同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法

汪 偉，李盛雄，胡華成，朱 磊

應(yīng)用研究

同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法

汪 偉，李盛雄，胡華成，朱 磊

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

本文分析了同步電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)電動(dòng)勢(shì)與初始位置的規(guī)律，提出檢測(cè)初始位置的相關(guān)因素，并總結(jié)了檢測(cè)方法，最后舉例說(shuō)明該方法的正確性。

同步電機(jī) 初始位置 檢測(cè)

0 引言

本文介紹了，通過(guò)采樣同步電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)（端電壓），分析計(jì)算同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置。適用于安裝增量式碼盤的同步電動(dòng)機(jī)，包括永磁同步電機(jī)、電勵(lì)磁同步電機(jī)、直流無(wú)刷電機(jī)（方波電機(jī)）的初始位置檢測(cè)。

首先分析了檢測(cè)原理，形成檢測(cè)方法，以及在軟件中的設(shè)置方法。本方法已經(jīng)在三相永磁同步電機(jī)上驗(yàn)證正確。

1 檢測(cè)原理

1.1 電機(jī)正轉(zhuǎn)的原理分析

圖1給出了同步電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)時(shí)的物理模型[1]，圖2是同步電機(jī)正轉(zhuǎn)的電動(dòng)勢(shì)波形。其電樞繞組空載電動(dòng)勢(shì)近似為正弦波。電機(jī)運(yùn)行在空載發(fā)電狀態(tài)或空載電動(dòng)狀態(tài)，輸出端電壓即為電樞繞組空載電動(dòng)勢(shì)。以此為例，說(shuō)明檢測(cè)初始位置[2]的原理。

圖1 同步電機(jī)正轉(zhuǎn)的物理模型

圖2 同步電機(jī)正轉(zhuǎn)的電動(dòng)勢(shì)波形圖

同步電機(jī)空載正轉(zhuǎn)時(shí)，三相繞組對(duì)應(yīng)的磁鏈為：

定子三相繞組的電動(dòng)勢(shì)為：

根據(jù)式（1）和式（2）說(shuō)明：

電機(jī)正向旋轉(zhuǎn)（以電機(jī)出力端部為視角，電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)為正向）時(shí)存在關(guān)系：

1）為正，總正向超前ψ角度為90°。在時(shí)域圖上，體現(xiàn)為的超前ψ角度為90°，并且和以相同的角頻率正向旋轉(zhuǎn)。

2）三相磁鏈和電動(dòng)勢(shì)存在關(guān)系：A超前B、B超前C、C超前A。

以A相為例分析電動(dòng)勢(shì)的大小、過(guò)零點(diǎn)和轉(zhuǎn)子初始位置的關(guān)系：

1）當(dāng)=0，且在負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)，ψ正向最大，即d軸與α軸（+A）重回；此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角為0；

2）當(dāng)≤0時(shí)，轉(zhuǎn)子正向旋轉(zhuǎn)，ψ從正向最大減小到負(fù)向最大，轉(zhuǎn)子d軸與α軸的夾角在0～180°電角度之間；

3）當(dāng)≥0時(shí)，轉(zhuǎn)子繼續(xù)正向旋轉(zhuǎn)，ψ從負(fù)向最大變化到正向最大，轉(zhuǎn)子d軸與α軸的夾角在180～360°電角度之間。

以A相電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)和ABC三相的相序，就能判斷出正弦波同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的空間位置[3]。

以三相定子繞組電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就能判斷出方波電機(jī)轉(zhuǎn)子的六個(gè)空間位置。

安裝增量式碼盤（碼盤有AB正交脈沖和零位置Z三種）的同步電機(jī)，由于安裝時(shí)的碼盤固定不確定性和轉(zhuǎn)子軸位置的隨意性，在電機(jī)第一次啟動(dòng)前無(wú)法通過(guò)增量式碼盤檢測(cè)出電機(jī)的位置。

下面分析如何利用增量式碼盤的Z脈沖，獲取安裝碼盤引入的轉(zhuǎn)子初始位置λ。

如圖2所示，Z脈沖與負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的夾角為λ= 126°（電角度）。因此，當(dāng)Z脈沖出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置=λ= 126°（電角度）。

2.2 電機(jī)反轉(zhuǎn)的原理分析

圖3 同步電機(jī)反轉(zhuǎn)的物理模型

圖4 同步電機(jī)反轉(zhuǎn)的電動(dòng)勢(shì)波形圖

同步電機(jī)空載反轉(zhuǎn)時(shí)，三相繞組對(duì)應(yīng)的磁鏈為：

同步電機(jī)空載反轉(zhuǎn)時(shí)，三相繞組反電動(dòng)勢(shì)：

因此，電機(jī)反向旋轉(zhuǎn)時(shí)，存在關(guān)系：

1）為負(fù)，e總反向超前ψ角度為90°。在時(shí)域圖上，體現(xiàn)為e的超前ψ角度為90°，并且e和ψ以相同的角頻率正向旋轉(zhuǎn)。

2）三相磁鏈和電動(dòng)勢(shì)存在關(guān)系：A超前C、C超前B、B超前A。

以A相為例分析電動(dòng)勢(shì)的大小、過(guò)零點(diǎn)和轉(zhuǎn)子初始位置的關(guān)系：

1）當(dāng)e=0，且e在負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)，ψ正向最大，即d軸與α軸（+A）重回；此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置角為0；

2）當(dāng)e≤0時(shí)，轉(zhuǎn)子負(fù)向旋轉(zhuǎn)，ψ從正向最大減小到負(fù)向最大，轉(zhuǎn)子d軸與α軸的夾角在0～-180°電角度之間，即360～180°之間變化；

