基于DSP的永磁同步電機(jī)全速范圍轉(zhuǎn)子定位

摘要  針對(duì)傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)矢量控制過(guò)程中，需要精確的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行坐標(biāo)軸系變換問(wèn)題，采用一種基于DSP的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)和初始定位的方法。該方法在電機(jī)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(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(jìn)行轉(zhuǎn)子初始定位;在電機(jī)運(yùn)行后采用改進(jìn)的  M/T法，以及可變的采樣時(shí)間測(cè)量速度和轉(zhuǎn)子位置信息。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上驗(yàn)證了該方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該方法能準(zhǔn)確定位轉(zhuǎn)子初始位置，電機(jī)在低速和高速時(shí)能準(zhǔn)確測(cè)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(jī)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(jìn)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(huì)影響其后轉(zhuǎn)子位置的計(jì)算，從而導(dǎo)致永磁同步電機(jī)解耦變換錯(cuò)誤，導(dǎo)致無(wú)法對(duì)電機(jī)進(jìn)行正確控制。針對(duì)傳統(tǒng)的磁定位法，可能由于電機(jī)靜止時(shí)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(jìn)的磁定位法，通過(guò)二次直流轉(zhuǎn)矩定位，精確定位轉(zhuǎn)子初始位置。針對(duì)傳統(tǒng)的M/T算法存在檢測(cè)時(shí)間、誤差大的問(wèn)題，使用改進(jìn)的M/T算法，縮短了計(jì)算時(shí)間和提高了計(jì)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(hào)，例如圖1脈沖信號(hào)為(100)輸出給電機(jī)定子繞組靜止的電流矢量。

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

永磁同步電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為

Tem=KFsFrsinθsr (1)

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

由式(1)可知，電磁轉(zhuǎn)矩將使電機(jī)轉(zhuǎn)子向θsr減小的方向旋轉(zhuǎn)，直到電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)固有轉(zhuǎn)矩達(dá)到穩(wěn)定的平衡點(diǎn)。最終使轉(zhuǎn)子D軸與電機(jī)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(jī)的，當(dāng)施加電壓矢量為直軸負(fù)方向時(shí)，θsr=90°，電磁力矩Tem則等于0。轉(zhuǎn)子的磁定位會(huì)由于轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)動(dòng)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(gè)電壓矢量，使轉(zhuǎn)子位置離開(kāi)上述定位盲區(qū)，然后再施加原定的電壓矢量，將已離開(kāi)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(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(hào)，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(cè)周期/頻率法，原理是在檢測(cè)時(shí)間和此時(shí)間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖個(gè)數(shù)。設(shè)1個(gè)時(shí)問(wèn)間隔為Tg，Tg后檢測(cè)到的第1個(gè)編碼器脈沖終止DSP的內(nèi)部脈沖計(jì)數(shù)器，計(jì)此時(shí)脈沖計(jì)數(shù)器值為m2，并用m2來(lái)測(cè)量檢測(cè)時(shí)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(shí)間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù);X為T時(shí)間內(nèi)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)的角度位移，及

X=2πm1/N (3)

則電機(jī)轉(zhuǎn)速可表示為

但上述M/T法存在檢測(cè)信號(hào)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，檢測(cè)誤差大的問(wèn)題，針對(duì)此問(wèn)題，提出了變M/T法。其原理是在檢測(cè)高頻時(shí)鐘脈沖和編碼器信號(hào)脈沖的同時(shí)，采用隨編碼器發(fā)出脈沖信號(hào)而變化的時(shí)間Tg。取Tg=m3/fc，m3不含△T時(shí)間內(nèi)的高頻脈沖個(gè)數(shù)。則電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置;p為電機(jī)極對(duì)數(shù)。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(cè)精度與檢測(cè)時(shí)間均優(yōu)于傳統(tǒng)M/T法。

3 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選用的DSP為TI公司的TMS320F28335，永磁同步電機(jī)的額定功率為500 W，極對(duì)數(shù)為4，編碼器為2 500線。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(jī)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(zhuǎn)子位置牽引到預(yù)定位置。電機(jī)運(yùn)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(hào)計(jì)算出轉(zhuǎn)子實(shí)際位置，從而進(jìn)行轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)。整個(gè)系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

電機(jī)靜止時(shí)進(jìn)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(lì)磁電流值，產(chǎn)生的勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩將使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到固定位置，在實(shí)驗(yàn)中設(shè)定為0.75，即相位為270°，或-90°，電機(jī)此時(shí)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(jī)啟動(dòng)后，轉(zhuǎn)速為300時(shí)的轉(zhuǎn)子位置和A相電流如圖9所示。

電機(jī)在300轉(zhuǎn)速時(shí)的勵(lì)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(jī)低速時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置信息，并能較好地計(jì)算出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。

圖11為電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 200時(shí)的轉(zhuǎn)子位置和A相電流圖。

1 200轉(zhuǎn)時(shí)勵(lì)磁電流和實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，如圖12所示。.

由圖11和圖12可得出，變M/T法在電機(jī)高速時(shí)也能準(zhǔn)確地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置信息，并能較好地計(jì)算出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速。對(duì)比轉(zhuǎn)速300 r·s-1和1 200  r·s-1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，該方法在電機(jī)低速和高速時(shí)均能較好地測(cè)得轉(zhuǎn)子位置和轉(zhuǎn)速。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在電機(jī)靜止時(shí)能很好地進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始位置定位。在電機(jī)低速和高速運(yùn)行時(shí)，均能較好地檢測(cè)出轉(zhuǎn)子位置信息，其反饋轉(zhuǎn)子位置信息能使電機(jī)進(jìn)行正常的矢量控制。