永磁同步电机找初始相位方法

1、基于磁定位原理的永磁同步电机转子初始位置定位研究黎永华，皮佑国（华南理工大学自动化科学与工程学院，广州，510640）摘要：提出了一种基于磁定位原理的转子初始位置定位方法，通过给电机施加电流矢量，根据电机转动方向与施加的电流矢量角之间的关系，不断改变电流矢量角实现缩小定位范围。定位过程中转子转动微小，能满足需要无运动冲击机械永磁同步电动机的初始定位要求。论文分析了定位原理并给出了实验结果。关键词：永磁同步电机；初始位置；起动；磁定位中图分类号：TM 351 文献标志码：A Research of the Initial Rotor Position Based on the Principle

2、 of Magnetic OrientationLi Yonghua,Pi Youguo(college of automation science and engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640)Abstract：An positioning method of initial rotor position based on the principle of magnetic orientation that was presented. through the motor perturbation

3、inflict current vector, narrow the scope of location by changing the current vector make use of the relationship between the encoder and the current vector. The process of positioning the rotors rotation small movement, can meet the needs of non-impact machine permanent magnet synchronous motor posi

4、tion of the initial request. Analysis of the principle position and experimental results are given in the paper.Keyword:permanent magnet synchronous motor; initial position; starting;magnetic orientation0 引言永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有结构简单、调速性能好的优点，因此在工业控制领域得到了日益广泛的应用。永磁同步电机调速系统

5、通常采取在电机上安装增量式脉冲编码器来提供转子的位置信息，得以实现系统的闭环控制，且电机的起动过程也依赖于转子的初始位置信息，但由于在电机起动时电机转子位置是任意的，而增量式编码器无法提供电机的初始位置信息，因此转子初始位置检测是电机控制中必须解决的问题。转子初始定位最常用的方法是磁定位法，此方法原理简单并且可以使转子磁极准确定位，但初始化过程中转子被强行拉到给定位置，使转子产生较大的扭动而不能满足要求无运动冲击机械的要求。近年来许多学者对转子的初始位置估算进行了大量的研究，文献2-4利用电机的磁饱和特性来检测转子初始位置，当给定子施加的电流矢量与转子磁极N极重合时，定子的电感最小，这种方法理

6、论上可以达到较高估算精确，但是在实际应用中，对电流检测硬件电路要求较高，实现起来具有一定的难度。文献5-8采用高频注入法，可以检测零速下的转子位置，其中旋转高频电压注入法更适用于凸极率较高的电机，而脉动高频信号注入法适用于表面安装永磁电机，且算法均较复杂。本文的思想是通过给电机定子施加电流矢量，利用增量式编码器脉冲信号检测电机转动方向，根据转动方向与摄动电流矢量的角度关系，不断改变电流矢量方向来实现缩小定位范围，首先介绍转子磁定位方法，再详细提出基于磁定位原理的定位方法和定位步骤，最后介绍了实验过程及其结果。1 转子磁定位法简介永磁同步电机在dq坐标系下的数学模型如下，磁链方程为：电磁转矩方程

7、为：机械运动方程为：式中为电机磁极对数，为电磁转矩系数，、为d、q轴上的电感量，、为d、q轴上的电流，阻尼系数，机械角速度，为负载转矩。对于表面式PMSM，于是电磁转矩方程为：。图1 dq坐标系下电流关系Fig.1 relationship of current in the dq reference frame如图1所示，当给定子施加大小为（）方向为的电流矢量时，则电磁转矩方程为 因为、（）固定，如果忽略，则当时，电机逆时针转动；当时，电机顺时针转动；当或时，电机不转，可见转子的转动方向包含着转子的位置信息，于是可以通过判断电机的转动方向来实现转子初始位置定位。磁定位法是通过给永磁同步电机定

8、子通以一个已知大小和方向的电流矢量，使转子转动到已知电流矢量对应的位置，从而得出转子运行前的初始位置，定位过程如图2所示。图2 磁定位法转子相位初始化Fig.2 Rotor phaseinitialization by magnetic orientation 如图2，设定位前电机转子磁极N极在、坐标系中任意一个位置角处，给定子施加一个电流矢量：轴分量，轴分量，坐标系相位为的电流矢量，所产生的定子磁场与永磁体转子磁场作用，当+>>时，电机逆时针转动，当-<<时，电机顺时针转动，使转子转到+90°位置而停止，这时转子的磁极位置与电流矢量的位置相差90°

9、，从而实现了转子的初始定位的初始化。通常取使转子转到轴、A轴、轴三轴重合的位置。2 基于磁定位原理的摄动定位研究磁定位法可以精确实现转子的初始定位，但可能造成转子较大幅度的转动，本文提出基于磁定位原理的摄动定位方法：给定子通以、方向为的电流矢量，电动机在上述电流矢量的作用之下开始旋转，通过编码器脉冲信号可得到电机的转动方向，一旦检测到编码器脉冲数有变化，便立即封锁PWM输出，转子的位置改变很小，而根据电机转向和给定的电流矢量就可以大致确定电机转子的位置。接着改变电流矢量，使给定的电流矢量更接近电机转子的磁极，再检测电机的转向。当电机的转向改变时，表明所给矢量越过了磁极，再改变电流矢量。如此反复

