基于雙軸磁路的pmsm轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法

基于雙軸磁路的pmsm轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法

0基于空間凸極或凸極效應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置檢測為了準(zhǔn)確控制pmms的高性能，如向量控制和直接旋轉(zhuǎn)控制，我們必須清楚地知道旋轉(zhuǎn)的初始位置。如果轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)誤差較大，會導(dǎo)致無法正確選擇合適的電壓空間矢量使之順利起動。對于直接轉(zhuǎn)矩控制來說，如果轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)誤差超過±30°電角度，則會在錯誤的扇區(qū)里選用電壓矢量作用于電機(jī)，最終導(dǎo)致控制失敗。因此，能否對轉(zhuǎn)子初始位置進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)是PMSM高性能控制策略實(shí)現(xiàn)的前提條件，更是PMSM無傳感器方式運(yùn)行的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。電機(jī)固有的空間凸極或因磁路飽和引起的空間凸極效應(yīng)與轉(zhuǎn)子位置具有確定的關(guān)系，因而利用電機(jī)固有的空間凸極或凸極效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置的檢測或跟蹤。文獻(xiàn)提出在電機(jī)中注入幅值相同、方向不同的系列電壓脈沖，檢測并比較相應(yīng)電流的大小來估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置，再根據(jù)定子鐵心的非線性磁化特性來判斷永磁體的N/S極極性。這種方法可行但具有一定缺陷：如果注入電壓幅值太大、作用時間太長，則在檢測過程中會造成轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；如果注入電壓幅值太小、作用時間太短，測出的電流差值可能太小，則無法準(zhǔn)確估算出轉(zhuǎn)子的位置。文獻(xiàn)提出基于脈振和旋轉(zhuǎn)高頻信號注入的2種方法實(shí)現(xiàn)凸極PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測，再根據(jù)定子鐵心非線性磁化特性檢測永磁體極性。這種方法在判斷轉(zhuǎn)子位置時不但需要PID調(diào)節(jié)器，還需要轉(zhuǎn)動慣量的估計(jì)值。而在判別永磁體N/S極極性時，需要計(jì)算二階導(dǎo)數(shù)，不便于實(shí)際應(yīng)用。文獻(xiàn)提出了利用電機(jī)固有的空間凸極追蹤轉(zhuǎn)子位置的方法。對空間凸極不明顯的隱極PMSM和感應(yīng)電機(jī)，必須首先設(shè)法使這類電機(jī)具有空間凸極效應(yīng)，然后才有可能提取出轉(zhuǎn)子位置信息。文獻(xiàn)提出了基于脈振高頻信號注入的感應(yīng)電機(jī)和隱極PMSM無速度傳感器控制策略，但文獻(xiàn)使用的電機(jī)經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，不具普遍性，特別是其定子采用閉口槽，這會增加漏磁和損耗，影響電機(jī)的運(yùn)行效率。本文從高頻激勵下的PMSM數(shù)學(xué)模型出發(fā)，應(yīng)用有限元仿真軟件研究了高頻激勵下隱極PMSM的空間凸極效應(yīng)，利用d、q軸磁路飽和程度的差異來檢測其轉(zhuǎn)子初始位置，再根據(jù)定子鐵心的非線性磁化特性，判斷出永磁體的N/S極極性。最后通過兩臺隱極和凸極PMSM的轉(zhuǎn)子初始位置檢測實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出方法的有效性，繼而實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的可靠起動和運(yùn)行。1測量估算坐標(biāo)系高頻激勵下的PMSM電壓方程為式中：udh、uqh和idh、iqh分別為轉(zhuǎn)子d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下高頻定子電壓、電流分量；Rdh、Rqh和Ldh、Lqh分別為該坐標(biāo)系下各軸高頻電阻和電感；D為微分算子。