專利名稱：永磁同步電機初始定位方法
技術領域：
本發明涉及變頻調速系統，具體為基于旋轉變壓器的永磁同步電機初始定位方法。
背景技術：
對永磁同步電機進行伺服控制時，控制器控制定子三相電流合成磁場的矢量方向。為了有效控制定子磁場矢量，需要對轉子位置進行精確測量。通常經濟有效的方法是: 在電機轉子上安裝增量式編碼器，用編碼器輸出脈沖數量來表征轉子位置變化。該方法中， 控制器需要先得知轉子的初始位置，再根據編碼器送來的AB脈沖才能確定轉子旋轉的方向和已轉過的角度。在系統首次上電時，電機轉子的絕對位置是不確定的。因此只能讓電機先轉起來，當檢測到Z信號時，才能給電機轉子位置準確定位，進行矢量控制。這種方法的弊端是控制器每次重新上電時都要對電機轉子初始位置進行辯識。而且每次辯識初始角時，電機可能要轉過360。才能尋找到零點，對電機準確定位。在某些場合，如電動汽車上是不允許這么做的。發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種永磁同步電機初始定位方法，能夠避免每次上電都要重新辨識初始角的麻煩。
本發明為解決上述技術問題所采取的技術方案為永磁同步電機初始定位方法， 其特征在于它包括以下步驟增設旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊，其中旋轉變壓器包括定子繞組和轉子繞組，分別固定在永磁同步電機的定子和轉子上；定子繞組包括初級繞組和次級繞組，旋變-數字轉換模塊通過差分放大器給初級繞組提供勵磁信號，并將次級繞組輸出的包絡線信號轉變為絕對角度信號；旋變-數字轉換模塊通過電平轉換模塊與系統主處理器通信傳輸絕對角度信號；當系統首次上電時，使得轉子停在O角度位置，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機初始角Atl，并進行存儲； 繼而使得永磁同步電機閉環矢量運行，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機絕對角Ax，永磁同步電機的轉子位置角Θ =Ax-A0 ；系統每次斷電時，將當前的轉子位置角進行存儲，再次上電時作為電機初始角用于計算轉子位置角。
按上述方案，獲得電機初始角A0時，利用直流制動的方法使轉子停到與A相軸線重合的位置，即O角度位置。
按上述方案，安裝好旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊后，使得電機在VF控制模式下運轉，并記錄獲得的絕對角度信號，若絕對角度信號平滑連續，則表明該信號有效。
本發明的工作原理為當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉時，在初級勵磁繞組上外加交流勵磁電壓，次極輸出繞組中便會產生感應電動勢，大小為勵磁與轉子旋轉角正余弦的乘積。設i力旋轉變壓器定子側繞組軸線與電機定子A相軸線的交角，旋轉變壓器定子安裝到電機端蓋上后，A即被固定；設％為旋轉變壓器轉子側繞組軸線與電機轉子V軸的交角，當旋轉變 壓器轉子安裝到電機轉子軸上后，^即被固定；設6為電機定子A相軸線與電機轉子d軸的交角，即電機位置角 人為旋轉變壓器定子軸線與旋轉變壓器轉子軸線的交角，即絕對角度，可以通過旋變-數字轉換模塊根據旋轉變壓器得到，并由系統主處理器獲得。可以看到，電機位置角可以表示為4 = 4-( + ),由于A可以通過旋變-數字轉換模塊得到，為了能求出電機位置角P還需要測出( + )的值。為此，只要在電機位置角5 = 0時，通過旋變-數字轉換模塊得到此時的絕對角度即可。
本發明的有益效果為I、本發明將旋轉變壓器的特性運用到電機上，使得電機轉子的旋轉角度與旋轉變壓器同步，通過獲得旋轉變壓器的旋轉角度來得知電機轉子的位置角，并且在每次斷電時將當前位置角保存，用于下一次位置角的計算，因此僅需在首次上電時需要計算初始角，從而避免了每次上電都要重新辨識初始角的麻煩。
