CN104767451A - 电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法，它通过电流闭环控制，以高频电流脉振信号为直轴电流调节器的给定，即以高频脉振电流信号作为电机的激励信号，通过检测交轴电流调节器的输出电压量，提取与位置误差相关的信息来估计面贴式永磁同步电机初始转子位置，从而实现初始转子位置估计。本发明使得门机可以在带载情况下进行无传感器电机磁极位置自学习，方便安装调试，此发明是实现门机系统全速范围内无位置传感器运行的首要条件，可降低门机系统成本和工艺安装难度，并提高抗干扰能力。

Description

电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制技术领域，具体的说涉及一种电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法。

背景技术

现今，永磁同步电机运用于电梯门机系统上已成为门机系统发展的主流，其具有结构简单、体积小、效率高和控制性能好等优点。实现永磁同步电机的高性能控制需要精确地检测出转子位置，而传统门机系统检测电机转子位置的方法中，多采用机械传感器，如绝对式编码器、UVW编码器、旋转变压器等，其大大增加了门机系统的成本和工艺安装的难度，而且抗干扰能力弱；

无传感器电机控制技术运用在门机系统上比具有机械传感器的系统具有明显的优势，而转子初始位置检测是实现无传感器电机运行的首要问题。当前现有的无位置传感器初始位置检测大部分是针对凸极性的永磁同步电机，主要原理是依据其自身的凸极性进行初始位置检测，而面贴式的永磁同步电机本身不具备凸极性，所以转子初始位置检测难度更大；

目前针对面贴式无位置传感器永磁同步电机常用的方法有：电压脉冲注入法(专利公开号CN1808052A CN101764556A)和高频脉振电压信号注入法(专利公开号CN102427322ACN104158462A),电压脉冲注入法在电机静止时施加幅值相同，相位不同的一系列脉冲电压，检测每次电压施加矢量对应的定子电流来估计转子位置，但是其检测过程没有构成闭环控制，且检测时间长，噪声大，加上检测位置误差受电机本身结构是否对称和电流采样电路精度的影响，误差不能控制在理想范围内。高频脉振电压注入法是在估计坐标系上注入正弦电压信号，通过检测交轴电流提取与转子误差相关的信息得到初始转子位置，但其存在以下问题：1、提取电流响应信号受电流采样电路精度影响，从较小的电流响应中提取出转子位置信息有一定困难；2、检测系统一般需要多个滤波器才能提取出准确的误差信息，结构复杂。

发明内容

本发明的目的是为要克服以上无位置传感器检测初始转子位置的不足，提供一种电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法，本发明采用电流闭环控制，对直轴电流调节器注入高频脉振电流，即以高频脉振电流信号作为电机的激励信号，通过检测交轴电流调节器的输出电压量来估计面贴式永磁同步电机初始转子位置。该方法为闭环控制，检测时间短，同时直接提取电流调节器的输出电压量，幅值相对电流响应较大，易于提取出转子位置误差信号，不受电流采样电路影响，且检测过程只需一个数字低通滤波器，结构简单；

为了实现上述发明目的，本发明方案是通过以下步骤来实现的：

(1)、建立估算同步旋转坐标系实际同步旋转坐标系d-q和实际两相静止坐标系α-β，定义估计位置误差其中为实际位置、为估计位置，初始值为0；

(2)、给定d轴电流调节器q轴电流调节器给定采用估计的转子位置角电流传感器检测门机电机A、B相电流再经过Clark和Park坐标变换得到d轴电流反馈值和q轴电流反馈值和分别与作差得到d q轴电流调节器输入值，经电流调节器跟踪调节输出d、q轴电压给定值，进行Park逆变换后通过SVPWM调制输出六路PWM，用于控制三相逆变器，从而完成对门机电机高频脉振电流的注入；

(3)、通过电流闭环控制注入高频脉振电流激励，传统电流调节器是按照直流控制系统要求设计的，但本系统需同时对电机电流和注入的高频脉振电流进行调节，故设计电流调节器，其结构为比例积分-谐振调节器，传递函数为ω_o为谐振频率，K_r为谐振系数，ξ为阻尼系数，电流调节器实现直流分量和高频交流分量的调节和跟踪；

