专利名称：一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法
技术领域：
本发明涉及电梯系统中同步马达伺服驱动应用领域，特别涉及一种精确测量同步
马达初始磁极角的检测方法。
背景技术：
在电梯系统当中，基于曳引机效率的考虑，原先的异步曳引机已广泛地被同步曳 引机取代。原先的异步曳引机只需要配合ABZ型的增量式编码器即可进行测速，从而实现 电梯的速度控制。当使用同步曳引机之后，一般常用的是一种是UVW+ABZ方波的编码器。一 种是SIN/COS的编码器。UVW编码器有磁极之分，需要和主机的磁极对数一样。而SIN/COS 编码器本质上是旋转变压器，则输出正/余弦模拟信号，经处理后送给主机。UVW+ABZ编码 器和sincos编码器较ABZ的编码器要贵许多，那同步曳引机配合ABZ编码器是否可行呢？
在电梯应用领域中，当使用UVW+ABZ方波的编码器或sincos编码器时，若想更换 编码器，需要学习Z脉冲所对应的磁极角，一种常见的方法是在曳引机空载且松闸的情况 下，采用直流定位的方法，将转子磁极定位在某一角度，然后旋转，记下遇到Z脉冲时所对 应的磁极角并记录在记忆单元中。这样的操作方法，则需要卸掉钢丝绳，维保人员操作起来 特别麻烦。因此有必要开发出一种在抱闸的情况下精确获取同步曳引机转子磁极所在位置 的方法。 在抱闸情况下获得同步曳引机转子磁极所在位置，传统方法为输出电压幅值恒 定，方向不同的电压矢量，观察D轴方向的电流大小；电流越大，说明D轴方向与转子磁极方 向越接近。如图la-图ld所示，在一个电周期内，分配12个电压空间矢量，每个矢量间隔 电角度为3(T电角度；12个电压空间矢量持续时间相同。在每个电压矢量作用期间，需要 至少检测两相的相流幅值，以施加电压矢量的方向为d轴，进行坐标变换，比较各自对应的 dq坐标系下d轴方向的电流辐值大小，电流幅值最大的对应的空间矢量所在的角度为初步 得到的转子位置e 。 在初步得到转子位置之后，对电角度继续进行细分后得到较为精确的的转子位
置。该步骤施加电压空间矢量的规则如下在转子位置e两边e -15， e +15电角度位置分 别施加相同幅值，持续时间相同的电压空间矢量。在每个空间电压矢量作用期间，至少检测
电机两相的相电流，以空间电压矢量方向为d轴，对电流过行坐标变换，比较各自对应的dq 坐标系下d轴方向的电流辐值大小，电流幅值最大的对应的空间矢量所在的角度为初步得
到的转子位置e。依此类推，在电流采样精度允许的情况下，可以将电角度进行进一步细
分，从而得到更高精度的转子位置。 但是这种方法所获得的转子位置的精度，更多地依赖于电流采样的精度。当在实
际转子位置进行细分时，d轴的电流变化很小，通过这种方法，极有可能导致判断出错，从而 并不可能获得较高精的转子位置。 本发明需要解决的技术问题是提供一种精确测量永磁同步电机的初始转子位置
的方法，旨在解决上述问题的缺陷。
发明内容
鉴于上述技术问题，本发明的目的是提供一种精确测量同步马达初始磁极角的检
测方法。该方法使变频器在同步马达配ABZ编码器的情况下完成驱动控制，以最大的转矩
起动。同时也成功地解决了在抱闸的情况下检测转子磁极位置的问题，在更换编码器时，无
需卸掉钢丝绳，从而节省了电梯维护成本且极大地方便了电梯的使用及维护。 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 包括将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，采用给电机电
枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压空间矢量，采样至少两相电机绕组电流，在假定
的D轴上观察D轴的电流大小并进行比较，D轴电流幅值越大，假定D轴与真实磁极角越接
近，用于判断初始磁极角的大概位置。 还包括在精确细分时，采用给电机电枢绕组施加幅值相等，持续时间相同的电压 空间矢量，采样至少两相电机绕组电流，在假定的Q轴上观察Q轴的电流大小并进行比较， Q轴电流幅值越小，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的精确位置。
具体实现过程如图3所示，是通过以下步骤实现的 步骤1 :首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，相邻的 电角度差为A e。 = 360/N。假定转子D轴就在这等分后的位置上。然后在各个等分的位 置上给电机电枢绕组施加固定时间的恒定电压矢量。采样至少两相电机绕组电流，进行坐 标变换，计算假定D轴上的电流幅值。在假定的D轴上观察D轴电流的峰值幅值，D轴电流 越大，说明假定的D轴与实际马达的磁极所在位置越接近； 步骤2 :由步骤1大概地获得转子磁极所在位置》，然后，在磁极所在位置附近偏