2、在獲得電機初始角Atl時利用直流制動的方法，直接利用軟件反推出控制電壓， 無需增加其它硬件設備。
3、通過在VF控制模式對絕對角度信號進行檢測，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構簡單、常規，可在原有的系統中進行改進，操作方便。


圖1為旋轉變壓器的工作原理圖。
圖2為旋變-數字轉換模塊外圍功能電路圖。
圖3為旋變-數字轉換模塊與DSP的接線圖。
圖4為電機轉子位置角與絕對角度的關系圖。
圖5為直流制動構架圖。
具體實施方式
圖1為旋轉變壓器的工作原理圖，旋轉變壓器的初級勵磁繞組(R1-R2)和二相正交的次極感應繞組(S1-S3S第一次級感應繞組，S2-S4為第二次級感應繞組)同在定子側。轉子側則是與初級繞組和次極繞組磁通耦合的繞組線圈。當旋轉變壓器轉子隨電機同步旋轉時，在初級勵磁繞組上外加交流勵磁電壓，次極輸出繞組中便會產生感應電動勢，大小為勵磁與轉子旋轉角正余弦的乘積。旋轉變壓器輸入輸出關系如下eR1-Rz = E0SinWt(1)，Es.-s, = kERi_R；sin8(2)，E5l-S4 = IcEr1-H2 cos0⑶，式中E0 -勵磁最大幅值；EA-h -初級勵磁繞組勵磁電壓-勵磁角頻率；bS1-S1-第一次級感應繞組勵磁電壓；-第二次級感應繞組勵磁電壓；k_旋轉變壓器變比汩-轉子旋轉角度，即轉子的位置角。
永磁同步電機初始定位方法，包括以下步驟一、增設旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊，其中旋轉變壓器包括定子繞組和轉子繞組，分別固定在永磁同步電機的定子和轉子上；定子繞組包括初級繞組和次級繞組，旋變-數字轉換模塊通過差分放大器給初級繞組提供勵磁信號，并將次級繞組輸出的包絡線信號轉變為絕對角度信號，其電路圖如圖2所示；旋變-數字轉換模塊通過電平轉換模塊與系統主處理器通信傳輸絕對角度信號，其電路圖如圖3所示。
本實施例中，選用的旋變-數字轉換模塊為AD2S1200芯片，其主要工作特性和參數是(I) 5V單電源供電；(2)輸出12位絕對位置信息和帶符號位的11位速度信息；(3) 具有串行通信接口和并行通信借口 ；(4)勵磁頻率為10ΚΗΖ，12ΚΗΖ，15ΚΗΖ，20ΚΗΖ可編程。 本系統采用ISE70-30D08型旋轉變壓器，它所需的激磁電壓為3-7V(有效值)。初次級電壓比為O. 286，而AD2S1200輸出的勵磁信號峰-峰值為8. 2V，接收的正余弦信號峰-峰值為 (3. 6± 10%)V，所以勵磁電壓信號從圖2所示AD2S1200的EXC+和EXC-輸出，經過差分放大器后電壓峰-峰值變為8. 2*1. 575=12. 9V，該電壓作為旋轉變壓器的初級勵磁電壓，次極輸出電壓的峰-峰值為Upp=12. 9*0. 286=3. 69V。旋轉變壓器次極輸出信號％ , , 和％ 經濾波電路后直接進入AD2S1200的SIN，SINL0，C0S，COSLO四個管腳。功能電路圖如圖2。 AD2S1200被設置成串行輸出模式，與系統的主CPU (TMS320F28335)通信。由電平轉換芯片 ADG3308BRUZ實現AD2S1200輸出的5V電平到DSP輸入3. 3V電平之間的轉換。
安裝好旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊后，使得電機在VF控制模式下運轉，并記錄獲得的絕對角度信號，若絕對角度信號平滑連續，說明此處旋變解碼芯片解碼成功，表明該信號有效。
二、當系統首次上電時，利用直流制動的方法使得轉子停在O角度位置，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機初始角Atl，并進行存儲；繼而使得永磁同步電機閉環矢量運行，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機絕對角Ax，永磁同步電機的轉子位置角 Q =Ax-A0。
