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电机初始相位和相序检测方法及永磁同步电机控制系统摘要：本文介绍了电机初始相位和相序检测方法及永磁同步电机控制系统的研究现状及发展前景。
首先介绍了电机初始相位和相序检测的原理及其在永磁同步电机控制系统中的重要性，然后详细介绍了目前常用的相位和相序检测方法，包括基于编码器的检测方法、基于反电动势的检测方法和基于电压、电流的检测方法。
最后介绍了永磁同步电机控制系统的发展现状及存在的问题，并提出了一种基于机器学习的电机初始相位和相序检测方法，并给出了该控制系统的仿真结果。
研究表明，该方法能够准确、快速地检测电机的初始相位和相序，为永磁同步电机控制系统的研究和应用提供了有力的支持。
关键词：电机；相位和相序检测；永磁同步电机；控制系统；机器学习1.引言电机是工业中常用的一种动力装置，广泛应用于各种机械设备和系统中。
其中，永磁同步电机由于具有结构简单、效率高、功率因数高、响应快、动态性能好等优点，逐渐取代了传统的交流异步电机成为电动机的主流产品。
永磁同步电机的控制系统是电机技术发展的重要组成部分，它对电机的性能和稳定性有着重要的影响。
而电机的初始相位和相序检测则是控制系统的重要基础，对电机的正常运行和稳态性能有着重要的影响。
因此，研究电机初始相位和相序检测方法及永磁同步电机控制系统已经成为电机技术研究领域的热点之一。
2.电机初始相位和相序检测方法电机的初始相位和相序检测是指在电机启动时，通过检测电机的位置和相序，确定电机的初始相位和相序，以保证电机能够正常运行。
当前常用的电机初始相位和相序检测方法主要包括以下几种：2.1基于编码器的检测方法编码器是一种能够测量和记录轴的运动情况的测量装置，能够提供非常准确的位置信息。
因此，基于编码器的检测方法可以准确地确定电机的位置和相序。
但是，编码器的安装和维护成本较高，而且由于其结构复杂，在一些特殊环境下可能无法正常工作。
2.2基于反电动势的检测方法反电动势是指在电机工作时，由于感应电流在磁场中的变化所产生的电动势。
永磁同步电机转子初始位置检测方法何鑫;李明勇;高跃【摘要】使用增量式编码器关键在于确定转子的初始位置.本文基于永磁同步电机数学模型,提出了一种转子初始位置定位方法.该方法采用二分法选择电流矢量试探角度,根据转子转动方向不断缩小初始位置范围.实验结果表明,该方法能迅速准确完成转子初始位置定位.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2015(035)002【总页数】4页(P77-80)【关键词】永磁同步电机;转子初始位置;增量式编码器【作者】何鑫;李明勇;高跃【作者单位】武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064;武汉船用电力推进装置研究所,武汉430064【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁电机控制方案一般采用经典的转速、电流双闭环矢量控制系统，矢量控制闭环依赖于电机的转子位置信息。
转子位置信息通常通过安装在永磁电机上的增量式光电编码器来获得，使用增量式编码器关键在于确定DSP控制程序中光电脉冲计数器的基准值，即转子的初始位置。
在采用增量式光电编码器的控制系统中，为确定转子的初始位置，常用的方法是给定一个方向固定的电流矢量，将电机转子磁极强行拉到给定位置，这种方法实现简单，但定位过程中转子会产生较大扭动，在某些要求转子不动的特殊的应用场合该方法并不适用[1,2]；一些学者采用高频注入法来检测初始位置，但需要额外设计滤波器和解析位置信息算法，实现起来比较复杂[6,8]；也有学者利用电机的磁饱和特性来检测转子的初始位置，但这要依赖于电机本身的参数[4]。
本文提出了一种基于增量式光电编码器，采用二分法选择试探电流矢量角度，通过检测转子微动方向缩小转子初始位置范围，最终确定转子的初始位置的方法，并进行了实验验证。
1 永磁同步电机矢量控制原理永磁同步电机矢量控制原理图如图1所示，控制系统采用转速、电流双闭环控制，转速和坐标变换角度通过增量式光电编码器得到。
