永磁同步電機(jī)找初始相位方法

1、基于磁定位原理的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位研究黎永華，皮佑國(guó)（華南理工大學(xué)自動(dòng)化科學(xué)與工程學(xué)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(guò)給電機(jī)施加電流矢量，根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)現(xiàn)縮小定位范圍。定位過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)微小，能滿足需要無(wú)運(yùn)動(dòng)沖擊機(jī)械永磁同步電動(dòng)機(jī)的初始定位要求。論文分析了定位原理并給出了實(shí)驗(yàn)結(jié)果。關(guān)鍵詞：永磁同步電機(jī)；初始位置；起動(dòng)；磁定位中圖分類號(hào)：TM 351 文獻(xiàn)標(biāo)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(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，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(jī)調(diào)速系統(tǒng)

5、通常采取在電機(jī)上安裝增量式脈沖編碼器來(lái)提供轉(zhuǎn)子的位置信息，得以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的閉環(huán)控制，且電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程也依賴于轉(zhuǎn)子的初始位置信息，但由于在電機(jī)起動(dòng)時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置是任意的，而增量式編碼器無(wú)法提供電機(jī)的初始位置信息，因此轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)是電機(jī)控制中必須解決的問(wèn)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(jiǎn)單并且可以使轉(zhuǎn)子磁極準(zhǔn)確定位，但初始化過(guò)程中轉(zhuǎn)子被強(qiáng)行拉到給定位置，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生較大的扭動(dòng)而不能滿足要求無(wú)運(yùn)動(dòng)沖擊機(jī)械的要求。近年來(lái)許多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置估算進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)2-4利用電機(jī)的磁飽和特性來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子初始位置，當(dāng)給定子施加的電流矢量與轉(zhuǎn)子磁極N極重合時(shí)，定子的電感最小，這種方法理

6、論上可以達(dá)到較高估算精確，但是在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)電流檢測(cè)硬件電路要求較高，實(shí)現(xiàn)起來(lái)具有一定的難度。文獻(xiàn)5-8采用高頻注入法，可以檢測(cè)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(jī)，而脈動(dòng)高頻信號(hào)注入法適用于表面安裝永磁電機(jī)，且算法均較復(fù)雜。本文的思想是通過(guò)給電機(jī)定子施加電流矢量，利用增量式編碼器脈沖信號(hào)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與攝動(dòng)電流矢量的角度關(guān)系，不斷改變電流矢量方向來(lái)實(shí)現(xiàn)縮小定位范圍，首先介紹轉(zhuǎn)子磁定位方法，再詳細(xì)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(shí)驗(yàn)過(guò)程及其結(jié)果。1 轉(zhuǎn)子磁定位法簡(jiǎn)介永磁同步電機(jī)在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型如下，磁鏈方程為：電磁轉(zhuǎn)矩方程

7、為：機(jī)械運(yùn)動(dòng)方程為：式中為電機(jī)磁極對(duì)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(jī)械角速度，為負(fù)載轉(zhuǎn)矩。對(duì)于表面式PMSM，于是電磁轉(zhuǎn)矩方程為：。圖1 dq坐標(biāo)系下電流關(guān)系Fig.1 relationship of current in the dq reference frame如圖1所示，當(dāng)給定子施加大小為（）方向?yàn)榈碾娏魇噶繒r(shí)，則電磁轉(zhuǎn)矩方程為 因?yàn)?、（）固定，如果忽略，則當(dāng)時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng)或時(shí)，電機(jī)不轉(zhuǎn)，可見(jiàn)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)方向包含著轉(zhuǎn)子的位置信息，于是可以通過(guò)判斷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始位置定位。磁定位法是通過(guò)給永磁同步電機(jī)定

8、子通以一個(gè)已知大小和方向的電流矢量，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到已知電流矢量對(duì)應(yīng)的位置，從而得出轉(zhuǎn)子運(yùn)行前的初始位置，定位過(guò)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(jī)轉(zhuǎn)子磁極N極在、坐標(biāo)系中任意一個(gè)位置角處，給定子施加一個(gè)電流矢量：軸分量，軸分量，坐標(biāo)系相位為的電流矢量，所產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)與永磁體轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)作用，當(dāng)+>>時(shí)，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)-<<時(shí)，電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到+90°位置而停止，這時(shí)轉(zhuǎn)子的磁極位置與電流矢量的位置相差90°

9、，從而實(shí)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(dòng)定位研究磁定位法可以精確實(shí)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(dòng)，本文提出基于磁定位原理的攝動(dòng)定位方法：給定子通以、方向?yàn)榈碾娏魇噶浚妱?dòng)機(jī)在上述電流矢量的作用之下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，通過(guò)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。接著改變電流矢量，使給定的電流矢量更接近電機(jī)轉(zhuǎn)子的磁極，再檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向改變時(shí)，表明所給矢量越過(guò)了磁極，再改變電流矢量。如此反復(fù)

