專利名稱：永磁同步電機(jī)初始定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及變頻調(diào)速系統(tǒng)，具體為基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機(jī)初始定位方法。
背景技術(shù)：
對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行伺服控制時(shí)，控制器控制定子三相電流合成磁場(chǎng)的矢量方向。為了有效控制定子磁場(chǎng)矢量，需要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行精確測(cè)量。通常經(jīng)濟(jì)有效的方法是: 在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝增量式編碼器，用編碼器輸出脈沖數(shù)量來(lái)表征轉(zhuǎn)子位置變化。該方法中， 控制器需要先得知轉(zhuǎn)子的初始位置，再根據(jù)編碼器送來(lái)的AB脈沖才能確定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和已轉(zhuǎn)過(guò)的角度。在系統(tǒng)首次上電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置是不確定的。因此只能讓電機(jī)先轉(zhuǎn)起來(lái)，當(dāng)檢測(cè)到Z信號(hào)時(shí)，才能給電機(jī)轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確定位，進(jìn)行矢量控制。這種方法的弊端是控制器每次重新上電時(shí)都要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行辯識(shí)。而且每次辯識(shí)初始角時(shí)，電機(jī)可能要轉(zhuǎn)過(guò)360。才能尋找到零點(diǎn)，對(duì)電機(jī)準(zhǔn)確定位。在某些場(chǎng)合，如電動(dòng)汽車上是不允許這么做的。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種永磁同步電機(jī)初始定位方法，能夠避免每次上電都要重新辨識(shí)初始角的麻煩。
本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案為永磁同步電機(jī)初始定位方法， 其特征在于它包括以下步驟增設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊，其中旋轉(zhuǎn)變壓器包括定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，分別固定在永磁同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上；定子繞組包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)差分放大器給初級(jí)繞組提供勵(lì)磁信號(hào)，并將次級(jí)繞組輸出的包絡(luò)線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)角度信號(hào)；旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主處理器通信傳輸絕對(duì)角度信號(hào)；當(dāng)系統(tǒng)首次上電時(shí)，使得轉(zhuǎn)子停在O角度位置，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)初始角Atl，并進(jìn)行存儲(chǔ)； 繼而使得永磁同步電機(jī)閉環(huán)矢量運(yùn)行，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)絕對(duì)角Ax，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角Θ =Ax-A0 ；系統(tǒng)每次斷電時(shí)，將當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角進(jìn)行存儲(chǔ)，再次上電時(shí)作為電機(jī)初始角用于計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角。
按上述方案，獲得電機(jī)初始角A0時(shí)，利用直流制動(dòng)的方法使轉(zhuǎn)子停到與A相軸線重合的位置，即O角度位置。
按上述方案，安裝好旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊后，使得電機(jī)在VF控制模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄獲得的絕對(duì)角度信號(hào)，若絕對(duì)角度信號(hào)平滑連續(xù)，則表明該信號(hào)有效。
本發(fā)明的工作原理為當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，在初級(jí)勵(lì)磁繞組上外加交流勵(lì)磁電壓，次極輸出繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，大小為勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角正余弦的乘積。設(shè)i力旋轉(zhuǎn)變壓器定子側(cè)繞組軸線與電機(jī)定子A相軸線的交角，旋轉(zhuǎn)變壓器定子安裝到電機(jī)端蓋上后，A即被固定；設(shè)％為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子側(cè)繞組軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子V軸的交角，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變 壓器轉(zhuǎn)子安裝到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上后，^即被固定；設(shè)6為電機(jī)定子A相軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子d軸的交角，即電機(jī)位置角 人為旋轉(zhuǎn)變壓器定子軸線與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸線的交角，即絕對(duì)角度，可以通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器得到，并由系統(tǒng)主處理器獲得?？梢钥吹?，電機(jī)位置角可以表示為4 = 4-( + ),由于A可以通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到，為了能求出電機(jī)位置角P還需要測(cè)出( + )的值。為此，只要在電機(jī)位置角5 = 0時(shí)，通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到此時(shí)的絕對(duì)角度即可。
