基于漸近電壓法的隱極式永磁同步電機轉子初始位置檢測

汪 鍇， 高 瑾， 昌 鵬

(上海大學 機電工程與自動化學院， 上海 200072)

基于漸近電壓法的隱極式永磁同步電機轉子初始位置檢測

汪 鍇， 高 瑾， 昌 鵬

(上海大學 機電工程與自動化學院， 上海 200072)

永磁同步電機(PMSM)控制系統(tǒng)的高性能運行需要獲得轉子的初始位置，而裝配于PMSM的霍爾位置傳感器和增量式光電編碼器不具備精確檢測轉子初始位置的能力。提出利用合適的電壓矢量使轉子在初始位置處小幅度微動，結合霍爾和增量式光編信號即可精確檢測PMSM轉子初始位置，且無需復雜的硬件電路和軟件算法。試驗中基于DSC平臺對一臺隱極式PMSM的轉子初始位置進行檢測，證明了該方法的有效性和實用性。

永磁同步電機； 轉子初始位置； 霍爾傳感器； 光電編碼器

0 引 言

在現(xiàn)代電力傳動系統(tǒng)中，永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM)的矢量控制和直接轉矩控制，要求精確檢測PMSM的轉子位置。轉子初始位置的準確獲得是電機以最大轉矩和重載情況下正常起動的先決條件。因此在轉子初始位置檢測領域，中外學者進行了大量研究，提出了很多解決方案。根據(jù)是否使用位置傳感器可分為兩類： 一類是無位置傳感器法。如文獻[1-3]中提出的脈沖電壓注入法，利用PMSM的定子鐵心飽和效應，在電機中注入等幅不同向的電壓脈沖矢量，檢測并對比相應的電流響應的幅值大小以檢測轉子初始位置。這種方法要求電機具有較強的定子鐵心飽和效應，且需謹慎選擇電壓脈沖幅值和作用時間，從而在轉子靜止的情況下產(chǎn)生易于辨識的電流響應。若定子的飽和效應不明顯，或電壓幅值過小、時間過短，會導致電流響應差值太??；若電壓幅值過大、時間過長，會造成轉子轉動，導致位置檢測失敗。對于具有凸極效應的PMSM，文獻[4-5]提出了旋轉高頻信號注入法，在兩相靜止坐標系中注入高頻的正弦激勵信號，檢測對應的響應并加以處理來獲得轉子初始位置。隱極式永磁同步電機(Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motor， SPMSM)的交直軸電感相等，沒有凸極效應，因此文獻[6-9]提出了脈振高頻信號注入法，在估計的同步旋轉坐標系直軸上注入高頻正弦信號，獲得飽和性凸極效應以實現(xiàn)轉子初始位置檢測。無論是旋轉還是脈振高頻注入法，都需要高精度的傳感器來獲取響應信號，以及較復雜的算法來提取位置信息。第二類是基于霍爾傳感器、旋轉變壓器、光電編碼器等位置傳感器的方法?；魻杺鞲衅鞯木葹?0°；旋轉變壓器和絕對式光電編碼器可輸出轉子的絕對位置信息，但成本較高；增量式光電編碼器精度很高且結構簡單，但無法直接獲知轉子的絕對位置。文獻[10-11]提出的方法，根據(jù)轉子微動方向，多次調(diào)整電壓矢量角度使其漸近于轉子初始位置。本文詳細闡述了利用漸近電壓矢量檢測轉子初始位置的原理，并在考慮實際檢測過程中轉子偏移角的基礎上進行了改進，只需施加四次電壓矢量即可較高精度地檢測出轉子初始位置。試驗證明該方法對硬件的要求較低，算法實現(xiàn)簡單，不依賴于電機本體參數(shù)。

1 PMSM轉子初始位置檢測原理

1.1 位置傳感器原理

漸近電壓矢量法基于霍爾傳感器和增量式光電編碼器。樣機的霍爾狀態(tài)及其對應的電機轉子電角度如圖1和表1所示。

圖1 霍爾UVW信號狀態(tài)圖

UVW區(qū)間k轉子位置0101(-π/6，π/6)0112(π/6，π/2)0013(π/2，5π/6)1014(-π，-5π/6)∪(5π/6，π)1005(-5π/6，-π/2)1106(-π/2，-π/6)

增量式光電編碼器的輸出信號如圖2所示。A、B相的輸出信號互差90°電角度，可用來判斷轉子旋轉方向。Z信號用作指示機械位置和清零AB信號的累積計數(shù)，碼盤旋轉一周只發(fā)出一個信號。

