专利名称：快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法
技术领域：
本发明涉及一种快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，适用于各 种具有正弦型反电势电机从超低速到超高速大转速范围内无位置传感器运行，属于电力传动 控制设备的技术领域。
背景技术：
无位置传感器永磁同步电机也是当前永磁同步电机研究的一个热点，是永磁同步电机驱 动系统的发展趋势之一，具有潜在的竞争优势。目前基本上实现了无传感器运行，但尚存在 算法复杂，需要具有髙信息处理能力的数字信号处理器(DSP)支持或者受电机参数影响大; 传统的根据三相反电势判断转子位置方法存在初始转子位置检测、起动、低速时误差大和高 速运行速度受限等问题，从而限制了这些方法在实际中的应用。
为了实现超低速到超高速大转速范围内永磁同歩电机转子位置的精确判断，提高永磁同 步电机的工作性能，扩大永磁同步电机的应用，需采用一些新的简单方便和快速精确的无位 置传感器方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，该 方法简单方便、快速精确，数据采集方便，计算量�。胱俟叵滴薰兀刂萍虻ィ刂瞥� 本低，控制精度高，提高永磁同步电机无位置传感器运行性能，使得永磁同步电机能够实现 超低速到超高速大转速范围内运行，扩大永磁同步电机应用领域。
本发明的方案是 一种快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，是 采样永磁同步电机一个位置周期的三相反电势，采用三相反电势之间归一化方法，根据复合 条件来确定转子所处的已有的归一化后绝对值最小相反电势曲线的单调上升区或单调下降 区，通过对归一化后绝对值最小相反电势值插值比较确定转子位置。
在本发明方法中，所说的三相反电势之间归一化方法，是三个反电势值都除以其中绝对 值最大相反电势值来实现三相反电势之间的归一化。归一化后最小相反电势曲线在一个位置 周期中有3个周期，包含3个单调上升区和3个单调线性下降区，采用绝对值最小相表示数 和绝对值较大两相差符号的乘积作为复合条件，根据复合条件来确定采样点处在哪个单调上 升区或单调下降区，通过采样归一化后的最小相反电势值与单调区间的最小相反电势曲线进 行插值比较，选择最接近的点对应转子位置作为采样时刻转子的位置。具体步骤是-
(1 )采样8极永磁同步电机运行时三相反电势e。、 ^和ee，通过A/D转换将数据采 样给DSP，通过软件来计算绝对值最大相，并将三相反电势值同除以这个绝对值最大相的 反电势值，从而绝对值最大相反电势归一化为1，其余两相反电势归一化后值小于1;
(2)比较归一化后绝对值最小相。若绝对值最小相为A相反电势e。，条件fl取"l"， 比较B相和C相两相反电势大�。鬊相反电势A大于或等于C相反电势^，条件G取 "1";若B相反电势e力小于C相反电势ec，条件G取"-1";
若绝对值最小相为B相反电势eA,条件fl取"2"，比较C相和A相两相反电势大�。� 若C相反电势^大于或等于A相反电势e。，条件f2取"1";若C相反电势^小于A相反 电势e。，条件f2取"-l";
若绝对值最小相为C相反电势ee，条件fl取"3",比较A相和B相两相反电势大�。� 若A相反电势e。大于或等于B相反电势e》，条件G取"1";若A相反电势^小于B相反 电势^，条件f2取"-"；
(3) 条件fl和条件f2的乘积作为复合条件；
(4) 根据复合条件确定采样点所处的单调区间，通过采用插值比较的方法把三相反电 势之间归一化后绝对值最小相反电势值和已有的绝对值最小相反电势区间插值比较，选择最 接近的点作为采样点的估计位置。
上述步骤(3)中所说的复合条件计算结果有"1"、 "2"、 "3"、 "-l"、 "-2"和"-3"六 种结果；采样的一个位置周期的反电势曲线，采用三相反电势之间的归一化方法，获得归一 化后绝对值最小相反电势曲线在一个位置周期中有3个上升和下降线性区，复合条件用于标 记每一个上升和下降区，其中复合条件为正则表示单调上升区，复合条件为负则表示单调下 降区；
一个具体的根据复合条件值确定转子位置规则如下
若转子初始位置7.5度，复合条件值为"l",转子位置处于67.6-82.5单调下降区；复合 条件值为"2"，转子位置处于7.6-22.5单调下降区；复合条件值为"3",转子位置处于37.6-52.5 单调下降区；复合条件值为"-l"，转子位置处于22.6-37.5单调上升区；复合条件值为"-2"， 转子位置处于52.6-67.5单调上升区；复合条件值为"-3"，转子位置处于82.6-7.5单调上升区。
本发明的原理是采样8极永磁同步电机一个位置周期的三相反电势，三相反电势辐值相 同相位不同，采用三相反电势之间的归一化方法，归一化后的绝对值最小相的反电势曲线于 转速无关，在一个位置周期中有3个周期，包含3个单调上升区间和3个单调下降区间，通过选取绝对值最小相表示数和较大两相差的符号乘积作为复合条件,用来确定釆样点所处 的单调区间，通过对归一化后的绝对值最小相反电势插值比较来估计采样点的位置。
