永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極位置的確定與計算

1、GARDEN OF TECHNOLOGY永磁同步電機轉(zhuǎn)子磁極位置的確定與計算Determination and calculation forpositioning rotor poles of PMsynchronous motor河北省電梯檢測中心陳廣培1414引言：在永磁同步電機的控制過程中.轉(zhuǎn)子位遺 的信息趁很重要的沒有轉(zhuǎn)子確切的位鬣就難 以確定定子繞組的控制狀態(tài)電機就可能發(fā)生 速度震蕩甚至失速更談不上實現(xiàn)數(shù)字化的高 席度位置控制然而由于轉(zhuǎn)子存在永磁班 極在不加電時的位置是的機不確定的除了旋 轉(zhuǎn)變壓器和絕對式光電如碼盤等位置傳感器能 夠確定轉(zhuǎn)子初始位世外增鳳型旋轉(zhuǎn)光電編碼 器是不能判新

2、轉(zhuǎn)子條止時的位置.因此永磁同 步電機初始轉(zhuǎn)子位置的確定對永磁同步電機的 控制是十分關堆的.永磁同步電機轉(zhuǎn)子的初始位it是用轉(zhuǎn)子題 極的位置角來確定的.通常有2類基本確定方 法一類超脈沖電壓注入法:定子繞組輸入脈沖電壓產(chǎn)生固定位竇的定 子電樞磁場從而強迫轉(zhuǎn)子永磁磁極與定子磁 場對齊實現(xiàn)整步實現(xiàn)的原理如下:它是通 過給定子通一個大小和方向已知的近個衛(wèi)流電 的正弦脈沖電J*這樣使定子產(chǎn)生一個恒定的 上4老赭磁場這個磁場與轉(zhuǎn)子的恒定磁場相互作用. 迫使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到兩個磁璉成一線的位置而停止. 從而得到轉(zhuǎn)子的相位如圖圖(a)表示轉(zhuǎn)子處于任意位置這時給定 子所通電流is的d袖分|ftid=O. q軸分fiiq

3、-in (額定電流).并處標系的杞位為 所產(chǎn)生的5S場與轉(zhuǎn)子磁場作用便轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖 (b)位置但杲這個位覽不是我們希電的轉(zhuǎn) 子磁場的定向位盤因為轉(zhuǎn)子磁場方向沒有與 q軸重合即轉(zhuǎn)子定子磁場方向并沒有正交 所以需要將坐標系在Ge的基礎上.再轉(zhuǎn) 動90 實現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場定向.根據(jù)上面的道理給定子通一個i d = 0 . iQ=in * 0 e=-90 *的近似直流的脈沖電流.就 可以使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到圖(c)的位置.使得轉(zhuǎn)子感場 與q軸垂直也就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)子定子磁場方向 的正交從而完成了轉(zhuǎn)子相位的初始化。這類1414j GAR DEN OF TECHNOLOGY .技術 HH15方法適用于空載或輕戟情況下轉(zhuǎn)子切始位置

4、的 校正但是這類方法存在2個缺點：一個懸轉(zhuǎn) 子永磁磁極位置的隨機性導致對齊過程中轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)向的不確定性另個峽點是初始狀態(tài)對齊 過程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度握否作為轉(zhuǎn)子位賈控制 能部分.閔為這個角度在O180電角度 范如果對齊過程是轉(zhuǎn)子位置控制的一部 分，而且實際控制的角度就落在0180*電 角度范圍內(nèi)那么除非系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)子位武記憶 功能.由干對齊過程中轉(zhuǎn)子位賈角可能出現(xiàn)振 蕩現(xiàn)象也會對系統(tǒng)控制精度產(chǎn)生影響所以在 電梯的安裝調(diào)試過程中往往需要先把曳引繩 W曳引輪脫開在逬行磁極的初始定位完畢 后再把曳引鬼放回曳引輪的繩槽內(nèi)這種方 法目前釆用者己經(jīng)很少另一類是高頻電流注入法:這類方法控制 粘度相對較高，因此在目

5、前的電梯控制過程中 經(jīng)常采用利用水趙同步電機的數(shù)學模型觀 麗輸入高頻電流信號厲電壓伯號髙頻分債的變 化規(guī)律從中分離出軼子位置信息。永磁同步 電機的轉(zhuǎn)子存在凸性以及磁路飽和持性有利 于檢測賴子位餐角這類方法要求檢測過程中 轉(zhuǎn)子可以靜止不動也可以運動在電梯的現(xiàn) 場調(diào)試中很方便.此類方法理論性很強推導 起來比較繁瑣簡眼來說當豆軸磁導（W）與 交軸磁導（Lq）相壟較大時利用永磁同步電機 的凸性以及電樞反應磁場和永磁磁場對定子 鐵心的飽和待性檢測初始轉(zhuǎn)子位置角的有效方（1）轉(zhuǎn)子磁場方位的確定:高頻正弦電流由 逆變器向靜止兩相定子電樞繞組中注入不對稱 電流.其電流幅值相對小些以免定子磁路飽 和.電壓分童與