分类号学号M*********学校代码10487 密级硕士学位论文永磁同步电机初始相位及动力线相序检测技术研究学位申请人：刘晓彪学科专业：机械工程指导教师：宋宝教授答辩日期：2019年05月14日A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirementsfor the Degree of Master of EngineeringResearch on Initial Phase and Power Line Phase Sequence Detection Technology of Permanent Magnet Synchronous MotorCandidate:Liu XiaobiaoMajor:Mechanical EngineeringSupervisor:Prof. Song BaoHuazhong University of Science and TechnologyWuhan 430074, Hubei, P.R. ChinaMay, 2019独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。
尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。
对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
保密□，在年解密后适用本授权书。
本论文属于不保密□。
（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日华中科技大学硕士学位论文摘要由于伺服系统具有高效、高精、高响应的特点，随着中国制造2025的实施，其在工业领域得到了越来越广泛的应用。
永磁同步电机转子初始位置角在线检测方法陈程; 陶泽安【期刊名称】《《电机与控制应用》》【年(卷),期】2019(046)006【总页数】5页(P102-105,111)【关键词】永磁同步电机; 转子位置; 脉冲激动电压【作者】陈程; 陶泽安【作者单位】江西工埠机械有限责任公司江西樟树331200【正文语种】中文【中图分类】TM3510 引言永磁同步电机(PMSM)因具有高效、节能、体积小等优点，在工业领域的多种场合得到广泛应用[1-2]。
PMSM的高性能控制需要电机转子的位置信息，对于无位置传感器的应用场合，电机在每次起动前均必须首先识别转子的静态初始位置角，才能实施进一步的控制，而对于有位置传感器的应用场合，在位置传感器安装完成后，也需要进行转子初始位置标定，才能将位置传感器的输出数据与转子位置建立关联[3]。
电机初始位置检测的常用方法有：脉冲电压法、转子预定位法和高频信号激励法。
脉冲电压法采用向绕组中注入一系列脉冲电压矢量，比较电流响应的幅值，寻找电流幅值最大的电压矢量，再细分逼近转子位置，但随着转子位置不断逼近，电流响应的幅值差异越来越小，幅值判断变得困难，而且位置估算精度会受到电流采样误差以及分辨率的影响[4]。
转子预定位法通过将转子位置锁定在几个不同的特殊角度，从而推算出转子的位置角，但是对于起重机、新能源车辆等应用场合，电机转子初始状态可能是带载锁定或抱闸的，因此无法实施[5]。
高频信号激励法是通过变频器发送一系列的高频激励信号，利用电机的凸极效应，提取电流响应信号中的一些特征来判断转子初始位置，但算法复杂，对系统运算能力要求高，不易实现，而且只适用于凸极电机[6]。
为了克服现有转子初始位置角测量方法误差大、算法复杂、对转子移动性有特殊要求、适用范围不广等缺点，从PMSM的绕组结构、磁场特性以及物理模型入手，推导电机静态定子绕组电感与转子位置角之间的关系，以及转子的极性与响应电流的关系，进而利用变频器产生激励电压来实现PMSM转子初始位置角的在线辨识。
永磁直线同步电机初始位置检测算法分析摘要：针对采用增量式光栅为位移传感器的表贴式隐极永磁直线电机伺服控制系统，利用饱和凸极效应来检测动子初始位置。
