[技术领域]
本发明涉及永磁电机，尤其涉及一种永磁电机磁极位置的检测方法。
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背景技术：
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永磁电机因其具有效率较高，转矩密度较高，电机运行噪音较小、控制性能优异等特点，得到了广泛的应用。与传统电励磁电机相比，其工作原理基本相同，区别在于其舍弃了励磁线圈，而是采用了高磁通密度的永磁体进行励磁，简化了电机本体结构，进一步地提高了电机工作效率，同时使用了电子换向电路取代了换向器电路和电刷，避免了换向火花、换向损耗等缺点；与异步电动机相比，永磁电机没有无功励磁电流损耗，因而提高了电机效率以及电机功率密度，减小了定子损耗，控制性能更优。
永磁电机启动时的平稳程度与磁极位置的准确程度密切相关，如果磁极位置与实际值偏差过大，将会导致电机在起动阶段反转，甚至会出现电机抖动的现象。一般情况下，永磁电机磁极位置信号的采集是依靠光电编码盘、旋转变压器等机械传感器来实现，而机械传感器的使用不仅增加了系统成本以及结构空间，还降低了系统的可靠性。常规的、不采用传感器的方法是注入一个已知大小和方向的直流电流并持续一段时间，产生一个固定磁场，迫使转子旋转到两个磁链同方向的位置，稳定后再起动运行，但此方法在定位过程中会使转子产生较大的扭动，有些场合是禁止电机启动时反转的。
还有电机初始磁极位置的方法是对永磁电机注入高频方波电压信号，然后通过绕组中高频响应电流与磁极位置的关系来获得磁极位置，此种方法对于凸极效应比较明显永磁电机有效，但对于凸极效应不明显的永磁电机就难以检测准确。
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技术实现要素：
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本发明要解决的技术问题是提供一种不会使转子产生扭动、检测准确，响应速度快的电机磁极位置的检测方法。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，一种永磁电机磁极位置的检测方法，包括以下步骤：
101)磁极位置辨识：将正交的两个高频方波电压信号分别注入α轴和β轴；然后，对α轴和β轴上的高频响应电流信号进行解调，对转磁极位置进行辨识；
102)磁极极性辨识：在完成磁极位置辨识后，保持高频方波电压信号注入不变，在d轴注入一个周期的低频正弦电流信号，使高频响应电流大小发生改变。通过比较低频正弦电流信号在正负峰值和正负峰值时高频响应电流信号的大小来辨识磁极极性。
以上所述的检测方法，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp或θtemp π，
以上所述的检测方法，
当时间t＝nt时，
当时间t＝nt t/4时，
当时间t＝nt t/2时，
当时间t＝nt 3t/4时，
其中，n＝1,2,3,4,…，t为方波电压信号的周期；
ld为d轴电感，lq为q轴电感，δixhk为k时刻与k-1时刻的x轴高频响应电流的采样电流之差，x取α或β，k＝0,1,2,3。
以上所述的检测方法，当d轴注入的低频正弦电流信号为正峰值时，得到的极性辨识电流ins标记为ins ；当d轴注入的低频正弦电流信号为负峰值时，得到的极性辨识电流ins标记为ins-；如果ins ＞ins-，判定磁极极性为n，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp；如果ins-＞ins ，判定磁极极性为s，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp π。
以上所述的检测方法，。
当时间t＝nt时，
当时间t＝nt t/4时，
当时间t＝nt t/2时，
当时间t＝nt 3t/4时，
其中，ld为d轴电感和q，lq为q轴电感。
本发明的检测方法不会使转子产生扭动、检测准确，响应速度快。
[附图说明]
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。
图1是本发明实施例高频正交方波电压注入转子初始位置辨识原理图。
图2是本发明实施例注入的高频正交方波电压信号及电流采样序列图。
[具体实施方式]
本方法提出了一种基于高频正交方波电压注入的磁极位置辨识方法。首先，通过将正交的高频方波电压信号注入静止坐标轴，利用静止坐标轴系下高频响应电流信号辨识磁极位置，然后，在注入高频正交方波电压信号的同时，向直轴注入一个低频正弦电流信号，电机的饱和程度和交直轴电感将产生变化，引起高频响应电流变化，通过对比低频正弦电流的正负峰值附近的高频响应电流的幅值来辨识磁极极性(n极、s极)。
磁极位置辨识分为两个阶段：第一阶段完成磁极位置辨识；第二阶段完成磁极极性辨识。
在第一阶段进行磁极位置辨识时，将正交的两个方波电压信号uαh和uβh分别注入在α、β轴；然后，对α轴和β轴上的10khz～16khz的高频响应电流信号进行解调，得到磁极位置。
实现步骤：
