永磁同步电机转子位置自修正

张峰魁，　刘彦呈，　郭昊昊

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连　116026)



永磁同步电机转子位置自修正

张峰魁，刘彦呈，郭昊昊

(大连海事大学 轮机工程学院，辽宁 大连116026)

摘要：转子位置检测是永磁同步电机(PMSM)变频系统稳定运行的必要条件。增量式编码器不能给出准确的转子初始位置信息，通常需要增加额外初始位置检测方法，而大多数转子初始位置定位的方法只具有理论性，实现起来比较困难甚至不适合实际应用场合。提出一种转子自修正方法，不需准确定位初始位置，通过软件实时修正位置信息。同时在设计的以DSP28335为核心的PMSM变频系统中进行了试验验证，结果证明该方法的可行性与实用性。

关键词:永磁同步电机； 转子位置修正； 转子初始位置检测

0引言

随着电力电子技术的不断发展，电机的应用领域也越来越广泛，为了实现对电机稳定、精确的控制，高性能的变频系统是不可或缺的。准确检测转子位置是实现稳定控制的前提条件。永磁同步电机转子位置的检测按实现方式可分为基于无P位置传感器算法的转子位置检测和安装位置传感器的转子位置检测。基于无位置传感器算法的转子位置检测方法一般是根据电机运行时的电压和电流等参数，通过电机数学模型公式推算转子位置，但是电机在低速运行时很难保证精确性[1]。目前变频系统多安装编码器检测转子位置信息，由于增量式编码器不能给出准确的转子初始位置信息，所以转子位置准确度很难保证，为此本文提出一种转子自修正方法，不需准确定位初始位置，通过软件实时修正位置信息，保证获取转子位置的精确性。最后通过试验验证了该方法的可行性。

1初始位置检测方法概述

转子位置检测的关键在于转子初始位置的检测。初始位置定位不准确，电机起动时可能会导致短暂的转子反转，甚至起动失败[2]。有些编码器可以直接获取转子初始位置信息，但一般的增量式编码器不具有此功能，且精度容易受到环境的影响。进而有学者提出了基于无位置算法的位置检测方法，主要包括预定位、高频信号注入法等。

1.1基于无位置算法的转子初始位置检测

转子预定位法[3]的思想是向定子绕组通静止的电流矢量Is1，如果电流矢量和转子磁场存在夹角，则产生的电磁转矩会使电机转子旋转到预定的位置。给定电流矢量图如图1所示。

图1　给定电流矢量图

由于电机轴承摩擦力和齿槽定位力的存在，会产生固有转矩，如果转子所产生的转矩小于固有转矩，定位转矩将无法转动转子，电机很可能失步或过流。为了避免定位盲区，一般采用二次定位的方式，即再施加一个与Is1相互垂直的电流矢量Is2，这样二次定位中，至少有一次可以使转子转动定位。

高频信号注入法[4]是向电机中注入高频激励信号，根据电机凸极饱和效应，对其反馈信号进行调制处理来检测出电机转子初始位置。其精度高于转子预转动法，且不会引起电机轴的预先转动，对负载影响小，但该方法基于电机的凸极效应，对于表面贴式电机适用性不高，同时算法较为繁琐，其精度很依赖于后级的滤波环节，而滤波环节的引入会引起一定程度的幅值衰减和相位滞后，导致转子位置存在误差。

1.2安装位置传感器系统的转子初始位置检测

有些位置传感器可直接给出转子初始位置信息，如绝对式编码器，而对于安装增量式编码器的系统，不能获取转子初始位置信息。为此有的学者提出一种类似于转子预定位原理的定位方法[5]，综合思想如下: 给定子通某一方向的电流矢量，如果通入的电流矢量与转子位置存在夹角，便存在电磁转矩牵引电机旋转，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。改变给定电流矢量的角度，再检测电机的转向。当电机的转向变化时，表明电机磁极处于所给两个电流矢量角度之间，再缩小电流矢量角度逐次逼近电机磁极位置。如此反复，直到当电机转子不转动时，表明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[6]。

2转子位置自修正方法详述

由于增量式编码器无法准确给出转子的初始位置，只能确定转子初始位置所处的一个区域，使得初始位置存在误差值，若不做处理，位置误差一直累积[7]，将导致控制效果变差甚至失控。虽然有学者提出了基于预定位原理的初始位置检测法，但该方法起动频繁，且需要转子多次旋转才能准确定位，其效果不利于实际应用。鉴于此，本文提出了一种转子自修正方法，其中心思想是编码器UVW信号开始变化时转子位置一定位于两个极性区域的临界位置。当检测到UVW信息变化时，实时修正转子位置信息，避免误差累积。

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2.1增量式编码器角度测量原理

由于每个电角度周期内码盘的计数值固定，所以每个计数值即可以表示转子所在的位置信息。根据旋转电角度一周码盘的脉冲计数值，设计sin函数表，每个数表示一个sin值，再根据转子所在位置的计数值与函数表的起始位置计数值的差值进行查表，获取转子当前位置的sin函数值。

