魏勁夫,朱熀秋,于晶

(江蘇大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院,江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

1 引言

無軸承永磁同步電機(jī)是具有無軸承技術(shù)的永磁同步電機(jī)。它的出現(xiàn)不僅拓展了高速電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域如微型化、大功率等,其獨(dú)具的懸浮機(jī)理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)使之在一些高新技術(shù)領(lǐng)域具有傳統(tǒng)電機(jī)無法實(shí)現(xiàn)和替代的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。

轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法是實(shí)現(xiàn)無軸承永磁同步電機(jī)有效的解耦控制方法。而精確檢測(cè)無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置是實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。為了實(shí)現(xiàn)無軸承永磁同步電機(jī)的可靠啟動(dòng),前人提出了許多控制方法。文獻(xiàn)[1]提出了利用電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì),檢測(cè)定子電壓和電流值來估計(jì)轉(zhuǎn)子磁鏈和轉(zhuǎn)速。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是比較簡(jiǎn)單和有效的,但是在低速時(shí)對(duì)定子電壓和電流值的變化十分敏感,而在靜止時(shí)由于轉(zhuǎn)速為零,反電動(dòng)勢(shì)也為零,不可能估計(jì)出轉(zhuǎn)子的初始位置。高頻注入法通過向電機(jī)定子繞組施加高頻電壓信號(hào),檢測(cè)相應(yīng)定子電流幅值,利用電流幅值在空間上的各向差異性,估計(jì)出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置[2]。這種方法可以應(yīng)用于凸極和隱極式同步電動(dòng)機(jī),但是需要復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型推導(dǎo)。

本文首先利用霍耳位置傳感器進(jìn)行無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的粗測(cè),再運(yùn)用二分搜索法精確定位,在此基礎(chǔ)上采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法實(shí)現(xiàn)電機(jī)的快速穩(wěn)定啟動(dòng)。該啟動(dòng)定位方法軟件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單,使無軸承永磁同步電機(jī)快速、穩(wěn)定啟動(dòng),具有安全、可靠的優(yōu)點(diǎn)。本文實(shí)驗(yàn)是在未加入徑向懸浮力的二自由度無軸承永磁同步電機(jī)啟動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上完成的,目的在于實(shí)現(xiàn)電機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行,為電機(jī)的懸浮奠定基礎(chǔ)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該方法的可行性。

2 無軸承PMSM轉(zhuǎn)矩繞組數(shù)學(xué)模型

無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多變量、非線性、強(qiáng)耦合的系統(tǒng),根據(jù)交流電機(jī)的解耦思想,將電機(jī)的三相定子繞組坐標(biāo)系(ABC)等效變換為兩相靜止坐標(biāo)系(α β),再經(jīng)過Park變換,變換為dq坐標(biāo)系,其d軸和永磁轉(zhuǎn)子N極同向。經(jīng)過以上變換,就完成了電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的解耦過程,如圖1所示。θ為d軸和α軸之間的夾角,為轉(zhuǎn)子初始位置角。

圖1 無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組數(shù)學(xué)模型Fig.1 The mathematic model of bearingless PMSM′s torque windings

無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)矩繞組的電壓方程、磁鏈方程與電磁轉(zhuǎn)矩方程分別為[3]

3 無軸承PMSM啟動(dòng)控制

首先,霍耳位置傳感器上電后,其U,V,W相輸出信號(hào)對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置所處扇區(qū),完成對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置的粗測(cè)。然后結(jié)合矢量控制方法設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)子磁極搜索方法,完成對(duì)轉(zhuǎn)子位置的精確定位。最后完成無軸承永磁同步電機(jī)的啟動(dòng)控制。

3.1 轉(zhuǎn)子初始位置粗測(cè)

位置初測(cè)采用霍耳位置傳感器,傳感器的對(duì)數(shù)與電機(jī)極對(duì)數(shù)保持一致。它輸出3路彼此相差120°,占空比為0.5的脈沖信號(hào)U,V,W。這三相中的任一相在轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周中,發(fā)出與極對(duì)數(shù)相同的脈沖個(gè)數(shù)。在360°(電角度)范圍內(nèi),該三相信號(hào)輸出6種不同的狀態(tài),每個(gè)狀態(tài)寬度為60°,由此判斷轉(zhuǎn)子所處扇區(qū)。U,V,W三相霍耳脈沖信號(hào)與電角度的關(guān)系如圖2所示。

圖2 三相霍耳脈沖信號(hào)與電角度的關(guān)系圖Fig.2 T he relationship among 3-phase signals of Hall position sensor and electric deg ree

3.2 二分搜索法精確定位

通過霍耳位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子所處扇區(qū)后,可采用二分搜索法完成對(duì)轉(zhuǎn)子磁極位置的精確定位。

二分搜索法確定磁極過程如下。

1)通過霍耳位置傳感器,確定轉(zhuǎn)子磁極所在區(qū)間為[θmin,θmax] 。

2)設(shè)轉(zhuǎn)子初始磁場(chǎng)位置角 θ1=(θmax+θmin)/2,按照θ1給電機(jī)一個(gè)電流矢量Is,產(chǎn)生特定方向的定子磁場(chǎng),記錄當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置φ0。

3)在電流矢量Is的作用下,電機(jī)產(chǎn)生微小轉(zhuǎn)動(dòng),記錄此時(shí)轉(zhuǎn)子位置 φ1,計(jì)算 φ1和 φ0的差值:

此時(shí)將出現(xiàn)下列3種情況:

①如果Δφ＞0,電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn),說明當(dāng)前Is產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)牽引轉(zhuǎn)子順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),則θ處于[,]之間,對(duì)應(yīng)情況如圖 3a所示。其中,A軸為靜止坐標(biāo)系坐標(biāo)軸,α-β軸為兩相靜止坐標(biāo)系,Is為定子電流矢量,θ1為定子電流矢量Is與A相軸線之間的夾角(電角度),和A相軸線軸的夾角即為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)空間電角度θ。

②如果Δφ＜0,電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),說明當(dāng)前Is產(chǎn)生的定子磁場(chǎng)牽引轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),則θ處于[]之間,對(duì)應(yīng)情況如圖3b所示。

③如果 Δφ=0,電機(jī)停轉(zhuǎn),說明當(dāng)前定子磁場(chǎng)方向與轉(zhuǎn)子磁極位置中心線重合,對(duì)應(yīng)情況如圖3e所示。

4)如果出現(xiàn)第①種情況,那么令 θmin=θ1,如圖3c所示;如果出現(xiàn)第②種情況,那么令=θ1,如圖3d所示。然后重復(fù)第2)步和第 3)步,直到電機(jī)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng);如果出現(xiàn)第③種情況,那么搜索過程結(jié)束。則當(dāng)前所通的電流矢量的電角度就是轉(zhuǎn)子的電角度。

圖3 二分搜索法進(jìn)行轉(zhuǎn)子定位過程示意圖Fig.3 The process of locating rotor position by binary search method

二分搜索法的結(jié)束條件是電機(jī)轉(zhuǎn)子靜止在某一位置不再轉(zhuǎn)動(dòng),或者轉(zhuǎn)子估計(jì)角滿足精度要求。若磁場(chǎng)角精度或最小分辨率為ε,則最多查詢次數(shù)為

3.3 無軸承PMSM啟動(dòng)控制

無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位完成后,如圖3e所示,轉(zhuǎn)子d軸在轉(zhuǎn)子氣隙空間位置角θ位置上(轉(zhuǎn)子d軸方向定義為轉(zhuǎn)子表面永磁體N極所指的方向)。采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制,轉(zhuǎn)矩繞組矢量控制的Park逆變換公式為[4]

4 無軸承PMSM啟動(dòng)控制系統(tǒng)

本啟動(dòng)控制系統(tǒng)控制器采用 TI公司的TMS320F2812,它是TMS320C2000平臺(tái)下的一種定點(diǎn)DSP芯片,廣泛應(yīng)用于電機(jī)的數(shù)字控制領(lǐng)域,其內(nèi)部集成的正交編碼QEP模塊能夠方便地處理正交編碼信號(hào)輸入及Z脈沖信號(hào)。主回路采用智能功率模塊(IPM),用于驅(qū)動(dòng)三相定子繞組。霍耳傳感器和增量式光電編碼器用于轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)樣機(jī)參數(shù)為:額定功率P=1 kW,額定轉(zhuǎn)速n=6 000 r/min,轉(zhuǎn)矩繞組極對(duì)數(shù)pM=2。圖4為無軸承永磁同步電機(jī)啟動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 無軸承永磁同步電機(jī)啟動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The configuration diagram of starting control system on bearingless PMSM

5 仿真和實(shí)驗(yàn)研究

仿真分析通過Matlab實(shí)現(xiàn),利用m語言模擬電機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)子定位過程,假定轉(zhuǎn)子初始位置角(空間電角度)為 50°,誤差容限為0.01°。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子空間位置角和搜索次數(shù)關(guān)系曲線如圖5所示。由圖5可以看出經(jīng)過11次搜索,電機(jī)轉(zhuǎn)子完成初始定位。

圖6給出了電機(jī)轉(zhuǎn)速n=400 r/min時(shí)U,V相的線電壓波形。從圖6中可以看出,采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制,無軸承永磁同步電機(jī)在完成轉(zhuǎn)子精確定位后能穩(wěn)定運(yùn)行(懸浮力繞組未通電)。

圖5 轉(zhuǎn)子空間電角度和搜索次數(shù)關(guān)系圖Fig.5 T he relationship between space electric deg ree of rotor and search times

圖6 實(shí)驗(yàn)波形Fig.6 Experimental waveform

6 結(jié)論

本文通過轉(zhuǎn)子初始位置粗測(cè)和二分搜索法完成對(duì)無軸承永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的精確定位后,采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向控制方法完成電機(jī)的啟動(dòng)。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該啟動(dòng)方法能夠保證無軸承永磁同步電機(jī)快速啟動(dòng),并進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),為電機(jī)的懸浮運(yùn)行奠定了良好的基礎(chǔ)。

[1] Ertucrul N,Acarnley P.A New Algorithm for Sensorless Operation of Permanent Mag net Motors[J].IEEE T rans.on Industry Applications,1994,30(1):126-133.

[2] 郭熠.永磁同步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法[J].微電機(jī),2004,34(5):12-14.

[3] 蘇奎峰,蔡昭權(quán),呂強(qiáng),等.TMS320X281x DSP應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2008.

[4] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng):運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)[M].第 3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003.

[5] 張軍,林家泉,王旭,等.矢量控制永磁同步交流伺服電動(dòng)機(jī)初始磁極位置搜索方法[J].控制與檢測(cè),2006,8(4):63-66.

[6] Jung D h,Ha I J.An Efficient Method for Identifying the Initial Position of a PMSM with an Incremental Encoder[J].IEEE Trans.on Industrial Electronics,1998,45(4):682-685.

[7] Ooshima M,Chiba A,Fukao T.Characteristics of a Permanent Magnet Type Bearingless M otor[J].IEEE T rans.on Industry Application,1996,32(2):363-370.

修改稿日期:2010-08-27