本發(fā)明的有益效果為I、本發(fā)明將旋轉(zhuǎn)變壓器的特性運(yùn)用到電機(jī)上，使得電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)角度與旋轉(zhuǎn)變壓器同步，通過(guò)獲得旋轉(zhuǎn)變壓器的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)得知電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置角，并且在每次斷電時(shí)將當(dāng)前位置角保存，用于下一次位置角的計(jì)算，因此僅需在首次上電時(shí)需要計(jì)算初始角，從而避免了每次上電都要重新辨識(shí)初始角的麻煩。
2、在獲得電機(jī)初始角Atl時(shí)利用直流制動(dòng)的方法，直接利用軟件反推出控制電壓， 無(wú)需增加其它硬件設(shè)備。
3、通過(guò)在VF控制模式對(duì)絕對(duì)角度信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，以保證各硬件是否連接正確、解碼是否成功。
4、本方法涉及的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、常規(guī)，可在原有的系統(tǒng)中進(jìn)行改進(jìn)，操作方便。


圖1為旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖。
圖2為旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊外圍功能電路圖。
圖3為旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊與DSP的接線圖。
圖4為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角與絕對(duì)角度的關(guān)系圖。
圖5為直流制動(dòng)構(gòu)架圖。
具體實(shí)施方式
圖1為旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理圖，旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)勵(lì)磁繞組(R1-R2)和二相正交的次極感應(yīng)繞組(S1-S3S第一次級(jí)感應(yīng)繞組，S2-S4為第二次級(jí)感應(yīng)繞組)同在定子側(cè)。轉(zhuǎn)子側(cè)則是與初級(jí)繞組和次極繞組磁通耦合的繞組線圈。當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)時(shí)，在初級(jí)勵(lì)磁繞組上外加交流勵(lì)磁電壓，次極輸出繞組中便會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，大小為勵(lì)磁與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角正余弦的乘積。旋轉(zhuǎn)變壓器輸入輸出關(guān)系如下eR1-Rz = E0SinWt(1)，Es.-s, = kERi_R；sin8(2)，E5l-S4 = IcEr1-H2 cos0⑶，式中E0 -勵(lì)磁最大幅值；EA-h -初級(jí)勵(lì)磁繞組勵(lì)磁電壓-勵(lì)磁角頻率；bS1-S1-第一次級(jí)感應(yīng)繞組勵(lì)磁電壓；-第二次級(jí)感應(yīng)繞組勵(lì)磁電壓；k_旋轉(zhuǎn)變壓器變比汩-轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)角度，即轉(zhuǎn)子的位置角。
永磁同步電機(jī)初始定位方法，包括以下步驟一、增設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊，其中旋轉(zhuǎn)變壓器包括定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，分別固定在永磁同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上；定子繞組包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)差分放大器給初級(jí)繞組提供勵(lì)磁信號(hào)，并將次級(jí)繞組輸出的包絡(luò)線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)角度信號(hào)，其電路圖如圖2所示；旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主處理器通信傳輸絕對(duì)角度信號(hào)，其電路圖如圖3所示。
本實(shí)施例中，選用的旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊為AD2S1200芯片，其主要工作特性和參數(shù)是(I) 5V單電源供電；(2)輸出12位絕對(duì)位置信息和帶符號(hào)位的11位速度信息；(3) 具有串行通信接口和并行通信借口 ；(4)勵(lì)磁頻率為10ΚΗΖ，12ΚΗΖ，15ΚΗΖ，20ΚΗΖ可編程。 本系統(tǒng)采用ISE70-30D08型旋轉(zhuǎn)變壓器，它所需的激磁電壓為3-7V(有效值)。初次級(jí)電壓比為O. 286，而AD2S1200輸出的勵(lì)磁信號(hào)峰-峰值為8. 2V，接收的正余弦信號(hào)峰-峰值為 (3. 6± 10%)V，所以勵(lì)磁電壓信號(hào)從圖2所示AD2S1200的EXC+和EXC-輸出，經(jīng)過(guò)差分放大器后電壓峰-峰值變?yōu)?. 2*1. 575=12. 9V，該電壓作為旋轉(zhuǎn)變壓器的初級(jí)勵(lì)磁電壓，次極輸出電壓的峰-峰值為Upp=12. 9*0. 286=3. 69V。旋轉(zhuǎn)變壓器次極輸出信號(hào)％ , , 和％ 經(jīng)濾波電路后直接進(jìn)入AD2S1200的SIN，SINL0，C0S，COSLO四個(gè)管腳。功能電路圖如圖2。 AD2S1200被設(shè)置成串行輸出模式，與系統(tǒng)的主CPU (TMS320F28335)通信。由電平轉(zhuǎn)換芯片 ADG3308BRUZ實(shí)現(xiàn)AD2S1200輸出的5V電平到DSP輸入3. 3V電平之間的轉(zhuǎn)換。
安裝好旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊后，使得電機(jī)在VF控制模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄獲得的絕對(duì)角度信號(hào)，若絕對(duì)角度信號(hào)平滑連續(xù)，說(shuō)明此處旋變解碼芯片解碼成功，表明該信號(hào)有效。
二、當(dāng)系統(tǒng)首次上電時(shí)，利用直流制動(dòng)的方法使得轉(zhuǎn)子停在O角度位置，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)初始角Atl，并進(jìn)行存儲(chǔ)；繼而使得永磁同步電機(jī)閉環(huán)矢量運(yùn)行，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)絕對(duì)角Ax，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角 Q =Ax-A0。