以采用2500线光电码盘、3对极永磁同步电机的变频系统为例，用DSP的EQEP的捕获口[8]对两路码盘脉冲信号的上升沿和下降沿进行捕获计数，捕获的脉冲数为实际码盘发出脉冲的4倍，故机械角度一周实际捕获的脉冲数为10000。

sin函数表要根据电角度制作，在一个电角度周期内对应的DSP捕获的脉冲数为10000/P=10000/3=3333个，即为制作的函数表的长度。也就是说将一个360°周期的sin值用函数表内的3333 个数表示，对于电角度而言每个数表示的最小精度为360/3333的sin值。

在讨论如何查询sin函数值之前有必要明确两个概念: 函数表的起始位置和转子的零位置。转子的零位置即转子处于该位置时其对应的sin值为sin0°，此位置取决于编码器的安装位置，本系统的转子零位置为图2中a轴位置。函数表的起始位置表示函数表的第一个值对应的实际转子位置角。本系统的函数表起始位置是以转子电角度210°为起始点(如图2中b轴位置)，即函数表的第一个值表示sin210°的值。

图2　转子矢量图

只要知道当前转子位置的码盘脉冲数与函数表起始位置即转子处于电角度210°时对应的脉冲数的差值ΔPHASE，即可根据此差值进行查表，获得当前转子位置对应的sinθ的函数值。下文中的相位偏差ΔPHASE均指的是检测到的位置脉冲数与函数表起始位置的差值。例如当转子电角度处于a轴的位置时，此时相位偏差值为(360-210)×3333/360=1389，此时查表，查取的为函数表的第1389个数的值，对应于实际的函数值为sin0°的值。

由于整个sin表的实际长度为3333，90°电角度对应的实际偏差为3333/4=833，因而在得到一个实际相位的偏差ΔPHASE，查表取得正弦值后，可以通过:

ΔPHASE=ΔPHASE+833

(1)

查询它的余弦值。

2.2电机初次起动时刻转子位置定位

根据增量式码盘原理，UVW信号把电角度周期分为六个区，每个区对应电角度为60°。在电机初次起动时刻，码盘的计数脉冲为0，只能依据UVW的值确定转子所处的极性工作区域(图2中两条虚线之间区域)。由于码盘输出的UVW以及相位的固定关系，可以计算出各个极性区域中性线对应的初始相位偏差值ΔPHASE0，如表1所示。

表1　各个极性区域中性线对应的初始相位偏差值

ΔPHASE=ΔPHASE0=1389

(2)

其他区域的处理方法相同。

2.3转子位置自修正原理

由于电机初始起动时转子不能准确定位，如果每次都只根据初始相位偏差值来查询对应转子位置的sin值，均会有±30°的误差值存在，这样转子的实际位置与通过计算检测得到的转子位置值永远存在着偏差，始终无法精确地确定转子所对应的位置，从而影响电机的控制效果。为了消除这种误差，提出转子自修正方法。

由于UVW开始改变时可以肯定此时转子位置位于两个极性区域的临界位置。例如当UVW的值由001变为011时，如图2所示，可以确定转子刚刚跨越2轴的位置，此时转子的位置角度应该以2轴位置所对应的角度来衡量，而不是以011区域中性线的角度来衡量。确定了转子位置，就可以确定此时转子位置与函数表初始位置之间的偏差值为ΔPH=1/3×3333，如果记录此刻的码盘脉冲数CUR_POS0，将函数表初始位置的脉冲计数值PH_ZERO修正为跨区时刻的码盘计数值CUR_POS0与ΔPH之差即:

PH_ZERO=CUR_POS0-1/3×3333

从而这个极性工作区域内的相位偏差值可根据实时获取的码盘计数值CUR_POS计算，即:

ΔPHASE=CUR_POS-PH_ZERO

(3)

同理，如果转子转出当前的极性工作区，检测到UVW的值变化后，再一次根据跨区时码盘的计数值CUR_POS0以及此刻相位偏差值ΔPH修正函数表初始位置脉冲计数值PH_ZERO。这样每经过一次跨区，都要修正一次函数表初始位置脉冲计数值PH_ZERO，不仅能够消除当前极性工作区域内的计数误差，也避免了误差的累积，达到了实时修正转子位置信息的目的，更准确地获得转子位置对应的sin值。

3转子自修正方法的软件实现

软件设计中，在每个极性工作区变换时刻都要对转子位置进行修正。修正的办法为每跨越一个区，函数表初始位置脉冲计数值PH_ZERO将被重新定义。

系统运行时每个载波周期内都要检测UVW的变化，实时修正函数表初始位置脉冲计数值PH_ZERO。在极性工作区内的sin值要根据CUR_POS和修正后的PH_ZERO差值进行查表得到。CUR_POS0表示刚检测到UVW跨区时刻的码盘脉冲计数值。ΔPH表示跨区发生时刻，转子位置与函数表初始位置之间的相位差值，在转子跨越不同极性工作区时ΔPH的值不同，例如当检测到UVW从101变化到001时ΔPH的值为1/2/3333。CUR_POS表示当前实时捕获的码盘脉冲计数值。

