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永磁电机的转子位置检测与定位.PDF

永磁电机的转子位置检测与定位

fjlinjian
2012-07-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《永磁电机的转子位置检测与定位pdf》,可适用于工程科技领域

陈 荣 年月生,年毕业于南京航空航天大学自控系航空电气工程专业,硕士学位,在读博士生,副教授。研究方向为电力电子及电气传动。试验与测试永磁电机的转子位置检测与定位南京航空航天大学(南京市,)  陈 荣 严仰光  摘要 本文在简述矢量控制原理的基础上,通过分析现有转子位置检测手段的不足,提出使用普通光电编码盘实施永磁同步电机转子位置检测及电机转子位置的初始定位方法,并在实验系统中使用,可以满足实际使用要求。  关键词 永磁同步电机 伺服 位置检测 初始定位RotorPositionDetectionandIncipientPositionLocationofPMSMNanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics ChenRong,YanYangguang  Abstract:Thispaperintroducesamethodofrotorpositiondetectionandincipientpositionlocationusingordinaryphotoelectricalcodeddisks,basedonsimplydefiningtheprincipleofvectorcontrolandanalyzingtheshortcomingofrotorpositiondetectionmeasureusednowadaysThemethodhasbeenputintouseinexperimentsystemandcouldmeettheneedsofpracticaluse  Keywords:PMSM Servo Positiondetection Incipientpositionlocation   引言随着交流伺服传动技术的发展,特别是用于实时处理的DSP芯片技术的出现,使交流伺服传动系统中大量复杂的函数计算、坐标变换、参数调节等运算可以在极短的时间内完成,从而可以满足交流伺服传动系统的实时运算要求,使交流伺服传动逐步走向前台,以取代原己广泛使用的直流伺服传动。而在交流伺服传动系统中,由于永磁同步电机的数学模型相对异步电机而言较为简单,并且它的结构简单、单位体积的功率较大、低速时转子不发热,不影响伺服传动精度、而且由于其转子有励磁,即使在极低的频率下也能运行,故其调速范围较宽。正是由于永磁同步电机具有如此多的优点,人们投入了大量的人力物力研究永磁同步伺服驱动。在永磁伺服驱动系统中,电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件,也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道,才可以按照矢量控制的一系列方程,将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型,系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制,从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。   现有电机转子位置检测方法及其存在问题  目前,用于永磁同步伺服驱动系统电机转子位置的检测方法主要有:旋转变压器法、光电编码盘法(增量式和绝对式)、电机内置位置传感器法、无位置传感器位置检测法(有高次谐波注入法、基于观测器的位置检测法、基于电感信息的位置检测法等),这些方法中除旋转变压器法和绝对式光电编码盘包含了电机转子的初始位置信息,可以用作电机的上电初始定位外,其它方法都不能对永磁同步电机进行初始定位,有的方法需要多次定位修正才能完成伺服系统定位,这在实际应用《中小型电机》,()永磁电机的转子位置检测与定位          ©TsinghuaTongfangOpticalDiscCo,LtdAllrightsreserved系统中是没有使用价值的。对于电机内置位置传感器法,这种方法对电机的设计要求较高,需要在埋置电机定子绕组的同时埋设检测绕组,不具有通用性。无位置传感器位置检测法是目前人们热衷研究的问题,但是在永磁同步电机处于静止或者电机刚刚上电时,在电机的定子绕组上没有任何能够反映电机转子位置信息的信号,也就是说,这些方法都不能用于永磁同步电机转子的初始定位。