永磁同步電機找初始相位方法

1、基于磁定位原理的永磁同步電機轉(zhuǎn)子初始位置定位研究黎永華，皮佑國（華南理工大學自動化科學與工程學院，廣州，510640）摘要：提出了一種基于磁定位原理的轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，通過給電機施加電流矢量，根據(jù)電機轉(zhuǎn)動方向與施加的電流矢量角之間的關(guān)系，不斷改變電流矢量角實現(xiàn)縮小定位范圍。定位過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動微小，能滿足需要無運動沖擊機械永磁同步電動機的初始定位要求。論文分析了定位原理并給出了實驗結(jié)果。關(guān)鍵詞：永磁同步電機；初始位置；起動；磁定位中圖分類號：TM 351 文獻標志碼：A Research of the Initial Rotor Position Based on the Principle

2、 of Magnetic OrientationLi Yonghua,Pi Youguo(college of automation science and engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640)Abstract：An positioning method of initial rotor position based on the principle of magnetic orientation that was presented. through the motor perturbation

3、inflict current vector, narrow the scope of location by changing the current vector make use of the relationship between the encoder and the current vector. The process of positioning the rotors rotation small movement, can meet the needs of non-impact machine permanent magnet synchronous motor posi

4、tion of the initial request. Analysis of the principle position and experimental results are given in the paper.Keyword:permanent magnet synchronous motor; initial position; starting;magnetic orientation0 引言永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速性能好的優(yōu)點，因此在工業(yè)控制領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。永磁同步電機調(diào)速系統(tǒng)

5、通常采取在電機上安裝增量式脈沖編碼器來提供轉(zhuǎn)子的位置信息，得以實現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且電機的起動過程也依賴于轉(zhuǎn)子的初始位置信息，但由于在電機起動時電機轉(zhuǎn)子位置是任意的，而增量式編碼器無法提供電機的初始位置信息，因此轉(zhuǎn)子初始位置檢測是電機控制中必須解決的問題。轉(zhuǎn)子初始定位最常用的方法是磁定位法，此方法原理簡單并且可以使轉(zhuǎn)子磁極準確定位，但初始化過程中轉(zhuǎn)子被強行拉到給定位置，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的扭動而不能滿足要求無運動沖擊機械的要求。近年來許多學者對轉(zhuǎn)子的初始位置估算進行了大量的研究，文獻2-4利用電機的磁飽和特性來檢測轉(zhuǎn)子初始位置，當給定子施加的電流矢量與轉(zhuǎn)子磁極N極重合時，定子的電感最小，這種方法理

6、論上可以達到較高估算精確，但是在實際應(yīng)用中，對電流檢測硬件電路要求較高，實現(xiàn)起來具有一定的難度。文獻5-8采用高頻注入法，可以檢測零速下的轉(zhuǎn)子位置，其中旋轉(zhuǎn)高頻電壓注入法更適用于凸極率較高的電機，而脈動高頻信號注入法適用于表面安裝永磁電機，且算法均較復雜。本文的思想是通過給電機定子施加電流矢量，利用增量式編碼器脈沖信號檢測電機轉(zhuǎn)動方向，根據(jù)轉(zhuǎn)動方向與攝動電流矢量的角度關(guān)系，不斷改變電流矢量方向來實現(xiàn)縮小定位范圍，首先介紹轉(zhuǎn)子磁定位方法，再詳細提出基于磁定位原理的定位方法和定位步驟，最后介紹了實驗過程及其結(jié)果。1 轉(zhuǎn)子磁定位法簡介永磁同步電機在dq坐標系下的數(shù)學模型如下，磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩方程

7、為：機械運動方程為：式中為電機磁極對數(shù)，為電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù)，、為d、q軸上的電感量，、為d、q軸上的電流，阻尼系數(shù)，機械角速度，為負載轉(zhuǎn)矩。對于表面式PMSM，于是電磁轉(zhuǎn)矩方程為：。圖1 dq坐標系下電流關(guān)系Fig.1 relationship of current in the dq reference frame如圖1所示，當給定子施加大小為（）方向為的電流矢量時，則電磁轉(zhuǎn)矩方程為 因為、（）固定，如果忽略，則當時，電機逆時針轉(zhuǎn)動；當時，電機順時針轉(zhuǎn)動；當或時，電機不轉(zhuǎn)，可見轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向包含著轉(zhuǎn)子的位置信息，于是可以通過判斷電機的轉(zhuǎn)動方向來實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置定位。磁定位法是通過給永磁同步電機定