旋轉(zhuǎn)變壓器初始定位的主要目的是獲得在電機(jī)位置角為O度時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器絕對(duì)角度，根據(jù)這一信息可以使得電機(jī)位置角與編碼器的絕對(duì)角度一一對(duì)應(yīng)。圖4中，q為旋轉(zhuǎn)變壓器定子側(cè)繞組軸線與電機(jī)定子A相軸線的交角，旋轉(zhuǎn)變壓器定子安裝到電機(jī)端蓋上后，^即被固定；A為旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子側(cè)繞組軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子V軸的交角，當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子安裝到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上后，^即被固定； 為電機(jī)定子A相軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子i/軸的交角，即電機(jī)位置角；4為旋轉(zhuǎn)變壓器定子軸線與旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子軸線的交角，即絕對(duì)角度，可以通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)旋轉(zhuǎn)變壓器得到，并由系統(tǒng)主處理器獲得?？梢钥吹?，電機(jī)位置角可以表示為3 = 4-( + ),由于七可以通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到，為了能求出電機(jī)位置角4還需要測(cè)出( + )的值。為此，只要在電機(jī)位置角5 = 0時(shí)，通過(guò)旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊得到此時(shí)的絕對(duì)角度即可。
利用直流制動(dòng)的方法使得轉(zhuǎn)子停在O角度位置直流制動(dòng)構(gòu)架圖如圖5所示，在 dq軸坐標(biāo)系下，基于坐標(biāo)變換和SVPWM原理，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)可生成0-360。的高分辨率電壓矢量。由SVPWM主導(dǎo)轉(zhuǎn)子的定位，使得d軸電壓^為固定值，q軸電壓~為0，park反變換角度給定固定值為Q，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)方向和定子給定電壓矢量方向一致，永磁體轉(zhuǎn)到 θ位置。
把電機(jī)停到O位置，也就是給電機(jī)提供一個(gè)與定子A軸軸線重合的電壓矢量即可。 選擇兩相靜止定子坐標(biāo)系，由永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可地它的定子電壓方程為
權(quán)利要求
1.永磁同步電機(jī)初始定位方法，其特征在于它包括以下步驟 增設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊，其中旋轉(zhuǎn)變壓器包括定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組，分別固定在永磁同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上；定子繞組包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)差分放大器給初級(jí)繞組提供勵(lì)磁信號(hào)，并將次級(jí)繞組輸出的包絡(luò)線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)角度信號(hào)；旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主處理器通信傳輸絕對(duì)角度信號(hào)； 當(dāng)系統(tǒng)首次上電時(shí)，使得轉(zhuǎn)子停在O角度位置，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)初始角Atl，并進(jìn)行存儲(chǔ)；繼而使得永磁同步電機(jī)閉環(huán)矢量運(yùn)行，系統(tǒng)主處理器獲得的絕對(duì)角度信號(hào)即為電機(jī)絕對(duì)角Ax，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角Θ =Ax-A0 ； 系統(tǒng)每次斷電時(shí)，將當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角進(jìn)行存儲(chǔ)，再次上電時(shí)作為電機(jī)初始角用于計(jì)算轉(zhuǎn)子位置角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的永磁同步電機(jī)初始定位方法，其特征在于獲得電機(jī)初始角A0時(shí)，利用直流制動(dòng)的方法使轉(zhuǎn)子停到與A相軸線重合的位置，即O角度位置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的永磁同步電機(jī)初始定位方法，其特征在于安裝好旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊后，使得電機(jī)在VF控制模式下運(yùn)轉(zhuǎn)，并記錄獲得的絕對(duì)角度信號(hào)，若絕對(duì)角度信號(hào)平滑連續(xù)，則表明該信號(hào)有效。
全文摘要
本發(fā)明提供永磁同步電機(jī)初始定位方法，包括步驟增設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器、旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊和電平轉(zhuǎn)換模塊，旋轉(zhuǎn)變壓器的定子繞組和轉(zhuǎn)子繞組分別固定在永磁同步電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子上；定子繞組包括初級(jí)繞組和次級(jí)繞組，旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊給初級(jí)繞組提供勵(lì)磁信號(hào)，并將次級(jí)繞組輸出的包絡(luò)線信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻^對(duì)角度信號(hào)；旋變-數(shù)字轉(zhuǎn)換模塊通過(guò)電平轉(zhuǎn)換模塊與系統(tǒng)主處理器通信；系統(tǒng)首次上電，轉(zhuǎn)子停在0角度位置，主處理器獲得電機(jī)初始角A0；繼而永磁同步電機(jī)閉環(huán)矢量運(yùn)行，主處理器獲得電機(jī)絕對(duì)角Ax，永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置角θ=Ax-A0；系統(tǒng)每次斷電，將當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角進(jìn)行存儲(chǔ)，再次上電時(shí)作為電機(jī)初始角。
文檔編號(hào)H02P21/00GK102983803SQ20121044987
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者徐暉, 王勝勇, 盧家斌, 王國(guó)強(qiáng), 唐文秀, 王傲能 申請(qǐng)人:中冶南方(武漢)自動(dòng)化有限公司