基于DSP的永磁同步電機(jī)全速范圍轉(zhuǎn)子定位
摘要 針對傳統(tǒng)永磁同步電機(jī)矢量控制過程中,需要精確的轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行坐標(biāo)軸系變換問題,采用一種基于DSP的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測和初始定位的方法。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)間測量速度和轉(zhuǎn)子位置信息。同時(shí)在實(shí)驗(yàn)平臺上驗(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)確測出轉(zhuǎn)子位置信息,且具有一定的可靠性和有效性。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201808/387223.htm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)致無法對電機(jī)進(jìn)行正確控制。針對傳統(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,通過二次直流轉(zhuǎn)矩定位,精確定位轉(zhuǎn)子初始位置。針對傳統(tǒng)的M/T算法存在檢測時(shí)間、誤差大的問題,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(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;Fr為轉(zhuǎn)子磁勢;K為由電機(jī)參數(shù)決定的常數(shù);θsr為轉(zhuǎn)子磁勢和定子磁勢的夾角。
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(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,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法原理為測周期/頻率法,原理是在檢測時(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)問間隔為Tg,Tg后檢測到的第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來測量檢測時(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法存在檢測信號時(shí)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(shí)鐘脈沖和編碼器信號脈沖的同時(shí),采用隨編碼器發(fā)出脈沖信號而變化的時(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(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,極對數(shù)為4,編碼器為2 500線。實(shí)驗(yàn)平臺如圖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。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
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。
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