uαh、uβh和iαh、iβh分别为注入在αβ轴的高频电压信号和高频响应电流信号。
一、磁极角度的计算如下：
永磁电机在αβ坐标系的高频数学模型为：
式中，iαh、iβh分别为αβ轴系下高频响应电流分量；θe为待求的实际的转子位置电角度；平均电感σl＝(ld lq)/2；差分电感δl＝(ld-lq)/2，ld和lq分别为d轴与q轴的电感。
注入的高频电压信号uαh、uβh分别为：
公式2中，n＝1,2,3,4,…t为一个电压方波周期。
将式(2)代入式(1)得
在t＝nt时
在t＝nt t/4时
在t＝nt t/2时
在t＝nt 3t/4时
公式(3)～公式(6)中
k＝tvh/(4σl2-4δl2)；δixhk(x可取α和β，k＝0,1,2,3)为高频响应电流之差，因注入电压信号频率远大于电机的运行频率，此高频响应电流之差等于相邻采样电流之差，即δixhk等于k时刻与k-1时刻的采样电流之差。
为了从公式(3)～公式(6)中直接获得磁极位置信号，需要对公式(3)～公式(6)中进行信号解调。
利用公式(3)～公式(6)得到与转子位置直接相关的余弦电流icos和正弦电流isin。
当t＝nt时
当t＝nt t/4时
当t＝nt t/2时
当t＝nt 3t/4时
使用公式(7)～公式(10)中的icos和isin求反正切获得
公式(11)中，θtemp为0～π之间的一个角度，转子磁极n极位置的电角度θ可能等于θtemp或θtemp π；α轴的角度默认为0。
二、磁极极性辨识方法如下：
经第一阶段的转子磁极位置辨识后，并不能区分磁极极性(n或s)，即辨识出的磁极位置电角度可能与实际的转子初始位置电角度之间存在0或者π的电角度误差。
在完成磁极位置辨识后，保持高频方波电压注入不变，在d轴注入一个周期的30hz的低频正弦电流信号，使得电机的饱和程度和交直轴电感发生变化，进而引起高频响应电流大小发生改变。通过比较低频正弦电流的正负峰值附近的高频响应电流大小来辨识磁极极性。
当d轴注入的电流方向与永磁磁通方向一致时，随着d轴电流的增大，定子铁心饱和效应增大，会导致d轴电感ld减小，此时的电流方向即为磁极n的方向；相反，当电流方向与磁通方向相反时，随着电流的增大，电感ld几乎不发生变化，此时电流方向为磁极s的方向。q轴电感lq与d轴电流的的变化趋势和ld与d轴电流的变化趋势相同。
icos和isin是差分电感δl和位置电角度θ的函数。δl正比于ld-lq，当电机磁通饱和时，ld和lq均减小。为此，解调公式(3)～公式(6)的高频响应电流信号，得到极性辨识电流ins。
当t＝nt时
当t＝nt t/4时
当t＝nt t/2时
当t＝nt 3t/4时
公式(12)～公式(15)中ins的大小与ld和lq均呈反比，与磁极位置无关。当电机饱和时，ins会增大。假设注入的正弦电流为正峰值、负峰值时的ins分别为ins 、ins-，如果ins ＞ins-，则磁极极性为n；相反，如果ins-＞ins ，磁极极性为s，需要把第一阶段辨识出的磁极位置电角度加π。
本发明以上实施例的永磁电机启动时电机磁极位置的检测方法直接通过求反正切获得磁极位置电角度，定位过程中不会使转子产生扭动、不需要通过闭环调节获得磁极位置信号，检测准确，响应速度快，在工程上已实现。
1.一种永磁电机磁极位置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
101)磁极位置辨识：将正交的两个高频方波电压信号分别注入α轴和β轴；然后，对α轴和β轴上的高频响应电流信号进行解调，对转磁极位置进行辨识；
102)磁极极性辨识：在完成磁极位置辨识后，保持高频方波电压信号注入不变，在d轴注入一个周期的低频正弦电流信号，使高频响应电流大小发生改变，通过比较低频正弦电流信号在正负峰值和正负峰值时高频响应电流信号的大小来辨识磁极极性。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp或
3.根据权利要求2所述的检测方法，其特征在于，
当时间t＝nt时，
当时间t＝nt t/4时，
当时间t＝nt t/2时，
当时间t＝nt 3t/4时，
其中，n＝1,2,3,4,…，t为方波电压信号的周期；
ld为d轴电感，lq为q轴电感，δixhk为k时刻与k-1时刻的x轴高频响应电流的采样电流之差，x取α或β，k＝0,1,2,3。
4.根据权利要求3所述的检测方法，其特征在于，当d轴注入的低频正弦电流信号为正峰值时，得到的极性辨识电流ins标记为ins ；当d轴注入的低频正弦电流信号为负峰值时，得到的极性辨识电流ins标记为ins-；如果ins ＞ins-，判定磁极极性为n，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp；如果ins-＞ins ，判定磁极极性为s，转子磁极n极位置的电角度θ等于θtemp π。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，
当时间t＝nt时，
当时间t＝nt t/4时，
当时间t＝nt t/2时，
当时间t＝nt 3t/4时，
其中，ld为d轴电感和q，lq为q轴电感。
技术总结