6、輸入的電流分抵都不同程度的 發(fā)生幅值變化和相位移動利用相移角度確定 轉(zhuǎn)子d柚所在的方位角e 注0的表達式為：tg6?p tg 0 d-tg 0 q）/ （ P tg 0 q-tg 0d）Q為電機極數(shù).分別為電流與 電壓波形在“、A坐標上赳相位移動角度。推導 過程略為提高檢測的埼度和準確性有效方法是 提高注入信號的頻率現(xiàn)在電梯主產(chǎn)廠家已經(jīng) 達到了使其數(shù)字化的程度操作方便調(diào)整靈 活轉(zhuǎn)子磁極位覽的判斷與辨識:在輸入電 流的正半波幅值位置觀測另一坐標軸定子電壓 的符號.由于電機餐數(shù)已知符時礎定因此 通過定子電壓的符號就可以確定轉(zhuǎn)子位置極性 方向。如下表1直2與文輕導JL Sin2eeatJLJL* i

7、. in 押A* 11. iv “AA* fL iv .A i in411轉(zhuǎn)子（1JLA利簫磁極極性的梆識:確定了磁極極性方位 之后可以利用直柚電流電樞反應的性質(zhì)是去 磁還是助磁使得電機磁路飽和程度發(fā)生變 化當高頻電流注入時.電機參數(shù)的泊動會引 起電壓信號高頻成分的增加由比可以利用電 壓髙頻成分出現(xiàn)的位登確定電樞電流對應的是 K極還是冷極利用脈沖電壓注入蘋使得電樞電流在助磁 的情況下使電機磁路足夠飽和為此還要注意 電樞反應對磁路飽和的影響情況一：定轉(zhuǎn)子磁場同方向重合電樞反 應起死助磁作用便得磁路飽和情況二:定轉(zhuǎn)子磁場反方向孤合電樞反 應起純?nèi)ゴ抛饔檬沟么怕窚p弱。悄況三:定轉(zhuǎn)子磁場的方向垂直（即

8、正上淪愛採枝術B3堆GARDEN OF TECHNOLOGY交)電樞反應起扭磁作用使徉磁路總體飽和 程度與空載一樣情況四:定轉(zhuǎn)子磁場的方向既不重合也不 正交直軸電樞反應或者起助破作用.或者起 去55作用交軸電樞反應起扭磁作用通過以上四種情況的分析.不難看出.在 同樣脈沖電壓作用下定子繞組產(chǎn)生的磁場使 得戲路飽和的轉(zhuǎn)予fifi極軼角的變化全 周期性變化繞組的等效電感也子磁極 轉(zhuǎn)用變化呈周期性變化所以電流峰債也隨著 轉(zhuǎn)子磁極轉(zhuǎn)角變化呈周期性變化。于是假設電流峰值變化規(guī)律如下：1 peak=Ipeak-av-rlncos W(1-1)其中:0 為脈沖電壓作用下電樞磁場 與轉(zhuǎn)子直軸的相對位置角；電流平

9、均毎值為：Ipcak-av = (Ipeak-max Ipcak-in)/2 電流峰值波動幅值為Im = (1peak-max - 1peak-min)/2現(xiàn)在利用磁路飽和待性確定氣隙磁導均勻 財永磁同步電機的轉(zhuǎn)子初始位置角首先采用 三相導通方式堀定電壓脈沖信號:定子三相繞 組按照表2輸入6個電壓脈沖并檢測相應的電 樞電流表2中沒有列出每一種開關狀態(tài)下檢16弘SBRCXM-tt100I A*1101C-010IB*0111A-001IO1011-人2殲吳我令4電廈測才於測相繞繪的脈沖電壓紹值但是它們都等亍應 浪母線電壓的2,3.因此直海母域電壓必須穩(wěn)上打定；因為母找電渡與檢測相繞組電漁相同所

10、以可以直接檢測母線電流接若要處理電流峰值信息因為磁賂飽和 程度與電樞進場和轉(zhuǎn)子相對位置有關.所以當 某一相施加脈沖電壓時電流峰值隨電感的變 化關系就轉(zhuǎn)換為電流峰偵與轉(zhuǎn)子位置角的關 系根據(jù)式(】T)的定義得到每一相檢灣電 流邸值隨轉(zhuǎn)于但童用變化的黃糸iA-peak = Ipeak-av Im COS 8iB-peaL = Ipeak-av Im COS ( - 2 x/3)(1-2)i-peak = Ipcak-av * In COS ( & 4 穴/3)最后根括檢測每一相繞組在正負脈沖電 壓作用下的峰值電流變化判斷轉(zhuǎn)子相對位置 角的大小對于A相來說負脈沖電壓作用下 產(chǎn)生的電樞懣場方向正好與正脈

