1、基于飽和效應的面貼式永磁同步電動機轉子初始位置檢測迫札再控制應閣2009,36(7)測試技術與檢測設備;EA基于飽和效應的面貼式永磁同步電動機轉子初始位置檢測杜金明,安群濤,孫力(哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學院,黑龍江哈爾濱150001)施加特定的電壓信號,利用電機的飽和凸極效應,使繞組電流隨位置呈現不同的幅值,從而準確估算出電機轉子的初始位置.為了消除估算時電機轉動的影響,采用正負脈沖電壓交替施加的方式,同時這種方式也提高了具有飽和特性的永磁同步電動機模型,仿真結果證明了該方法的有效性和可行性.關鍵詞:永磁同步電動機;初始位置檢測;飽和凸極效應;高頻電壓注入中圖分類號:TM303.3:T

2、M357文獻標識碼:A文章編號:1673-6540(2009)07-0053-04RotorInitialPositionDetectionofSurfaceMountedPermanentMagnetSynchronousMotorBasedonSaturationCharacteristicDUfinming,ANQuntao,SUNLi(SchoolofElectricalEngnieeringandAutomation,HarbinUniversityofTechnology,Harbin150001,China)Abstract:Asimpleandeffectiveinitialp

3、ositiondetectionmethodofsurface-mountedPMSMRotorisanalyzed.Byinjectingaspecificvoltagesignaltothestatorwindings,wingdingcurrenthasdifferentpeakvaluebecauseofsatulishedbyMATLAB,thesimulationresultsillustratecorrectnessandfeasibilitiesoftheproposedmethod.Keywords:permanentmagnetsynchronousmotor;initia

4、lpositiondetection;saturationsaliencyeffect;hjghfrequencyvoltageinjection0引言了該方法的可行性.針對電機轉子初始位置準確估算的問題,分析了一種利用永磁同步電動機(PMSM)的飽和凸過在電機定子繞組施加特定的電壓信號,利用電機的飽和凸極效應使繞組電流隨位置呈現不同的幅值,據此可準確估算出電機轉子的初始位置.為了消除估算時電機轉動的影響,采用正負脈沖電壓交替施加的方式,同時這種方式也提高了檢測速度.給出了順序法和二分法兩種實現方法,立了具有飽和特性的PMSM模型,通過仿真驗證1飽和性凸極效應原理在嵌入式或內裝式PMSM中,由

5、于直軸上永磁磁極的存在,導致直軸與交軸的磁路結構不同,使得.,這種凸極效應稱為結構性凸極J.在面貼式PMSM中,因永磁體的磁導率近似等于空氣,直軸和交軸的磁路相同,通常情況下認為L=L.但是,通過對軸主磁路磁化曲線的分析,可以發現受磁路飽和的影響,直軸與交軸的電感也是不同的.PMSM的氣隙磁場是轉子永磁磁場與定子勵磁電流磁場的合成,永磁體產生的磁勢可以等效一53測試技術與檢測設備EA電札與粒制應閉2009,36(7)隨著勵磁電流的增加而減小,電機磁場的勵磁曲線如圖1所示.圖1主磁路磁通一電流關系曲線由于勵磁電流對q軸磁場沒有影響,q軸磁路工作在原點.圖1所示的A點為d軸工作點,因此電感值滿足式

6、(1):L=在A點施加正反兩方向的d軸電流:,可以看出在Aqt相同的情況下,>.因此,向d軸施加正反兩個方向電流所得到的電感值:<,兩個電感值差異大小取決于磁路的飽和程度.由于q軸磁路工作在原點,施加正反兩方向電流時,一i特性曲線是對稱的,因此,J=Lq=L.;而且從圖1可看出,在施加的電流不是特別小的情況下,原點處的斜率要大于A點的斜率,得出Lq<Lq<L.,因此在PMSM中磁路表現出一定的凸極性.2轉子初始位置檢測實現方法在檢測電機轉子初始位置時,電機轉子是靜了便于分析,假定:不計渦流損耗和磁滯損耗;永磁材料電導率為零;感應電動勢波形為正弦;轉子型見圖2.圖2兩極面

7、貼式PMSM的物理模型由于受到的影響,在d軸分別施加正,反電壓時,呈現的電感分別為和.因此,PMSM在dq坐標系下有如下關系:)+噸0L壤I(2)在電機起動時,不能確定出由坐標系位置.若任意給定西坐標系,假定d軸與d軸夾角為0,經過坐標變換可以得到PMSM在面坐標系下的關系式為:+?cos20一二in202.2dtll+:gn(I).sig-l8018.Lq=L分析式(3)可知,當向軸施加電壓脈沖時,壓脈沖幅值很大且作用時間很短,也可以忽略,那么電壓,電流關系可以近似表示為:+?cos20(3)(4)fu出(5)不同的西坐標系與由坐標系夾角0不同,迫札與欄制應用2009,36(7)測試技術與檢

