永磁同步电机转子磁极位置的确定与计算

1、GARDEN OF TECHNOLOGY永磁同步电机转子磁极位置的确定与计算Determination and calculation forpositioning rotor poles of PMsynchronous motor河北省电梯检测中心陈广培1414引言：在永磁同步电机的控制过程中.转子位遗 的信息趁很重要的没有转子确切的位鬣就难 以确定定子绕组的控制状态电机就可能发生 速度震荡甚至失速更谈不上实现数字化的高 席度位置控制然而由于转子存在永磁班 极在不加电时的位置是的机不确定的除了旋 转变压器和绝对式光电如码盘等位置传感器能 够确定转子初始位世外增凤型旋转光电编码 器是不能判新

2、转子條止时的位置.因此永磁同 步电机初始转子位置的确定对永磁同步电机的 控制是十分关堆的.永磁同步电机转子的初始位it是用转子題 极的位置角来确定的.通常有2类基本确定方 法一类超脉冲电压注入法:定子绕组输入脉冲电压产生固定位竇的定 子电枢磁场从而强迫转子永磁磁极与定子磁 场对齐实现整步实现的原理如下:它是通 过给定子通一个大小和方向已知的近個卫流电 的正弦脉冲电J*这样使定子产生一个恒定的 上4老赭磁场这个磁场与转子的恒定磁场相互作用. 迫使转子转到两个磁琏成一线的位置而停止. 从而得到转子的相位如图图(a)表示转子处于任意位置这时给定 子所通电流is的d袖分|ftid=O. q轴分fiiq

3、-in (额定电流).并处标系的杞位为 所产生的5S场与转子磁场作用便转子转到图 (b)位置但杲这个位覽不是我们希电的转 子磁场的定向位盘因为转子磁场方向没有与 q轴重合即转子定子磁场方向并没有正交 所以需要将坐标系在Ge的基础上.再转 动90 实现转子磁场定向.根据上面的道理给定子通一个i d = 0 . iQ=in * 0 e=-90 *的近似直流的脉冲电流.就 可以使转子转到图(c)的位置.使得转子感场 与q轴垂直也就实现了转子定子磁场方向 的正交从而完成了转子相位的初始化。这类1414j GAR DEN OF TECHNOLOGY .技术 HH15方法适用于空載或轻戟情况下转子切始位置

4、的 校正但是这类方法存在2个缺点：一个悬转 子永磁磁极位置的随机性导致对齐过程中转子 转向的不确定性另个峽点是初始状态对齐 过程中转子转过的角度握否作为转子位賈控制 能部分.闵为这个角度在O180电角度 范如果对齐过程是转子位置控制的一部 分，而且实际控制的角度就落在0180*电 角度范围内那么除非系统具有转子位武记忆 功能.由干对齐过程中转子位賈角可能出现振 荡现象也会对系统控制精度产生影响所以在 电梯的安装调试过程中往往需要先把曳引绳 W曳引轮脱开在逬行磁极的初始定位完毕 后再把曳引鬼放回曳引轮的绳槽内这种方 法目前釆用者己经很少另一类是高频电流注入法:这类方法控制 粘度相对较高，因此在目

5、前的电梯控制过程中 经常采用利用水趙同步电机的数学模型观 丽输入高频电流信号厉电压伯号髙频分債的变 化規律从中分离出轶子位置信息。永磁同步 电机的转子存在凸性以及磁路饱和持性有利 于检测賴子位餐角这类方法要求检测过程中 转子可以静止不动也可以运动在电梯的现 场调试中很方便.此类方法理论性很强推导 起来比较繁琐简眼来说当豆轴磁导（W）与 交轴磁导（Lq）相垄较大时利用永磁同步电机 的凸性以及电枢反应磁场和永磁磁场对定子 铁心的饱和待性检测初始转子位置角的有效方（1）转子磁场方位的确定:高频正弦电流由 逆变器向静止两相定子电枢绕组中注入不对称 电流.其电流幅值相对小些以免定子磁路饱 和.电压分童与