假定注入到電機(jī)中的高頻信號的頻率為ωh，則穩(wěn)態(tài)下式(1)可寫為式中：zdh和zqh分別為轉(zhuǎn)子速旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)下的d、q軸高頻阻抗。圖1為估算坐標(biāo)系和實(shí)際d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系間關(guān)系。定義軸與定子A相繞組軸線a軸夾角為估算角，實(shí)際轉(zhuǎn)子位置角為θ，估算的軸和實(shí)際d軸間夾角為?θ實(shí)際坐標(biāo)系和估算坐標(biāo)系中變量關(guān)系為式中：fd、fq為d-q坐標(biāo)系下的變量；為估算坐標(biāo)系下的變量。估算坐標(biāo)系下PMSM高頻電壓方程式為式中zavg和zdiff分別為d軸和q軸高頻阻抗的平均值和差值，即令則在估算坐標(biāo)系下PMSM高頻模型為式中分別為估算坐標(biāo)系軸高頻阻抗及耦合高頻阻抗。對于凸極PMSM,zdiff≠0；對于如圖2所示的兩極隱極PMSM,d-q坐標(biāo)系下實(shí)際的d軸繞組線圈邊固定在q軸上，實(shí)際的q軸繞組線圈邊固定在d軸上。由于永磁體的存在，q軸繞組附近的定子鐵心飽和程度要高于d軸繞組附近的定子鐵心，因此高頻激勵下q軸的高頻阻抗較d軸小，因而也有zdiff≠0，這就是飽和凸極效應(yīng)的表現(xiàn)。當(dāng)估算坐標(biāo)系的估算位置角變化時，轉(zhuǎn)子位置估計(jì)偏差?θ也變化，導(dǎo)致估算坐標(biāo)系下的高頻阻抗也變化。這樣，通過不斷改變估算位置角，測出高頻信號作用下估算坐標(biāo)系中高頻阻抗變化趨勢，就可確定出永磁體的空間位置。再根據(jù)定子鐵心的非線性磁化特性，確定出永磁體的N、S極性。2高頻響應(yīng)電流高頻電壓信號注入和高頻電流響應(yīng)提取對獲得準(zhǔn)確的高頻阻抗和實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置精確定位十分重要。不同估算位置角下三相高頻電壓激勵源的注入方式如圖3所示。圖中C2r/3s為兩相旋轉(zhuǎn)到三相靜止坐標(biāo)變換。即在三相高頻電壓作用下，可得三相高頻電流響應(yīng)，經(jīng)圖4處理過程，可得指定估算角下高頻阻抗。圖中C3s/2r為C2r/3s的逆變換，高頻響應(yīng)信號=Idhcos(ωht+γ)幅值提取過程則如圖5所示。圖中，LPF為低通濾波器。高頻響應(yīng)電流可分解為分別乘以cosωht、sinωht，則有式(11)、(12)經(jīng)低通濾波器濾波后，有則高頻電流信號幅值為求出高頻電流幅值之后，根據(jù)|zdh|=Udh/Idh，可求得指定估算角下的高頻阻抗。這種幅值提取方法能夠有效抑制中高頻和低頻干擾對幅值提取的影響。例如中含有低頻干擾信號中含有其他高頻干擾信號時分析方法類似)，從圖5看出，中的低頻信號通過乘法器后得，這2個信號會被低通濾波器所抑制，使得低頻信號的存在對幅值的正確提取影響不大。3高頻抗菌性特性為了分析高頻激勵下隱極PMSM的高頻阻抗特性與永磁磁極空間位置關(guān)系，須進(jìn)行PMSM的電磁場分析，1臺4極隱極PMSM定、轉(zhuǎn)子鐵心結(jié)構(gòu)如圖6所示，定子繞組相屬分布如圖7所示。圖7A、B、C表示電流由紙內(nèi)指向紙外，-A、-B、-C表示電流由紙外指向紙內(nèi)。且假定A相定子繞組軸線和永磁體N極方向一致，如圖6所示。圖8為在估算角?θ=0°處注入40V-400Hz高頻電壓信號下電機(jī)的磁場分布。圖9為注入高頻電壓幅值40V、頻率分別為400、600、800Hz時的高頻阻抗特性。圖10為注入頻率400Hz、電壓幅值分別為20、40、60V時的高頻阻抗特性。由圖9可知：(1)在注入相同高頻電壓幅值的情況下，高頻阻抗隨著頻率的增加而增加，可見高頻感抗是高頻阻抗的主要成分；(2)當(dāng)高頻信號在估算角0°、180°、360°位置注入時，因相當(dāng)于在d軸上注入，求得的高頻阻抗最大，而在估算角90°、270°位置注入時，因相當(dāng)于在q軸上注入，求得的高頻阻抗最小，根據(jù)圖2，由于永磁體的存在，q軸繞組附近的定子鐵心飽和程度要高于d軸繞組附近的定子鐵心處，因此高頻激勵下，d軸的高頻阻抗大于q軸的高頻阻抗；(3)在各種頻率下，差值阻抗zdiff均可達(dá)到平均阻抗zavg的80%，因此，注入到電機(jī)中的高頻信號引起PMSMd、q軸磁路飽和程度的差異能使隱極PMSM具有可鑒別的空間凸極效應(yīng)；(4)根據(jù)高頻阻抗大小與注入位置關(guān)系，最大阻抗處對應(yīng)的估算角就是永磁磁極的d軸，由此可確定永磁體的空間位置在0°和180°處，相應(yīng)于永磁體的N、S極，故需進(jìn)一步進(jìn)行極性鑒別。由圖10可知：隨電壓的增加，q軸高頻阻抗變化很小，這是因?yàn)閝軸繞組附近的定子鐵心飽和程度變化較小所致；d軸高頻阻抗變化明顯，正是d軸磁路飽和變化較大的結(jié)果。