基于位置伺服系统的PMSM转子初始位置检测

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1、基于位置伺服系统的PMSM转子初始位置检测作者：湖北汽车工业学院电气工程系刘凌云[专家点评]计算机、电力电子、控制理论、dsp芯片等技术的发展，为电机交流伺服技术的发展与应用提供了良好的便利条件。而高性能永磁材料的出现，使得永磁同步电机（pmsm）具有转动惯量小、响应速度快、效率高、功率密度高、定位精确等优点。特别是在要求高精度、高响应的应用场合，交流永磁同步电机伺服系统具有非常明显的优势[1]。在航空航天、国防、电动汽车、机床控制和日常生活等领域得到了越来越广泛的研究和应用。其中位置伺服系统是最复杂的伺服系统，因为对位置信号的响应进一步体现在速度和加速度的响应上，而且位置伺服最重

2、要的是精确定位，因此研究电气式位置伺服系统具有很重要的意义[1，2]。位置伺服系统控制方式及工作原理在具有位置传感器的pmsm位置伺服系统通常采用以下两种控制策略[3]：按照交流电流跟踪的策略；按电压空间矢量控制的策略。两者均采用位置p、速度v、电流i三闭环的伺服控制方式，其主要区别在于形成d-q坐标电流指令后处理方法不同。图1为按电压空间矢量控制的pmsm位置伺服系统的结构框图。检测信号的a/d变换、位置环/速度环/电流环的控制算法、以及逆变器驱动svpwm信号计算均可利用dsp控制器来完成。图1pmsm位置伺服系统结构框图对于位置控制系统而言，永磁同步电机转子位置角是很重要的控

3、制信息，没有位置角就难以确定定子绕组的控制状态，电机就可能发生速度震荡甚至失步，更谈不上实现高精度位置伺服控制，然而，电机启动时，转子磁极的位置是随机不确定的，除了旋转变压器和绝对式光电编码盘等位置传感器能够确定转子磁极初始位置外，就是增量式光电编码盘这样高精度的位置传感器也不能判断转子静止时的位置角，因此在永磁同步电机位置伺服系统中，若采用无位置传感器（或采用增量式光电编码盘）的控制方案，转子磁极初始位置角的检测显得尤为关键。因此，本文提出了一种无须位置传感器检测转子磁极初始角位置的方法——高频电流注入法。其基本原理是：利用永磁同步电机的数学模型，观测输入高频电流信号后电压高频分

4、量的变化规律，从而从中分离出转子磁极位置信息。转子初始位置检测高频电流注入法检测的基本原理对于凸极永磁同步电机，若定子电枢绕组呈星形连接，则在定子静止两相坐标系α-β中定子电压方程可以简化为[1]：（1）其中:ld、lq为电机直轴、交轴方向的电感；rs为α-β坐标系中等效相绕组。由电机定转子齿槽效应可知：当转子转速为0时，转子磁极初始角位置是随机分布的。而根据上述方程式(1)的电流与电压的关系，只要通入永磁同步电机的电流满足在α-β坐标系中呈正弦规律变化的要求(即:逆变器以三相导通方式输入相应的三相正弦电流)，观测分析三相电压波形在定子静止正交两相坐标系α-β中的电压波形与电流波形

5、的相位关系，就可确定转子位置信息。转子磁极方位的确定首先在定子静止两相坐标系α-β的等效两相绕组中注入不对称的两相电流，使得：（2）等效为定子实际三相电流控制指令为：（3）在实施高频电流注入时，将该三相电流指令信号与传感器检测到的定子电枢绕组实际三相电流比较，并通过电流跟踪控制来实现。将式(2)代入式(1)中，可得到定子电压观测值：（4）在式（4）中，若令:uα1=u1cos(ωαt+φd)，则：变量uα1初始相位角：（5）同理，若注入定子静止正交两相绕组的高频电流变为：（6）该电流信号相当于三相电流指令信号为：（7）则可观察到的定子电压为：（8）在式（8）中，若令uβ2=u2co

6、s(ωαt+φq)，则：变量uβ2初始相位角：（9）由式（5）与式（9）比较可得：（10）其中ρ为同步电机的凸极系数，ρ=l/l。dq因此，由式（10）可知：在上述两次注入高频电流时，若能分别检测出u、u的α1β2初始相位角φ、φ，就能得到转子磁极的方位角θ。dq根据这一原理，可采用电压式霍尔传感器分别检测同步电机在两次注入高频电流时的实际三相绕组的相电压u、u、u及u、u、u，经a/d转换、clarkeφa1φb1φc1φa2φa2φc2变换后获得αβ0坐标系下等效的u、u及u、u；将u(或u)与参考信号α1β1α2β2α1β1i=icosωt同时送入数字鉴相器，从而得到u(或u

7、)的相位角φ（或φ）；定子1αα1β2dq三相电压检测及鉴相原理框图如图2所示。a/d转换器与信号发生器采用同一信号（高频电流注入时的启动信号）触发，以保证三者之间的同步。图2信号采样和鉴相原理框图两次注入高频电流获得u、u初始相位的子程序流程如图3所示。α1β2图3获得u、u初始相位的程序流程α1β2表达式(10)可知，初始转子方位角θ有四个解，即：该表达式给出的仅仅是直轴可能的方位，因此还需要确定该方位是否是磁极所在位置，以及磁极所在位置是磁极的s极还是n极。即磁