基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法及系统

摘要

本发明涉及一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法及系统，包括：基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流；根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。本发明直接获取同步电机逆电器下桥臂的相电流再组合反正切函数估算出转子位置，方法无需依赖电机参数，计算量小，提高了转子位置估算精度。

说明书

技术领域

本发明涉及电机转子位置检测领域，特别是涉及一种基于相电流组合反正切函数的无感转子位置检测方法及系统。

背景技术

目前，永磁同步电机转子位置检测方法可分为两类：有传感器检测技术和无传感器检测技术。有传感器检测技术通常采用光电编码器、旋转变压器等，优点是检测精度高，不依赖于电机参数，但存在体积大、连线多、可靠性低、后期维护成本高等缺点。无传感器检测技术虽然克服了有传感器检测技术的缺点，但无传感器检测技术低速时主要利用电机的凸极饱和效应采用高频信号注入法估算电机的转子位置，中高速时，通过电机的反电动势提取位置信息，如滑模观测法、卡尔曼滤波法、模型参考自适应法等，使得存在算法复杂，计算量大，对电机参数依赖性强，估算精度低等缺点。为了解决无传感器位置检测算法的估算精度低的问题，本发明提出一种新的位置检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法及系统，在一个开关周期内采样逆变器下桥臂串联电阻上的相电压重构出电机三相绕组电流，根据三相绕组电流组合反正切函数估算出转子位置，无需依赖电机参数，计算量小，提高了转子位置估算精度。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法，包括：

基于永磁同步电机中逆变器的下桥臂分别预先串联的电阻获取电机三相绕组电流；

根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。

可选的，所述基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流，具体包括：

在一个开关周期内采样所述逆变器的三个或两个所述下桥臂上预先串联的三个或两个所述电阻上的电压；

根据三个或两个所述电阻上的电压重构所述电机三相绕组电流。

可选的，根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机转子位置，具体包括：

根据所述电机三相绕组电流和所述反正切函数确定转子电角度计算公式；所述转子电角度计算公式为

其中，i

根据所述转子电角度计算公式确定所述永磁同步电机转子位置。

可选的，根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机转子位置，具体包括：

所述电机三相绕组电流确定两相静止坐标系下α-β轴电流，

根据所述两相静止坐标系下α-β轴电流和所述反正切函数确定转子电角度计算公式；所述转子电角度计算公式为

根据所述转子电角度计算公式估算确定所述永磁同步电机的转子位置。

可选的，根据所述电机三相绕组电流确定两相静止坐标系下α-β轴电流的表达式为：

i

可选的，所述根据所述转子电角度计算公式确定所述永磁同步电机的转子位置，具体包括：

根据所述转子电角度确定转子的机械角度；

根据所述转子的机械角度确定所述转子位置。

可选的，所述转子的机械角度表达式为：

可选的，所述方法还包括：根据所述转子电角度确定所述转子的速度。

可选的，所述转子的速度的计算公式为：ω＝∫θdt。

本发明还提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测系统，包括：

相电流获取模块，用于基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流；

位置估算模块，用于根据所述电机三相绕组电流和反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：

本发明涉及一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法及系统，包括：基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流；根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。本发明直接获取同步电机逆电器下桥臂的相电流再组合反正切函数估算出转子位置，方法无需依赖电机参数，计算量小，提高了转子位置估算精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1提供的一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法流程图；

图2为本发明实施例1提供的三个下桥臂均串联电阻的电流检测电路图；

图3为本发明实施例1提供的不同扇区三相上桥臂占空比变化曲线图；

图4为本发明实施例1提供的六个功率管驱动电压波形图；

图5为本发明实施例1提供的不同坐标之间的关系图；

图6为本发明实施例1提供的两个下桥臂均串联电阻的电流检测电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法及系统，在一个开关周期内采样逆变器下桥臂串联电阻上的相电压重构出电机三相绕组电流，根据三相绕组电流组合反正切函数估算出转子位置，无需依赖电机参数，计算量小，提高了转子位置估算精度。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测方法，包括：