本发明的方法计算量�。虻シ奖悖恢霉兰凭罚胱傥薰兀欣诮饩鲇来磐� 电机低速运行位置估计误差大和高速运行时复杂无位置传感器理论计算速度太慢等问题，降 低了无位置传感器控制成本，扩大了应用领域。
图l正弦三相反电势曲线，转速从转速上升过程中采样的三相反电势曲线 图2角度位置曲线。图1三相反电势曲线对应电机运行的一个机械角度周期即360度 机械角度
图3是图1中三相反电势曲线采用三相反电势之间的归一化方^j归一化后绝对值最小 相反电势曲线。归一化后绝对值最小相反电势曲线在一个机械角度周期中有12个周期。 图4绝对值最小相表示数即条件fl矩形图。 'T'表示绝对值最小相为A相反电势 ； "2"表示绝对值最小相为B相反电势eA; "3"表示绝对值最小相为C相反电势ec。 图5幅值较大两相差符号即条件f2矩形图。
若绝对值最小相为A相反电势&, B相反电势^大于或等于C相反电势^，条件G取 "1";若B相反电势^小于C相反电势ec，条件G取"-1"。
若绝对值最小相为B相反电势^， C相反电势&大于或等于A相反电势e。，条件f2取 "1"; C相反电势ec小于A相反电势e。，条件G取"-l "。
若绝对值最小相为C相反电势e。， A相反电势e。大于或等于B相反电势^，条件f2取 "1"; A相反电势e。小于B相反电势e力，条件f2取"-l "。
图6复合条件。条件fl和条件f2的乘积。
图7角度位置曲线。 一个机械角度周期内有4个位置周期。
图8复合条件下最小相反电势与位置曲线。图中81、复合条件。82、縮小到1/30倍 的位置曲线。83、归一化后绝对值最小相反电势曲线。83中3个周期的归一化后绝对值最 小相反电势曲线对应82中的一个位置周期。81复合条件值与82中一个位置周期的3个单 调上升和3个单调下降区间一一对应。
具体实施例方式
在本发明中所使用的术语，除非有另外说明， 一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义。
下面结合具体的实施例，并参照数据进一步详细地描述本发明。应理解，这些实施例 只是为了举例说明本发明，而非以任何方式限制本发明的范围。 实施例
1) 测试电动运行过程中8极永磁同步电机转一周的三相反电势波形，转子初始位置为 7.5度，釆样后的三相反电势波形如图1，以文本文件(.dat)形式保存到制定的文件夹中。
2) 对采样的三相反电势数据在三相反电势之间进行归一化处理，Matlab程序如下
%读取反电势数据文件，获取三相反电势e。、 ^、 ec和角度位置angle angle=load('d:\data\angle.dat'); %读取角度位置数据 ea=load('d:\data\ea.dat'); %读取反电势e。数据 eb=load('d:\data\eb.dat'); %读取反电势^数据 ec=load('d:\data\ec.dat'); %读取反电势^数据 P=length(ea); %读取数据采样点的个数 for i=l:P
ma(i)-max([abs(ea(i)) abs(eb(i)) abs(ec(i))]); %求取三相反电势中绝对值最大相 ea(i)-ea(i)/ma(i);Q/Q归一化三相反电势ea eb(i)=eb(i)/ma(i); %归一化三相反电势eA ec(i)=ec(i)/ma(i); °/。归一化三相反电势ec
end
3) 复合条件计算，Matlab程序如下 for i=l:P
mi(i"min([abs(ea(i)) abs(eb(i)) abs(ec(i))]); %求取归一化三相反电势中绝对值最小相的绝对值 ifabs(ea(i))==mi(i); %判断绝对值最小相是否为ea(i); emin(i)-ea(i); %记录绝对值最小相为ea(i); fl(i户l;《记录条件fl; G(i)-sign(eb(i)-ec(i)); %记录条件f2; f(i)=fl(i)*f2(i); %计算复合条件f(i); else if abs(eb(i))==mi(i) %判断绝对值最小相是否为eb(i); emin (i)=eb(i); %记录绝对值最小相为eb(i); fl(i)=2;粉己录条件fl;f2(i)-sign(ec(i)-ea(i)); %记录条件f2; f(i)=fl(i)*G(i); %计算复合条件f(i); else if abs(ec(i))- -mi(i) %判断绝对值最小相是否为ec(i); emin (i)=ec(i); %记录绝对值最小相为ec(i); fl(i)-3; %记录条件fl(i); f2(i户sign(ea(i)-eb(i)); %记录条件 f(i)=fl(i)*f2(i); %计算复合条件f(i);
end
end end end
4) 归一化后绝对值最小相反电势曲线如图3所示。
5) 确定复合条件对应单调区间选取原则
复合条件计算结果有"1"、 "2"、 "3"、 "-l"、 "-2"和"-3"六种结果，根据图8复合 条件值确定转子位置规则如下