圖2 增量式光電編碼器信號狀態(tài)圖

1.2 PMSM轉子初始位置檢測

PMSM的起動階段中常用預定位法確定轉子位置。如圖3所示，當施加合適的直流電壓矢量時，轉子會旋轉到電壓矢量所在位置。

圖3 預定位原理

預定位法簡單有效，但定位過程中轉子有較大幅度轉動且方向不確定。利用漸近矢量檢測PMSM初始位置的方法以預定位原理為基礎，通過施加合適的電壓矢量使轉子在初始位置微動，并結合霍爾傳感器和增量式光電編碼器，不斷調(diào)整矢量角度使其漸近于初始位置，完成檢測過程。

具體檢測步驟如下：

(1) 獲取霍爾信號，得出轉子所在的位置區(qū)間k。霍爾狀態(tài)及相應區(qū)間如表1所示(k=1,2,3,4,5,6)。

(2) 根據(jù)轉子位置區(qū)間確定第一次施加的電壓矢量角度θn(n=1,2,3,4,5,此處為1)并施加相應電壓矢量，其中：

θ1=(k-1)·π/3

(1)

(3) 獲取光編信號計數(shù)dn，判斷微動方向。以逆時針為正方向，dn=0表示轉子未動；若dn>0，說明轉子逆時針微動；dn<0時則為順時針微動。

(4) 根據(jù)dn確定下一次電壓矢量的角度θn+1，并施加相應電壓矢量，其中：

(2)

(5) 重復步驟(3)和(4)直到n=5。理論上增大n可使矢量角度無限漸近于轉子初始位置。實際取最終位置檢測值pst=θ5。此時：

(3)

圖4 位置檢測流程圖

以轉子初始位置65°為例，在圖5中繪出檢測過程中施加的四次電壓矢量，表2列出了相關參數(shù)值。步驟說明如下：

(1) 通過霍爾信號判斷初始位置處于第2區(qū)域，即k=2，θ1=60°。施加對應的電壓矢量F1。

(2) 由光編信號判斷出d1<0，轉子順時針微動，得θ2= 75°，施加對應矢量F2。

(3) 以此類推，施加角度為θ3的F3和角度為θ4的F4。施加四次矢量后得θ5=65.625°

(4) 測得轉子初始位置pst=θ5，理論誤差為0.625°。

圖5 矢量施加示意圖

矢量θ1θ2θ3θ4角度60°75°67．5°63．75°dn<0>0>0<0

1.3 轉子微動分析

需要注意的是，檢測過程中，電壓矢量幅值和作用時間的選擇至關重要。幅值過大、作用時間過長會導致轉子轉角過大；幅值過小、作用時間過短的電壓矢量不足以使轉子產(chǎn)生微動。這兩種情況下得出的檢測結果誤差都很大。此外，因為齒槽轉矩、負載轉矩和轉子摩擦力等因素的存在，當轉子位置與漸近矢量的角度差距足夠小時，轉子幾乎不會產(chǎn)生微動，此時光電編碼器輸出信號為0。

針對這一問題，本文采用以下方法： 矢量幅值由小逐漸增大，每次作用相同的時間t，同時檢測光編信號。若轉子微動，則停止施加電壓矢量，以防止電機繼續(xù)轉動；若轉子一直靜止，則認為當前矢量角度即轉子的位置(因為誤差足夠小)。

檢測微動方向需要對AB兩相光編同時計數(shù)并比較相位，所以僅當光編計數(shù)值|dn|≥2時，才能有效判斷微動方向。

設PMSM為p對極，光電編碼器分辨率為m，即碼盤旋轉一周(轉子旋轉2機械角度，A相和B相各發(fā)出m個脈沖)，同時對AB兩相計數(shù)，則碼盤旋轉一周共有2m個脈沖。每個脈沖對應的電角度為

(4)

(5)

為減小轉子微動對檢測結果的影響，有學者提出采用轉子回歸操作，即在每次施加電壓矢量后施加與之反向的電壓矢量，使轉子往初始位置處回歸。但這種方法的矢量施加次數(shù)增加了一倍，且不能保證轉子完全回到初始位置。因采用幅值漸增的電壓矢量可使轉子的微動幅度極小，所以本文取消了轉子回歸操作，并且將轉子微動引起的偏移角度考慮到檢測過程中。

2 試 驗

試驗使用的是Freescale的DSC(56F8257)平臺和一臺SPMSM，如圖6所示。SPMSM樣機參數(shù)如表3所示。由式(4)得每個編碼器脈沖對應的角度為

(6)

圖6 試驗平臺圖

2.1 初始位置為45°時

試驗波形如圖7所示(橫坐標為時間，上部分為電壓矢量角度圖，下部分為矢量幅值圖)，圖8為四次電壓矢量對應的a相電流波形。檢測過程中的光編計數(shù)值在表4中列出。

圖7 45°試驗波形

圖8 45°檢測過程a相電流波形

(1) 根據(jù)霍爾信號結合表1可檢測出轉子位于區(qū)域2；

表4 45°檢測過程編碼器參數(shù)

