基于DSP的永磁同步電機全速范圍轉(zhuǎn)子定位

摘要  針對傳統(tǒng)永磁同步電機矢量控制過程中，需要精確的轉(zhuǎn)子位置進行坐標(biāo)軸系變換問題，采用一種基于DSP的永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位的方法。該方法在電機靜止時使用改進的磁定位法，通過分別兩次輸出直流轉(zhuǎn)矩，將轉(zhuǎn)子先牽引出定位盲區(qū)，然后固定到預(yù)定位置進行轉(zhuǎn)子初始定位;在電機運行后采用改進的  M/T法，以及可變的采樣時間測量速度和轉(zhuǎn)子位置信息。同時在實驗平臺上驗證了該方法，實驗結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確定位轉(zhuǎn)子初始位置，電機在低速和高速時能準(zhǔn)確測出轉(zhuǎn)子位置信息，且具有一定的可靠性和有效性。

永磁同步電機的控制策略，例如矢量控制，需要精確的全速范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子位置進行解耦變換。而其中轉(zhuǎn)子初始位置最為重要，初始位置的誤差會影響其后轉(zhuǎn)子位置的計算，從而導(dǎo)致永磁同步電機解耦變換錯誤，導(dǎo)致無法對電機進行正確控制。針對傳統(tǒng)的磁定位法，可能由于電機靜止時轉(zhuǎn)子位置位于定位盲區(qū)，普通的直流轉(zhuǎn)矩不能使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)到預(yù)定位置，使用改進的磁定位法，通過二次直流轉(zhuǎn)矩定位，精確定位轉(zhuǎn)子初始位置。針對傳統(tǒng)的M/T算法存在檢測時間、誤差大的問題，使用改進的M/T算法，縮短了計算時間和提高了計算精度。

1 改進磁定位法原理

磁定位法原理是通過給逆變器發(fā)出直流觸發(fā)脈沖信號，例如圖1脈沖信號為(100)輸出給電機定子繞組靜止的電流矢量。

其產(chǎn)生的直流轉(zhuǎn)矩會將定子旋轉(zhuǎn)到固定位置，從而完成永磁同步電機的轉(zhuǎn)子初始位置定位，原理如圖2所示。

永磁同步電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為

Tem=KFsFrsinθsr (1)

式中，F(xiàn)s為定子磁勢;Fr為轉(zhuǎn)子磁勢;K為由電機參數(shù)決定的常數(shù);θsr為轉(zhuǎn)子磁勢和定子磁勢的夾角。

由式(1)可知，電磁轉(zhuǎn)矩將使電機轉(zhuǎn)子向θsr減小的方向旋轉(zhuǎn)，直到電磁轉(zhuǎn)矩與電機固有轉(zhuǎn)矩達到穩(wěn)定的平衡點。最終使轉(zhuǎn)子D軸與電機A軸重合，完成轉(zhuǎn)子的預(yù)定位。但轉(zhuǎn)子位置在預(yù)定前是隨機的，當(dāng)施加電壓矢量為直軸負(fù)方向時，θsr=90°，電磁力矩Tem則等于0。轉(zhuǎn)子的磁定位會由于轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動而失敗。

為了避免轉(zhuǎn)子位置位于上述的定位盲區(qū)，使用二次定位。在轉(zhuǎn)子預(yù)定位前，在與預(yù)定位置相差90°的位置施加一個電壓矢量，使轉(zhuǎn)子位置離開上述定位盲區(qū)，然后再施加原定的電壓矢量，將已離開定位盲區(qū)的轉(zhuǎn)子定位到預(yù)定位置，完成轉(zhuǎn)子的預(yù)定位操作。

2 變M/T法原理

增量式光電編碼器旋轉(zhuǎn)一圈會發(fā)出A相、B相和Z相3路脈沖。其中，A相和B相為兩路正交脈沖信號，Z相脈沖等于編碼器旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。其輸出波形如圖3所示。

M/T法原理為測周期/頻率法，原理是在檢測時間和此時間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)。設(shè)1個時問間隔為Tg，Tg后檢測到的第1個編碼器脈沖終止DSP的內(nèi)部脈沖計數(shù)器，計此時脈沖計數(shù)器值為m2，并用m2來測量檢測時間T，且

