摘要  針對傳統(tǒng)永磁同步電機矢量控制過程中，需要精確的轉子位置進行坐標軸系變換問題，采用一種基于DSP的永磁同步電機轉子位置檢測和初始定位的方法。該方法在電機靜止時使用改進的磁定位法，通過分別兩次輸出直流轉矩，將轉子先牽引出定位盲區(qū)，然后固定到預定位置進行轉子初始定位;在電機運行后采用改進的  M/T法，以及可變的采樣時間測量速度和轉子位置信息。同時在實驗平臺上驗證了該方法，實驗結果表明該方法能準確定位轉子初始位置，電機在低速和高速時能準確測出轉子位置信息，且具有一定的可靠性和有效性。

永磁同步電機的控制策略，例如矢量控制，需要精確的全速范圍內(nèi)的轉子位置進行解耦變換。而其中轉子初始位置最為重要，初始位置的誤差會影響其后轉子位置的計算，從而導致永磁同步電機解耦變換錯誤，導致無法對電機進行正確控制。針對傳統(tǒng)的磁定位法，可能由于電機靜止時轉子位置位于定位盲區(qū)，普通的直流轉矩不能使轉子旋轉到預定位置，使用改進的磁定位法，通過二次直流轉矩定位，精確定位轉子初始位置。針對傳統(tǒng)的M/T算法存在檢測時間、誤差大的問題，使用改進的M/T算法，縮短了計算時間和提高了計算精度。

1 改進磁定位法原理

磁定位法原理是通過給逆變器發(fā)出直流觸發(fā)脈沖信號，例如圖1脈沖信號為(100)輸出給電機定子繞組靜止的電流矢量。

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

永磁同步電機的電磁轉矩公式為

Tem=KFsFrsinθsr (1)

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

由式(1)可知，電磁轉矩將使電機轉子向θsr減小的方向旋轉，直到電磁轉矩與電機固有轉矩達到穩(wěn)定的平衡點。最終使轉子D軸與電機A軸重合，完成轉子的預定位。但轉子位置在預定前是隨機的，當施加電壓矢量為直軸負方向時，θsr=90°，電磁力矩Tem則等于0。轉子的磁定位會由于轉子不轉動而失敗。

為了避免轉子位置位于上述的定位盲區(qū)，使用二次定位。在轉子預定位前，在與預定位置相差90°的位置施加一個電壓矢量，使轉子位置離開上述定位盲區(qū)，然后再施加原定的電壓矢量，將已離開定位盲區(qū)的轉子定位到預定位置，完成轉子的預定位操作。

2 變M/T法原理

增量式光電編碼器旋轉一圈會發(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，Z相脈沖等于編碼器旋轉圈數(shù)。其輸出波形如圖3所示。

M/T法原理為測周期/頻率法，原理是在檢測時間和此時間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖個數(shù)。設1個時問間隔為Tg，Tg后檢測到的第1個編碼器脈沖終止DSP的內(nèi)部脈沖計數(shù)器，計此時脈沖計數(shù)器值為m2，并用m2來測量檢測時間T，且

T=Tg+△T (2)

設N為編碼器旋轉一周發(fā)出的脈沖數(shù);m1為T時間內(nèi)編碼器發(fā)出的脈沖數(shù);X為T時間內(nèi)電機轉過的角度位移，及

X=2πm1/N (3)

則電機轉速可表示為

但上述M/T法存在檢測信號時間過長，檢測誤差大的問題，針對此問題，提出了變M/T法。其原理是在檢測高頻時鐘脈沖和編碼器信號脈沖的同時，采用隨編碼器發(fā)出脈沖信號而變化的時間Tg。取Tg=m3/fc，m3不含△T時間內(nèi)的高頻脈沖個數(shù)。則電機轉速可表示為

n2=60m1fc/m3N (6)

轉子位置信息可推導為

θ=θ0/p+(n2Tg/60)·2π (7)

其中，θ0為電機的轉子初始位置;p為電機極對數(shù)。式(7)可化簡為

θ=θ0/p+2πm1/N (8)

該方法在高速和低速情況下，檢測精度與檢測時間均優(yōu)于傳統(tǒng)M/T法。

3 實驗

實驗選用的DSP為TI公司的TMS320F28335，永磁同步電機的額定功率為500 W，極對數(shù)為4，編碼器為2 500線。實驗平臺如圖4所示。

全速范圍的轉子位置定位系統(tǒng)框圖如圖5所示。

電機靜止時，通過使用DSP輸出PWM波給三相逆變器，使其輸出兩次直流電壓進行二次定位，將轉子位置牽引到預定位置。電機運行時，DSP的事件管理器捕獲編碼器輸出的A相和B差分相脈沖信號計算出轉子實際位置，從而進行轉速和轉子位置的檢測。整個系統(tǒng)的軟件流程圖如圖6所示。

電機靜止時進行轉子初始定位輸出的A相和B相電流值如圖7所示。

圖8為經(jīng)PARK變換后的勵磁電流值，產(chǎn)生的勵磁轉矩將使電機旋轉到固定位置，在實驗中設定為0.75，即相位為270°，或-90°，電機此時處于-90°下的固定轉矩電流作用下，從而找到相位的初始位置。

電機啟動后，轉速為300時的轉子位置和A相電流如圖9所示。

電機在300轉速時的勵磁電流和實時速度如圖10所示。

由圖9和圖10可得出，變M/T法能在電機低速時準確的檢測出轉子位置信息，并能較好地計算出實時轉速。

圖11為電機轉速為1 200時的轉子位置和A相電流圖。

1 200轉時勵磁電流和實時轉速，如圖12所示。.

由圖11和圖12可得出，變M/T法在電機高速時也能準確地檢測出轉子位置信息，并能較好地計算出實時轉速。對比轉速300 r·s-1和1 200  r·s-1的實驗結果可知，該方法在電機低速和高速時均能較好地測得轉子位置和轉速。

圖13為電機轉速圖，該方法檢測的轉子初始位置和運行時轉子位置能滿足永磁同步電機的矢量控制需求，電機起動快速，在300轉和1  200轉均能穩(wěn)定、可靠的運行。

4 結束語

實驗結果表明，該方法在電機靜止時能很好地進行轉子初始位置定位。在電機低速和高速運行時，均能較好地檢測出轉子位置信息，其反饋轉子位置信息能使電機進行正常的矢量控制。