转子初始位置7.5度，复合条件值为"l",转子位置处于67.6-82.5单调下降区；复合条 件值为"2"，转子位置处于7.6-22.5单调下降区；复合条件值为"3"，转子位置处于37.6-52.5 单调下降区；复合条件值为"-l",转子位置处于22.6-37.5单调上升区；复合条件值为"-2",
转子位置处于52.6-67.5单调上升区；复合条件值为"-3"，转子位置处于82.6-7.5单调上升区；
6) 测试8极永磁同步电机电动运行状态下一个位置点的三相反电势值，测试数据如下 角度位置testp=299.6160 ， 三相反电势testea=119.5520V， testeb=-369.8330V,
testec=250.2810 V;
测试数据归一化处理，程序如下
testma=max([abs(testea) abs(testeb) abs(testec)]); %求取三相反电势中绝对值最大相
testea- testea / testma;。/o归一化三相反电势testea
testeb- testeb / testma; %归一化三相反电势testeb
testec= testec / testma; %归一化三相反电势testec 归一化处理结果为testea=0.3233, testeb=-l， testec=0.6767;
计算复合条件，程序如下
testmin-min([abs(testea) abs(testeb) abs(testec)]);
%求取归一化三相反电势中绝对值最小相的绝对值if abs(testea)- = testmin
testemin=testea; %记录绝对值最小相为testea;
fl-l;《记录条件fl;
f2=sign(testeb- testec); %记录条件f2;
Pfl*f2; ^计算复合条件f; else if abs(testeb)= = testmin
testemin=testeb; %记录绝对值最小相为testeb;
fl-2;粉己录条件fl;
f2=sign(testec- testea); %记录条件f2;
f=fl*f2;《计算复合条件f;
else
testemin=testec; %记录绝对值最小相为testec; f〗-3;《记录条件fl; f2=sign(testea- testeb); %记录条件G; f=fl*f2;计算复合条件f;
end end end
程序计算结果为fl=l,G=-l,f=-l
7) 根据复合条件值，确定转子位置所处的单调区间。
根据发明内容具体步骤3，复合条件值为"-l"，转子位置处于22.6-37.5单调上升区， 对应的采样点为36—65段。
8) 通过插值比较来估计测试位置，单调上升区程序如下
for i=36:65 %22.6—37.5度单调上升区对应的数据段；
iftestemin〉-emin(i)W判断绝对值最小相测试值与单调上升区数据emin(i)的大小 errorHestemin-emin(i);Q/。计算绝对值最小相测试值与emin(i)的误差error 1 else if testemin<=emin(i) %判断绝对值最小相测试值与单调上升区数据emin(i)的大小 error2= emin(i)-testemin;。/。计算绝对值最小相测试值与emin(i)的误差error2 break;。/。跳出循环
endend end
if error2>=errorl %比较计算误差error2和errorl的大小 anglec-angle(i-l); %估计位置选择误差更小的点
else
anglec-angle(i); %估计位置选择误差更小的点
end end
程序计算结果为anglec=29.5166 测试给定的角度testp=299.6160，对应电机角度位置为testp-3"0=29.6160，程序计算 的估计角度与测试给定角度误差为29.6160—29.5166=0.0994度，误差较�。馐孕Ч芎茫� 达到了预期目标。
9)通过插值比较来估计测试位置，对于测试点处于单调下降区程序如下 for i=66:95 %37.6 — 52.5度单调下降区对应的数据段； if testemin<=emin(i) %判断绝对值最小相测试值与单调上升区数据emin(i)的大小 errorl- emin(i)-testemin; %计算绝对值最小相测试值与emin(i)的误差errorl else if testemin>=emin(i) %判断绝对值最小相测试值与单调上升区数据emin(i)的大小 error2-testemin-emin(i);。/。计算绝对值最小相测试值与emin(i)的误差error2 break; %跳出循环
end end end
if error2>=errorl %比较计算误差error2和errorl的大小 anglec=angle(i-);％估计位置选择误差更小的点
else
anglec-angle(i); %估计位置选择误差更小的点
end