基于注入脉振高频电压后d、q轴高频电流响应特性，并极值法计算法获得动子初始位置，并采用双脉冲电压矢量注入对动子极性进行判断，解决了高频电压注入法无法确定动子极性的问题。
实验测量表明，采用极值法估计动子初始位置预测均方根误差为0.141 rad，结果表明，极值法获得永磁直线电机动子初始位置的估计可以满足永磁直线电机平稳启动要求。
关键词：直线电机；动子初始位置角；高频注入；凸极效应同传统旋转电机相比，直线电机省去齿轮、链条等中间传动机构，可以简化系统结构，提高效率，因此更适用于物流线、数控机床进给系统等直线运动场合。
永磁直线电机具有推力密度大、效率高等优点，广泛应用于伺服控制系统中[1]。
在高性能的直线电机伺服控制系统中，对于电机的启动性能来说，电机动子的初始位置影响比较大，尤其在高性能的直线电机伺服控制系统中，显得更加重要。
以增量式光栅尺或磁栅尺作为位移传感器的直线电机伺服控制系统中，系统上电后，无法由位移传感器直接获得动子初始位置，需要采取位置估算算法估计动子初始位置。
科研人员不断深入研究，目前为止提出了多种针对于永磁旋转电机的转子初始位置的估计方法。
通过向定子电枢绕组中注入一系列脉冲电压矢量，比较电流响应幅值，从而确定转子位置[2, 3]，已经有学者采用这种方法对永磁直线电机动子初始位置进行检测[4]，这种方法简单，容易实现，但是由于对电流响应幅值进行单次采样，容易受到电流传感器采样误差影响，也有研究人员在采集电流响应的基础之上计算电感参数矩阵，从而获得转子位置[5]，但如此这样的尝试计算，依旧无法回避采样误差所带来的影响。
基于永磁旋转电机的固有凸极和饱和凸极效应的高频电压注入法广泛应用于转子初始位置检测[6-8]，对内埋式等凸极率较高的电机，高频电压注入可以快速获得转子位置，对于隐极电机，转子位置信息提取比较困难，而且容易受到采样噪声信号干扰，使精度降低。
永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定摘要：介绍了永磁同步直线电机的结构。
根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。
关键词：初始寻相；电角度测定；矢量控制；永磁电机；同步电机；直线电机；实验O 引言永磁同步交流直线电机由于其行程长、推力大、响应快等优点，在机械装备中越来越受到重视。
永磁交流直线电机系统存在多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。
为了提高控制效果，获得良好的动态调速特性，矢量控制技术成为永磁直线电机系统中重要的控制手段。
对于永磁同步直线电机矢量控制系统，初始寻相和电角度的测量是影响系统性能的关键之一”如果系统上电时无法精确测定电机的初始相位或者在运行时不能精确测定电机的电角度，系统将无法正确完成直线矢量控制的一系列算法，导致直线电机运动混乱，甚至无法起动。
本文针对这个问题，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法。
1永磁同步直线电机及其矢量控制系统根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。
用于伺服目的的一般采用表面磁极的结构；其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。
图1为其结构简图。
在定子表面交错排列着不同极性的铷铁硼磁体。
对于永磁同步旋转电机，矢量控制的中的d轴方向沿着转子上永磁体的磁极方向，q轴超前d轴90。
电角度。
永磁同步直线电机可以看成是将永磁同步旋转电机沿轴向剖开而形成的。
据此可以确定永磁同步直线电机的d轴和q轴的位置，如图1所示，电角度θ就是d轴和q轴间的夹角。
永磁同步直线电机的矢量控制系统的完薹结构则如图2所示。
矢量控制一般采用id=O的控制策略，即控制初级电枢电流矢量在d—g坐标系中的d轴分量为零。
此外由于电机的d轴和q轴电压分量仍然存在耦合，需要采用前馈补偿的方法进行接耦。
由图2可以看出，电角度θ主要用在2s／二R和2R／2s 变换中。