3）當(dāng)e≥0時(shí)，轉(zhuǎn)子繼續(xù)負(fù)向旋轉(zhuǎn)，ψ從負(fù)向最大變化到正向最大，轉(zhuǎn)子d軸與α軸的夾角在-180～-360°電角度之間，即180～0°之間變化。

以A相電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)和ABC三相的相序，就能判斷正弦波同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的空間位置。

以三相定子繞組電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就能判斷出方波電機(jī)轉(zhuǎn)子的六個(gè)空間位置。

在電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，獲取安裝碼盤引入的轉(zhuǎn)子初始位置[4～5]。如圖4所示，Z脈沖與e負(fù)向過(guò)零點(diǎn)之間的夾角為λ= -126°（電角度）。因此，當(dāng)Z脈沖出現(xiàn)時(shí)，轉(zhuǎn)子位置=λ= -126°（電角度）。

2 初始位置的檢測(cè)方法

2.1 檢測(cè)的相關(guān)因素

在實(shí)際檢測(cè)安裝增量式碼盤引入的轉(zhuǎn)子初始位置角λ時(shí)，與如下幾個(gè)因素有關(guān)：

1）電機(jī)輸出端A、B、C三相的定義，即在連接電纜時(shí)，三相電纜與繞組一致性。存在相序一致性：相序相同（正序）/ 相序相反（負(fù)序）。用符號(hào)SABC表示相序。SABC=+1，正序。SABC = -1，負(fù)序；

2）碼盤的安裝位置：電機(jī)出力端（正對(duì)著電機(jī)軸線的出力端，即出力端的延長(zhǎng)線上） / 電機(jī)非出力端。用符號(hào)Sm表示安裝方位。Sm=+1，非出力端安裝，此時(shí)，AB脈沖計(jì)數(shù)器T2CNT增計(jì)數(shù)。Sm=-1，出力端安裝，此時(shí)，AB脈沖計(jì)數(shù)器T2CNT減計(jì)數(shù)。

3）電機(jī)極對(duì)數(shù)；

4）線數(shù)；

5）電機(jī)輸出端電頻率。即電動(dòng)勢(shì)基波周期T；

6）沖到A相電動(dòng)勢(shì)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間ΔTAZ。某些場(chǎng)合無(wú)法檢測(cè)到A相電動(dòng)勢(shì)，而以輸出端線電壓AB的代替。那么該相關(guān)因素為Z脈沖到線電壓AB負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間ΔTABZ。

檢測(cè)工具：至少有2通道的示波器及電壓探頭，最好為4通道示波器及電壓探頭。

另，本方法形成前期，多考慮了一個(gè)相關(guān)因素，即電機(jī)轉(zhuǎn)向Sn。Sn=1表示電機(jī)正轉(zhuǎn)；Sn=-1表示電機(jī)反轉(zhuǎn)。但是在HTS上多次測(cè)試，表明，結(jié)果與電機(jī)轉(zhuǎn)向無(wú)關(guān)。

3.2 檢測(cè)步驟

常見(jiàn)的檢測(cè)步驟如下：

1）A、B、C三相相序是否為正序。如果為負(fù)序，則重新定義輸出端的A、B、C端子；

2）碼盤安裝方位；

3）正向穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，同時(shí)檢測(cè)A相電動(dòng)勢(shì)和Z脈沖，獲得電動(dòng)勢(shì)的基波周期和Z脈沖到A相電動(dòng)勢(shì)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間（或者Z脈沖到線電壓UAB負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間）；

4）計(jì)算方法得到安裝碼盤引入的轉(zhuǎn)子初始位置λ0，其中SABC=+1，Sm=+1。

在各種場(chǎng)合可以采用如下通用的檢測(cè)步驟：

1）A、B、C三相相序；

2）正向穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，同時(shí)檢測(cè)A相電動(dòng)勢(shì)和Z脈沖，獲得電動(dòng)勢(shì)的基波周期和Z脈沖到A相電動(dòng)勢(shì)負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間（或者Z脈沖到線電壓UAB負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間）；

3）計(jì)算得到安裝碼盤引入的轉(zhuǎn)子初始位置λ。

3 實(shí)例

某三相永磁同步電機(jī)發(fā)電時(shí)，輸出電壓正序，碼盤位置安裝為非出線端，碼盤為Meyle的2048線增量式光電碼盤，2對(duì)極，Z脈沖到A相負(fù)向過(guò)零點(diǎn)時(shí)間為96 ms，穩(wěn)定運(yùn)行基波周期為1 100 ms。

4 總結(jié)

本文分析了同步電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)時(shí)，電動(dòng)勢(shì)與初始位置的規(guī)律，提出檢測(cè)初始位置的相關(guān)因素，并總結(jié)了初始位置的檢測(cè)方法，然后以某三相永磁同步電機(jī)為例，說(shuō)明該方法的正確性。

[1] 李志民, 張遇杰編著. 同步電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2001,1.

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[3] 李新旻, 陳偉, 張國(guó)政等. 基于高頻信號(hào)耦合注入的內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法[J].電機(jī)與控制應(yīng)用, 2021, 48(05): 7-13.

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A electromotive force detection method for initial position of synchronous motor based on

Wang Wei, Li Shengxiong, Hu Huacheng, Zhu Lei

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM341

A

1003-4862（2022）07-0016-03

2021-11-10

本論文受“湖北省青年拔尖人才培養(yǎng)計(jì)劃”資助

汪偉（1980-），男，高級(jí)工程師，研究方向：電力電子，系統(tǒng)控制。E-mail：1504268594@qq.com