旋轉變壓器初始定位的主要目的是獲得在電機位置角為O度時對應的編碼器絕對角度，根據這一信息可以使得電機位置角與編碼器的絕對角度一一對應。圖4中，q為旋轉變壓器定子側繞組軸線與電機定子A相軸線的交角，旋轉變壓器定子安裝到電機端蓋上后，^即被固定；A為旋轉變壓器轉子側繞組軸線與電機轉子V軸的交角，當旋轉變壓器轉子安裝到電機轉子軸上后，^即被固定； 為電機定子A相軸線與電機轉子i/軸的交角，即電機位置角；4為旋轉變壓器定子軸線與旋轉變壓器轉子軸線的交角，即絕對角度，可以通過旋變-數字轉換模塊根據旋轉變壓器得到，并由系統主處理器獲得?？梢钥吹?，電機位置角可以表示為3 = 4-( + ),由于七可以通過旋變-數字轉換模塊得到，為了能求出電機位置角4還需要測出( + )的值。為此，只要在電機位置角5 = 0時，通過旋變-數字轉換模塊得到此時的絕對角度即可。
利用直流制動的方法使得轉子停在O角度位置直流制動構架圖如圖5所示，在 dq軸坐標系下，基于坐標變換和SVPWM原理，通過軟件設計可生成0-360。的高分辨率電壓矢量。由SVPWM主導轉子的定位，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，此時電機轉子磁場方向和定子給定電壓矢量方向一致，永磁體轉到 θ位置。
把電機停到O位置，也就是給電機提供一個與定子A軸軸線重合的電壓矢量即可。 選擇兩相靜止定子坐標系，由永磁同步電機的數學模型可地它的定子電壓方程為
權利要求
1.永磁同步電機初始定位方法，其特征在于它包括以下步驟 增設旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊，其中旋轉變壓器包括定子繞組和轉子繞組，分別固定在永磁同步電機的定子和轉子上；定子繞組包括初級繞組和次級繞組，旋變-數字轉換模塊通過差分放大器給初級繞組提供勵磁信號，并將次級繞組輸出的包絡線信號轉變為絕對角度信號；旋變-數字轉換模塊通過電平轉換模塊與系統主處理器通信傳輸絕對角度信號； 當系統首次上電時，使得轉子停在O角度位置，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機初始角Atl，并進行存儲；繼而使得永磁同步電機閉環矢量運行，系統主處理器獲得的絕對角度信號即為電機絕對角Ax，永磁同步電機的轉子位置角Θ =Ax-A0 ； 系統每次斷電時，將當前的轉子位置角進行存儲，再次上電時作為電機初始角用于計算轉子位置角。
2.根據權利要求I所述的永磁同步電機初始定位方法，其特征在于獲得電機初始角A0時，利用直流制動的方法使轉子停到與A相軸線重合的位置，即O角度位置。
3.根據權利要求I所述的永磁同步電機初始定位方法，其特征在于安裝好旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊后，使得電機在VF控制模式下運轉，并記錄獲得的絕對角度信號，若絕對角度信號平滑連續，則表明該信號有效。
全文摘要
本發明提供永磁同步電機初始定位方法，包括步驟增設旋轉變壓器、旋變-數字轉換模塊和電平轉換模塊，旋轉變壓器的定子繞組和轉子繞組分別固定在永磁同步電機的定子和轉子上；定子繞組包括初級繞組和次級繞組，旋變-數字轉換模塊給初級繞組提供勵磁信號，并將次級繞組輸出的包絡線信號轉變為絕對角度信號；旋變-數字轉換模塊通過電平轉換模塊與系統主處理器通信；系統首次上電，轉子停在0角度位置，主處理器獲得電機初始角A0；繼而永磁同步電機閉環矢量運行，主處理器獲得電機絕對角Ax，永磁同步電機的轉子位置角θ=Ax-A0；系統每次斷電，將當前的轉子位置角進行存儲，再次上電時作為電機初始角。
文檔編號H02P21/00GK102983803SQ20121044987
公開日2013年3月20日 申請日期2012年11月12日 優先權日2012年11月12日
發明者徐暉, 王勝勇, 盧家斌, 王國強, 唐文秀, 王傲能 申請人:中冶南方(武漢)自動化有限公司