差角度Ae 二士AejAe工二Ae 。/2)电角度的方向分别施加同步骤l幅值相同、持续
时间相同的电压矢量。采样至少两相电机绕组电流，进行坐标变换，计算在垂直于假定D轴 的假定Q轴上的电流幅值。比较假定Q轴上电流幅值大小，然后选取假定Q轴幅值较小的 电压矢量方向为与马达实际磁极更为接近的方向； 步骤3 :采用二分法，在步骤2获得的方向上偏差a e 2 = ± a e ^0. 5偏差角的 方向，分别施加同步骤1相同幅值的电压矢量，在垂直于假定D轴的假定Q轴上比较在假定 Q轴的电流幅值大小，然后选取假定Q轴电流幅值较小的电压矢量方向为与马达实际磁极
更为接近的方向； 步骤4 :重复执行步骤3，直到得到真实地磁极角位置为止。 采用了本发明方法后，同步曳引机只需要装配ABZ编码器即可，而不需使用价格 昂贵的UVW+AB型编码器或SinCos编码器，极大地节省了系统的成本。 同时，这种在抱闸磁极推定技术，经多次测试，推定出来的磁极角与实际磁极角误 差很小。准确的磁极角为同步曳引机的高效率运行提供了保障，满足同步曳引机应用要求。 由于采用了相对便宜的ABZ编码器，使得曳引机的整体成本降低。 另外，这种在抱闸磁极推定技术，在更换编码器时，无需卸掉钢丝绳，极大地方便 了电梯维保作业。
以下结合附图和具体实施方式
来进一步说明本发明。
图la、图lb、图lc、图ld为传统同步马达磁极角检测方法的示意图； 图2为同步马达磁极所在位置与假定磁极所在位置示意图； 图3为同步马达磁极角检测的流程图； 图4a、图4b为同步马达磁极角检测原理分析图。 图4c为同步马达的励磁曲线示意图。
具体实施例方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结 合具体图示，进一步阐述本发明。 参见图4a，4b，图中ABC为静止的三相坐标系，D代表假定的D轴所在的方向，其与 静止坐标系的A轴之间的夹角为、。同步马达铁心一般设计的额定工作点在如图4c图所 示励磁曲线的A点。当在磁极N极所在方向施加电压空间矢量时，就会在磁极N极所在的 方向产生电流。 如图4a所示，带箭头的实线表示由于定子电流所产生的定子磁链方向，带虚线的 箭头代表永磁体转子所产生的转子磁链方向。定子磁场与转子磁钢本身所产生的磁场方向 相同，使得经过气隙和铁心磁场加强，定子铁心更加饱和，使得马达工作点变为图4c图所 示的B点，引起曲线的斜率变小，也即d轴电感变小。于是在施加幅值相同、持续时间相同 的电压空间矢量时，也即定子磁链相同时，根据A = / Avdt = / L*Aidt公式可知，在d 轴产生的电流Aii变大。相反，当在磁极S极所在方向施加电压空间矢量时，就会在磁极S 极所在的方向产生电流。 如图4b所示，带箭头的实线表示由于定子电流所产生的定子磁链方向，带虚线的 箭头代表永磁体转子所产生的转子磁链方向。定子磁场与转子磁钢本身所产生的磁场方向 相反，使得经过气隙和铁心磁场减弱，定子铁心变得更不饱和，工作点变为图4c图所示的C 点，引起曲线的斜率变大，也即d轴电感变大，于是在施加幅值相同、持续时间相同的电压 空间矢量时，也即定子磁链相同时，根据A = / Avdt = / !^Aidt公式可知，在d轴产生 的电流A^变小。 基于此原理，首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，并假定转子D轴就在 这等分后的位置上。然后在各个等分的位置上给电机电枢绕组施加一固定时间的幅值相同 的电压矢量。在假定的D轴上观察D轴电流的峰值幅值，D轴电流越大，说明假定的D轴与 实际马达的D轴越接近。 在初步获得转子位置之后，在进行精确细分时，采用比较Q轴电流大小的方法，Q 轴的电流越小，说明该位置与转子实际位置更接近。其原理分析如下 假设D轴电感为Ld，Q轴电感如Lq，假设在离真实D轴A 9角所在的位置施加电 压空间矢量，持续时间为T。如图2所示，假设施加的电压矢量为f ，其幅值为V，则其投影到 真实DQ轴的电压为 忽略电阻的影响，则在时间T内，在真实D轴和Q轴产生的电流为
/r(rcosA^/(z^r) /《=(rsi,/(vr)
因此，在假定DQ轴上产生的电流为
/rf =/rf*cosA(9 + /。*sinA6> = —*(
+
A =* sin A6> +/《* cos A6>
