrm{\&pi;}}{2}& e_q^{\&prime;}=0,e_d^{\&prime;}<0\\ \arctan \frac{e_d^{\&prime;}}{e_q^{\&prime;}}& e_q^{\&prime;}>0\\ \arctan \frac{e_d^{\&prime;}}{e_q^{\&prime;}}+\mathrm{\&pi;}& e_q^{\&prime;}<0\end{array}\right.$        （式4）

如图1所示，本发明具体实现步骤如下：

（1）利用外力带动永磁同步电机运转；

（2）采样U、V、W三相之间的线线反电动势和电机转子位置传感器输出的位置量，得到n（n表示采样数据的组数）组数据组(e_uv、e_vw、e_wu、θ′_re)_k,(k=0、1、2、……、n)，其中e_uv表示U、V两相之间的反电动势，e_vw表示V、W两相之间的反电动势，e_wu表示W、U两相之间的反电动势，θ′_re表示电机转子位置传感器输出的值，下标k表示采样的到的第k组数据，以下所有下标k表示采样到的第k组数据或者由第k组数据进过计算得到的第k组数据；

（3）将三相线线反电动势电压(e_uv、e_vw、e_wu)_k变换到两相静止坐标系电压(e_α,e_β)_k，变换公式为：

$\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ e_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]={\left[\begin{array}{c}\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{3}}(e_{\mathrm{uv}}-e_{\mathrm{wu}})\\ \frac{\sqrt{2}}{2}{w}_{\mathrm{vw}}\end{array}\right]}_k;$    （式5）

（4）用电机转子位置传感器输出的值

，将电压(e_α,e_β)_k变换到电机旋转坐标系中，得到

，其中

为直轴反电动势，

为直轴反电动势，变换公式为：

${\left[\begin{array}{c}{e}_d^{\&prime;}\\ e_q^{\&prime;}\end{array}\right]}_k={\left[\begin{array}{cc}{{\cos \mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}_{\mathrm{re}}& {{\sin \mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}_{\mathrm{re}}\\ {{-\sin \mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}_{\mathrm{re}}& {{\cos \mathrm{\&theta;}}^{\&prime;}}_{\mathrm{re}}\end{array}\right]}_k{\left[\begin{array}{c}{e}_{\mathrm{\&alpha;}}\\ e_{\mathrm{\&beta;}}\end{array}\right]}_k$

$=\sqrt{\frac{3}{2}}{\mathrm{\&omega;}}_{\mathrm{re}}{\mathrm{\&Psi;}}_f^{\&prime;}{\left[\begin{array}{c}\sin \mathrm{\&Delta;\&theta;}\\ \cos \mathrm{\&Delta;\&theta;}\end{array}\right]}_k;$    （式6）

（5）利用利用说明书第4页式4求得n个转子位置传感器零位偏差Δθ_k，计算

得到转子位置传感器零位偏差Δθ。

所述第二步中，在同一采样时刻对电机三相之间线线反电动势及电机转子位置传感器进行采样。

所述第四步中，用位置传感器输出的位置量

将电压(e_α,e_β)_k变换到旋转坐标系中，得到

所述第五步中，根据第四步求得的

通过反正切运算求得n个电机转子位置传感器零位偏差Δθ_k。

本发明与现有的技术方法相比具有以下优点：

（1）本发明利用永磁同步电机反电动势与转子磁极位置的偏差的关系，精确估计出永磁同步电机（PMSM）转子位置传感器安装偏差，克服系统摩擦转矩等其他系统的因素的影响，利用位置传感器安装偏差引起的最直接的结果，求出位置传感器安装偏差。

（2）本发明利用了电机解耦不完全而导致的最直观的结果来估计转子位置传感器安装偏差，从而得到了相对于现有方法更高的精度，实验测得精度为0.05°电角度。

（3）本发明方法硬件简单而紧凑，在不需要控制系统驱动电机的情况下就能完成传感器安装偏差的测量。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为实现本发明方法一个实施例的系统框图；

图3为本发明具体实施例三相线线反电动势采样值图；

图4为本发明具体实施例反电动势解耦数据图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施办法。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对该领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

某三相六对极面装式永磁同步电机，安装旋转变压器作为其转子位置传感器，利用本发明方法估计出位置传感器安装偏差，具体步骤如下：

第一步：按照附图2搭建好测量平台。将电机三相接入电压隔离放大模块，通过电压隔离放大模块对电机产生的反电动势进行光电隔离和幅度调节后，AD卡将电压隔离放大模块输出的反电动势进行模数转换，然后用DSP读取AD卡输出的反电动势数字量，同时读取旋转变压器输出的转子位置值。

第二步：转动电机转子，通过DSP控制三路AD模块对反电动势进行采样，得到多组三相线线反电动势数据（e_uv、e_wu、e_vw）_k（如附图3所示），同时采样旋转变压器输出的位置值(θ′_re)_k。（为了便于数据观测，将数据通过RS232串口上传给PC机进行以下步骤的处理，在实际应用时可直接在DSP内部处理。）

第三步：利用θ′_re对e_uv、e_wu、e_vw进行解耦，解耦公式如公式（5）和公式（6），得到旋转坐标系内的值

（如附图4所示）。

第四步：利用

通过前述公式（4）求出Δθ_k，取均值得到位置传感器安装偏差Δθ＝32.6467°电角度。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机转子位置传感器安装偏差估计方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步：利用外力旋转电机转子；

第二步：同时采样电机三相U、V、W线线之间的反电动势和转子位置传感器输出值，得到数据组(e_uv、e_vw、e_wu、θ′_re)_k，k=0、1、2、……、n，其中e_uv为U、V相之间的反电动势，e_vw为V、W相之间的反电动势，e_wu为W、U相之间的反电动势，θ′_re为电机转子位置传感器的输出值，下标k表示采样的到的第k组数据，以下所有下标k表示采样到的第k组数据或者由第k组数据进行计算得到的数据；

第三步：将第二步得到的数据级组中的三相线线反电动势(e_uv、e_vw、e_wu)_k经过Clark变换得到α-β坐标系反电动势(e_α,e_β)_k，其中e_α表示α轴电动势，e_β表示β轴反电动势，α轴与U相同轴，β轴逆时针超前α轴90°；

第四步：用永磁同步电机转子位置传感器输出的位置量，将α-β坐标系反电动势(e_α,e_β)_k变换到电机旋转坐标系中，得到

其中

分别表示利用转子位置传感器输出值

进行解耦得到的旋转坐标系中的直、交轴反电动势值；

第五步：利用，通过反正切计算求得n个转子位置传感器零位偏差Δθ_k，再通过公式计算

得到永磁同步电机转子位置传感器零位偏差Δθ。

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