基于DSP的永磁同步電機全速范圍轉子定位

摘要  針對傳統永磁同步電機矢量控制過(guò)程中，需要精確的轉子位置進(jìn)行坐標軸系變換問(wèn)題，采用一種基于DSP的永磁同步電機轉子位置檢測和初始定位的方法。該方法在電機靜止時(shí)使用改進(jìn)的磁定位法，通過(guò)分別兩次輸出直流轉矩，將轉子先牽引出定位盲區，然后固定到預定位置進(jìn)行轉子初始定位;在電機運行后采用改進(jìn)的  M/T法，以及可變的采樣時(shí)間測量速度和轉子位置信息。同時(shí)在實(shí)驗平臺上驗證了該方法，實(shí)驗結果表明該方法能準確定位轉子初始位置，電機在低速和高速時(shí)能準確測出轉子位置信息，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的轉子位置進(jìn)行解耦變換。而其中轉子初始位置最為重要，初始位置的誤差會(huì )影響其后轉子位置的計算，從而導致永磁同步電機解耦變換錯誤，導致無(wú)法對電機進(jìn)行正確控制。針對傳統的磁定位法，可能由于電機靜止時(shí)轉子位置位于定位盲區，普通的直流轉矩不能使轉子旋轉到預定位置，使用改進(jìn)的磁定位法，通過(guò)二次直流轉矩定位，精確定位轉子初始位置。針對傳統的M/T算法存在檢測時(shí)間、誤差大的問(wèn)題，使用改進(jìn)的M/T算法，縮短了計算時(shí)間和提高了計算精度。

1 改進(jìn)磁定位法原理

磁定位法原理是通過(guò)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)生的直流轉矩會(huì )將定子旋轉到固定位置，從而完成永磁同步電機的轉子初始位置定位，原理如圖2所示。

永磁同步電機的電磁轉矩公式為

Tem=KFsFrsinθsr (1)

式中，Fs為定子磁勢;Fr為轉子磁勢;K為由電機參數決定的常數;θsr為轉子磁勢和定子磁勢的夾角。

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

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

2 變M/T法原理

增量式光電編碼器旋轉一圈會(huì )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圈數。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(shí)間和此時(shí)間內編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數。設1個(gè)時(shí)問(wèn)間隔為T(mén)g，Tg后檢測到的第1個(gè)編碼器脈沖終止DSP的內部脈沖計數器，計此時(shí)脈沖計數器值為m2，并用m2來(lái)測量檢測時(shí)間T，且

T=Tg+△T (2)

設N為編碼器旋轉一周發(fā)出的脈沖數;m1為T(mén)時(shí)間內編碼器發(fā)出的脈沖數;X為T(mén)時(shí)間內電機轉過(guò)的角度位移，及

X=2πm1/N (3)

則電機轉速可表示為

但上述M/T法存在檢測信號時(shí)間過(guò)長(cháng)，檢測誤差大的問(wèn)題，針對此問(wèn)題，提出了變M/T法。其原理是在檢測高頻時(shí)鐘脈沖和編碼器信號脈沖的同時(shí)，采用隨編碼器發(fā)出脈沖信號而變化的時(shí)間Tg。取Tg=m3/fc，m3不含△T時(shí)間內的高頻脈沖個(gè)數。則電機轉速可表示為

n2=60m1fc/m3N (6)

轉子位置信息可推導為

θ=θ0/p+(n2Tg/60)·2π (7)

其中，θ0為電機的轉子初始位置;p為電機極對數。式(7)可化簡(jiǎn)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(shí)間均優(yōu)于傳統M/T法。

3 實(shí)驗

實(shí)驗選用的DSP為T(mén)I公司的TMS320F28335，永磁同步電機的額定功率為500 W，極對數為4，編碼器為2 500線(xiàn)。實(shí)驗平臺如圖4所示。

全速范圍的轉子位置定位系統框圖如圖5所示。

電機靜止時(shí)，通過(guò)使用DSP輸出PWM波給三相逆變器，使其輸出兩次直流電壓進(jìn)行二次定位，將轉子位置牽引到預定位置。電機運行時(shí)，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子實(shí)際位置，從而進(jìn)行轉速和轉子位置的檢測。整個(gè)系統的軟件流程圖如圖6所示。

電機靜止時(shí)進(jìn)行轉子初始定位輸出的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)生的勵磁轉矩將使電機旋轉到固定位置，在實(shí)驗中設定為0.75，即相位為270°，或-90°，電機此時(shí)處于-90°下的固定轉矩電流作用下，從而找到相位的初始位置。

電機啟動(dòng)后，轉速為300時(shí)的轉子位置和A相電流如圖9所示。

電機在300轉速時(shí)的勵磁電流和實(shí)時(shí)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(shí)準確的檢測出轉子位置信息，并能較好地計算出實(shí)時(shí)轉速。

圖11為電機轉速為1 200時(shí)的轉子位置和A相電流圖。

1 200轉時(shí)勵磁電流和實(shí)時(shí)轉速，如圖12所示。.

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

圖13為電機轉速圖，該方法檢測的轉子初始位置和運行時(shí)轉子位置能滿(mǎn)足永磁同步電機的矢量控制需求，電機起動(dòng)快速，在300轉和1  200轉均能穩定、可靠的運行。

4 結束語(yǔ)

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