何 鑫，李明勇，高 躍

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永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測方法

何 鑫，李明勇，高 躍

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

使用增量式編碼器關(guān)鍵在于確定轉(zhuǎn)子的初始位置。本文基于永磁同步電機(jī)數(shù)學(xué)模型，提出了一種轉(zhuǎn)子初始位置定位方法。該方法采用二分法選擇電流矢量試探角度，根據(jù)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向不斷縮小初始位置范圍。實(shí)驗結(jié)果表明，該方法能迅速準(zhǔn)確完成轉(zhuǎn)子初始位置定位。

永磁同步電機(jī) 轉(zhuǎn)子初始位置 增量式編碼器

0 引言

永磁電機(jī)控制方案一般采用經(jīng)典的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)，矢量控制閉環(huán)依賴于電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信息。轉(zhuǎn)子位置信息通常通過安裝在永磁電機(jī)上的增量式光電編碼器來獲得，使用增量式編碼器關(guān)鍵在于確定DSP控制程序中光電脈沖計數(shù)器的基準(zhǔn)值，即轉(zhuǎn)子的初始位置。

在采用增量式光電編碼器的控制系統(tǒng)中，為確定轉(zhuǎn)子的初始位置，常用的方法是給定一個方向固定的電流矢量，將電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極強(qiáng)行拉到給定位置，這種方法實(shí)現(xiàn)簡單，但定位過程中轉(zhuǎn)子會產(chǎn)生較大扭動，在某些要求轉(zhuǎn)子不動的特殊的應(yīng)用場合該方法并不適用[1,2]；一些學(xué)者采用高頻注入法來檢測初始位置，但需要額外設(shè)計濾波器和解析位置信息算法，實(shí)現(xiàn)起來比較復(fù)雜[6,8]；也有學(xué)者利用電機(jī)的磁飽和特性來檢測轉(zhuǎn)子的初始位置，但這要依賴于電機(jī)本身的參數(shù)[4]。

本文提出了一種基于增量式光電編碼器，采用二分法選擇試探電流矢量角度，通過檢測轉(zhuǎn)子微動方向縮小轉(zhuǎn)子初始位置范圍，最終確定轉(zhuǎn)子的初始位置的方法，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

1 永磁同步電機(jī)矢量控制原理

永磁同步電機(jī)矢量控制原理圖如圖1所示，控制系統(tǒng)采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制，轉(zhuǎn)速和坐標(biāo)變換角度通過增量式光電編碼器得到。

轉(zhuǎn)速反饋值與轉(zhuǎn)速給定比較，差值經(jīng)轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器生成q軸電流給定值；d軸電流給定為0，即；永磁同步電機(jī)定子電流由電流傳感器采樣送入DSP，經(jīng)3S-2S坐標(biāo)變換得到d、q軸電流反饋值；d、q軸電流反饋與得到的給定值比較，差值經(jīng)電流PI調(diào)節(jié)器得到輸出電壓d、q軸電壓參考值、；、再經(jīng)2S-3S坐標(biāo)變換得到逆變器輸出電壓參考波，再由SPWM模塊得到三相橋各個開關(guān)管的開關(guān)信號。

2 轉(zhuǎn)子初始位置檢測原理

根據(jù)永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型，永磁同步電機(jī)在d-q坐標(biāo)系下的電壓方程為:

式中：u、u為d、q軸方向電壓；i、i為d、q軸方向電流；L、L為d、q軸電感；r為定子內(nèi)阻；為微分算子；ψ為轉(zhuǎn)子永磁體磁鏈；為轉(zhuǎn)子角速度。

轉(zhuǎn)矩方程為：

運(yùn)動方程為：

其中：T為電磁轉(zhuǎn)矩；T為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；ω為轉(zhuǎn)子角速度；n為電機(jī)極對數(shù)；為電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量；為阻尼系數(shù)。

對于表面式永磁同步電機(jī)，L=L，于是轉(zhuǎn)矩方程為：

根據(jù)第1節(jié)介紹的永磁同步電機(jī)矢量控制原理，當(dāng)d、q軸電流參考值確定、坐標(biāo)變換角度確定，變頻器就能在d-q坐標(biāo)系下輸出一個幅值、方向確定的電流矢量，如圖2所示。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始角度為，當(dāng)給定子電流施加幅值為i，方向為θ的電流時：

圖2 定子電流矢量圖

此時電機(jī)轉(zhuǎn)矩可寫為：

電機(jī)啟動時，ω=0，則運(yùn)動方程可寫為：

若給定定子電流幅值大小足夠，可以滿足當(dāng)0<θ– θ<π時， T–T>0，電機(jī)逆時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)π<θ– θ<0時，T–T<0，電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動；當(dāng)θ– θ=0或θ–θ=π，電機(jī)不轉(zhuǎn)；由此不斷試探，通過電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動方向判斷轉(zhuǎn)子初始位置。