(10)申请公布号(43)申请公布日 (21)申请号 201510188133.0(22)申请日 2015.04.21H02P 21/14(2006.01)H02P 25/02(2006.01)(71)申请人华中科技大学地址430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号(72)发明人宋宝 徐健 李羲轮 郑世祺陈天航 张航天 唐小琦 周向东(74)专利代理机构华中科技大学专利中心42201代理人李智(54)发明名称永磁同步电机的电角度旋向和初始值辨识方法及系统(57)摘要本发明公开了一种永磁同步电机的电角度初始角度和旋向的辨识方法及系统，首先通过算法得到转子磁链角度的估计值，然后输出角度为转子磁链角度估计值的定子电流，接着确定转子磁链角度的估计值与转子磁链角度的真实值的位置关系，并依靠得到的位置关系，得到一个更准确的转子磁链角度的估计值，反复执行以上步骤数次，转子磁链角度的估计值将与转子磁链角度的真实值重合，该磁链角度估计值与编码器反馈的转子角度之差值即为电角度的初始值，最后，利用电角度旋向辨识算法，辨识电角度旋向与编码器反馈的旋向的相对关系，若两者的关系不正确，反转旋向关系并重启辨识过程。
本发明能在电角度旋向不正确，或在执行辨识的过程中转子受到了不可预期的扰动时，自动适应并完成电角度旋向和初始角度的辨识。
(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书3页 说明书7页 附图2页(10)申请公布号CN 104779879 A (43)申请公布日2015.07.15C N 104779879A1.一种永磁同步电机电角度的初始值辨识方法，其特征在于，该方法包括：(1)设置转子磁链角度的初始估计值为零，并获得转子磁链角度的初始估计值；(2)输出角度为磁链角度估计值的定子电流，使得转子受该定子电流作用产生位移；(3)根据该位移确定转子磁链角度的估计值与转子磁链角度的真实值的位置关系，并依靠该位置关系，以一定的步长角进行转子磁链角度搜索，得到一个更准确的转子磁链角度的估计值；重复执行以上步骤(2)和(3)，直至转子保持静止一段时间且转子没有超过给定的位移范围限制，表明此时转子磁链角度的估计值与真实值重合，该磁链角度估计值与编码器反馈的转子角度之差值即为电角度的初始值。
永磁同步直线电机矢量控制系统中初始寻相和电角度的测定
摘要：介绍了永磁同步直线电机的结构。
根据矢量控制的特点和要求，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法，并经试验加以验证。
关键词：初始寻相；电角度测定；矢量控制；永磁电机；同步电机；直线电机；实验
O 引言
永磁同步交流直线电机由于其行程长、推力大、响应快等优点，在机械装备中越来越受到重视。
永磁交流直线电机系统存在多个电磁变量和机械变量，在这些变量之间存在较强的耦合作用。
为了提高控制效果，获得良好的动态调速特性，矢量控制技术成为永磁直线电机系统中重要的控制手段。
对于永磁同步直线电机矢量控制系统，初始寻相和电角度的测量是影响系统性能的关键之一”如果系统上电时无法精确测定电机的初始相位或者在运行时不能精确测定电机的电角度，系统将无法正确完成直线矢量控制的一系列算法，导致直线电机运动混乱，甚至无法起动。
本文针对这个问题，提出了一种基于增量式位置传感器的初始寻相和电角度测量方法。
1永磁同步直线电机及其矢量控制系统
根据永磁体的安装位置，永磁同步直线电机分为表面磁极型和内部磁极型。
用于伺服目的的一般采用表面磁极的结构；其凸极效应很弱，气隙均匀且有效气隙大。
图1为其结构简图。
在定子表面交错排列着不同极性的铷铁硼磁体。
对于永磁同步旋转电机，矢量控制的中的d轴方向沿着转子上永磁体的磁极方向，q轴超前d轴90。
电角度。
永磁同步直线电机可以看成是将永磁同步旋转电机沿轴向剖开而形成的。
据此可以确定永磁同步直线电机的d轴和q轴的位置，如图1所示，电角度θ就是d轴和q轴间的夹角。
永磁同步直线电机的矢量控制系统的完薹结构则如图2所示。
矢量控制一般采用id=O的控制策略，即控制初级电枢电流矢量在d—g坐标系中的d轴分量为零。