(2) 施加角度為60°，幅值漸增的電壓矢量，轉子逆時針微動(d1=3)。此時轉子偏移原位置：

(7)

即1.08°。

(3) 施加角度為45°、幅值漸增的電壓矢量。盡管第一次施加的矢量使轉子偏移原位置1.08°，但由前文分析可知，矢量與當前轉子所在位置的夾角很小，因為齒槽轉矩、負載轉矩和摩擦力等因素的存在，電磁轉矩不足以產(chǎn)生足夠的切向力矩使轉子微動(d2=0)，因此繼續(xù)施加的兩次矢量角度都為45°，最終得轉子初始位置為45°。此時轉子實際位置為46.08°。

2.2 初始位置為130°時

試驗波形及對應a相電流波形如圖9、圖10所示，檢測過程中的光編計數(shù)值在表5中列出。

(1) 根據(jù)霍爾信號結合表1可檢測出轉子位于區(qū)域3。

圖9 130°試驗波形

圖10 130°檢測過程a相電流波形

dnd1d2d3d4數(shù)值-34-20

(2) 施加角度為120°，幅值漸增的電壓矢量，轉子順時針微動(d1=-3)。

(3) 以此類推依次施加角度為135°和127.5°的矢量后，轉子偏移原位置：

(8)

即-0.36°。

(9)

(4) 第四次電壓矢量角度為131.25°，因與轉子當前位置夾角很小，轉子不動(d4=0)。初始位置檢測值為131.25°，此時轉子實際位置為129.64°。

2.3 初始位置為-80°時

試驗波形及對應a相電流波形如圖11、圖12所示。檢測過程中的光編計數(shù)值在表6中列出。

(1) 根據(jù)霍爾信號測得轉子位于區(qū)域6；

(2) 施加角度為-60°，幅值漸增的電壓矢量，轉子逆時針微動(d1=4)；

(3) 依次施加-75°，-82.5°的電壓矢量后，轉子偏移原位置：

(10)

即1.44°。

圖11 -80°試驗波形

圖12 -80°檢測過程a相電流波形

dnd1d2d3d4數(shù)值42-20

(4) 第四次電壓矢量角度為-78.75°，轉子不動(d4=0)。最終得出轉子位置檢測值為 -78.75°，此時轉子實際位置為-78.56°。

2.4 初始位置為-160°時

試驗波形及對應a相電流波形如圖13、圖14所示。檢測過程中的光編計數(shù)值在表7中列出。

圖13 -160°試驗波形

圖14 -160°檢測過程a相電流波形

dnd1d2d3d4數(shù)值-3-230

(1) 根據(jù)霍爾信號測得轉子位于區(qū)域4；

(2) 施加角度為-180°，幅值漸增的電壓矢量，轉子順時針微動(d1=-3)；

(3) 依次施加角度為-165°和-157.5°的電壓矢量后，轉子偏移初始位置：

(11)

即-0.72°。

(4) 第四次電壓矢量角度為-161.5°，與轉子位置夾角很小，轉子不動(d4=0)，最終得出位置檢測值為-161.5°，轉子當前所在位置為-160.72°。

3 結 語

本文詳細闡述了利用漸近電壓矢量檢測PMSM轉子初始位置的方法，同時在考慮了轉子位置偏移的基礎上加以改進。通過霍爾傳感器獲得轉子N極所在區(qū)間，高精度的增量式光電編碼器結合漸變幅值的電壓矢量可在精確檢測轉子微動方向的前提下避免轉子大幅度轉動。經(jīng)試驗驗證，該方法經(jīng)濟有效，實現(xiàn)簡單，具有較強的實用性。

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A Salient Pole Permanent Magnet Synchronous Motor Rotor Initial Position Estimation Method Based on Asymptotic Voltage Vectors

WANGKai,GAOJin,CHANGPeng

(School of Mechatronics Engineering and Automation, Shanghai University, Shanghai 200072, China)

The rotor initial position is necessary to high-performance permanent magnet synchronous motor(PMSM) control system, however the rotor initial position can not be detected precisely by hall sensor and incremental encoder. A new method was proposed. The PMSM rotor would rotate a little when suited voltage vector applied, then the rotor initial position could be estimated by hall and encoder signals. The rotor initial position of a SPMSM was detected based on DSC platform, and without complex hardware circuit and software algorithm, validity and practicability of the method was proved in experiment.

permanent magnet synchronous motor(PMSM); rotor initial position; hall sensor; photoelectric encoder

汪 鍇(1994—)，男，碩士研究生，研究方向為永磁同步電機轉子初始位置檢測。 高 瑾(1972—)，男，副教授，研究方向為電機及其控制。

TM 351

A

1673-6540(2017)02- 0087- 06

2016-05-09