永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置自修正

張峰魁，　劉彥呈，　郭昊昊

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連　116026)

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永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置自修正

張峰魁，劉彥呈，郭昊昊

(大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連116026)

摘要：轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是永磁同步電機(jī)(PMSM)變頻系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件。增量式編碼器不能給出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子初始位置信息，通常需要增加額外初始位置檢測(cè)方法，而大多數(shù)轉(zhuǎn)子初始位置定位的方法只具有理論性，實(shí)現(xiàn)起來比較困難甚至不適合實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合。提出一種轉(zhuǎn)子自修正方法，不需準(zhǔn)確定位初始位置，通過軟件實(shí)時(shí)修正位置信息。同時(shí)在設(shè)計(jì)的以DSP28335為核心的PMSM變頻系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果證明該方法的可行性與實(shí)用性。

關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī)； 轉(zhuǎn)子位置修正； 轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)

0引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)穩(wěn)定、精確的控制，高性能的變頻系統(tǒng)是不可或缺的。準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制的前提條件。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)按實(shí)現(xiàn)方式可分為基于無P位置傳感器算法的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和安裝位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)。基于無位置傳感器算法的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法一般是根據(jù)電機(jī)運(yùn)行時(shí)的電壓和電流等參數(shù)，通過電機(jī)數(shù)學(xué)模型公式推算轉(zhuǎn)子位置，但是電機(jī)在低速運(yùn)行時(shí)很難保證精確性[1]。目前變頻系統(tǒng)多安裝編碼器檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信息，由于增量式編碼器不能給出準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子初始位置信息，所以轉(zhuǎn)子位置準(zhǔn)確度很難保證，為此本文提出一種轉(zhuǎn)子自修正方法，不需準(zhǔn)確定位初始位置，通過軟件實(shí)時(shí)修正位置信息，保證獲取轉(zhuǎn)子位置的精確性。最后通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性。

1初始位置檢測(cè)方法概述

轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的關(guān)鍵在于轉(zhuǎn)子初始位置的檢測(cè)。初始位置定位不準(zhǔn)確，電機(jī)起動(dòng)時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致短暫的轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，甚至起動(dòng)失敗[2]。有些編碼器可以直接獲取轉(zhuǎn)子初始位置信息，但一般的增量式編碼器不具有此功能，且精度容易受到環(huán)境的影響。進(jìn)而有學(xué)者提出了基于無位置算法的位置檢測(cè)方法，主要包括預(yù)定位、高頻信號(hào)注入法等。

1.1基于無位置算法的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)

轉(zhuǎn)子預(yù)定位法[3]的思想是向定子繞組通靜止的電流矢量Is1，如果電流矢量和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)存在夾角，則產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩會(huì)使電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到預(yù)定的位置。給定電流矢量圖如圖1所示。

圖1　給定電流矢量圖

由于電機(jī)軸承摩擦力和齒槽定位力的存在，會(huì)產(chǎn)生固有轉(zhuǎn)矩，如果轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩小于固有轉(zhuǎn)矩，定位轉(zhuǎn)矩將無法轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子，電機(jī)很可能失步或過流。為了避免定位盲區(qū)，一般采用二次定位的方式，即再施加一個(gè)與Is1相互垂直的電流矢量Is2，這樣二次定位中，至少有一次可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)定位。

高頻信號(hào)注入法[4]是向電機(jī)中注入高頻激勵(lì)信號(hào)，根據(jù)電機(jī)凸極飽和效應(yīng)，對(duì)其反饋信號(hào)進(jìn)行調(diào)制處理來檢測(cè)出電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置。其精度高于轉(zhuǎn)子預(yù)轉(zhuǎn)動(dòng)法，且不會(huì)引起電機(jī)軸的預(yù)先轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)負(fù)載影響小，但該方法基于電機(jī)的凸極效應(yīng)，對(duì)于表面貼式電機(jī)適用性不高，同時(shí)算法較為繁瑣，其精度很依賴于后級(jí)的濾波環(huán)節(jié)，而濾波環(huán)節(jié)的引入會(huì)引起一定程度的幅值衰減和相位滯后，導(dǎo)致轉(zhuǎn)子位置存在誤差。

1.2安裝位置傳感器系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)