6、输入的电流分抵都不同程度的 发生幅值变化和相位移动利用相移角度确定 转子d柚所在的方位角e 注0的表达式为：tg6?p tg 0 d-tg 0 q）/ （ P tg 0 q-tg 0d）Q为电机极数.分别为电流与 电压波形在“、A坐标上赳相位移动角度。推导 过程略为提高检测的埼度和准确性有效方法是 提高注入信号的频率现在电梯主产厂家已经 达到了使其数字化的程度操作方便调整灵 活转子磁极位覽的判断与辨识:在输入电 流的正半波幅值位置观测另一坐标轴定子电压 的符号.由于电机餐数已知符时礎定因此 通过定子电压的符号就可以确定转子位置极性 方向。如下表1直2与文轻导JL Sin2eeatJLJL* i

7、. in 押A* 11. iv “AA* fL iv .A i in411转子（1JLA利箫磁极极性的梆识:确定了磁极极性方位 之后可以利用直柚电流电枢反应的性质是去 磁还是助磁使得电机磁路饱和程度发生变 化当高频电流注入时.电机参数的泊动会引 起电压信号高頻成分的增加由比可以利用电 压髙频成分出现的位登确定电枢电流对应的是 K极还是冷极利用脉冲电压注入苹使得电枢电流在助磁 的情况下使电机磁路足够饱和为此还要注意 电枢反应对磁路饱和的影响情况一：定转子磁场同方向重合电枢反 应起死助磁作用便得磁路饱和情况二:定转子磁场反方向孤合电枢反 应起纯去磁作用使得磁路減弱。悄况三:定转子磁场的方向垂直（即

8、正上沦爱採枝术B3堆GARDEN OF TECHNOLOGY交)电枢反应起扭磁作用使徉磁路总体饱和 程度与空载一样情况四:定转子磁场的方向既不重合也不 正交直轴电枢反应或者起助破作用.或者起 去55作用交轴电枢反应起扭磁作用通过以上四种情况的分析.不难看出.在 同样脉冲电压作用下定子绕组产生的磁场使 得戏路饱和的转予fifi极轶角的变化全 周期性变化绕组的等效电感也子磁极 转用变化呈周期性变化所以电流峰債也随着 转子磁极转角变化呈周期性变化。于是假设电流峰值变化规律如下：1 peak=Ipeak-av-rlncos W(1-1)其中:0 为脉冲电压作用下电枢磁场 与转子直轴的相对位置角；电流平

9、均毎值为：Ipcak-av = (Ipeak-max Ipcak-in)/2 电流峰值波动幅值为Im = (1peak-max - 1peak-min)/2现在利用磁路饱和待性确定气隙磁导均匀 财永磁同步电机的转子初始位置角首先采用 三相导通方式堀定电压脉冲信号:定子三相绕 组按照表2输入6个电压脉冲并检测相应的电 枢电流表2中没有列出每一种开关状态下检16弘SBRCXM-tt100I A*1101C-010IB*0111A-001IO1011-人2歼吳我令4电厦测才於测相绕绘的脉冲电压紹值但是它们都等亍应 浪母线电压的2,3.因此直海母域电压必须稳上打定；因为母找电渡与检测相绕组电漁相同所

10、以可以直接检测母线电流接若要处理电流峰值信息因为磁賂饱和 程度与电枢进场和转子相对位置有关.所以当 某一相施加脉冲电压时电流峰值随电感的变 化关系就转换为电流峰偵与转子位置角的关 系根据式(】T)的定义得到每一相检灣电 流邸值随转于但童用变化的黃糸iA-peak = Ipeak-av Im COS 8iB-peaL = Ipeak-av Im COS ( - 2 x/3)(1-2)i-peak = Ipcak-av * In COS ( & 4 穴/3)最后根括检测每一相绕组在正负脉冲电 压作用下的峰值电流变化判断转子相对位置 角的大小对于A相来说负脉冲电压作用下 产生的电枢懑场方向正好与正脉