T=Tg+△T (2)

設(shè)N為編碼器旋轉(zhuǎn)一周發(fā)出的脈沖數(shù);m1為T時間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù);X為T時間內(nèi)電機轉(zhuǎn)過的角度位移，及

X=2πm1/N (3)

則電機轉(zhuǎn)速可表示為

但上述M/T法存在檢測信號時間過長，檢測誤差大的問題，針對此問題，提出了變M/T法。其原理是在檢測高頻時鐘脈沖和編碼器信號脈沖的同時，采用隨編碼器發(fā)出脈沖信號而變化的時間Tg。取Tg=m3/fc，m3不含△T時間內(nèi)的高頻脈沖個數(shù)。則電機轉(zhuǎn)速可表示為

n2=60m1fc/m3N (6)

轉(zhuǎn)子位置信息可推導(dǎo)為

θ=θ0/p+(n2Tg/60)·2π (7)

其中，θ0為電機的轉(zhuǎn)子初始位置;p為電機極對數(shù)。式(7)可化簡為

θ=θ0/p+2πm1/N (8)

該方法在高速和低速情況下，檢測精度與檢測時間均優(yōu)于傳統(tǒng)M/T法。

3 實驗

實驗選用的DSP為TI公司的TMS320F28335，永磁同步電機的額定功率為500 W，極對數(shù)為4，編碼器為2 500線。實驗平臺如圖4所示。

全速范圍的轉(zhuǎn)子位置定位系統(tǒng)框圖如圖5所示。

電機靜止時，通過使用DSP輸出PWM波給三相逆變器，使其輸出兩次直流電壓進行二次定位，將轉(zhuǎn)子位置牽引到預(yù)定位置。電機運行時，DSP的事件管理器捕獲編碼器輸出的A相和B差分相脈沖信號計算出轉(zhuǎn)子實際位置，從而進行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的檢測。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

電機靜止時進行轉(zhuǎn)子初始定位輸出的A相和B相電流值如圖7所示。

圖8為經(jīng)PARK變換后的勵磁電流值，產(chǎn)生的勵磁轉(zhuǎn)矩將使電機旋轉(zhuǎn)到固定位置，在實驗中設(shè)定為0.75，即相位為270°，或-90°，電機此時處于-90°下的固定轉(zhuǎn)矩電流作用下，從而找到相位的初始位置。

電機啟動后，轉(zhuǎn)速為300時的轉(zhuǎn)子位置和A相電流如圖9所示。

電機在300轉(zhuǎn)速時的勵磁電流和實時速度如圖10所示。

由圖9和圖10可得出，變M/T法能在電機低速時準(zhǔn)確的檢測出轉(zhuǎn)子位置信息，并能較好地計算出實時轉(zhuǎn)速。

圖11為電機轉(zhuǎn)速為1 200時的轉(zhuǎn)子位置和A相電流圖。

1 200轉(zhuǎn)時勵磁電流和實時轉(zhuǎn)速，如圖12所示。.

由圖11和圖12可得出，變M/T法在電機高速時也能準(zhǔn)確地檢測出轉(zhuǎn)子位置信息，并能較好地計算出實時轉(zhuǎn)速。對比轉(zhuǎn)速300 r·s-1和1 200  r·s-1的實驗結(jié)果可知，該方法在電機低速和高速時均能較好地測得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

圖13為電機轉(zhuǎn)速圖，該方法檢測的轉(zhuǎn)子初始位置和運行時轉(zhuǎn)子位置能滿足永磁同步電機的矢量控制需求，電機起動快速，在300轉(zhuǎn)和1  200轉(zhuǎn)均能穩(wěn)定、可靠的運行。

4 結(jié)束語

實驗結(jié)果表明，該方法在電機靜止時能很好地進行轉(zhuǎn)子初始位置定位。在電機低速和高速運行時，均能較好地檢測出轉(zhuǎn)子位置信息，其反饋轉(zhuǎn)子位置信息能使電機進行正常的矢量控制。