有些位置傳感器可直接給出轉(zhuǎn)子初始位置信息，如絕對(duì)式編碼器，而對(duì)于安裝增量式編碼器的系統(tǒng)，不能獲取轉(zhuǎn)子初始位置信息。為此有的學(xué)者提出一種類似于轉(zhuǎn)子預(yù)定位原理的定位方法[5]，綜合思想如下: 給定子通某一方向的電流矢量，如果通入的電流矢量與轉(zhuǎn)子位置存在夾角，便存在電磁轉(zhuǎn)矩牽引電機(jī)旋轉(zhuǎn)，通過編碼器脈沖信號(hào)可得到電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，一旦檢測(cè)到編碼器脈沖數(shù)有變化，便立即封鎖PWM輸出，轉(zhuǎn)子的位置改變很小，而根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)向和給定的電流矢量就可以大致確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。改變給定電流矢量的角度，再檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向變化時(shí)，表明電機(jī)磁極處于所給兩個(gè)電流矢量角度之間，再縮小電流矢量角度逐次逼近電機(jī)磁極位置。如此反復(fù)，直到當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，表明施加的電流矢量方向和轉(zhuǎn)子磁極一致重合，完成電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位[6]。

2轉(zhuǎn)子位置自修正方法詳述

由于增量式編碼器無法準(zhǔn)確給出轉(zhuǎn)子的初始位置，只能確定轉(zhuǎn)子初始位置所處的一個(gè)區(qū)域，使得初始位置存在誤差值，若不做處理，位置誤差一直累積[7]，將導(dǎo)致控制效果變差甚至失控。雖然有學(xué)者提出了基于預(yù)定位原理的初始位置檢測(cè)法，但該方法起動(dòng)頻繁，且需要轉(zhuǎn)子多次旋轉(zhuǎn)才能準(zhǔn)確定位，其效果不利于實(shí)際應(yīng)用。鑒于此，本文提出了一種轉(zhuǎn)子自修正方法，其中心思想是編碼器UVW信號(hào)開始變化時(shí)轉(zhuǎn)子位置一定位于兩個(gè)極性區(qū)域的臨界位置。當(dāng)檢測(cè)到UVW信息變化時(shí)，實(shí)時(shí)修正轉(zhuǎn)子位置信息，避免誤差累積。

大部分學(xué)生學(xué)習(xí)輪滑都是因?yàn)閷?duì)輪滑運(yùn)動(dòng)的喜愛與好奇，并不是真正的體育愛好者，因此在對(duì)體育運(yùn)動(dòng)前的準(zhǔn)備不夠充分，導(dǎo)致在輪滑運(yùn)動(dòng)前未進(jìn)行熱身運(yùn)動(dòng)以及準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)，致使學(xué)生們?cè)谳喕\(yùn)動(dòng)時(shí)身體各項(xiàng)機(jī)能得不到更好的舒展，從而使身體受到不必要的損壞與傷害。體育運(yùn)動(dòng)雖然分為很多種，但都存在一個(gè)共性問題，即在運(yùn)動(dòng)前應(yīng)該先進(jìn)行準(zhǔn)備運(yùn)動(dòng)，使身體進(jìn)入狀態(tài)之后再進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這樣會(huì)增強(qiáng)身體的反應(yīng)速度，能夠及時(shí)在潛意識(shí)中反應(yīng)過來并且通過身體的肌肉記憶很快做出調(diào)整，減少因身體跟不上反映的現(xiàn)象發(fā)生，防止在運(yùn)動(dòng)過程中身體受到損傷。

2.1增量式編碼器角度測(cè)量原理

由于每個(gè)電角度周期內(nèi)碼盤的計(jì)數(shù)值固定，所以每個(gè)計(jì)數(shù)值即可以表示轉(zhuǎn)子所在的位置信息。根據(jù)旋轉(zhuǎn)電角度一周碼盤的脈沖計(jì)數(shù)值，設(shè)計(jì)sin函數(shù)表，每個(gè)數(shù)表示一個(gè)sin值，再根據(jù)轉(zhuǎn)子所在位置的計(jì)數(shù)值與函數(shù)表的起始位置計(jì)數(shù)值的差值進(jìn)行查表，獲取轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置的sin函數(shù)值。

