基于位置伺服系統(tǒng)的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測

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1、基于位置伺服系統(tǒng)的PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測作者：湖北汽車工業(yè)學(xué)院電氣工程系劉凌云[專家點(diǎn)評]計算機(jī)、電力電子、控制理論、dsp芯片等技術(shù)的發(fā)展，為電機(jī)交流伺服技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用提供了良好的便利條件。而高性能永磁材料的出現(xiàn)，使得永磁同步電機(jī)（pmsm）具有轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快、效率高、功率密度高、定位精確等優(yōu)點(diǎn)。特別是在要求高精度、高響應(yīng)的應(yīng)用場合，交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)具有非常明顯的優(yōu)勢[1]。在航空航天、國防、電動汽車、機(jī)床控制和日常生活等領(lǐng)域得到了越來越廣泛的研究和應(yīng)用。其中位置伺服系統(tǒng)是最復(fù)雜的伺服系統(tǒng)，因?yàn)閷ξ恢眯盘柕捻憫?yīng)進(jìn)一步體現(xiàn)在速度和加速度的響應(yīng)上，而且位置伺服最重

2、要的是精確定位，因此研究電氣式位置伺服系統(tǒng)具有很重要的意義[1，2]。位置伺服系統(tǒng)控制方式及工作原理在具有位置傳感器的pmsm位置伺服系統(tǒng)通常采用以下兩種控制策略[3]：按照交流電流跟蹤的策略；按電壓空間矢量控制的策略。兩者均采用位置p、速度v、電流i三閉環(huán)的伺服控制方式，其主要區(qū)別在于形成d-q坐標(biāo)電流指令后處理方法不同。圖1為按電壓空間矢量控制的pmsm位置伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。檢測信號的a/d變換、位置環(huán)/速度環(huán)/電流環(huán)的控制算法、以及逆變器驅(qū)動svpwm信號計算均可利用dsp控制器來完成。圖1pmsm位置伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖對于位置控制系統(tǒng)而言，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角是很重要的控

3、制信息，沒有位置角就難以確定定子繞組的控制狀態(tài)，電機(jī)就可能發(fā)生速度震蕩甚至失步，更談不上實(shí)現(xiàn)高精度位置伺服控制，然而，電機(jī)啟動時，轉(zhuǎn)子磁極的位置是隨機(jī)不確定的，除了旋轉(zhuǎn)變壓器和絕對式光電編碼盤等位置傳感器能夠確定轉(zhuǎn)子磁極初始位置外，就是增量式光電編碼盤這樣高精度的位置傳感器也不能判斷轉(zhuǎn)子靜止時的位置角，因此在永磁同步電機(jī)位置伺服系統(tǒng)中，若采用無位置傳感器（或采用增量式光電編碼盤）的控制方案，轉(zhuǎn)子磁極初始位置角的檢測顯得尤為關(guān)鍵。因此，本文提出了一種無須位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子磁極初始角位置的方法——高頻電流注入法。其基本原理是：利用永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，觀測輸入高頻電流信號后電壓高頻分

4、量的變化規(guī)律，從而從中分離出轉(zhuǎn)子磁極位置信息。轉(zhuǎn)子初始位置檢測高頻電流注入法檢測的基本原理對于凸極永磁同步電機(jī)，若定子電樞繞組呈星形連接，則在定子靜止兩相坐標(biāo)系α-β中定子電壓方程可以簡化為[1]：（1）其中:ld、lq為電機(jī)直軸、交軸方向的電感；rs為α-β坐標(biāo)系中等效相繞組。由電機(jī)定轉(zhuǎn)子齒槽效應(yīng)可知：當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速為0時，轉(zhuǎn)子磁極初始角位置是隨機(jī)分布的。而根據(jù)上述方程式(1)的電流與電壓的關(guān)系，只要通入永磁同步電機(jī)的電流滿足在α-β坐標(biāo)系中呈正弦規(guī)律變化的要求(即:逆變器以三相導(dǎo)通方式輸入相應(yīng)的三相正弦電流)，觀測分析三相電壓波形在定子靜止正交兩相坐標(biāo)系α-β中的電壓波形與電流波形

5、的相位關(guān)系，就可確定轉(zhuǎn)子位置信息。轉(zhuǎn)子磁極方位的確定首先在定子靜止兩相坐標(biāo)系α-β的等效兩相繞組中注入不對稱的兩相電流，使得：（2）等效為定子實(shí)際三相電流控制指令為：（3）在實(shí)施高頻電流注入時，將該三相電流指令信號與傳感器檢測到的定子電樞繞組實(shí)際三相電流比較，并通過電流跟蹤控制來實(shí)現(xiàn)。將式(2)代入式(1)中，可得到定子電壓觀測值：（4）在式（4）中，若令:uα1=u1cos(ωαt+φd)，則：變量uα1初始相位角：（5）同理，若注入定子靜止正交兩相繞組的高頻電流變?yōu)椋海?）該電流信號相當(dāng)于三相電流指令信號為：（7）則可觀察到的定子電壓為：（8）在式（8）中，若令uβ2=u2co

6、s(ωαt+φq)，則：變量uβ2初始相位角：（9）由式（5）與式（9）比較可得：（10）其中ρ為同步電機(jī)的凸極系數(shù)，ρ=l/l。dq因此，由式（10）可知：在上述兩次注入高頻電流時，若能分別檢測出u、u的α1β2初始相位角φ、φ，就能得到轉(zhuǎn)子磁極的方位角θ。dq根據(jù)這一原理，可采用電壓式霍爾傳感器分別檢測同步電機(jī)在兩次注入高頻電流時的實(shí)際三相繞組的相電壓u、u、u及u、u、u，經(jīng)a/d轉(zhuǎn)換、clarkeφa1φb1φc1φa2φa2φc2變換后獲得αβ0坐標(biāo)系下等效的u、u及u、u；將u(或u)與參考信號α1β1α2β2α1β1i=icosωt同時送入數(shù)字鑒相器，從而得到u(或u

7、)的相位角φ（或φ）；定子1αα1β2dq三相電壓檢測及鑒相原理框圖如圖2所示。a/d轉(zhuǎn)換器與信號發(fā)生器采用同一信號（高頻電流注入時的啟動信號）觸發(fā)，以保證三者之間的同步。圖2信號采樣和鑒相原理框圖兩次注入高頻電流獲得u、u初始相位的子程序流程如圖3所示。α1β2圖3獲得u、u初始相位的程序流程α1β2表達(dá)式(10)可知，初始轉(zhuǎn)子方位角θ有四個解，即：該表達(dá)式給出的僅僅是直軸可能的方位，因此還需要確定該方位是否是磁極所在位置，以及磁極所在位置是磁極的s極還是n極。即磁