乙
乙 通过/9表达式可以看出，当A e小于45°时，估计出来的D轴与真实的D轴越接 近，g卩A e越小，h幅值越小。因此，在估计出来的D轴与真实转子位置相差小于45。时， 在精确过行细分时，可以通过判断^的大小来实现。 当离真实DQ轴A e工所在位置施加电压空间矢量时，在假定的DQ轴上产生的电 流为
乙
4
FsinA61， cosA《1 1 、
-]-L*(--+ —)
乙丄
— w —《 因此当离真实DQ轴A 92所在位置施加电压空间矢量时，在假定的09轴上产生 的电流为
5 F^cos2A《 sin2A(92
r 、 乙 乙
)—FsinA<92 cosA<92
"2 =-(一
r
丄+丄) ^丄乂
《
则两次所产生的电流差异为
F *丄《_ U
77 2丄(iL《
(cos2A<92 -COS2AI9J 贝U
a; 7 ) 「*丄"一丄《
— sin2A(92-sin2A《
(sin2A6>2-sin2A6V
1
Ah cos2A<92-cos2A《 可见，当A e"A 92小于22. 5°时，通过比较Q轴上的电流大小比通过比较D轴 上电流大小来说解析度要高。因此，通过比较Q轴上的电流大小所获得的转子磁极位置比 通过比较D轴上的电流大小所获得的转子位置要精确得多。 以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术
6人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等效物界定。
权利要求
一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，其特征在于，所述将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，采用给电机电枢绕组施加幅值相等、持续时间相同的电压空间矢量，采样至少两相电机绕组电流，在假定的D轴上观察D轴的电流大小并进行比较，D轴电流幅值越大，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的大概位置；所述在精确细分时，采用给电机电枢绕组施加幅值相等，持续时间相同的电压空间矢量，采样至少两相电机绕组电流，在假定的Q轴上观察Q轴的电流大小并进行比较，Q轴电流幅值越小，假定D轴与真实磁极角越接近，用于判断初始磁极角的精确位置。
2. 根据权利要求l的精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，其特征在于，所述方 法的具体步骤包括① 首先将同步马达的360度电角度等分为N等分，N必须大于等于8，相邻的电角度差 为A 9 。 = 360/N ;假定转子D轴就在这等分后的位置上；然后在各个等分的位置上给电机 电枢绕组施加固定时间的恒定电压矢量；采样至少两相电机绕组电流，进行坐标变换，计算 假定D轴上的电流幅值；在假定的D轴上观察D轴电流的峰值幅值，D轴电流越大，说明假 定的D轴与实际马达的磁极所在位置越接近；② 由步骤①大概地获得转子磁极所在位置^然后，在磁极所在位置附近偏差角度Ae二士AejAe工二Ae 。/2)电角度的方向分别施加同步骤l幅值相同、持续时间相同的电压矢量；采样至少两相电机绕组电流，进行坐标变换，计算在垂直于假定D轴的假定 Q轴上的电流幅值；比较假定Q轴上电流幅值大小，然后选取假定Q轴幅值较小的电压矢量 方向为与马达实际磁极更为接近的方向；③ 采用二分法，在步骤②获得的方向上偏差a e2 = ±a e^o.5偏差角的方向，分别施加同步骤1相同幅值的电压矢量，在垂直于假定D轴的假定Q轴上比较在假定Q轴的电 流幅值大小，然后选取假定Q轴电流幅值较小的电压矢量方向为与马达实际磁极更为接近 的方向；④ 重复执行步骤③，直到得到真实地磁极角位置为止。
全文摘要
本发明公开了一种精确测量同步马达初始磁极角的检测方法，该方法使变频器在同步马达配ABZ编码器的情况下完成驱动控制，以最大的转矩起动。同时也成功地解决了在抱闸的情况下检测转子磁极位置的问题，在更换编码器时，无需卸掉钢丝绳，从而节省了电梯维护成本且极大地方便了电梯的使用及维护。采用了本发明方法后，同步曳引机只需要装配ABZ编码器即可，而不需使用价格昂贵的UVW+AB型编码器或SinCos编码器，极大地节省了系统的成本。
文档编号H02P6/14GK101764556SQ20091020090
公开日2010年6月30日 申请日期2009年12月25日 优先权日2009年12月25日
发明者吴志敢, 胡亚山 申请人:上海永大吉亿电机有限公司