基于霍尔信号的PMSM初始位置定位研究

基于霍尔信号的PMSM初始位置定位研究
张英范;黄晓红;高军礼
【摘要】针对现行永磁同步电机初始位置定位方法的缺陷,提出一种基于电压空间矢量原理生成高分辨率的脉冲电压.并结合复合式增量编码器的UVW信号,自动检测霍尔信号进行永磁同步电机初始位置定位的智能方法.通过自主开发的以数字信号处理器为核心的实验平台进行了功能验证,实现了永磁同步电机无机械冲击和最大转矩启动.
【期刊名称】《广东轻工职业技术学院学报》
【年(卷),期】2011(010)001
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】复合式光电编码器;电压空间矢量;霍尔信号;永磁同步电机
【作者】张英范;黄晓红;高军礼
【作者单位】广东工业大学自动化学院,广东,广州,510006;广东轻工职业技术学院,广东,广州,510300;广东工业大学自动化学院,广东,广州,510006
【正文语种】中文
【中图分类】TP273+.2
永磁同步电机 (PM SM)以其高效率、高动态性能、高精确度等一系列优点得到广泛的应用。

在永磁同步电机传动系统中,转子位置检测与初始位置定位是系统运行和矢量控制解耦的前提条件,只有准确知道永磁同步电机的转子位置,才可实现最大转矩启动。

用于永磁同步电机的转子位置检测的方法主要有脉冲电压注入法、高频
信号注入法、高频电流注入法等,所采用传感器包括旋转变压器、光电编码器、电
机内置位置传感器法和无位置传感器检测等[1]。

其中,脉冲电压注入法由于对齐过
程中转子转向和转动范围的不确定性,转子产生较大的扭动和机械冲击,不适于精度
高的场合[2];对于高频信号注入法,电机在低频或静止时,感应反电动势可观测性低,
转子的磁极位置不易检测;高频电流注入法则利用永磁同步电机的凸性和磁路的饱
和特性检测转子的初始位置,不适合于面装式永磁同步电机[3-4]。

在永磁同步电机
无传感器检测方法中,基于反电势的直接计算法、基于观测器的估算法、模型参考
自适应法这些方法理论上可以达到较高估算精度,但是在实际应用中还不够成熟,对
电流、电压检测硬件电路要求较高,算法较复杂[5]。

为此,提出一种结合复合式光电编码器实现霍尔信号自检测的智能方法。

该方法能
快速检测出转子初始位置,实现永磁同步电机无机械冲击和最大转矩启动,具有较好
的工程应用价值。

复合式光电编码器是一种带有初步磁极定位功能的增量式光电编码器,输出增量式
光电编码器信号 A、B、Z和三路彼此相差120°、占空比为 50%且每转脉冲个数
与电动机极对数一致的霍尔信号 U、V、W[6]。

其中,A、B两路脉冲相差90°,用于判断电机转向和计算转速,Z脉冲用于基准点定位。

传统检测磁极位置的方法,根据U、V、W脉冲的高低电平关系就可粗略地估计电动机磁极当前的位置,如图1所示。

在每一个360°电角度空间,U、V、W状态信号101、100、110、010、011、001将空间分成 6份,每一信号对应60°电角度。

霍尔信号自动检测的原理是建立在传统脉冲电压法的基础上。

脉冲电压注入法实质就是运用电压空间矢量对电枢磁场的定向定位处理,即生成固定位置的定子电枢磁
场[7]。

运用矢量控制的坐标变换机制:同步旋转 dq轴系变换到两相静止αβ轴系,
再由αβ轴系变换到 ABC的三相坐标系,实现dq轴系到三相 ABC坐标系的变换:
当电机通id=IN,iq=0,θ=0的矢量电压时,三相电流状态为,电机永磁体在电枢磁场
效应下转到与A轴、α轴、d轴三轴重合的位置。