11、沖電壓作用結(jié) 果相反因此電流峰值的變化規(guī)律相當于轉(zhuǎn)子 位fitffj改變：80電角度由此得到正負脈 沖電壓作用下的電流峰值農(nóng)達式為:IA=Ipeak-av 今 Im COS 0.I A- = Ipeak-av - Im COS 8 (1-3)將式(-3)中兩式相減，得到A相繞組在 正負脈沖也壓作用下電流峰值的變化盤A IA = 2 Im COS 0(1-4)*同理可求得其他兩相繞組在正負脈沖 電壓作用下電流峰值的變化紙 IB = Im COS ( 0 - 2 ” /3)(1-5)】C = 5 CO ( “ 2 不 /3)(1-6)最后估計轉(zhuǎn)子切始位直角對于給定轉(zhuǎn) 子位鬣角通過檢測6個脈沖電壓作

12、用下毎相 電流峰值計算出冬相電流峰值的變化董即 正、負脈沖電壓作用下電流峰值大則該相繞 組軸線就是轉(zhuǎn)子N極最接近的位負因為該相 繞組正負脈沖電壓產(chǎn)生的2個電樞越場一個 GARDEN OF TECHNOLOGY | 技術*地助磁使得色路最飽和而另一個去磁使術磁場 最不飽和.如圖D所示a d可以設x相電流峰值變化量的絕對值最大 其他兩相Y和Z相電流峰值變化校小利用Y 和Z相電流蜂值變化最計算轉(zhuǎn)子位置角如果 三相繞組空間排列的正相序依次是X.Y和Z 那 么根據(jù)式(1-4).(H6)可以得到轉(zhuǎn)子初始位 置角& = arctg( A lz- A Iy) / %/3 ( A Iz ly)* 0 x 兀(1

13、-sin ( A lx) /2(1-7)式(1-7)中.0x表示X相繞組軸線相對 于A相繞組輪線的位置角如果X相電流峰值 變化量為正那么等號右邊第3項符號函數(shù)計 算結(jié)果尊于I，因此第3項計算結(jié)果尊于0；否 則符號函數(shù)計算結(jié)果等于7轉(zhuǎn)子位置角計 算值就要增加180電角因此轉(zhuǎn)子N極軸線在 X相繞組軸線反方向附近J轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時的位*檢測和計算(1)位置檢測:電梯中永磁同步電機轉(zhuǎn)子位 置傳感器通常是使用增盤型編碼器增量型編 碼器的曲盤相對轉(zhuǎn)子相位初始化的轉(zhuǎn)子位置來 計數(shù)一般常用的增盤型編碼器每轉(zhuǎn)反饋回 的脈沖數(shù)有2048、4096.8192等幾個級別，具 體情況應根據(jù)控制的精度要求而定反饋回的 脈沖杲2

14、個正交的增童脈沖和零位標志脈沖 輸入到DSP內(nèi)部的正交編碼器接口由DSP內(nèi) 部專用編碼器接口脈沖計數(shù)舒存器確定輸入的 正交脈沖數(shù)并且轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過1周增亙編碼 器輸出一個零位標志脈沖信號以消除因脈沖 丟失引起的計數(shù)誤差不論11絕對編碼信號還 是增覽編碼信號輸入DSP.脈沖計數(shù)寄存器存 在最大計數(shù)值它們是絕對編碼器的最大N位 二逬制數(shù)即2的N次方減】.或者增量編碼器 毎周脈沖數(shù)PPR的4倍減1，即K=4 X PPR-1. 永磁同步電機的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向是由計數(shù)器的計數(shù)方 向確定由干脈沖計數(shù)寄存器的計數(shù)值是根據(jù) 電機轉(zhuǎn)向進行增減的不同的旋轉(zhuǎn)方向存在向 上或向下計數(shù)溢出的問題而出現(xiàn)向上或向下 計數(shù)溢岀DSP不會產(chǎn)生中斷DSP不能確定是 否產(chǎn)生計數(shù)溢出因此要避免2次脈沖計數(shù)奇 存器讀數(shù)值之差超過最大計數(shù)值這樣轉(zhuǎn)子位 置的轉(zhuǎn)角最大采樣周期必須根據(jù)永建同步電機 最奇工作頻率和控制精度確定電機工作頻率 和控制稽度越高則要求采樣周期越小(2)轉(zhuǎn)子位置角的計算假設轉(zhuǎn)子位置信息最大不超過16位二進制 數(shù).在DSP內(nèi)部的角度表示0360電角度 對應16位二進制數(shù)的0x0000OxFFFF，對應 轉(zhuǎn)子機械位監(jiān)角寄存器計數(shù)值0M所以當奇 存器讀數(shù)為LE1.實際轉(zhuǎn)子電氣性笈角