以采用2500線光電碼盤、3對(duì)極永磁同步電機(jī)的變頻系統(tǒng)為例，用DSP的EQEP的捕獲口[8]對(duì)兩路碼盤脈沖信號(hào)的上升沿和下降沿進(jìn)行捕獲計(jì)數(shù)，捕獲的脈沖數(shù)為實(shí)際碼盤發(fā)出脈沖的4倍，故機(jī)械角度一周實(shí)際捕獲的脈沖數(shù)為10000。

sin函數(shù)表要根據(jù)電角度制作，在一個(gè)電角度周期內(nèi)對(duì)應(yīng)的DSP捕獲的脈沖數(shù)為10000/P=10000/3=3333個(gè)，即為制作的函數(shù)表的長(zhǎng)度。也就是說將一個(gè)360°周期的sin值用函數(shù)表內(nèi)的3333 個(gè)數(shù)表示，對(duì)于電角度而言每個(gè)數(shù)表示的最小精度為360/3333的sin值。

在討論如何查詢sin函數(shù)值之前有必要明確兩個(gè)概念: 函數(shù)表的起始位置和轉(zhuǎn)子的零位置。轉(zhuǎn)子的零位置即轉(zhuǎn)子處于該位置時(shí)其對(duì)應(yīng)的sin值為sin0°，此位置取決于編碼器的安裝位置，本系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子零位置為圖2中a軸位置。函數(shù)表的起始位置表示函數(shù)表的第一個(gè)值對(duì)應(yīng)的實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角。本系統(tǒng)的函數(shù)表起始位置是以轉(zhuǎn)子電角度210°為起始點(diǎn)(如圖2中b軸位置)，即函數(shù)表的第一個(gè)值表示sin210°的值。

圖2　轉(zhuǎn)子矢量圖

只要知道當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置的碼盤脈沖數(shù)與函數(shù)表起始位置即轉(zhuǎn)子處于電角度210°時(shí)對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)的差值ΔPHASE，即可根據(jù)此差值進(jìn)行查表，獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)的sinθ的函數(shù)值。下文中的相位偏差ΔPHASE均指的是檢測(cè)到的位置脈沖數(shù)與函數(shù)表起始位置的差值。例如當(dāng)轉(zhuǎn)子電角度處于a軸的位置時(shí)，此時(shí)相位偏差值為(360-210)×3333/360=1389，此時(shí)查表，查取的為函數(shù)表的第1389個(gè)數(shù)的值，對(duì)應(yīng)于實(shí)際的函數(shù)值為sin0°的值。

由于整個(gè)sin表的實(shí)際長(zhǎng)度為3333，90°電角度對(duì)應(yīng)的實(shí)際偏差為3333/4=833，因而在得到一個(gè)實(shí)際相位的偏差ΔPHASE，查表取得正弦值后，可以通過:

ΔPHASE=ΔPHASE+833

(1)

查詢它的余弦值。

2.2電機(jī)初次起動(dòng)時(shí)刻轉(zhuǎn)子位置定位

根據(jù)增量式碼盤原理，UVW信號(hào)把電角度周期分為六個(gè)區(qū)，每個(gè)區(qū)對(duì)應(yīng)電角度為60°。在電機(jī)初次起動(dòng)時(shí)刻，碼盤的計(jì)數(shù)脈沖為0，只能依據(jù)UVW的值確定轉(zhuǎn)子所處的極性工作區(qū)域(圖2中兩條虛線之間區(qū)域)。由于碼盤輸出的UVW以及相位的固定關(guān)系，可以計(jì)算出各個(gè)極性區(qū)域中性線對(duì)應(yīng)的初始相位偏差值ΔPHASE0，如表1所示。

表1　各個(gè)極性區(qū)域中性線對(duì)應(yīng)的初始相位偏差值

ΔPHASE=ΔPHASE0=1389

(2)

其他區(qū)域的處理方法相同。

2.3轉(zhuǎn)子位置自修正原理

由于電機(jī)初始起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子不能準(zhǔn)確定位，如果每次都只根據(jù)初始相位偏差值來查詢對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置的sin值，均會(huì)有±30°的誤差值存在，這樣轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置與通過計(jì)算檢測(cè)得到的轉(zhuǎn)子位置值永遠(yuǎn)存在著偏差，始終無法精確地確定轉(zhuǎn)子所對(duì)應(yīng)的位置，從而影響電機(jī)的控制效果。為了消除這種誤差，提出轉(zhuǎn)子自修正方法。

