永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的自動(dòng)標(biāo)定*

曹艷玲， 文彥東

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130012;

2.中國(guó)第一汽車集團(tuán)技術(shù)中心，吉林長(zhǎng)春 130011)

0 引言

永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有系統(tǒng)效率高、功率密度大等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛使用。要實(shí)現(xiàn)PMSM的精確控制需要知道任意時(shí)刻電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。因此，在電機(jī)工作前首先要對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)定方法有兩類，即無位置傳感器估算法和有位置傳感器測(cè)量法。無位置傳感器估算法是通過逆變器要么施加交流電流，要么施加幅值較小的空間矢量電壓，對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置估算。但這種方法計(jì)算復(fù)雜，而且對(duì)電機(jī)本體參數(shù)有很大的依賴性，因此在實(shí)際操作中很難保證高精度的測(cè)量，這會(huì)使得在電機(jī)控制中產(chǎn)生不期望的電流分量，尤其是在大電流幅值下，電流分量不可忽略，最終導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩控制精度下降或者系統(tǒng)效率降低。有位置傳感器測(cè)量法是通過旋轉(zhuǎn)變壓器(簡(jiǎn)稱旋變)獲得轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置。旋變具有良好的抗震性、抗干擾性及可靠性，因而在混合動(dòng)力和純電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)上有著廣泛應(yīng)用。目前，此種標(biāo)定方法是經(jīng)外部電源供電，利用電機(jī)逆變器對(duì)電機(jī)定子繞組施加空間電壓矢量U100，使電機(jī)轉(zhuǎn)子定位在A相，通過讀取旋變輸出信號(hào)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置，這種測(cè)定方法精度高，可實(shí)現(xiàn)PMSM的精確控制，但它需要采用逆變器及外部高壓供電，為便于現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試。本文提出了一種檢測(cè)PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)，無需上述方法提到的逆變器和外部高壓供電電源，只需將電機(jī)的兩個(gè)相線和旋變傳感器信號(hào)連接到標(biāo)定系統(tǒng)中，即可快速、準(zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)子初始位置的自動(dòng)測(cè)量。

1 轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算原理

旋變由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，在安裝旋變時(shí)，將其定子和轉(zhuǎn)子分別與電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子安裝在一起。當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，旋變的轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)。旋變轉(zhuǎn)子的位置信息可以通過旋變解碼電路獲得，而電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置可通過電機(jī)反電勢(shì)得到。通常情況下，旋變轉(zhuǎn)子的零位與電機(jī)轉(zhuǎn)子的零位不同，二者相差一個(gè)固定角度，該角度可以通過反電勢(shì)觀測(cè)法測(cè)量。

在電機(jī)不施加外部三相電壓的情況下，平滑勻速地旋轉(zhuǎn)PMSM轉(zhuǎn)軸，便會(huì)在定子側(cè)感生出正弦感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，其頻率及幅值與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速率成正比。用T表示電機(jī)線電壓UAB的周期，用t表示線電壓過零點(diǎn)至Z脈沖的時(shí)間間隔(如圖1所示)，則電機(jī)轉(zhuǎn)子零位與旋變轉(zhuǎn)子零位的角度差為

式中:π/6為線電壓超前于相電壓的角度。

圖1 線電壓UAB與旋變Z脈沖波形示意圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖2為PMSM轉(zhuǎn)子初始位置標(biāo)定系統(tǒng)原理框圖。該系統(tǒng)以英飛凌16位單片機(jī)XC2785為處理和運(yùn)算核心，輔以反電勢(shì)采集電路、旋變信號(hào)解碼電路及CAN通信電路構(gòu)成。反電勢(shì)采集電路用以將正弦反電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào);旋變信號(hào)解碼電路用以讀取旋變Z脈沖信號(hào);XC2785單片機(jī)用以計(jì)算反電勢(shì)周期T和過零時(shí)間間隔t，并由此得出位置角度差。由于CAN總線抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，非常適合現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，此系統(tǒng)選用CAN總線將角度差信號(hào)發(fā)送到上位機(jī)或者其他節(jié)點(diǎn)，從而對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和管理。

圖2 系統(tǒng)原理框圖

2.1 硬件設(shè)計(jì)

2.1.1 反電勢(shì)采集電路設(shè)計(jì)

反電勢(shì)采集電路利用AD629對(duì)反電勢(shì)信號(hào)進(jìn)行電壓隔離和放大，采用AD790做成比較器電路，將反電勢(shì)信號(hào)轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)，如圖3所示。AD629采用±12 V雙電源供電，供電電源選用0.1 μF和 10 μF 的電容濾波，以保證輸出穩(wěn)定。電機(jī)反電勢(shì)首先經(jīng)電阻R1和R2分壓，再將電阻R2得到的電壓連接到AD629的正、負(fù)輸入引腳，并通過二極管對(duì)AD629的輸出進(jìn)行電壓鉗位，以保證輸出電壓不會(huì)超過單片機(jī)AD引腳能夠承受的最大電壓;AD790是一款快速、精密的電壓比較器，采用雙電源供電，其負(fù)輸入端接地，正輸入端連接反電勢(shì)信號(hào)。AD790將AD629的輸出電壓經(jīng)電平比較后轉(zhuǎn)化為方波信號(hào)輸送到單片機(jī)。

