曹艷玲， 文彥東

(1.長春工程學(xué)院，吉林長春 130012;

2.中國第一汽車集團技術(shù)中心，吉林長春 130011)

0 引言

永磁同步電機(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，因而被廣泛使用。要實現(xiàn)PMSM的精確控制需要知道任意時刻電機轉(zhuǎn)子的位置。因此，在電機工作前首先要對電機轉(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，對電機轉(zhuǎn)子位置估算。但這種方法計算復(fù)雜，而且對電機本體參數(shù)有很大的依賴性，因此在實際操作中很難保證高精度的測量，這會使得在電機控制中產(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。有位置傳感器測量法是通過旋轉(zhuǎn)變壓器(簡稱旋變)獲得轉(zhuǎn)子的絕對位置。旋變具有良好的抗震性、抗干擾性及可靠性，因而在混合動力和純電動車用驅(qū)動電機上有著廣泛應(yīng)用。目前，此種標(biāo)定方法是經(jīng)外部電源供電，利用電機逆變器對電機定子繞組施加空間電壓矢量U100，使電機轉(zhuǎn)子定位在A相，通過讀取旋變輸出信號得到電機轉(zhuǎn)子的初始位置，這種測定方法精度高，可實現(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)場調(diào)試。本文提出了一種檢測PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的自動標(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，只需將電機的兩個相線和旋變傳感器信號連接到標(biāo)定系統(tǒng)中，即可快速、準(zhǔn)確地完成轉(zhuǎn)子初始位置的自動測量。

1 轉(zhuǎn)子初始位置計算原理

旋變由定子和轉(zhuǎn)子構(gòu)成，在安裝旋變時，將其定子和轉(zhuǎn)子分別與電機的定子和轉(zhuǎn)子安裝在一起。當(dāng)電機旋轉(zhuǎn)時，旋變的轉(zhuǎn)子與電機轉(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，而電機轉(zhuǎn)子的位置可通過電機反電勢得到。通常情況下，旋變轉(zhuǎn)子的零位與電機轉(zhuǎn)子的零位不同，二者相差一個固定角度，該角度可以通過反電勢觀測法測量。

在電機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，便會在定子側(cè)感生出正弦感應(yīng)電動勢，其頻率及幅值與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)速率成正比。用T表示電機線電壓UAB的周期，用t表示線電壓過零點至Z脈沖的時間間隔(如圖1所示)，則電機轉(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

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XC2785為處理和運算核心，輔以反電勢采集電路、旋變信號解碼電路及CAN通信電路構(gòu)成。反電勢采集電路用以將正弦反電勢信號轉(zhuǎn)化為方波信號;旋變信號解碼電路用以讀取旋變Z脈沖信號;XC2785單片機用以計算反電勢周期T和過零時間間隔t，并由此得出位置角度差。由于CAN總線抗干擾能力強、傳輸距離遠(yuǎn)，非常適合現(xiàn)場應(yīng)用，此系統(tǒng)選用CAN總線將角度差信號發(fā)送到上位機或者其他節(jié)點，從而對電機轉(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

2.1.1 反電勢采集電路設(shè)計

反電勢采集電路利用AD629對反電勢信號進(jìn)行電壓隔離和放大，采用AD790做成比較器電路，將反電勢信號轉(zhuǎn)化為方波信號，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。電機反電勢首先經(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AD629的輸出進(jìn)行電壓鉗位，以保證輸出電壓不會超過單片機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信號。AD790將AD629的輸出電壓經(jīng)電平比較后轉(zhuǎn)化為方波信號輸送到單片機。

2.1.2 旋變解碼電路設(shè)計

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器、乘法器、壓控振蕩器、增減計數(shù)器，形成一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)。AD2S90位置信號以A-B-NM形式輸出，NM(North Marker)代表旋變轉(zhuǎn)子位置過零，旋變信號過零一次就會產(chǎn)生一個Z脈沖信號，將該信息輸入到單片機即可進(jìn)行角度差的計算。AD2S99為AD2S90提供同步基準(zhǔn)電壓信號，同時還給旋變提供高品質(zhì)的正弦波勵磁信號，共有4種信號頻率可供選擇，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)動能力和抗干擾能力，在AD2S99勵磁信號輸出端增加運放以滿足旋變對輸入勵磁信號驅(qū)動能力的要求。