由于UVW開始改變時(shí)可以肯定此時(shí)轉(zhuǎn)子位置位于兩個(gè)極性區(qū)域的臨界位置。例如當(dāng)UVW的值由001變?yōu)?11時(shí)，如圖2所示，可以確定轉(zhuǎn)子剛剛跨越2軸的位置，此時(shí)轉(zhuǎn)子的位置角度應(yīng)該以2軸位置所對(duì)應(yīng)的角度來衡量，而不是以011區(qū)域中性線的角度來衡量。確定了轉(zhuǎn)子位置，就可以確定此時(shí)轉(zhuǎn)子位置與函數(shù)表初始位置之間的偏差值為ΔPH=1/3×3333，如果記錄此刻的碼盤脈沖數(shù)CUR_POS0，將函數(shù)表初始位置的脈沖計(jì)數(shù)值PH_ZERO修正為跨區(qū)時(shí)刻的碼盤計(jì)數(shù)值CUR_POS0與ΔPH之差即:

PH_ZERO=CUR_POS0-1/3×3333

從而這個(gè)極性工作區(qū)域內(nèi)的相位偏差值可根據(jù)實(shí)時(shí)獲取的碼盤計(jì)數(shù)值CUR_POS計(jì)算，即:

ΔPHASE=CUR_POS-PH_ZERO

(3)

同理，如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)出當(dāng)前的極性工作區(qū)，檢測(cè)到UVW的值變化后，再一次根據(jù)跨區(qū)時(shí)碼盤的計(jì)數(shù)值CUR_POS0以及此刻相位偏差值ΔPH修正函數(shù)表初始位置脈沖計(jì)數(shù)值PH_ZERO。這樣每經(jīng)過一次跨區(qū)，都要修正一次函數(shù)表初始位置脈沖計(jì)數(shù)值PH_ZERO，不僅能夠消除當(dāng)前極性工作區(qū)域內(nèi)的計(jì)數(shù)誤差，也避免了誤差的累積，達(dá)到了實(shí)時(shí)修正轉(zhuǎn)子位置信息的目的，更準(zhǔn)確地獲得轉(zhuǎn)子位置對(duì)應(yīng)的sin值。

3轉(zhuǎn)子自修正方法的軟件實(shí)現(xiàn)

軟件設(shè)計(jì)中，在每個(gè)極性工作區(qū)變換時(shí)刻都要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行修正。修正的辦法為每跨越一個(gè)區(qū)，函數(shù)表初始位置脈沖計(jì)數(shù)值PH_ZERO將被重新定義。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)每個(gè)載波周期內(nèi)都要檢測(cè)UVW的變化，實(shí)時(shí)修正函數(shù)表初始位置脈沖計(jì)數(shù)值PH_ZERO。在極性工作區(qū)內(nèi)的sin值要根據(jù)CUR_POS和修正后的PH_ZERO差值進(jìn)行查表得到。CUR_POS0表示剛檢測(cè)到UVW跨區(qū)時(shí)刻的碼盤脈沖計(jì)數(shù)值。ΔPH表示跨區(qū)發(fā)生時(shí)刻，轉(zhuǎn)子位置與函數(shù)表初始位置之間的相位差值，在轉(zhuǎn)子跨越不同極性工作區(qū)時(shí)ΔPH的值不同，例如當(dāng)檢測(cè)到UVW從101變化到001時(shí)ΔPH的值為1/2/3333。CUR_POS表示當(dāng)前實(shí)時(shí)捕獲的碼盤脈沖計(jì)數(shù)值。

4誤差分析與修正

由于DSP檢測(cè)UVW信號(hào)存在一定的延遲，故當(dāng)檢測(cè)到UVW狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置已經(jīng)超過了該極性工作區(qū)的起始位置。如圖3所示，假設(shè)上個(gè)載波周期，轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置位于點(diǎn)A的左側(cè)區(qū)域，此時(shí)的脈沖位置采樣，采用的是當(dāng)前的脈沖值，當(dāng)下個(gè)載波周期運(yùn)行時(shí)，如果轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置位于點(diǎn)A的右側(cè)區(qū)域，而此時(shí)在位置脈沖實(shí)際運(yùn)算過程中，采用位置檢測(cè)值為轉(zhuǎn)子換相點(diǎn)A對(duì)應(yīng)的脈沖值，這與實(shí)際轉(zhuǎn)子對(duì)應(yīng)的位置脈沖值存在著一定的偏差。這個(gè)偏差與實(shí)際電機(jī)的轉(zhuǎn)速有著一定的聯(lián)系，速度越高，換相期間位置脈沖采樣的角度偏差也就越大，因而在實(shí)際運(yùn)行中，系統(tǒng)運(yùn)行的性能也就越差，容易導(dǎo)致?lián)Q相時(shí)的脈動(dòng)電流過大。