S1：基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流；

三相绕组电流重构原理：根据SVPWM的工作原理，利用在逆变器三个下桥臂分别串联三个电阻获取电机三相绕组电流，电流检测电路如图2所示。

设上管开通时为1，关断时为0，三相逆变器6个开关管共有000-001-010-011-100-101-110-111八种工作状态，对应6个有效电压空间矢量和2个零电压空间矢量，6个有效电压空间矢量将整个3600空间划分为6个扇区，每个扇区内A、B、C三相中总有一相上桥臂的占空比很大甚至接近100％，则相应下桥臂占空比很小甚至接近0，如图3所示，其中，扇区1、6为A相、扇区2、3为B相、扇区4、5为C相。

以扇区1、6为例，扇区1、6区间内的六个功率管驱动电压波形如图4所示。

由图2、3可知，在t

为此，只要在一个PWM周期内三相下桥臂全部导通的中间时刻采集B相和C相采样电阻上的电压值，获得i

步骤S1具体包括：

在一个开关周期内采样所述逆变器的三个所述下桥臂上预先串联的三个所述电阻上的电压；

根据三个所述电阻上的电压重构所述电机三相绕组电流。

S2：根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。

在电机三相绕组星形连接时，电机三相电流有：i

根据Clarke变换，两相静止坐标系下α-β轴电流为：

根据PARK变换，旋转坐标系下d-q轴电流为：

三种坐标系下的空间关系如图5所示。为了消除d-q轴的电流解耦，通常采用i

由于反正切函数的周期为π，而电流i

S2具体包括：

S21：根据所述电机三相绕组电流和所述反正切函数确定转子电角度计算公式；所述转子电角度计算公式为:

其中，i

由于本实施例中的转子电角度计算公式仅仅需要A相和B相电流，所以可以只在逆变器A相和B相对应的下桥臂上串联电阻，从而获得A相电流和B相电流，如图6所示。

S22：根据所述转子电角度计算公式确定所述永磁同步电机转子位置。

步骤S22具体包括：

步骤S221：根据所述转子电角度确定转子的机械角度；

所述转子的机械角度表达式为：

步骤S222：根据所述转子的机械角度确定所述转子位置。

本实施例中利用上述方法步骤及公式确定转子位置，同时还可以根据所述转子电角度确定所述转子的速度。根据转子速度和转子当前位置预测转子位置。

其中，所述转子的速度的计算公式为：ω＝∫θdt。

本实施例中，电机相电流采样不通过电流传感器，而是通过在逆变器两相(或三相)下桥臂串联两个电阻(或三个电阻)进行采集，基于逆变器的工作机理，通过在逆变器A、B两相下桥臂串联两个采集电阻，基于逆变器的工作机理，重构得到电机相电流i

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例利用电机三相绕组电流确定两相静止坐标系下α-β轴电流，再基于两相静止坐标系下α-β轴电流组合反正切函数确定转子位置。

S2：根据所述电机三相绕组电流组合反正切函数估算所述永磁同步电机转子位置，具体包括：

S2-1：所述电机三相绕组电流确定两相静止坐标系下α-β轴电流；

其中，根据所述电机三相绕组电流确定两相静止坐标系下α-β轴电流的表达式为：

i

S2-2：根据所述两相静止坐标系下α-β轴电流和所述反正切函数确定转子电角度计算公式。

由于反正切函数的周期为π，而电流i

S23：根据所述转子电角度计算公式估算确定所述永磁同步电机的转子位置。

转子位置检测原理：PMSM常用坐标系有三相静止坐标系(a-b-c坐标系)、两相静止坐标系(α-β坐标系)以及两相旋转坐标系(d-q坐标系)。令两相静止坐标系α轴与三相静止坐标系的a轴相重合，d轴与转子磁极N极同相，并跟随转子同步旋转，d轴与α轴之间的夹角θ为PMSM转子电角度。

本实施例中，通过在一个开关周期内采样逆变器下桥臂串联电阻上的电压重构出电机三相绕组电流，利用Clarke变换估算出两相静止坐标系下α-β轴电流，并根据两相电流的变化区间估算出转子位置，只需根据电机三相绕组的电流组合反正切函数即可得出转子位置，无需依赖电机参数，方法简单，计算量小，转子位置的估算精度高。

实施例3

本实施例提供一种基于相电流和反正切函数的无感转子位置检测系统，包括：

相电流获取模块T1，用于基于永磁同步电机中逆变器的三个下桥臂分别预先串联的三个电阻获取电机三相绕组电流；

位置估算模块T2，用于根据所述电机三相绕组电流和反正切函数估算所述永磁同步电机的转子位置。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。