8、測設備iEMcA施加相同電壓脈沖時電流值也是不同的,的幅值隨角度0的變化而變化,這為轉子初始位置的確定提供了理論依據.為檢測轉子初始位置,任意估計d軸位置為d,在d軸方向施加電壓矢量后檢測產生的電流.但是,如果施加的電壓為單一方向的脈沖,由于電機繞組具有較大的電感,當電壓撤去后產生的電流不能立刻衰減為零,這會影響下一次電壓脈沖的施加.因此,在施加正向電壓脈沖后還要施加等時間的反向電壓,使正向電流迅速下降,這樣就壓波形如圖3所示,向電機繞組依次施加1/4個周期的正向電壓,1/2周期負電壓和1/4周期的正向電壓,其電流波形近似為三角波.這樣,產生的平均電流值就很小,相應的轉矩也很小,不會使轉子發生

9、轉動.瞄max口fmax圖3d軸施加電壓與電流波形選定了電壓波形后,要將其通過一定的方式控制時其部分結構如圖4所示.增臺譬圖4PMSM矢量控制系統部分結構圖由于在PMSM調速系統中,脈寬調制(PWM)檢測時,通過處理器可任意選定d軸,并在d軸方向上通過PWM施加圖3所示的電壓,分別檢測正,負兩個方向的電流幅值和為了能清楚地體現出飽和特性對電流的影響,將正負電流的絕對值作差:Ai=一sign(90.-10I)?r+r一(1+c0s2)fdt(6),一,J可得上述電流差值的最大值為:Ai=I一.I,由于逆變器功率器件開關周期為T,則:Ai:一sign(90.一10I).,.一(1十cos20)?u

10、7T(7)由式(7)可看出,電流差值為0的函數,估計出的d軸與d軸角度越接近,0越小,值越大.因此,使取最大值的d軸就是準確的d軸位置.通過逐步給定d軸,尋找其中使最大的一個來確定d軸位置.但d給定的方式也會對初始位置檢測的準確程度和快慢產生影響,在向電機繞組施加電壓時可按照以下所示的兩種方式選取d軸:(1)每隔一定角度按d,d,d順序施加電壓,選取使最大的d;向施加電壓,選取使最大的兩個d.,d軸,檢測電流為,然后選擇兩軸的角平分線作為d3,假若Ai>Ai則選取d,d,角平分線作為以,依次類推,一直檢測d到理論上可實現360./2精度.以看出第一種方法易于實現,在處理器中編程較簡單,但

11、是效率和精度相對較低;方法二實現起來相對復雜,但是由于采用了二分法,效率大大提高,而且能獲得較高的精度.3仿真結果為驗證和評估上述方法,利用MATLAB進行模型,電機參數如下:R=2.3n,=0.175Wb,一55測試技術與檢測設備E眥:A,毛札與粒幸J應用2009,36(7)/.12,3J6.r.一A14(a)順序施加方式(b)二分法施加方式圖5施加電壓順序L=45mH,Ld基值為45mH且隨飽和程度而變化,假設轉子初始位置角為0.將d分別給定為0.,45.,90.,180.方向,d施加的電壓波形如圖6所示,其電流響應波形分別如圖7(a),(b),(C),(d)所示.400200>0_

12、2O04oo:J:,/S圖6電壓uj波形:(c)d為90.(d)d為180.圖7電流響應波形通過圖7可以看出:由于轉子初始位置為0.,所以在0.施加電壓時,正,負電流最大幅值的差即為最大;而在90.方向上,由于主磁路不受,一S6一的影響,因此為0.為了更直觀地說明各方向上電流差值的不同,各點的正,負最大電流幅值差如圖8所示.這樣,根據的最大值點即可獲得轉子d軸的位置.0?100一I/,_/一/./;:/:(t/:1/S圖8正負最大電流幅值差4結語分析了一種PMSM轉子初始位置檢測方法.通過在不同方向上施加電壓信號,利用永磁電機的飽和凸極效應,準確有效地檢i貝0出了電機的轉子初始位置,為下一步進行無位置傳感器控制系PMSM模型,通過仿真很好地驗證了所采用方法的有效性.【參考文獻】電機轉子位置觀測方法J.福州大學,2007,35(2):241.246.踐M.北京:機械工業出版社,2006.飽和效應J.電工技術,2000,15