專利名稱：永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法
技術領域：
本發明涉及一種在轉子磁場定向控制下的永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法。
背景技術：
目前，用于電梯上的永磁同步電動機的矢量控制即磁場定向控制一般采用的是ID-O的 控制方法即要使轉子的永磁體產生的轉子磁鏈準確定位在矢量控制的D軸上，從而保證永磁 同步電動機啟動過程的舒適性和控制過程的穩定性。但是，由于轉子的初始位置具有隨意性， 如果不進行磁極位置檢測，轉子磁鏈在電動機剛啟動時就很難準確定位在D軸上，當轉子磁 鏈定位偏差較大時，就容易使電動機的控制失敗，所以磁極位置的檢測是用于電梯中的永磁、 同步電動機控制的關鍵。現有技術永磁同步電動機初始磁極位置的檢測通常是利用編碼器的 UVW信號即霍爾磁極檢測元件產生的信號來測量磁極位置，但利用UVW信號來判斷初始磁 極位置會存在較大的誤差，影響永磁同步電動機的控制。而且，在電梯控制中，為了保證啟 動過程的舒適性，電動機需要得到準確的初始力矩補償，現有技術是采用稱重檢測裝置來獲 得這個準確的初始力矩補償，但由于電梯轎箱底部的變形及模擬信號的漂移等問題，實際的 電梯稱重裝置存在維護工作量大和維護費用高的問題。針對上述問題，中國國家知識產權局網站上公開了一種申請號為200510024266.0名稱為 永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法的發明專利，該專利采用ID=0的控制方法，先根 據電流控制器積分輸出值電壓差AU (AU=Ud+Iq*Lq*co)與轉子轉速o)的乘積符號Y (Y= AU*w)來推斷是否該增加或減小實際的轉子磁鏈與假設的轉子磁鏈之間的夾角，即當Y<0 時，使D軸向前移動角度A6;當Y〉0時，使D軸向后移動角度A0，最后，根據AU是否 在零附近來確定矢量空間坐標D軸是否已經準確定位于轉子磁鏈的磁場上即預設的轉子磁鏈 于實際的轉子磁鏈重合，從而可以得出轉子磁極的初始位置角。然而，本申請人發現上述發明采用的推斷方法需要預先獲知準確的電動機電感，否則就 會判錯AU的符號，使得加減角度時很容易振蕩；而且當AU趨向零時將會在零值附近振蕩，其符號變化更明顯，造成電動機啟動時會有較大的加速度變化，從而使角度獲得不容易收斂， 無法保證電動機啟動的舒適性；而且，采用該推斷方法也不能獲得電動機軸端的負載大小。
發明內容
本發明要解決的技術問題是，提供一種不但能夠獲得電動機軸端負載的大小，而且能夠 使初始磁極位置的檢測更加精確，從而使啟動更加舒適、平滑的永磁同步電動機初始磁極位 置的推斷方法。本發明的技術解決方案是，提供一種具有以下三個步驟的永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法它首先在電梯抱閘未打開時采用凸極飽和效應和公式^ sCOS丁(A/廣A/J求得'sin^￡(A7e+A74) 3大致的初始磁極位置；接著在磁場定向的永磁同步電動機系統中，采用矢量變換控制，在不 知道準確的轉子磁鏈與力矩電流的位置時，假定一正交的(D， Q)軸，令Q軸的給定為零， 并同時給定"個兩倍額定電流的D軸電流矢量^，構建一個位置環，根據抱閘打開后電動機 的轉動方向，反向移動給定電流矢量^的方向，最終使電動機快速平衡靜止；最后利用打開 抱閘后電梯曳引機電動機負載不變的特點，減小給定的電流矢量厶至V5倍電動機額定電流，使此時的電流矢量/;;=44，直至負載再次平衡，然后利用三角定理得到公式;g^w"g 「siny和r、/;;sin;g,根據這兩個公式求出實際的電動機負載r'和精確的電動 V3 -cosy機磁極位置P，最后存儲電動機磁極的初始位置，用作下次的啟動運行。采用本發明的方法后，我們在不需要知道精確的電動機參數如定子線圈電感等的情況下 就能使電動機快速平衡；而且我們還能獲得電動機軸端負載的大小以及更加精確的電動機初 始磁極位置，從而使電動機在帶載情況下更加舒適、平滑的啟動。