(4)、系统提取电流调节器的输出电压信号乘以同频率的cosω_ht信号进行调制后经低通滤波处理，得到与转子位置误差的相关信号f_Δθ，经推导f_Δθ≈kΔθ,当f_Δθ→0时，Δθ→0,则最后对误差信号f_Δθ积分后便得到初次估计转子初始位置值；

(5)、在估算同步旋转坐标系下沿初次估计转子初始位置角的正、反两个方向注入等宽电压脉冲，检测对应的直轴峰值电流，若电压脉冲沿初次估计转子初始位置角正方向注入的峰值响应电流比沿反方向的电流大，则最终的转子初始位置与初次估计转子初始位置相同，反之，对初次估计转子初始位置值进行补偿加上180°，即为最终转子初始位置值；

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明可实现门机面贴式永磁同步电机无位置传感器转子初始位置的检测，为实现门机全速范围内无位置传感器运行创造了条件；

2.检测转子初始位置过程以闭环控制实现，较开环控制更稳定可靠，可针对不同功率结构的门机面贴式永磁同步电机；

3.整个检测过程时间短，噪声小，转子初始位置误差受电机本体结构和电流采样电路精度影响小，检测精度高；

4.直接提取电流调节器的输出电压量作为响应信号，更容易提取出关于转子位置误差的信号，且检测过程只需一个数字低通滤波器，结构简单。

附图说明：

图1为估算同步旋转坐标系和实际同步旋转坐标系的示意图。

图2为转子初始位置检测过程控制框图。

图3为估算系统框图。

具体实施方式：

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明；

参见图1，为估算同步旋转坐标系，d-q为实际同步旋转坐标系，α-β为实际两相静止坐标系，定义估计位置误差其中为实际位置、为估计位置，初始值为0，估算坐标系与实际旋转坐标系下交直轴电压和电流有如下关系：

$\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& \sin \mathrm{\Δ\θ}\\ -\sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\hat{i}}_d\\ {\hat{i}}_q\end{array}\right)$ 公式1和 $\left(\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\cos \mathrm{\Δ\θ}& \sin \mathrm{\Δ\θ}\\ -\sin \mathrm{\Δ\θ}& \cos \mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\hat{u}}_d\\ {\hat{u}}_q\end{array}\right)$ 公式2

检测初始转子位置时，电机保持静止状态，则在d-q坐标下电机电压方程可简化为

$\left(\begin{array}{c}{u}_d\\ u_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{R}_s& 0\\ 0& R_s\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)+\left(\begin{array}{cc}{L}_d& 0\\ 0& L_q\end{array}\right)p\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}{Z}_d& 0\\ 0& Z_q\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_d\\ i_q\end{array}\right)$ 公式3

式中：u_d、u_q、i_d、i_q分别为d、q轴电压和电流；L_d、L_q分别为d、q轴电感；R_s为定子电阻；Z_d和Z_q分别为d、q轴的阻抗，p为微分算子；

根据公式1，公式2，公式3可推倒出估算坐标系下电压电流关系，如下式：

$\left(\begin{array}{c}{\hat{u}}_d\\ {\hat{u}}_q\end{array}\right)=\left(\begin{array}{cc}\mathrm{\ΔZ}\cos 2\mathrm{\Δ\θ}+Z& \mathrm{\Δ}Z\sin 2\mathrm{\Δ\θ}\\ \mathrm{\Δ}Z\sin 2\mathrm{\Δ\θ}& Z-\mathrm{\Δ}Z\cos 2\mathrm{\Δ\θ}\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{\hat{i}}_d\\ {\hat{i}}_q\end{array}\right)$ 公式4

式中：分别为估计坐标系下d、q轴电压和电流，Z＝(Z_d+Z_q)/2，ΔZ＝(Z_d-Z_q)/2

系统在轴系中注入高频脉振电流信号 $\left(\begin{array}{c}{\hat{i}}_{\mathrm{dg}}\\ {\hat{i}}_{\mathrm{qg}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{I}_h\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t\\ 0\end{array}\right)$ 公式5