此外由于电机的d轴和q轴电压分量仍然存在耦合，需要采用前馈补偿的方法进行接耦。
由图2可以看出，电角度θ主要用在2s／二R和2R／2s 变换中。
由此可见，直线电机在起动对的初始相位以及在运行时的电角度，是实现矢量控制的重要参数。
两参数能否精确测定，关系到矢量控制系统能否实现。
2 电机初始寻相的实现
直线电机在起动时，动子的位置具有不确定性。
直线伺服系统中一般采用增量式光栅尺作为位置传感器，无法确定动子的绝对位置及电机的初始相位角。
对于直线伺服系统一般还需要一个确定的机械零点；对于增量式系统，每次上电后都需要进行回零点操作，之后才能建立起坐标系统。
为了让直线电机有一个确定的机械零点，可以在直线电机端部安装一个接近开关，并保证在接近开关能检测到的范围内光栅尺有一个z轴脉冲。
将光栅尺的z轴脉冲和接近开关的输出信号进行逻辑与，用
此信号控制计数器的复位。
系统上电后直线电机以一定的速度向零点运动，当系统检测到电机端部的z轴脉冲时，计数器复位信号有效，计数器清零，此时电机所在的位置即为零点。
此过程的原理如图3所示。
电机的零点确定后，可以用实验的方法确定电机在零点处d轴与A轴之间的电角度，并以此角度作为初始电角度。
在此方案中，电机回零点前是无法确定其电角主的，因此只能作开环运动。
为了在回原点前就确定电机的电角度，可以给电机的定子方向的电压矢量，如图4所示。
在初始定位阶段由于％和f，一都是定值，即给电机施加的是一固定的电压空间矢量，电机的动子会在此电压矢量的作用下运动到与之重合的位置。
此时电机的初始电角度为90°，这就是矢量控制的初始电角度，而此时的位置也就是电机的初始位置。
当给电机施加直流电压时，动子绕组中的电流会很大，因此要控制施加的直流电压的幅值和时间。
为了避免给电机施加直流电压时加速度过大，可以采用缓慢升高直流电压幅值的方式。
如图4所示，在1．5 s内升高到0．25umax维持0．5 s。
试验表明这种方法可使电机平稳的定位。
用这种方法测量电角度的精度受若干因素的影响，包括所施加的直流电压矢量的幅值，电机的磁阻力和摩擦力等。
为了更准确的测定电机的初始相位，可以在电机回零点后对电角度进行校正，用零点处的电角度作为初始电角度，而电机零点处的电角度可以用试验的方法精确测出。
3 电机电角度的测定
精确获得了电机的初始相位之后，还需要在电机运动过程中方便、准确的确定其电角度。
根据电机原理可知，电机一对极距对应的电角度为360°。
对于直线电机，动子移动的距离和电角度的变化量成正比，因此可以根据增量式光栅尺反馈的位置信息来间接计算电机的电角度。
对于图1所示的永磁同步直线电机硬件系统，可以使用芯片LS7266的B通道测定电机的电角度，其电路原理如图5所示。
把该通道的周期寄存器的值设为电机一对极距对应的光栅尺的脉冲数，并根据初始电角度设置计数器的初始值。
如果电机电角度增大时，计数器的计数值也增大。
根据图6，电机的电角度就可以用如下公式计算：
反之，如果电机电角度减小时，计数器的计数值也减小，那么电机的电角度应为：
4试验结果
试验用永磁同步直线电机的参数：动子质量为9 kg，永磁体有效磁链为0．106 wb，粘滞摩擦系数等于1．2 Ns／m，动子电枢电阻等于1．25 Ω，动子电感为5．25 mH，极距等于32 mm，极对数为3，相数等于3，电机额定电等于流25 A。
对电机进行速度闭环测试，在速度调节器输入端上施加一个矩形波信号，幅值在一O．1m／s到O．1m／s之间变化，频率为O．9 Hz，观察系统的位置、速度、电流等的变化情况，如图7所示。
试验时，电机空载，速度环的采样周期为：300μs。
试验所得的电角度、速度、d轴和q轴电流如图7所示。
试验结果表明，采用上述初始寻相和电角度测定的方法能使永磁同步直线电机矢量控制系统取得较好的控制效果，系统能长时间稳定运行，不会发生因电角度测量误差积累而产生的失控现象。
5总结
本文根据永磁同步直线电机的特点，结合接近开关和光栅尺的z轴脉冲来确定机械零点，进而获得初始相位。
以此为基础，再利用工控芯片I~$9266来计算电机在运行过程中的电角度。
实验证明，本文提出的方法帮助直线电机矢量控制系统取得了良好的控制效果。