8、子通以一個已知大小和方向的電流矢量，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到已知電流矢量對應(yīng)的位置，從而得出轉(zhuǎn)子運行前的初始位置，定位過程如圖2所示。圖2 磁定位法轉(zhuǎn)子相位初始化Fig.2 Rotor phaseinitialization by magnetic orientation 如圖2，設(shè)定位前電機轉(zhuǎn)子磁極N極在、坐標系中任意一個位置角處，給定子施加一個電流矢量：軸分量，軸分量，坐標系相位為的電流矢量，所產(chǎn)生的定子磁場與永磁體轉(zhuǎn)子磁場作用，當+>>時，電機逆時針轉(zhuǎn)動，當-<<時，電機順時針轉(zhuǎn)動，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到+90°位置而停止，這時轉(zhuǎn)子的磁極位置與電流矢量的位置相差90°

9、，從而實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子的初始定位的初始化。通常取使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到軸、A軸、軸三軸重合的位置。2 基于磁定位原理的攝動定位研究磁定位法可以精確實現(xiàn)轉(zhuǎn)子的初始定位，但可能造成轉(zhuǎn)子較大幅度的轉(zhuǎn)動，本文提出基于磁定位原理的攝動定位方法：給定子通以、方向為的電流矢量，電動機在上述電流矢量的作用之下開始旋轉(zhuǎn)，通過編碼器脈沖信號可得到電機的轉(zhuǎn)動方向，一旦檢測到編碼器脈沖數(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)電機轉(zhuǎn)向和給定的電流矢量就可以大致確定電機轉(zhuǎn)子的位置。接著改變電流矢量，使給定的電流矢量更接近電機轉(zhuǎn)子的磁極，再檢測電機的轉(zhuǎn)向。當電機的轉(zhuǎn)向改變時，表明所給矢量越過了磁極，再改變電流矢量。如此反復

10、攝動，直到當電機轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動時，施加的電流矢量方向和轉(zhuǎn)子磁極一致重合，完成電機轉(zhuǎn)子的初始定位。設(shè)轉(zhuǎn)子位置如圖3所示，檢測轉(zhuǎn)子初始位置（即）步驟如下：第一步：按照0-7的順序分別給電機定子施加相同大小不同方向的電流矢量。首先施加電流矢量、=，一旦檢測到編碼器有脈沖輸出變化立即封鎖PWM輸出并使，判斷電機轉(zhuǎn)向，然后施加、=的電流矢量，同樣檢測編碼器，一旦編碼器有脈沖輸出變化便立即封鎖PWM輸出。當相鄰兩個角度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向由順時針變?yōu)槟鏁r針時，可以確定電機磁極N極在這個45°范圍內(nèi)；當轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向由順時針變?yōu)樵O(shè)定足夠時間內(nèi)不轉(zhuǎn)則可以確定電機磁極N極就在這個不轉(zhuǎn)的位置。 第二步：在第一步得出與的基礎(chǔ)

11、上，按照圖4所示，給定子施加電流矢量，取=（+）/2，恢復PWM輸出，檢測編碼器變化情況并判斷方向，一旦變化立即封鎖PWM輸出，如果順時針轉(zhuǎn)動取=（+）/2，逆時針轉(zhuǎn)動則取=（+）/2，不轉(zhuǎn)說明磁極N極位置就在處，然后再二分直到在設(shè)定時間內(nèi)編碼器沒有變化為止。圖3 檢測轉(zhuǎn)子初始位置第一步Fig.3 The first step of the initial rotor position detection圖4 檢測轉(zhuǎn)子初始位置第二步Fig.4 The second step of the initial rotor position detection3 實驗及結(jié)果分析基于TMS320LF28