本领域技术人员可参照本发明的方法和已有的常识，判断其它实际运行中的转子位置。
权利要求
1. 快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，其特征在于，采用三相反电势之间归一化方法，根据复合条件来确定转子所处的已有的归一化后绝对值最小相反电势曲线的单调上升区或单调下降区，通过对归一化后绝对值最小相反电势值插值比较确定转子位置。
2、 根据权利要求1所述的快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法， 其特征在于，三相反电势之间归一化方法是三相反电势都除以其中绝对值最大相的反电势绝 对值。
3、 根据权利要求1所述的快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，其特征在于，复合条件计算步骤如下■ (1)选取方法若绝对值最小相为A相反电势e。，条件fl取'T',比较B相和C相两 相反电势大�。鬊相反电势^大于或等于C相反电势^，条件G取"1";若B相反电势 eA小于C相反电势ec，条件f2取"-l ";若绝对值最小相为B相反电势e6，条件fl取"2",比较C相和A相两相反电势大�。� 若C相反电势ec大于或等于A相反电势e。，条件G取"1";若C相反电势&.小于A相反 电势&，条件G取若绝对值最小相为C相反电势条件fl取"3"，比较A相和B相两相反电势大�。� 若A相反电势e。大于或等于B相反电势^，条件f2取"1";若A相反电势e。小于B相反 电势^，条件G取"-l";(2)条件fl和条件f2的乘积作为复合条件；复合条件计算结果有"1"、 "2"、 "3"、 "-l"、 "-2"和"-3"六种，采样8极永磁同步 电机的一个位置周期的反电势曲线，采用三相反电势之间的归一化方法，获得归一化后绝对 值最小相反电势曲线在一个位置周期中有3个上升和下降线性区，复合条件用于标记每一个 上升和下降区，其中复合条件为正则表示单调上升区，复合条件为负则表示单调下降区。
4、 根据权利要求1所述的快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法， 其特征在于，具体步骤为(1) 采样8极永磁同步电机运行时三相反电势e。、 ^和ec，通过A/D转换将数据采样 给数字信号处理器，通过软件来计算绝对值最大相，并将三相反电势值同除以这个绝对值最 大相的反电势值，从而绝对值最大相反电势归一化绝对值为1，其余两相反电势归一化后绝 对值小于1;(2) 比较归一化后绝对值最小相。若绝对值最小相为A相反电势e。，条件fl取'T',比较B相和C相两相反电势大�。鬊相反电势"大于或等于C相反电势^，条件f2取 "1";若B相反电势eA小于C相反电势ec，条件G取"-l ";若绝对值最小相为B相反电势eA,条件fl取"2"，比较C相和A相两相反电势大�。� 若C相反电势^大于或等于A相反电势e。，条件G取"1";若C相反电势^小于A相反 电势e。，条件G取"-l";若绝对值最小相为C相反电势ee，条件fl取"3"，比较A相和B相两相反电势大小， 若A相反电势e。大于或等于B相反电势^，条件G取"1";若A相反电势e。小于B相反 电势^，条件f2取(3) 条件fl和条件f2的乘积作为复合条件；根据复合条件值确定转子位置规则如下转子初始位置7.5度，复合条件值为'T'，转子位置处于67.6-82.5单调下降区；复合条 件值为"2"，转子位置处于7.6-22.5单调下降区；复合条件值为"3"，转子位置处于37.6-52.5 单调下降区；复合条件值为"-l"，转子位置处于22.6-37.5单调上升区；复合条件值为"-2", 转子位置处于52.6-67.5单调上升区；复合条件值为"-3"，转子位置处于82.6-7.5单调上升区；(4) 根据复合条件确定采样点所处的单调区间，通过采用插值比较的方法把三相反电 势之间归一化后绝对值最小相反电势值和已有的绝对值最小相反电势区间插值比较，选择最 接近的点作为采样点的估计位置。
全文摘要
本发明涉及一种快速检测无位置传感器三相永磁同步电机转子位置的方法，具体是采用三相反电势之间归一化方法，根据复合条件81来确定转子所处的已有的归一化后绝对值最小相反电势曲线83的单调上升区或单调下降区，通过对归一化后绝对值最小相反电势值插值比较确定83中最接近的点对应转子位置曲线82中的转子位置。本发明的方法计算量小，简单方便，位置估计精确，与转速无关，有利于解决永磁同步电机低速运行位置估计误差大和高速运行时复杂无位置传感器理论计算速度太慢等问题，降低了无位置传感器控制成本，扩大了应用领域。
文档编号G01P3/44GK101425769SQ20081024365
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月5日 优先权日2008年12月5日
发明者孙玉坤, 朱熀秋, 费德成 申请人:江苏大学
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