圖1是相繞組上的電流為正方向時轉子磁鏈的方向和電流產生的磁鏈的方向示意圖。 圖2是相繞組上的電流為反方向時轉子磁鏈的方向和電流產生的磁鏈的方向示意圖。 圖3是電動機各相繞組的控制電路示意圖。 圖4是向U相施加正向電壓脈沖時各相繞組的電流反饋示意圖。圖5是定子線圈電感值隨電角度變化示意圖。 圖6是電流變化率隨電角度變化示意圖。圖7是轉子在不同機械扇區時對各相繞組電流影響程度的示意圖。圖8是電動機啟動軸端負載示意圖。圖9是抱閘打開時電動機快速平衡示意圖。圖IO是測定負載大小的示意圖。圖11是本發明永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法的工作原理流程方框圖。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式
對本發明永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法作進一 步的說明如圖ll所示，本發明主要包括以下三個步驟-(一)、在永磁同步電動機中，轉子磁鏈可以影響相繞組產生的磁鏈，如圖1所示，由于 飽和凸極效應影響，即當正向電流產生的磁鏈l+的方向與轉子磁鏈^的方向基本相同時， 轉子磁鏈能夠通過影響相繞組(即定子線圈磁鏈)來增加定子鐵芯的飽和程度，從而降低相 繞組的電感值；如圖2所示，當反向電流產生的VA—的方向與轉子磁鏈h的方向相反時，轉子磁鏈能夠通過影響相繞組(即定子線圈磁鏈)來減小定子鐵芯的飽和程度，從而增大相繞 組的電感值。由于相繞組的電感是隨著定子鐵芯飽和程度的變化而變化，因此我們可以利用 電感的變化和轉子位置的關系來求得大致的電動機初始磁極位置。根據上述凸極飽和原理，我們在電梯抱閘未打開時即電動機轉子固定情況下，先向u相繞組發送一個正向的電壓脈沖U。c，即將圖3中的Ku、 Kv和Kw開啟，將K/、 K/和KZ閉合， 此時U相的上管導通，V相和W相的下管導通，如圖4所示，我們分別測定記錄各相繞組的 電流最大幅值I/、 IB—和Ic—;然后我們向U相繞組發送一個寬度相同的反向電壓脈沖Uoc，即 將圖3中Ku、 Kv和K,閉合，將Ku'、 K/和K/開啟，此時U相的下管導通，V相和W相的上 管導通，同樣，我們也分別測定記錄各相繞組的電流最大幅值ir、 Ib+和Ic+。圖5和圖6是定子線圈電感和電流變化率隨電角度變化的示意圖，變化如圖5和圖6表 現為類似正弦，而上述電壓脈沖的寬度可以根據測得電感作出適當調整，使沖擊電流大致保 持在兩倍左右的電動機額定電流。接著，我們可以構造以下求各相繞組電流的公式模型，其中Io代表電流變化率的平均值，如圖6所示，10大致為42.5; AIo是測得沖擊電流，它是隨 電角度正弦變化的；0r為大致的電動機初始磁極位置。 /<formula>formula see original document page 6</formula>我們通過上述公式的變換，并根據電梯在抱閘未打開時記錄的各相繞組的電流最大幅值<formula>formula see original document page 6</formula> 將上述公式(2)和(3)分別代入(5)和(6)，我們得到-<formula>formula see original document page 6</formula>我們假定6r很小，即sin(2《X cos(2《)=l，通過對公式(7)的三角變換后，我們得到 以下公式<formula>formula see original document page 6</formula>由于一個角度- = 3.14，因此公式(8)中的《可以看作是以數值表示的一個角度， 圖7表示的是轉子在不同機械扇區時對各相繞組電流所產生的影響程度示意圖，由于 A/。、 A/,以及A^各有正負兩種情況，因此圖7中顯示的扇區數量為六個，并且所示的扇區 寬度為正負30度，所以，我們可以根據A/。、 A^以及A4的符號來確定大致電角度所在的扇 區，然后根據公式(8)來求得大致的初始磁極位置。換句話說，根據公式(8)求出的《會有兩個數值即電角度，我們可以根據圖7以及a/。、 a^以及a^的符號來確定其中一個我們 所需的電角度即大致的初始磁極位置。(二)、根據上述方法確定的初始磁極位置還存在大約+ /—12度的偏差，因此我們通過 以下原理和步驟來得到更加精確的磁極位置。在轉子磁場定向的矢量控制中，轉子磁鏈是定向在矢量控制的D軸上，由于初始磁極位 置的偏差，實際的D軸與我們發出的D軸矢量l之間存在一定的偏差，其偏差的角度為0. 