這樣，可以在確定出永磁體的空間位置后，根據(jù)定子鐵心的非線性磁化特性來確定永磁體的N、S極性。根據(jù)圖11，應(yīng)先在0°方向注入一個幅值恒定、持續(xù)一定時間的脈沖信號，測出電流響應(yīng)id1；然后在180°方向上注入一個同樣的脈沖信號，測出電流為id2，若id1>id2，說明id1起增磁作用，則N極方向指向0°方向，與永磁體轉(zhuǎn)子初始位置設(shè)置的方向相一致。4高頻安裝信號對隱極pmsm拉動的影響為驗(yàn)證上述分析的正確性，選用1臺隱極PMSM進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。電機(jī)參數(shù)見附錄部分。實(shí)驗(yàn)中，首先通過加恒定電壓矢量使轉(zhuǎn)子N極定位在90°電角度處。圖12為注入電壓幅值為30V、不同頻率時實(shí)測的高頻阻抗特性，圖13為注入頻率為550Hz、不同電壓幅值時實(shí)測的高頻阻抗特性。從圖12看出：(1)任何估算角下30V-550Hz高頻電壓信號作用下比30V-450Hz高頻電壓信號作用下所產(chǎn)生的高頻阻抗大，說明頻率是影響高頻阻抗的主要因素；(2)最大阻抗出現(xiàn)在估算角90°、270°；最小阻抗出現(xiàn)在估算角0°、180°、360°。這是因?yàn)閷?shí)際d軸設(shè)定在90°位置處，高頻激勵下的d軸高頻阻抗應(yīng)大于q軸的高頻阻抗；(3)不同高頻信號作用下，差值阻抗zdiff均可達(dá)到平均阻抗zavg的60%，因此通過注入高頻信號，可使隱極PMSM也能具有可檢測的空間凸極效應(yīng)。由圖13可知：隨電壓的增加，q軸高頻阻抗變化稍小于d軸高頻阻抗變化，原因是d軸磁路飽和程度變化大于q軸磁路變化，這些現(xiàn)象與有限元仿真的結(jié)果相吻合。實(shí)驗(yàn)中，也對永磁體設(shè)置在其他位置進(jìn)行了高頻阻抗估算，由此獲得的轉(zhuǎn)子初始位置檢測誤差均小于5°電角度，滿足PMSM起動、定位要求。若將d軸設(shè)置在90°電角度處，根據(jù)圖11所示的定子鐵心的非線性磁化特性，先在90°位置注入一個幅值恒定為40V、持續(xù)時間600ms的脈沖信號，測出電流響應(yīng)id1；然后再在270°位置注入一個同樣的脈沖信號，測出電流id2，發(fā)現(xiàn)id1>id2，說明id1起增磁作用，表明永磁體N極方向指向90°方向，與永磁體初始位置設(shè)置的方向相一致。為了驗(yàn)證位置自檢測的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了有、無位置傳感器的起動運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，圖14(a)和(b)分別為使用絕對編碼器的U、V、W信號和高頻注入方法轉(zhuǎn)子初始位置自檢測實(shí)現(xiàn)PMSM起動的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。由圖14(a)看出，由于U、V、W信號檢測出來的會導(dǎo)致電機(jī)出現(xiàn)先倒轉(zhuǎn)再正轉(zhuǎn)的不正常起動；而采轉(zhuǎn)子初始位置最大誤差可達(dá)到±30°電角度，用本文高頻信號注入方法估計(jì)轉(zhuǎn)子初始位置時，由于估計(jì)精度高，電機(jī)起動正常、平滑，如圖14(b)所示。5高頻抗辯特性為了說明本文方法的有效性和普遍意義，對一臺凸極PMSM也進(jìn)行了轉(zhuǎn)子初始位置檢測和永磁體N、S極極性判斷的實(shí)驗(yàn)。電機(jī)參數(shù)見附錄凸極PMSM部分。實(shí)驗(yàn)中，首先通過加恒定電壓矢量方法使轉(zhuǎn)子N極定位在90°電角度處。圖15為注入電壓幅值50V、不同頻率時實(shí)測的高頻阻抗特性，圖16為注入450Hz、不同電壓幅值時候?qū)崪y的高頻阻抗特性。理論上講，凸極PMSM高頻阻抗特性應(yīng)近似成正弦分布，但從圖15、16中看出，在30～60°、120～150°、210～240°、300～330°電角度范圍內(nèi)高頻阻抗特性發(fā)生畸變，說明電機(jī)的氣隙磁場非正弦分布，具有內(nèi)部缺陷。但即使對這種磁場分布不理想的凸極永磁電機(jī)，也可以采用本文方法成功地檢測出永磁體位置。從圖16看出，最大阻抗出現(xiàn)在估算角90°、270°；最小阻抗出現(xiàn)在估算角0°、180°、360°。而實(shí)際d軸設(shè)置在900位置處，因此高頻激勵下，d軸的高頻阻抗大于q軸的高頻阻抗；最大阻抗處對應(yīng)的估算角就是永磁體的位置角。其極性判別方法與隱極PMSM相同。6轉(zhuǎn)子初始位置的檢測本文對基于高頻信號注入的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測從理論、仿真、實(shí)驗(yàn)3方面進(jìn)行了分析研