10、摄动，直到当电机转子不转动时，施加的电流矢量方向和转子磁极一致重合，完成电机转子的初始定位。设转子位置如图3所示，检测转子初始位置（即）步骤如下：第一步：按照0-7的顺序分别给电机定子施加相同大小不同方向的电流矢量。首先施加电流矢量、=，一旦检测到编码器有脉冲输出变化立即封锁PWM输出并使，判断电机转向，然后施加、=的电流矢量，同样检测编码器，一旦编码器有脉冲输出变化便立即封锁PWM输出。当相邻两个角度与转子转向由顺时针变为逆时针时，可以确定电机磁极N极在这个45°范围内；当转子转向由顺时针变为设定足够时间内不转则可以确定电机磁极N极就在这个不转的位置。 第二步：在第一步得出与的基础

11、上，按照图4所示，给定子施加电流矢量，取=（+）/2，恢复PWM输出，检测编码器变化情况并判断方向，一旦变化立即封锁PWM输出，如果顺时针转动取=（+）/2，逆时针转动则取=（+）/2，不转说明磁极N极位置就在处，然后再二分直到在设定时间内编码器没有变化为止。图3 检测转子初始位置第一步Fig.3 The first step of the initial rotor position detection图4 检测转子初始位置第二步Fig.4 The second step of the initial rotor position detection3 实验及结果分析基于TMS320LF28

12、12 DSP平台实现了算法，按照上诉步骤在CCS编译环境中对一台型号为P10B13100BXS20的三洋永磁同步电机做验证性实验，具有6000线增量式编码器，经过4倍频即电机转动一圈编码器共产生24000个脉冲，电机逆时针转动编码器脉冲增加，顺时针转动时编码器脉冲减少。情况一：当电机转子实际位置在=时，执行第一步定位后编码器脉冲数如表1所示。表中电流矢量幅角乘以45°就是施加的电流矢量角度，脉冲数Q1是检测到编码器脉冲有变化时的编码器脉冲数，由于电机存在惯性，脉冲数Q2是封锁PWM一段时间确定电机没有转动后的编码器脉冲数，用于下次跟Q1比较判断转向。表1 =时执行第一步后编码器数Ta

13、b.1 the number of encoder after the first step(=)电流矢量幅角脉冲数Q1脉冲数Q2转动方向000不转12399823996顺时针22399023978顺时针32397623972顺时针42397223972不转52397423982逆时针62398623999逆时针715逆时针由表可知在3位置时转子顺时针转动，4位置时转子不转，于是得出磁极N极在4位置即180°处。 情况二：当给定电机转子初始位置在=100°时，执行第一步定位后编码器脉冲数如表2所示。表2 =时执行第一步后编码器数Tab.2 the number of enc

14、oder after the first step(=)电流矢量幅角脉冲数Q1脉冲数Q2转动方向02399923993顺时针12399123989顺时针22398723985顺时针32398923993逆时针42399523999逆时针527逆时针6910逆时针786顺时针由表2可以得出转子磁极N极在2、3之间。执行第二步定位后编码器脉冲数如表3所示。表3 =时执行第二步后编码器数Tab.3 the number of encoder after the second step(=)电流矢量幅角脉冲数Q1脉冲数Q2转动方向2.5810逆时针2.251213逆时针2.125107顺时针2.187

15、554顺时针2.2187544不转图5 摄动定位过程Fig.5 Positioning process perturbation由表3以及图5可以得出转子磁极N极在2.21875即99.84375°处，误差小于1°。情况三：当给定电机转子初始位置在=196°时，执行第一步定位后编码器脉冲数如表4所示。表4 =196°时执行第一步后编码器数Tab.4 the number of encoder after the first step(=)电流矢量幅角脉冲数Q1脉冲数Q2转动方向025逆时针1323999顺时针22399623991顺时针323989239

16、82顺时针42398023975顺时针52397723980逆时针62398323989逆时针72399123995逆时针由表4可以得出转子磁极N极在4、5之间。执行第二步定位后编码器脉冲数如表5所示。表5 =196°时执行第一步后编码器数Tab.5 the number of encoder after the first step(=196°)电流矢量幅角脉冲数Q1脉冲数Q2转动方向4.5239971逆时针4.252399923995顺时针4.3752399423991逆时针4.31252399323996顺时针4.343752399623996不转图6 摄动定位过程（

17、=196°）Fig.6Positioning process perturbation（=196°）由表5以及图6可以得出转子磁极N极在4.34375即195.46875°处，误差小于1°。4 结语本文提出了一种基于磁定位原理的转子初始位置定位方法，通过给电机定子施加电流矢量，由电机转向与施加的电流矢量方向之间的关系来判断电机转子的位置，并通过不断改变电流矢量的方向来缩小定位范围，算法简单且能获得较高的定位精度。定位过程中转子转动微小，能满足要求无运动冲击机械永磁同步电动机的初始定位要求。参考文献1 王晓明; 王玲.电动机的DSP控制TI公司DSP应用M

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