3 轉(zhuǎn)子初始位置程序檢測設(shè)計

根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置檢測原理，結(jié)合二分法查詢，可以根據(jù)如下程序流程圖設(shè)計位置檢測程序。假設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子初始角度為，程序開始，初始化起始范圍0～2π，初始試探角度θ=π，定子電流給定、。

每個循環(huán)周期判斷編碼器脈沖計數(shù)器增減方向，即轉(zhuǎn)子微動方向，一旦轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動（），則立即封鎖PWM脈沖。若轉(zhuǎn)子正轉(zhuǎn)，θ>0，測試角大于轉(zhuǎn)子初始位置角，0<θ–<π，更新測試角度范圍上限；若轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)，θ<0，測試角小于轉(zhuǎn)子初始位置角，-π<θ–<0，更新測試角度范圍下限；然后測試角更新，取新范圍的中間值，θ=(1+2)/2，如此往復(fù)，不斷縮小測試角范圍，最終，轉(zhuǎn)子幾乎不轉(zhuǎn)動，θ=0，得到的測試角度即為轉(zhuǎn)子初始位置角。

由于程序主循環(huán)周期太短，為毫秒級，再考慮整個控制系統(tǒng)的響應(yīng)時間，電流矢量給定后，需要再經(jīng)過若干個循環(huán)，即t時間，編碼器脈沖計數(shù)器才會變化。因此當(dāng)θ=0時還要判斷是否經(jīng)過了t時間，若過了t時間轉(zhuǎn)子計數(shù)器仍沒有變化，才能認(rèn)為轉(zhuǎn)子初始位置角定位結(jié)束。t值的確定可以給定不同方向的電流矢量，測試需要經(jīng)過多少個循環(huán)后，電機(jī)才會轉(zhuǎn)動，以其中測得時間最久情況為基準(zhǔn)，t可取最大時間的1.5倍。

圖3 程序流程框圖

4 實(shí)驗驗證

根據(jù)上一章節(jié)程序流程圖編寫DSP程序，控制器DSP芯片為TMS320F2812，實(shí)驗電機(jī)一臺3相22 kW表面式永磁同步電機(jī)。增量式編碼器型號為FINS5810A593 R/5000，線數(shù)為5000，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，編碼器共產(chǎn)生20000個脈沖。

實(shí)驗中每次測試角度更新，記錄下測試角度，通過CCS變量觀測窗口記錄下各個測試角度，具體結(jié)果如下：

實(shí)驗1：轉(zhuǎn)子初始位置角42°，測試角各次更新情況如表1所示。

表1 測試角度記錄（θ=42°）

根據(jù)表1所記錄的數(shù)據(jù)，經(jīng)過12次縮小范圍后，電流矢量試探角度快速逼近實(shí)際轉(zhuǎn)子初始位置，最終測得電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角度為：42.084°，與實(shí)際轉(zhuǎn)子初始角42°相差不大，測試角逼近過程如圖4所示。

圖4 測試角度逼近過程（θ=42°）

實(shí)驗2：轉(zhuǎn)子初始位置角348°，測試角各次更新情況如表2所示。

表2 測試角度記錄（θ=348°）

根據(jù)表2數(shù)據(jù)，測試角逼近過程如圖5所示。轉(zhuǎn)子初始位置角348°的情況，程序依然能不斷縮小測試角范圍，最終經(jīng)過13次更新后測得轉(zhuǎn)子初始位置角度為：348.786°。

圖5 測試角度逼近過程（θ=348°）

根據(jù)以上兩次試驗結(jié)果可以看出，轉(zhuǎn)子初始位置角度在0～π、π～2π范圍內(nèi)，程序都能在13次試探后檢測出實(shí)際轉(zhuǎn)子初始位置。

5 結(jié)論

本文提出了一種基于增量式光電編碼器，采用二分法選擇電流矢量試探角度，通過檢測轉(zhuǎn)子微動方向縮小轉(zhuǎn)子初始位置范圍，最終確定轉(zhuǎn)子的初始位置的方法。該方法簡單實(shí)用，定位迅速，精度高，還能保證檢測定位過程中轉(zhuǎn)子基本不動。

[1] 賈洪平, 賀益康．基于高頻注入法的永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報, 2007, 27(15): 15-20．

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A Method of Initial Rotor Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Motors

He Xin, Li Mingyong, Gao Yue

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulision, Wuhan 430064, China）

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TM351

A

1003-4862（2015）02-0077-04

2014-11-07

何鑫（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。