4误差分析与修正

由于DSP检测UVW信号存在一定的延迟，故当检测到UVW状态发生变化时实际的转子位置已经超过了该极性工作区的起始位置。如图3所示，假设上个载波周期，转子的实际位置位于点A的左侧区域，此时的脉冲位置采样，采用的是当前的脉冲值，当下个载波周期运行时，如果转子的实际位置位于点A的右侧区域，而此时在位置脉冲实际运算过程中，采用位置检测值为转子换相点A对应的脉冲值，这与实际转子对应的位置脉冲值存在着一定的偏差。这个偏差与实际电机的转速有着一定的联系，速度越高，换相期间位置脉冲采样的角度偏差也就越大，因而在实际运行中，系统运行的性能也就越差，容易导致换相时的脉动电流过大。

图3　极性检测点分析图

针对换向期间的误差可以通过增加查表修正值来处理，对应已知转速Nr/min，载波频率为10kHz，码盘线数为2500线的系统来说，一个载波周期内，位置脉冲最大可能的误差值可以通过式(4)、式(5)计算:

M=N×10000(一分钟内对应转速N下

位置脉冲最大可能的误差值)

(4)

E=N×10000/(60×10000)(单位载波周期内

对应转速N下位置脉冲最大可能的误差值)

(5)

在已知转速N、开关频率f及码盘线数2500的情况下，可以计算出单位载波周期内的最大脉冲误差值，从而修正查表时的ΔPHASE值。

5试验验证

根据以上理论分析，在独立设计的变频系统内进行试验验证[9]，变频系统主控芯片采用DSP28335，载波频率选择10kHz，逆变电路采用三相半桥式结构，直流母线采用直流可调电源供电方式，IGBT参数选择1200V/100A，所带负载电机为永磁同步电机，电机参数如下: 额定电流5A；额定电压200V；额定功率800W；额定转矩5N·m；极对数3。

图4表示母线电压200V，转速由0突加至200r/min时转速波形，转速波形由DA芯片输出，每伏电压表示100r/min的转速。可以看出系统能够准确跟踪给定转速。

图4　突加转速时转速波形

图5表示母线电压200V、转速200r/min，在突加负载时相电流波形。可以看出系统有良好的抗干扰能力。

图6表示母线电压200V、转速700r/min时的线电压波形(通道衰减10)，可见系统线电压波形良好。

图5　突加负载时相电流波形

图6　线电压波形

6结语

由试验结果可以看出，转子自修正方法无需使用繁琐的初始位置检测即可实现转子位置的修正与定位，准确获得转子位置角度信息，使变频系统能够可靠稳定运行，并具有较强的抗干扰能力，具有一定的实用性。

【参 考 文 献】

[1]刘颖，周波，李帅，等.转子磁钢表贴式永磁同步电机转子初始位置检测[J].中国电机工程学报，2011(6): 48-54.

[2]王冉珺，刘恩海.永磁同步电机转子初始位置的检测方法[J].电机与控制学报，2012(1): 62-66.

[3]王子辉.永磁同步电机全速度范围无位置传感器控制策略研究[D].杭州: 浙江大学，2012.

[4]周李泽.永磁同步电机无速度传感器控制的转子初始位置检测[D].长沙: 湖南大学，2014.

[5]黎永华.基于磁定位原理的永磁同步电机转子初始位置定位研究[J].电气传动，2010,40(3): 28-31.

[6]陈荣.永磁电机的转子位置检测与定位[J].电机与控制应用，2003，30(3): 61-65.

[7]于庆广，刘葵，王冲，等.光电编码器选型及同步电机转速和转子位置测量[J].电气传动，2006,36(4): 17-20.

[8]符晓，朱洪顺.TMS320F2833xDSP应用开发与实践[M].北京: 北京航空航天大学出版社，2013.

[9]张智恩.基于TMS320F2812的永磁同步电动机矢量控制系统的研究与实现[D].长春: 吉林大学，2006.

*基金项目： 混合动力乘用车机电耦合系统开发及产业化(1501021004)

Rotor Position Automatic Correction Method of Permanent

Magnet Synchronous Motor

ZHANGFengkui，LIUYancheng，GUOHaohao

(College of Marine Engineering, Dalian Maritime University, Dalian 116026, China)

Abstract：It was necessary for the permanent magnet synchronous motor (PMSM) variable frequency system to has a accurate rotor position detection. Usually, incremental encoder can’t give accurate rotor position, to ensure stable operation of motor we need to initial rotor position. However, most of the rotor initial position location methods are difficult to implement or not suitable for practical applications. To resolve the question mentioned above, a method did not need to initial rotor position accurately, correcting the rotor position automatically was presented. Finally, in order to prove the method, a experiment was carried on, the results showed that the method was feasible and practical.

Key words：permanent magnet synchronous motor (PMSM); rotor position correction; initial rotor position detect

收稿日期：2015-07-08

中图分类号：TM 351

文献标志码：A

文章编号：1673-6540(2015)12- 0059- 05

通讯作者：张峰魁