2.1.2 旋變解碼電路設(shè)計(jì)

旋變位置解碼電路如圖4所示，采用的是AD2S90和 AD2S99轉(zhuǎn)換芯片，二者配合使用。AD2S90是解碼電路的核心，內(nèi)部功能模塊主要包括相敏檢測(cè)器、乘法器、壓控振蕩器、增減計(jì)數(shù)器，形成一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)。AD2S90位置信號(hào)以A-B-NM形式輸出，NM(North Marker)代表旋變轉(zhuǎn)子位置過零，旋變信號(hào)過零一次就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)Z脈沖信號(hào)，將該信息輸入到單片機(jī)即可進(jìn)行角度差的計(jì)算。AD2S99為AD2S90提供同步基準(zhǔn)電壓信號(hào)，同時(shí)還給旋變提供高品質(zhì)的正弦波勵(lì)磁信號(hào)，共有4種信號(hào)頻率可供選擇，即2 kHz、5 kHz、10 kHz和20 kHz，以滿足不同旋變傳感器的要求。另外，由于AD2S99的輸出能力有限，為了增加系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)能力和抗干擾能力，在AD2S99勵(lì)磁信號(hào)輸出端增加運(yùn)放以滿足旋變對(duì)輸入勵(lì)磁信號(hào)驅(qū)動(dòng)能力的要求。

2.2 控制器軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括反電勢(shì)方波信號(hào)讀取、Z脈沖讀取、CAN通信及電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算四部分。反電勢(shì)和Z脈沖信號(hào)均被連接到單片機(jī)電平變化中斷引腳上，圖5為電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算時(shí)序圖。由于在一個(gè)反電勢(shì)周期中必然會(huì)出現(xiàn)一個(gè)Z脈沖，所以在反電勢(shì)方波電平上升沿中斷中起動(dòng)定時(shí)器，在Z脈沖上升沿中斷中直接讀取定時(shí)器的數(shù)值，此數(shù)值即為線電壓過零點(diǎn)至Z脈沖的時(shí)間間隔t，而在下一次方波上升沿中斷中再次讀取定時(shí)器的數(shù)值，即為反電勢(shì)的周期T。對(duì)定時(shí)器清零，重新起動(dòng)定時(shí)器，以實(shí)現(xiàn)多次重復(fù)測(cè)量，利用公式(1)可計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)子零位與旋變轉(zhuǎn)子零位的角度差θ。

圖5 電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置計(jì)算時(shí)序圖

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)中旋變采用的是多摩川公司的TS2225N14E102。此旋變要求勵(lì)磁輸入為AC7Vrms-10 kHz，輸入阻抗為 120 Ω ±20%，輸出阻抗為340 Ω。電機(jī)為內(nèi)嵌式 PMSM，基速為2 000 r/min，峰值扭矩為300 N·m，峰值功率為40 kW，永磁磁鏈為0.070 7 Wb。取電機(jī)輸出軸順時(shí)針旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檎较?，將電機(jī)A、B相線連接到反電勢(shì)采集電路的正、負(fù)輸入端，將電機(jī)的旋變傳感器信號(hào)線連接到旋變位置解碼電路。單片機(jī)輸出顯示反電勢(shì)信號(hào)周期T為167.184 ms，反電勢(shì)過零點(diǎn)至 Z脈沖信號(hào)的時(shí)間間隔t為103.248 ms，電機(jī)轉(zhuǎn)子零位與旋變轉(zhuǎn)子零位的角度差θ是252.32°。為了對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，將電機(jī)反電勢(shì)信號(hào)和旋變解碼電路輸出的Z脈沖信號(hào)輸入到示波器，得到的波形圖如圖6和圖7所示。從這兩個(gè)圖可以看出，通過示波器測(cè)得的T和t分別為167 ms和103 ms，導(dǎo)致這兩個(gè)測(cè)量結(jié)果存在差異的主要原因是單片機(jī)定時(shí)器的分辨率非常高，僅為4 μs，并且從單片機(jī)得到的試驗(yàn)結(jié)果為多次測(cè)量的平均值。

4 結(jié)語

本文主要研究了PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的自動(dòng)標(biāo)定與控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了應(yīng)用差分放大器對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行采集，利用單片機(jī)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運(yùn)算。試驗(yàn)驗(yàn)證了該測(cè)量方法可有效標(biāo)定PMSM轉(zhuǎn)子初始位置，具有精度高、速度快和自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，并且該工具傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)，可節(jié)約時(shí)間和成本。

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