10、攝動(dòng)，直到當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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。設(shè)轉(zhuǎn)子位置如圖3所示，檢測(cè)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(jī)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(cè)到編碼器有脈沖輸出變化立即封鎖PWM輸出并使，判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向，然后施加、=的電流矢量，同樣檢測(cè)編碼器，一旦編碼器有脈沖輸出變化便立即封鎖PWM輸出。當(dāng)相鄰兩個(gè)角度與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向由順時(shí)針變?yōu)槟鏁r(shí)針時(shí)，可以確定電機(jī)磁極N極在這個(gè)45°范圍內(nèi)；當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向由順時(shí)針變?yōu)樵O(shè)定足夠時(shí)間內(nèi)不轉(zhuǎn)則可以確定電機(jī)磁極N極就在這個(gè)不轉(zhuǎn)的位置。 第二步：在第一步得出與的基礎(chǔ)

11、上，按照?qǐng)D4所示，給定子施加電流矢量，取=（+）/2，恢復(fù)PWM輸出，檢測(cè)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(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)取=（+）/2，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)則取=（+）/2，不轉(zhuǎn)說(shuō)明磁極N極位置就在處，然后再二分直到在設(shè)定時(shí)間內(nèi)編碼器沒(méi)有變化為止。圖3 檢測(cè)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(cè)轉(zhuǎn)子初始位置第二步Fig.4 The second step of the initial rotor position detection3 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析基于TMS320LF28

12、12 DSP平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了算法，按照上訴步驟在CCS編譯環(huán)境中對(duì)一臺(tái)型號(hào)為P10B13100BXS20的三洋永磁同步電機(jī)做驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，具有6000線增量式編碼器，經(jīng)過(guò)4倍頻即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈編碼器共產(chǎn)生24000個(gè)脈沖，電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)編碼器脈沖增加，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)編碼器脈沖減少。情況一：當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子實(shí)際位置在=時(shí)，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(cè)到編碼器脈沖有變化時(shí)的編碼器脈沖數(shù)，由于電機(jī)存在慣性，脈沖數(shù)Q2是封鎖PWM一段時(shí)間確定電機(jī)沒(méi)有轉(zhuǎn)動(dòng)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(shí)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(dòng)方向000不轉(zhuǎn)12399823996順時(shí)針22399023978順時(shí)針32397623972順時(shí)針42397223972不轉(zhuǎn)52397423982逆時(shí)針62398623999逆時(shí)針715逆時(shí)針由表可知在3位置時(shí)轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，4位置時(shí)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(dāng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置在=100°時(shí)，執(zhí)行第一步定位后編碼器脈沖數(shù)如表2所示。表2 =時(shí)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(dòng)方向02399923993順時(shí)針12399123989順時(shí)針22398723985順時(shí)針32398923993逆時(shí)針42399523999逆時(shí)針527逆時(shí)針6910逆時(shí)針786順時(shí)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(shí)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(dòng)方向2.5810逆時(shí)針2.251213逆時(shí)針2.125107順時(shí)針2.187

15、554順時(shí)針2.2187544不轉(zhuǎn)圖5 攝動(dòng)定位過(guò)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(dāng)給定電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置在=196°時(shí)，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(shí)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(dòng)方向025逆時(shí)針1323999順時(shí)針22399623991順時(shí)針323989239

16、82順時(shí)針42398023975順時(shí)針52397723980逆時(shí)針62398323989逆時(shí)針72399123995逆時(shí)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(shí)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(dòng)方向4.5239971逆時(shí)針4.252399923995順時(shí)針4.3752399423991逆時(shí)針4.31252399323996順時(shí)針4.343752399623996不轉(zhuǎn)圖6 攝動(dòng)定位過(guò)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(yǔ)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(guò)給電機(jī)定子施加電流矢量，由電機(jī)轉(zhuǎn)向與施加的電流矢量方向之間的關(guān)系來(lái)判斷電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，并通過(guò)不斷改變電流矢量的方向來(lái)縮小定位范圍，算法簡(jiǎn)單且能獲得較高的定位精度。定位過(guò)程中轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)微小，能滿足要求無(wú)運(yùn)動(dòng)沖擊機(jī)械永磁同步電動(dòng)機(jī)的初始定位要求。參考文獻(xiàn)1 王曉明; 王玲.電動(dòng)機(jī)的DSP控制TI公司DSP應(yīng)用M

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