而对于旋转变压器法,从其工作原理可以知道,其输出信号中包含有电机转子的位置信息,并以u=kUmsin(ωtθ)的形式出现,式子中ω是旋转变压器法励磁信号的角频率,θ角就是电机转子的位置信息,为了得到电机转子位置信号,这就需要对其输出信号进行解调,从而得出永磁同步电机的转子位置θ,其解调方法比较复杂。对于绝对式光电编码盘法,其码盘输出多位自然二进制码,输出是电机转子位置的单值函数,输出的二进制码和转子的绝对位置一一对应(注:不是连续函数)。但是,由于码盘的道数有限,即输出的二进制码位数较少,因而定位精度不高,且它所能测量的位置角仅局限于°范围,不具有多转检测能力。而且由于信号的并行传输,引线较多而不便使用。下面,我们将研究通用增量式光电编码盘在伺服系统中使用时,永磁同步电机转子位置的检测与定位方法。   增量式码盘使用中电机转子位置的检测与定位  目前,通用增量式光电编码盘的技术很成熟,价格比较低,使用很广泛。其输出有A、B正交脉冲两路,零脉冲Z一路,及U、V、W三路互差°的脉冲。一般A、B端口每转输出~个脉冲,Z端口每转输出个脉冲,U、V、W端口每转输出P个周期的矩型脉冲,P为电机极对数。使用它实现电机转子位置检测的方法如下:假定它在旋转过程中给定时间T(s)内给出脉冲数目为m,则电机转速n(rΠmin)可表示为:n=×mΠT×pe,pe为光电编码盘每转输出的脉冲数。假定电机在静止时转子的初始位置角(电角度)是θ,电机的极对数为P,则从静止开始经过时间T后的电机转子位置(机械角)与电机速度n之间的关系为θ=θΠP(n×TΠ)×π=θΠPπ×mΠpe  若用电角度表示,θ=θπ×P×mΠpe,该θ角就是我们矢量控制时进行坐标变换所需要的转子位置角。其方程为idiq=cosθ cos(θπ) cos(θπ)sinθ sin(θπ) sin(θπ)·iaibic磁链、电压变换方程相同。在第i个采样时间结束后,即第i个采样值为θi=θiπ×P×miΠpe i∈N  mi为第i个采样周期的脉冲计数值,将θi代入上面的方程,就可以求出该时刻电机电参量在dq坐标系中的对应数值,系统就可以通过适当的调节器对指定量进行调节,如对iq。则永磁同步电机在id=情况下的数学模型就是下面的一组方程式uq=RsiqLqpiqeud=ωrLqiqTe=PΨdid=PLmdifiqTe=Jp(ωrP)RΩ(ωrP)T式中 p微分算子e反电势ωr电机旋转角速度Ψd电机转子励磁磁链RΩ摩擦系数P电机极对数Te、T电磁及负载转矩,带有d、q脚标的量为dq坐标系中的分量Rs电枢电阻由此可知,此时的永磁同步电机和直流电机完全相同,直轴和交轴之间实现解耦,系统就可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制。因此,从前面的分析可知,永磁同步电机在转子位置可知的情况下,借助于坐标变换,可以把它转换成等效直流电机来控制。然而,电机在刚通         永磁电机的转子位置检测与定位《中小型电机》,()©TsinghuaTongfangOpticalDiscCo,LtdAllrightsreserved电时,或者电机在运行过程中掉电而后又来电时,此时电机的转子位置未知,也就是说此时上述的坐标变换方程失去了存在的基础。如果仍然按照上述方程对电机的电参量进行坐标转换,实际控制的电压电流将不能满足电机的矢量控制要求,此时的伺服系统不是处于振荡状态就是电机过电流。所以说,为了使永磁同步电机伺服驱动系统能够取得优异的控制性能,将永磁同步电机变换成等效直流电机来控制,必须完成电机的初始定位,在电机还没有旋转时就能确切知道电机转子的初始位置。有文章介绍在电机上电时,给电机一个初始状态,也就是强制给电机三相绕组输入电流,使电机在这个定子磁场作用之下将转子移到指定位置。显然,这种方法不能用于伺服系统,因为伺服系统不允许系统在没有任何准备的情况下使电机旋转。那么怎样才能知道电机转子的初始位置呢因为电机没有旋转起来时,电机端口没有任何可以反映转子位置状态的电信号,自然没有办法获得电机转子的位置信息,那么,我们只有还从光电编码盘来想办法获得这个信息。现在的通用型光电编码盘除输出两相相位相差°的正交脉冲信号A、B外,还有一路零信号Z,和三路彼此相差°的脉冲信号U、V、W,两路正交信号可以用做电机的转速和转向的判别,这可以参考有关文献。Z信号用于电机速度测量过程中的误差修正,以避免累积误差。那么U、V、W脉冲信号在电机旋转时,每转变化P×°(P为极对数),即电机转子的°空间被分成了P等分,每一等分相应于电信号的一个周期。U、V、W所组成的状态信号在一个周期内分别为:、、、、、,它们各对应电信号一个周期内的°区间,对应机械角为°ΠP,则在电机初始上电时,由U、V、W的状态就可以判定电机转子所处空间位置的相应区间,参见图。