11、冲电压作用结 果相反因此电流峰值的变化规律相当于转子 位fitffj改变：80电角度由此得到正负脉 冲电压作用下的电流峰值农达式为:IA=Ipeak-av 今 Im COS 0.I A- = Ipeak-av - Im COS 8 (1-3)将式(-3)中两式相减，得到A相绕组在 正负脉冲也压作用下电流峰值的变化盘A IA = 2 Im COS 0(1-4)*同理可求得其他两相绕组在正负脉冲 电压作用下电流峰值的变化紙 IB = Im COS ( 0 - 2 ” /3)(1-5)】C = 5 CO ( “ 2 不 /3)(1-6)最后估计转子切始位直角对于给定转 子位鬣角通过检测6个脉冲电压作

12、用下毎相 电流峰值计算出冬相电流峰值的变化董即 正、负脉冲电压作用下电流峰值大则该相绕 组轴线就是转子N极最接近的位負因为该相 绕组正负脉冲电压产生的2个电枢越场一个 GARDEN OF TECHNOLOGY | 技术*地助磁使得色路最饱和而另一个去磁使術磁场 最不饱和.如图D所示a d可以设x相电流峰值变化量的绝对值最大 其他两相Y和Z相电流峰值变化校小利用Y 和Z相电流蜂值变化最计算转子位置角如果 三相绕组空间排列的正相序依次是X.Y和Z 那 么根据式(1-4).(H6)可以得到转子初始位 置角& = arctg( A lz- A Iy) / %/3 ( A Iz ly)* 0 x 兀(1

13、-sin ( A lx) /2(1-7)式(1-7)中.0x表示X相绕组轴线相对 于A相绕组轮线的位置角如果X相电流峰值 变化量为正那么等号右边第3项符号函数计 算结果尊于I，因此第3项计算结果尊于0；否 则符号函数计算结果等于7转子位置角计 算值就要增加180电角因此转子N极轴线在 X相绕组轴线反方向附近J转子转动时的位*檢测和计算(1)位置检测:电梯中永磁同步电机转子位 置传感器通常是使用增盘型编码器增量型編 码器的曲盘相对转子相位初始化的转子位置来 计数一般常用的增盘型编码器每转反馈回 的脉冲数有2048、4096.8192等几个级别，具 体情况应根据控制的精度要求而定反馈回的 脉冲杲2

14、个正交的增童脉冲和零位标志脉冲 输入到DSP内部的正交编码器接口由DSP内 部专用编码器接口脉冲计数舒存器确定输入的 正交脉冲数并且转子每转过1周增亘编码 器输出一个零位标志脉冲信号以消除因脉冲 丢失引起的计数误差不论11绝对編码信号还 是增览编码信号输入DSP.脉冲计数寄存器存 在最大计数值它们是绝对编码器的最大N位 二逬制数即2的N次方減】.或者增量编码器 毎周脉冲数PPR的4倍减1，即K=4 X PPR-1. 永磁同步电机的转子转向是由计数器的计数方 向确定由干脉冲计数寄存器的计数值是根据 电机转向进行增減的不同的旋转方向存在向 上或向下计数溢出的问题而出现向上或向下 计数溢岀DSP不会产生中断DSP不能确定是 否产生计数溢出因此要避免2次脉冲计数奇 存器读数值之差超过最大计数值这样转子位 置的转角最大采样周期必须根据永建同步电机 最奇工作频率和控制精度确定电机工作频率 和控制稽度越高则要求采样周期越小(2)转子位置角的计算假设转子位置信息最大不超过16位二进制 数.在DSP内部的角度表示0360电角度 对应16位二进制数的0x0000OxFFFF，对应 转子机械位監角寄存器计数值0M所以当奇 存器读数为LE1.实际转子电气性笈角