如圖8所示，我們令q軸的給定為零，d軸的給定為一個方向固定且大小為兩倍電動機額定 電流的D軸電流矢量(，從而產生了一個實際的Q軸分量/q (r')。圖8中所示的X為電動 機軸。如果實際的q軸分量/, 不足以平衡軸端負載t，那么我們在打開抱閘后，電動機就會轉動，由于電流矢量^方向已固定，它不會隨著反饋的電角度變化而變化。因此，電 動機的轉動使得實際的Q軸分量/, (r')慢慢加大，當Q軸分量厶(r')等于軸端負載t 時，電動機就取得了平衡。如果實際的q軸分量人(r')大于軸端負載t，在打開抱閘后， 電動機反方向轉動，因為電流矢量/d方向已固定，它不會隨著反饋的電角度變化而變化。因此，電動機的反方向轉動使得實際的Q軸分量/g (r')慢慢減小，當Q軸分量/, (r')等于軸端負載t時，電動機也就取得了平衡。但是，在實際應用過程中，由于電動機負載端在轉動時存在慣性，因此電動機在停止轉動前有可能越過平衡點，沖過第一或第三象限，使得實際的Q軸分量/《(r')不再按正弦單調遞增或遞減，從而使電動機無法取得平衡。為此，我們可以構造一個位置環(角度位置閉環)，如圖9所示，所述位置環的輸入為 打開抱閘后電動機轉動的角度《，位置環的輸出為我們發出的d軸電流矢量^的反向偏轉角 《即D軸電流矢量/i實際移動的角度，同時我們引入一個負載慣性系數/^，根據電動機轉 動后編碼器的反饋角度《即打開抱閘后電動機轉動的角度，我們將《乘以i^后來反向快速移 動d軸電流矢量/;，最終使位置環的輸出限幅為《+《〈7r/2，《+《<31/2的目的是為了確保發 出的電流矢量大致在一、三象限之內，從而使實際的Q軸分量r'仍舊保持大致的單調遞增或 遞減。因此，當我們根據抱閘打開后編碼器的反饋角度《乘以/^來反向快速移動給定的d軸電流矢量/纟后，此時的電動機已轉過了《角度，那么我們發出的D軸電流矢量/;實際移動 的角度《應該等于(kp+1)《。在限制矢量移動角度的最大角度后，根據負載的慣性選擇合 適的《。值，從而使電機非常快速的取得平衡，而且不會產生過大的加速度。(三)、經過上述步驟后，如圖10所示，當電動機取得平衡后，因為電動機軸端負載t 在打開抱閘后大小不變，我們減小發出的d軸電流矢量厶至電動機額定電流的VJ倍，即此時的d軸電流矢量/二 =^/rf ，由于d軸電流矢量/;;的角度未變即d軸電流矢量沒有轉動，因此q軸分量/, 將不足以平衡電動機，電動機將轉動，電動機的轉動將增大q軸分量/9 (r')，從而使電動機重新平衡，由于d軸電流矢量是轉動y后從^到達/二位置的，這里 的/=(尺p+l)《，因此，根據三角定理，我們將得到以下公式-/rf*cos(- + ;O = />osy0 (9)(10)我們得到以下兩個公式(11)r'=/:sin々 (12)因為公式(ii)和公式(12)中的^和/;;都是已知的，因此，我們可以較準確的得到實 際d軸與我們目前的偏差角為/ 即精確的電動機初始磁極位置，而目前的電機軸上負載為r'， 修正后，測得的實際負載可以作為力矩補償加入控制，以獲得較好的啟動舒適性。COS(yff +力2 cosy 公式(9)和公式(10)經三角變換后， sin ycosy
權利要求
1、一種永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法，它包括以下三個步驟①在電梯抱閘未打開時采用凸極飽和效應和公式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>θ</mi> <mi>r</mi></msub><mo>≈</mo><mfrac> <mrow><mi>cos</mi><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <mn>3</mn></mfrac> </mrow> <mrow><mi>sin</mi><mfrac> <mrow><mn>2</mn><mi>π</mi> </mrow> <mn>3</mn></mfrac> </mrow></mfrac><mfrac> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>ΔI</mi> <mi>c</mi></msub><mo>-</mo><mi>Δ</mi><msub> <mi>I</mi> <mi>b</mi></msub><mo>)</mo> </mrow> <mrow><mo>(</mo><msub> <mi>ΔI</mi> <mi>c</mi></msub><mo>+</mo><msub> <mi>ΔI</mi> <mi>b</mi></msub><mo>)</mo> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0001" file="S2007101647714C00011.gif" wi="164" he="73" img-content="drawing" img-format="tif"/-->求得大致的初始磁極位置；②、在磁場定向的永磁同步電動機系統中，采用矢量變換控制，在不知道準確的轉子磁鏈與力矩電流的位置時，假定一正交的(D，Q)軸，令Q軸的給定為零，并同時給定一個兩倍電動機額定電流的D軸電流矢量Id′，構建一個位置環，根據抱閘打開后電動機的轉動方向，反向移動給定的電流矢量Id′的方向，最終使電動機快速平衡靜止；③、利用打開抱閘后電梯曳引機電動機負載不變的特點，減小給定的電流矢量Id′至倍電動機額定電流，使此時的電流矢量<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mrow><mo>′</mo><mo>′</mo> </mrow></msubsup><mo>=</mo><mfrac> <msqrt><mn>3</mn> </msqrt> <mn>2</mn></mfrac><msubsup> <mi>I</mi> <mi>d</mi> <mo>′</mo></msubsup><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0002" file="S2007101647714C00012.gif" wi="86" he="43" img-content="drawing" img-format="tif"/-->直至負載再次平衡，然后利用三角定理得到公式<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>β</mi><mo>=</mo><mi>arctg</mi><mfrac> <mrow><mi>sin</mi><mi>γ</mi> </mrow> <mrow><msqrt> <mn>3</mn></msqrt><mo>-</mo><mi>cos</mi><mi>γ</mi> </mrow></mfrac> </mrow></math>]]></math-cwu><!--img id="icf0003" file="S2007101647714C00013.gif" wi="155" he="43" img-content="drawing" img-format="tif"/-->和T′＝Id″sinβ，根據這兩個公式求出實際的電動機負載T′和精確的電動機磁極位置β，最后存儲電動機磁極的初始位置，用作下次的啟動運行。
全文摘要
本發明公開了一種永磁同步電動機初始磁極位置的推斷方法，它首先在電梯抱閘未打開時采用凸極飽和效應和公式(1)求得大致的初始磁極位置；然后采用矢量變換控制，在不知道準確轉子磁鏈與力矩電流的位置時假定一正交的(D，Q)軸，令Q軸的給定為零，并同時給定一個兩倍電動機額定電流的D軸電流矢量I<sub>d</sub>′，構建一個位置環，根據抱閘打開后電動機轉動方向，反向移動給定電流矢量I<sub>d</sub>′的方向使電動機快速平衡靜止；最后使此時的電流矢量(2)直至負載再次平衡，然后利用三角定理得到公式(3)，從而求出實際電動機負載T′和精確的電動機磁極位置β。本發明的優點是不但能獲得電動機軸端負載值，而且能使初始磁極位置的檢測更加精確，從而使啟動更加舒適、平滑。
文檔編號H02P6/18GK101257272SQ20071016477
公開日2008年9月3日 申請日期2007年12月17日 優先權日2007年12月17日
發明者榮 張 申請人:寧波欣達曳引機科技有限公司;寧波欣達電梯配件廠