图 U、V、W信号及其所表示的状态但是,这里仅能给出电机转子所在区间,至于它在某区间的什么位置还不能确切知道。伺服驱动系统在开始运行时,首先要咬合电机的转子,也就是通常所说的伺服使能,则此时电机定子所形成的空间磁场位置应该和转子d轴重合。那么,我们可以在U、V、W所告知的区间内反复测试电机的转子磁场(为分析方便,假定电机极对数P=)。比如说,刚上电时U、V、W所给出的状态是:,表示电机转子在图所示区域,则A相、C相电流应具有图示方向,才可以将电机转子咬合,至于B相电流是何方向以及A、C相电流的大小就需要系统确定。根据概率理论,在足够多的实验次数情况下,电机转子初始位置应该均匀分布在所表示的°区间,对于某次上电时电机转子究竟在那个位置还需要检测。假定电机转子的初始位置位于图示区间的中心线上,则按照θ=°给电机的三相绕组加入电流,按照电机合成磁场要求,为使电机咬合转子,必须给电机加入电流ia=ic=I,ib=,根据三相电流合成矢量的计算方法可得:i=(iaibej°icej°)=Iej°图 电机转子空间位置  即此时三相电流合成矢量位于所表示区域的中心线上,如果电机转子也在此处,则电机即处于咬合状态,光码盘的输出端A或者B无输出脉冲信号。如果电机转子位置不在此处,则有两种可能,一种可能就是使电机正向(逆时针)旋转,第二种可能就是使电机反向旋转,就可以由光码盘的输出端A、B测出电机是在正向还是反向旋转。如果电机处于正向旋转状态,那说明电机转子位于电机A相绕组轴线及所表示区域的中心线之间,那么就按照θ=°给电机的三相绕组加入电流,电机三相定子电流的综合矢量即位于《中小型电机》,()永磁电机的转子位置检测与定位          ©TsinghuaTongfangOpticalDiscCo,LtdAllrightsreservedθ=°的位置,同样此时仍有三种可能状态,下面的操作类推,总可以在一个很小的区间内使电机的转子处于微振状态。每次测试,区间减小二分之一。由于电机初始通电时,电机均处于轻载状态(或空载),因此,在给电机加上定位力矩T时,有方程TTf=Jdωndt式中 Tf电机及轴联负载的摩擦力矩J其转动惯量则电机在定位力矩作用下就要跟随定子磁场而旋转。速度将按前述方程加速上升。然而,我们的定位是不允许电机旋转的,则电机一旦开始旋转,控制系统便检测到电机反馈而来的脉冲及脉冲所指示的转向,此时说明电机转子不在定子磁场所指示的方向,则系统按照上述方法修正θ角,送出电机电流。每次测试,其θ角均做相应修正,则经过多次试探后,系统对θ角的修正将在极小的范围内进行,电机转子处于微振状态,定位完成。为防止电机旋转,θ角的修正速度要合适,太快转子来不及反应,太慢电机将会旋转,故测试时间需要反复调整,才可以完成电机的初始定位。在测试过程中,由于给电机施加的电流矢量与电机转子的d轴不重合,电机肯定是要旋转的。但是,只要电机的光电编码盘有脉冲输出,电机的三相绕组电流就会改变,使电机定子形成的空间矢量跳变一定角度,再测试电机的运行状态,然后再改变电机电流空间矢量的位置,再测试电机的运行状态,如此反复进行,故电机只能旋转几个脉冲对应的角度,而不会出现连续运行状态。由于光电编码盘每转所输出的脉冲达几千个,如果倍频则达上万个脉冲,因此电机旋转输出几个脉冲它所产生的角位移是很小的,在数控机床机械传动的间隙里完全可以淹没这种微振位移。   实际使用接线情况分析电机出厂时,将光电编码盘安装在电机轴的非负载侧,并进行调零操作,使得电机旋转时,光电编码盘所输出的U、V、W信号和电机转子位置角的对应关系如下表(表中角度为电角度):表 UVW的状态及其所表示的区间状态角度Π°~~~~~~  从表可知,由于使用U、V、W信号实施电机转子的初始定位,则控制系统在运行时,将按照上表所示关系来控制电机的三相电流,因此,实际使用时要考虑电机的接线。比如说,在电机接线时,电机的B相和C相接反,电机转子的初始位置在图所示位置,U、V、W信号指示电机位置在~°区间,则系统按照前述方法对电机转子进行定位,给电机加入电流ia=ic=I,ib=,根据三相电流合成矢量的计算方法可得i=(iaicej°ibej°)=Iej(°)  即此时电机定子电流合成矢量位于°位置,或者说位于°~°区间,由图可知,电机根本无法定位。但是,系统仍然按照原定方法定位,电机电流的综合矢量将位于所表示的°区间,故此时电机的定位力矩将使电机旋转起来,当电机越过电机A相绕组轴线之后,电机的定位电流给定将发生变化,其综合矢量便移至所对应的区间,如此继续,电机便旋转起来。经过分析,在电机的三相绕组接线错误的情况下,如果给电机加入电流ia=ic=I,ib=,其三相电流矢量所处空间位置见下表。  