而当电机通iq=0,id=IN,θ=π/2的矢量电压时,电机永磁体转到电角度π/2的位置。

PM SM的坐标变换过程如图2所示。

传统的电机磁极定位法是就是对电机通一个固定的直流电,生成固定位置的定子电枢磁场,相当于每次系统开机之前都复位至一个固定位置,不可避免的产生运动机械冲击、可控性差、误差大、精度不高、分辨率低。

而基于坐标变换和 SVPWM原理,可生成任意方向的高分辨率的电压矢量,进而生成与此电压矢量方向相一致的电枢磁场,从而实现永磁体的定位定向控制。

在 dq轴坐标系下,基于坐标变换和 SVPWM原理,通过软件设计生成 0～360°的高分辨率电压矢量。

由 SVPWM主导转子的定位,同时检测 U、V、W信号。

在电机未知霍尔区间且空载情况下,将电机置于开环状态,使得 ud为固定值,uq为 0,park 反变换角度给定固定值为θM,此时电机转子磁场方向和定子给定电压矢量方向一致,永磁体转到θM位置,霍尔信号自检测架构如图3所示。

基于 SVPWM生成 0～360°电角度及相对应的电压空间矢量,由于永磁体和定子电枢的磁场效应,永磁体会转到与给定电压矢量方向相一致的方向。

当转子由一个霍尔扇区跨越到另外一个扇区时,霍尔值发生变化。

待电机转子旋转一周后,霍尔值变化六次,记下每次变化时编码器的读数,这六个边界正是三个霍尔元件将空间分为六个扇区的分界线,取每个扇区的角平分线即为所求得的位置角[8]。

霍尔信号自动检测单元的软件流程图如图4所示。

利用霍尔元件只是粗略地检测转子的磁极位置,误差为30°,故在两个霍尔扇区分界线处,会出现霍尔检测值跳变,因此程序设计中只允许过界时跳变一次,需要判断此刻跳变时的转子位置和上一次霍尔区间对应的位置角的差值,并在软件中校正相应位置角,从而在矢量控制运行之前能够准确确定转子的初始位置。

系统采用磁场定向的矢量控制方式对 PM SM进行启动和初始位置检测实验[9],方
案如图5所示,具体步骤如下:
(1)在逆变器上电瞬间产生的脉冲电压使电机有一个微动,读取 UVW信号并查询霍尔信号状态表得到相对应的扇区,用扇区的角平分线初始化转子位置。

(2)系统根据给定速度的正负,生成相对应的正向或反向 SVPWM,永磁体根据电磁场效应随势而动。

当转子越过扇区分界线时,UVW信号发生跳变,当且仅当是相邻扇区霍尔信号时,调整软件中的电角度,实现转子的精确定位。

(3)通过以上两步,电机转子位置已经得到精确定位。

在之后的电机旋转过程中,按照增量编码器的测速机制,通过正交脉冲 A/B可快速判断电机转向和转速,而 Z信号用于基准点定位。

PM SM启动软件的流程如图6所示。

基于 TI公司 TM S320F2812 DSP为核心的PM SM实验平台,结合复合式增量编码器的 U、V、W信号自动检测霍尔信号,并划分状态区间的智能检测方法,实现PM SM初始位置定位,使其以矢量控制方式实现无运动机械冲击和最大转矩启动。

图7为电机正转时的电流和位置波形,图8为电机反转时的电流和位置波形图。

通过对复合式光电编码器原理和霍尔信号自动检测法的深入探讨,基于以 DSP控制器为核心的实验平台,提出了通过软件实现霍尔信号的自动检测,有效解决了 PM SM初始位置的检测与启动问题,满足系统所要求的位置检测精度。

相对传统的脉冲电压法具有震动小,易控制,定位精确高等优点和较好的工程应用价值。

【相关文献】
[1] 王晓明,王玲.电动机的 DSP控制——TI公司 DSP应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.
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[4] 贾洪平,贺益康.基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究 [J].中国电机工程学报,2007,25(15):15-20.
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[8] 许碧华.一种伺服电机霍尔元件位置自动检测的方法[J].电气技术,2009(07).
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