相应轴系高频电压响应为 $\left(\begin{array}{c}{\hat{u}}_{\mathrm{dg}}\\ {\hat{u}}_{\mathrm{qg}}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}(\mathrm{\Δ}Z\cos 2\mathrm{\Δ\θ}+Z)I_h\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t\\ I_h\mathrm{\ΔL}{\mathrm{\ω}}_{h}2\mathrm{\Δ\θ}\cos {\mathrm{\ω}}_{h}t\end{array}\right)$ 公式6，式中ΔL＝(L_d+L_q)/2

给定d轴电流调节器q轴电流调节器给定采用估计的转子位置角电流传感器检测门机电机A、B相电流再经过Clark和Park坐标变换得到d轴电流反馈值和q轴电流反馈值和分别与作差得到d和q轴电流调节器输入值，经电流调节器跟踪调节输出d、q轴电压给定值，进行Park逆变换后通过SVPWM调制输出六路PWM，用于控制三相逆变器，从而完成对门机电机高频脉振电流的注入；

如图2初始转子位置检测过程控制框图所示，本发明通过电流闭环控制注入高频脉振电流激励，设计电流调节器结构为比例积分-谐振调节器，传递函数为为ω_o为谐振频率，K_r为谐振系数，ξ为阻尼系数，电流调节器实现直流分量和高频交流分量的调节和跟踪；

本发明通过提取电流调节器输出电压信号乘以同频率的cosω_ht信号进行调制后经过低通滤波器处理。根据响应信号性能和要求的滤波效果，滤波器设计方法为汉明窗，阶数为49阶，采样频率为10khz，截止频率为100hz；

滤波处理后可得到包含位置误差相关信号f_Δθ＝ω_hΔLI_m sin(2Δθ)/2，当Δθ很小时，sin(2Δθ)≈2Δθ，则f_Δθ≈kΔθ，当f_Δθ→0时，Δθ→0；

根据上述描述构建估算系统，如图3所示，通过积分调节器使得f_Δθ→0，则积分调节器稳态输出即为初次估计转子初始位置值；

由于无法判断出实际直轴的正方向，在估算同步旋转坐标系下沿初次估计转子初始位置角注入正、反两个方向的等宽电压脉冲，检测对应的直轴峰值电流；

若电压脉冲沿初次估计转子初始位置角正方向注入的峰值响应电流比沿反方向的电流大，则最终的转子初始位置与初次估计转子初始位置相同，反之，对初次估计转子初始位置值进行补偿加上180°，得到最终转子初始位置值。

Claims (1)

1.电梯门机无位置传感器电机转子初始位置的检测方法，所述电梯门机的电机为面贴式永磁同步电机，其特征在于，它包括以下步骤：

(1)、建立估算同步旋转坐标系实际同步旋转坐标系d-q和实际两相静止坐标系α-β，定义估计位置误差其中θ为实际位置、为估计位置，初始值为0；

(2)、给定d轴电流调节器q轴电流调节器给定采用估计的转子位置角电流传感器检测门机电机A、B相电流再经过Clark和Park坐标变换得到d轴电流反馈值和q轴电流反馈值和分别与作差得到d、q轴电流调节器输入值，经电流调节器跟踪调节输出d、q轴电压给定值，进行Park逆变换后通过SVPWM调制输出六路PWM；

(3)、通过电流闭环控制注入高频脉振电流激励，设计电流调节器，其结构为比例积分-谐振调节器，传递函数为ω_o为谐振频率，K_r为谐振系数，ξ为阻尼系数；

(4)、系统提取电流调节器的输出电压信号乘以同频率的cosω_ht信号进行调制后经低通滤波处理，得到与转子位置误差的相关信号f_Δθ，经推导f_Δθ≈kΔθ,当f_Δθ→0时，Δθ→0,则最后对误差信号f_Δθ积分后便得到初次估计转子初始位置值；

(5)、在估算同步旋转坐标系下沿初次估计转子初始位置角的正、反两个方向注入等宽电压脉冲，检测对应的直轴峰值电流，若电压脉冲沿初次估计转子初始位置角正方向注入的峰值响应电流比沿反方向电流大，则最终的转子初始位置值与初次估计转子初始位置值相同，反之，对初次估计转子初始位置值进行补偿加上180°，即为最终的转子初始位置值。