表 各种接线方式时电流的空间矢量位置(对应ia=ic=I,ib=)接线顺序ABCACBBACBCACBACAB空间矢量位置Π°  但对于表中前第二和第三两种状态,实际运行中会出现这种情况,如电机转子仍在图所示区间,电机三相接线为BAC,则逆变器初始定位时电机将逆时针旋转,并在°~°及°~°区间的临界分界线上停止下来。如果此时要使电机旋转,按照id=给电机定子送去三相电流,并以电机转子位置角对电机实施矢量控制,则电机在定子电流的综合磁链作用下旋转,但是由于相位错误,希望电机正转时电机的旋转磁场却是反向的,则电机转子在电枢磁场作用下与电枢磁场做相向运动,经过旋转一定角度后,电枢磁场与转子磁场同向,电磁力矩为零,电机停止。为使分析具有一般性,假定电机转子位置位于所表示的区间(实际分析与电机转子初始位置无关),电机转子轴线与电机A相绕组轴线的夹角为θ,a、b、c三相电流分别为ia=Icosθ         永磁电机的转子位置检测与定位《中小型电机》,()©TsinghuaTongfangOpticalDiscCo,LtdAllrightsreservedib=Icos(θ°)ic=Icos(θ°)  按照前述计算方法,可得,在三相接线变化时,其三相电流矢量所处空间位置见下表。  表 各种接线方式下电流空间矢量的一般位置(当U、V、W=时)接线顺序ABCACBBACBCACBACAB空间矢量位置Π°θθθθθθ  表是表的一种特殊情况。经过分析,其它U、V、W情况下结果类似。   实际应用前述电机转子位置检测及初始定位方法在永磁伺服系统中投入使用,从实验运行情况看,电机转子在任何位置永磁伺服系统都能准确定位,定位时间很短,最多大约经过十多次的定位试探,电机转子就能咬合。运行中还利用光电编码盘的Z信号对电机反馈脉冲进行修正,消除电机转子旋转过程中由于干扰而出现脉冲丢失所引起的累积误差。然后,再进行错误接线实验,其故障运行时所出现的现象与前述相同,说明分析正确。但要注意,在表后三种状态下,如要使电机运转,系统的电流环必须要有完善的保护措施,以免出现过电流而损坏器件。参考文献 伍小杰等同步电机转子位置检测的一种方法及实现电气传动,():~ 许 强等新型全数字交流伺服系统微电机,():~ 吴 凯等一种基于电感测量的永磁同步伺服系统位置检测新方法西安交大学报,():~ 郭庆鼎等永磁同步电机的位置和速度检测方法沈阳工大学报,():~ 周风余等高精度伺服系统位置检测单元的设计电气传动,():~ 贵献国等电机转子位置检测方案评述微电机,():~ MatthewJCorleyandRobertDLorenzRotorPositionandvelocityEstimationforaSalientPolePMSMatStandstillandHighSpeedsIEEEONIA,,VOL,NO Zhugc,AkhcifO,KaddouriA,DesceintLASpeedTrackingControlofaPMSMwithStateandLoadTorqueObserverIEEEIE,Vol,NO, Ostlund,SBrokenper,MSensorlessRotorPositionDetectionfromZerotoRatedSpeedforanIntegratedPMSMDriveIEEEIA,Vol,NO,收稿日期:电工技术类核心期刊征订热线:()邮发代号:,全国各地邮局均可订阅,也可直接向编辑部订阅《中小型电机》杂志创刊于年,是中国电机界最具影响的技术杂志,由上海电器科学研究所主办。《中小型电机》为双月刊,公开发行,逢双月日出版,发行量在同类杂志中遥居首位。《中小型电机》杂志立足电机行业,为电机行业的技术进步服务,促进新技术向电机技术的渗透,使国内的电机及相关产品能更好地满足国民经济发展的需要,同时又兼顾与电机相关的其他行业,为相关行业在电机技术等方面提供技术服务和技术信息。《中小型电机》是行业内外科研、设计、生产、测试、维修、使用和供销等有关人员不可缺少的技术资料,受到包括大专院校师生在内的广大读者的普遍欢迎,具有一定基础的电工爱好者也能从中得到有益的知识。《中小型电机》多次被评为机械部和上海市优秀科技期刊。在众多杂志中,《中小型电机》脱颖而出,入选电工技术类核心期刊。目前《中小型电机》杂志的主要栏目有:综述、研究与设计、控制与保护、运行及维护、试验和测试、标准、工艺与材料、经验交流、信息集锦、行业动态等。《中小型电机》,()永磁电机的转子位置检测与定位          ©TsinghuaTongfangOpticalDiscCo,LtdAllrightsreserved

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