2.2 控制器軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括反電勢方波信號讀取、Z脈沖讀取、CAN通信及電機轉(zhuǎn)子初始位置計算四部分。反電勢和Z脈沖信號均被連接到單片機電平變化中斷引腳上，圖5為電機轉(zhuǎn)子初始位置計算時序圖。由于在一個反電勢周期中必然會出現(xiàn)一個Z脈沖，所以在反電勢方波電平上升沿中斷中起動定時器，在Z脈沖上升沿中斷中直接讀取定時器的數(shù)值，此數(shù)值即為線電壓過零點至Z脈沖的時間間隔t，而在下一次方波上升沿中斷中再次讀取定時器的數(shù)值，即為反電勢的周期T。對定時器清零，重新起動定時器，以實現(xiàn)多次重復(fù)測量，利用公式(1)可計算出電機轉(zhuǎn)子零位與旋變轉(zhuǎn)子零位的角度差θ。

圖5 電機轉(zhuǎn)子初始位置計算時序圖

3 試驗結(jié)果

試驗中旋變采用的是多摩川公司的TS2225N14E102。此旋變要求勵磁輸入為AC7Vrms-10 kHz，輸入阻抗為 120 Ω ±20%，輸出阻抗為340 Ω。電機為內(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。取電機輸出軸順時針旋轉(zhuǎn)方向為正方向，將電機A、B相線連接到反電勢采集電路的正、負(fù)輸入端，將電機的旋變傳感器信號線連接到旋變位置解碼電路。單片機輸出顯示反電勢信號周期T為167.184 ms，反電勢過零點至 Z脈沖信號的時間間隔t為103.248 ms，電機轉(zhuǎn)子零位與旋變轉(zhuǎn)子零位的角度差θ是252.32°。為了對試驗結(jié)果進(jìn)行驗證，將電機反電勢信號和旋變解碼電路輸出的Z脈沖信號輸入到示波器，得到的波形圖如圖6和圖7所示。從這兩個圖可以看出，通過示波器測得的T和t分別為167 ms和103 ms，導(dǎo)致這兩個測量結(jié)果存在差異的主要原因是單片機定時器的分辨率非常高，僅為4 μs，并且從單片機得到的試驗結(jié)果為多次測量的平均值。

4 結(jié)語

本文主要研究了PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的自動標(biāo)定與控制技術(shù)，設(shè)計了應(yīng)用差分放大器對電機轉(zhuǎn)子位置信號進(jìn)行采集，利用單片機對電機轉(zhuǎn)子初始位置數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和運算。試驗驗證了該測量方法可有效標(biāo)定PMSM轉(zhuǎn)子初始位置，具有精度高、速度快和自動化等優(yōu)點，并且該工具傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強，可節(jié)約時間和成本。

［1］GULEZ K，ADAM A A，PASTACI H.Torque ripple and EMI noise minimization in PMSM using active filter topology and field-oriented control［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，2008，55(1):251-257.

［2］OCEN D，ROMERAL L，ORTEGA J A，et al.Discrete space vector modulation applied on a PMSM motor［J］.12th International Power Electronics and Motion Control Conference，2006:320-325.

［3］JIN N Z，WANG X D，GAO H Y，et al.Sliding mode based speed regulating of PMSM MTPA control system for electrical vehicles［C］∥ International Conference on Electronic and Mechanical Engineering and Information Technology，2011:987-992.

［4］KAEWJINDA W，KONGHIRUN M.Vector control drive of permanent magnet synchronous motor using resolver sensor［J］.ECTI Transactions on Electrical ENG，Electronics，and Communications，2007(5):134-138.

［5］JUNG D S，SONG J H，LEE U H，et al.Improving design of HEV traction motor for high power density［C］∥ IEEE International Conference on Power Electronics and ECCE Asia，2011:2677-2680.

［6］TARIP A R，NINO-BARON C E，STRANGAS E G.Design and analysis of PMSMs for HEVs based upon average driving cycle efficiency［C］∥ IEEE International Electric Machines＆ Drives Conference，2011:218-223.

［7］李豹，左月飛.永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置求取方法［J］.電機與控制應(yīng)用，2011，38(4):34-36.

［8］魯文其，胡育文，黃文新，等.無刷直流電機無位置傳感器轉(zhuǎn)子位置自檢測復(fù)合方法［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2008，23(9):70-75.

［9］周揚忠，胡育文，黃文新.直接轉(zhuǎn)矩控制電勵磁同步電機初始轉(zhuǎn)子位置估計［J］.電工技術(shù)學(xué)報，2007，22(12):55-60.

［10］薛山，溫旭輝，徐志捷.基于AD2S90的數(shù)字旋轉(zhuǎn)變壓器［J］.電工技術(shù)雜志，2003(9):102-104.

［11］史久根.CAN現(xiàn)場總線系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.