12、12 DSP平臺實現(xiàn)了算法，按照上訴步驟在CCS編譯環(huán)境中對一臺型號為P10B13100BXS20的三洋永磁同步電機做驗證性實驗，具有6000線增量式編碼器，經(jīng)過4倍頻即電機轉(zhuǎn)動一圈編碼器共產(chǎn)生24000個脈沖，電機逆時針轉(zhuǎn)動編碼器脈沖增加，順時針轉(zhuǎn)動時編碼器脈沖減少。情況一：當電機轉(zhuǎn)子實際位置在=時，執(zhí)行第一步定位后編碼器脈沖數(shù)如表1所示。表中電流矢量幅角乘以45°就是施加的電流矢量角度，脈沖數(shù)Q1是檢測到編碼器脈沖有變化時的編碼器脈沖數(shù)，由于電機存在慣性，脈沖數(shù)Q2是封鎖PWM一段時間確定電機沒有轉(zhuǎn)動后的編碼器脈沖數(shù)，用于下次跟Q1比較判斷轉(zhuǎn)向。表1 =時執(zhí)行第一步后編碼器數(shù)Ta

13、b.1 the number of encoder after the first step(=)電流矢量幅角脈沖數(shù)Q1脈沖數(shù)Q2轉(zhuǎn)動方向000不轉(zhuǎn)12399823996順時針22399023978順時針32397623972順時針42397223972不轉(zhuǎn)52397423982逆時針62398623999逆時針715逆時針由表可知在3位置時轉(zhuǎn)子順時針轉(zhuǎn)動，4位置時轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)，于是得出磁極N極在4位置即180°處。 情況二：當給定電機轉(zhuǎn)子初始位置在=100°時，執(zhí)行第一步定位后編碼器脈沖數(shù)如表2所示。表2 =時執(zhí)行第一步后編碼器數(shù)Tab.2 the number of enc

14、oder after the first step(=)電流矢量幅角脈沖數(shù)Q1脈沖數(shù)Q2轉(zhuǎn)動方向02399923993順時針12399123989順時針22398723985順時針32398923993逆時針42399523999逆時針527逆時針6910逆時針786順時針由表2可以得出轉(zhuǎn)子磁極N極在2、3之間。執(zhí)行第二步定位后編碼器脈沖數(shù)如表3所示。表3 =時執(zhí)行第二步后編碼器數(shù)Tab.3 the number of encoder after the second step(=)電流矢量幅角脈沖數(shù)Q1脈沖數(shù)Q2轉(zhuǎn)動方向2.5810逆時針2.251213逆時針2.125107順時針2.187

15、554順時針2.2187544不轉(zhuǎn)圖5 攝動定位過程Fig.5 Positioning process perturbation由表3以及圖5可以得出轉(zhuǎn)子磁極N極在2.21875即99.84375°處，誤差小于1°。情況三：當給定電機轉(zhuǎn)子初始位置在=196°時，執(zhí)行第一步定位后編碼器脈沖數(shù)如表4所示。表4 =196°時執(zhí)行第一步后編碼器數(shù)Tab.4 the number of encoder after the first step(=)電流矢量幅角脈沖數(shù)Q1脈沖數(shù)Q2轉(zhuǎn)動方向025逆時針1323999順時針22399623991順時針323989239

16、82順時針42398023975順時針52397723980逆時針62398323989逆時針72399123995逆時針由表4可以得出轉(zhuǎn)子磁極N極在4、5之間。執(zhí)行第二步定位后編碼器脈沖數(shù)如表5所示。表5 =196°時執(zhí)行第一步后編碼器數(shù)Tab.5 the number of encoder after the first step(=196°)電流矢量幅角脈沖數(shù)Q1脈沖數(shù)Q2轉(zhuǎn)動方向4.5239971逆時針4.252399923995順時針4.3752399423991逆時針4.31252399323996順時針4.343752399623996不轉(zhuǎn)圖6 攝動定位過程（

17、=196°）Fig.6Positioning process perturbation（=196°）由表5以及圖6可以得出轉(zhuǎn)子磁極N極在4.34375即195.46875°處，誤差小于1°。4 結(jié)語本文提出了一種基于磁定位原理的轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，通過給電機定子施加電流矢量，由電機轉(zhuǎn)向與施加的電流矢量方向之間的關(guān)系來判斷電機轉(zhuǎn)子的位置，并通過不斷改變電流矢量的方向來縮小定位范圍，算法簡單且能獲得較高的定位精度。定位過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動微小，能滿足要求無運動沖擊機械永磁同步電動機的初始定位要求。參考文獻1 王曉明; 王玲.電動機的DSP控制TI公司DSP應(yīng)用M

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