圖3　極性檢測(cè)點(diǎn)分析圖

針對(duì)換向期間的誤差可以通過增加查表修正值來處理，對(duì)應(yīng)已知轉(zhuǎn)速Nr/min，載波頻率為10kHz，碼盤線數(shù)為2500線的系統(tǒng)來說，一個(gè)載波周期內(nèi)，位置脈沖最大可能的誤差值可以通過式(4)、式(5)計(jì)算:

M=N×10000(一分鐘內(nèi)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速N下

位置脈沖最大可能的誤差值)

(4)

E=N×10000/(60×10000)(單位載波周期內(nèi)

對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速N下位置脈沖最大可能的誤差值)

(5)

在已知轉(zhuǎn)速N、開關(guān)頻率f及碼盤線數(shù)2500的情況下，可以計(jì)算出單位載波周期內(nèi)的最大脈沖誤差值，從而修正查表時(shí)的ΔPHASE值。

5試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)以上理論分析，在獨(dú)立設(shè)計(jì)的變頻系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證[9]，變頻系統(tǒng)主控芯片采用DSP28335，載波頻率選擇10kHz，逆變電路采用三相半橋式結(jié)構(gòu)，直流母線采用直流可調(diào)電源供電方式，IGBT參數(shù)選擇1200V/100A，所帶負(fù)載電機(jī)為永磁同步電機(jī)，電機(jī)參數(shù)如下: 額定電流5A；額定電壓200V；額定功率800W；額定轉(zhuǎn)矩5N·m；極對(duì)數(shù)3。

圖4表示母線電壓200V，轉(zhuǎn)速由0突加至200r/min時(shí)轉(zhuǎn)速波形，轉(zhuǎn)速波形由DA芯片輸出，每伏電壓表示100r/min的轉(zhuǎn)速。可以看出系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確跟蹤給定轉(zhuǎn)速。

圖4　突加轉(zhuǎn)速時(shí)轉(zhuǎn)速波形

圖5表示母線電壓200V、轉(zhuǎn)速200r/min，在突加負(fù)載時(shí)相電流波形。可以看出系統(tǒng)有良好的抗干擾能力。

圖6表示母線電壓200V、轉(zhuǎn)速700r/min時(shí)的線電壓波形(通道衰減10)，可見系統(tǒng)線電壓波形良好。

圖5　突加負(fù)載時(shí)相電流波形

圖6　線電壓波形

6結(jié)語

由試驗(yàn)結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子自修正方法無需使用繁瑣的初始位置檢測(cè)即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的修正與定位，準(zhǔn)確獲得轉(zhuǎn)子位置角度信息，使變頻系統(tǒng)能夠可靠穩(wěn)定運(yùn)行，并具有較強(qiáng)的抗干擾能力，具有一定的實(shí)用性。

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*基金項(xiàng)目： 混合動(dòng)力乘用車機(jī)電耦合系統(tǒng)開發(fā)及產(chǎn)業(yè)化(1501021004)

Rotor Position Automatic Correction Method of Permanent

Magnet Synchronous Motor

ZHANGFengkui，LIUYancheng，GUOHaohao

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Abstract：It was necessary for the permanent magnet synchronous motor (PMSM) variable frequency system to has a accurate rotor position detection. Usually, incremental encoder can’t give accurate rotor position, to ensure stable operation of motor we need to initial rotor position. However, most of the rotor initial position location methods are difficult to implement or not suitable for practical applications. To resolve the question mentioned above, a method did not need to initial rotor position accurately, correcting the rotor position automatically was presented. Finally, in order to prove the method, a experiment was carried on, the results showed that the method was feasible and practical.

Key words：permanent magnet synchronous motor (PMSM); rotor position correction; initial rotor position detect

收稿日期：2015-07-08

中圖分類號(hào)：TM 351

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1673-6540(2015)12- 0059- 05

通訊作者：張峰魁