PMSM五电流矢量转子预定位方法研究

PMSM五电流矢量转子预定位方法研究
Research on Pre-positioning Method of PMSM Five Current Vector Rotor
大连交通大学机车车辆工程学院孙晓铉(Sun Xiaoyu)
摘要：永磁同步电机由于其诸多优点及良好的性能，而被应用于工业中。

控制永磁同步电机通常利用矢量控制，而矢量控制的前提是确定转子的准确位置。

在基于增量式编码器的永磁同步电动机的控制系统中，转子的初始位置检测是目前永磁同步电动机的控制系统的关键，针对这一问题，提岀了一种五电流矢量转子预定位方法，该方法通过在永磁同步电机的定子中依次产生大小相等、方向固定的五个电流矢量，利用定子绕组电流与转子相互作用产生的电磁转矩，将转子拖动至设定位置实现转子预定位。

最后，通过仿真对所提预定位策略进行了验证，并对增量式编码器安装误差造成I脉冲与A轴不重合的情况加以校正。

关键词：永磁同步电机；五电流矢量预定位；转子初始位置
Abstract:Permanent magnet synchronous motors are used in industry due to their many advantages and good performance.Controlling permanent magnet synchronous motors typically utilizes vector control,while vector control assumes the correct position of the rotor.In the control system of permanent magnet synchronous motor based on incremental encoder,the initial position detection of the rotor is the key of the current control system of permanent magnet synchronous motor.To solve this problem,a five-current vector rotor pre-positioning method is proposed.The method sequentially generates five current vectors of equal size and fixed directi o n in the stator of the permane n t magnet syn c hr o nous motor,and uses the electromag netic torque generated by the in t eraction between the stator winding current and the rotor to drag the rotor to the set position to realize the rotor reservation. Bit.Fin a lly,the proposed pre-positioning strategy is verified by simulation,and the in c reme n tal en c oder installation error is corrected when the I pulse does not coincide with the A-axis.
Key words:Permanent magnet synchronous motor;Five current vector pre-positioning;Rotor initial position
【中图分类号】TM354【文献标识码】B文章编号1606-5123(2020)09-0065-04
1引言
针对增量式光电编码器，先阐述了基于转子预定位的PMSM转子初始位置检测方法，导出了定子电流矢量的产生方法，该方法能将电机转子预定位至零度位置，从而确定电机转子的初始位置旳，在此基础上，本文提出一种五电流矢量转子预定位策略确定转子初始位置。

在同步坐标系中依次产生大小相等、方向相差f/2的五个恒定电流矢量，利用定子绕组电流与转子磁场相互作用产生的电磁转矩，将转子引至最后一个恒定电流矢量施加的位置实现转子预定位。

这种方法的优点是简单直观、实现容易，且解决了只施加一个方向的电流矢量造成的定位误差可能较大的问题。

对于大容量永磁电机来说，由于较大转动惯量引起的预定位误差相对较小。

本文对整个转子预定位运动过程进行了仿真分析，仿真结果表明，所提策略能够使转子平稳到达目标位置。

并对编码器I信号校正问题进行研究，完成编码器的校正后，使用增量式编码器能够准确获得转子初始位置。

65
2转子预定位原理
预定位法原理是向PMSM 施加一个固定方向的电
压矢量，借此将转子拖动到它所确定的方向，从而检测 转子初始位置。

在施加一个电压矢量之后，就会产生一
个定子磁势，PMSM 的永磁体就会产生一个转子磁势。

此时电磁转矩方程为：
心=0巧 sin0”
（1）
式（1）中：F s ---定子磁势；F r ----转子磁势；
k ——常数，由电机参数决定；e sr ——定子磁势与转子
磁势的夹角。

这个定子磁势与转子磁势存在一个夹角，根据式（1） 可知，电磁转矩会这个夹角逐渐减小，电磁转矩也会因
此减小，最终达到一个平衡点。

最终电磁转矩将转子定
位到定子磁势所确定的方向，完成了预定位转子。

定子 和转子的磁势越大，电磁转矩也越大，预定位就越精准［2I o
当三相电流的z ；为最大值时,ip 、ic 为-/”/2，如
图1所示，因为鮎和心对称，因此定子电流矢量与A 轴 重合，如图中人所示。

由于磁动势和电流矢量方向相同，
定子磁动势/，也与A 轴重合。

图1 A 相电流最大时合成的定子电流矢量与磁动势
磁动势由定子指向转子时，该极设为N 极；磁动 势指向定子时，该极为S 极。

由此可知，厶产生的理想
定子磁场如图2中阴影部分。

A 報
图2 PMSM 转子预定位至零度过程
转子被预定位至零度位置时，产生恒定的定子电流
矢量厶是关键，定子电流矢量厶是三相定子电流矢量的 合矢量，其电流关系为：
（4 =
■订=-】」2 （2）
ic=-IJ2
经过Clarke 和Park 变换后，电流从静止坐标系等
效到同步旋转坐标系。

在定子电流矢量的作用下，转子
被拉至零度位置，因此Park 变换中的转子角度设为0。

, 由此可得：
式（3）表明，当「I ”、iq =0,且转子角度设为0。

，
就可以产生恒定的定子电流矢量厶。

在同步旋转坐标系 下，PMSM 矢量控制通过电流环可以控制d 、q 轴定子 电流，故将矢量控制策略去掉速度环，只保留电流环，
且给d 轴电流定值，q 轴电流为零，且转子的电气角度 为零度，即可产生恒定的电流矢量切。

|直流电压|
图3预定位法控制策略框图
3五电流矢量预定位法
五电流矢量转子预定位法实现过程是在永磁同步电
机的定子中依次施加大小相等、方向固定的五个电流矢 量，利用定子绕组电流与转子相互作用产生的电磁转矩,
将转子拖动至设定位置实现转子预定位。

本文釆用的五电流矢量转子预定位策略如图4所 示，五个电流定位矢量的方向分别用五个虚拟同步坐
标系表示，图4中给出了这五个虚拟同步坐标系的d-q
轴。

本文釆用的四个预定位电流矢量电角度分别为0、
6/2、TT 、317/2、2 tt 五个电流矢量轮流实施，逐步引
导转子到达最终目标位置2f 电角度处。

4仿真结果分析
为了检验上述方法对电机预定位策略的可行性，利
66 THE WORLD OF
INVERTERS
d
(b)第一次，
施加0矢量
q
(c)第二次，
施加n/2矢量
d
(d)第三次,
施加X矢量
©第曲(蔦五次’
施加3/2皿矢施加2n矢量(g)定位完成
量
图4五电流矢量预定位过程
用Matlab/Simulink搭建仿真模型进行仿真验证。

永磁
同步电机部分仿真参数：定子电感L rf=L g=8.5n/Z,阻
尼系数B=0.008N-m-s,磁链/=0.175旳，极对数
p”=4,转动惯量J=0.001kgm3,定子电阻
R=2.875Q。

仿真条件设置为：采用变步长ode23tb算法，
仿真时间0.4s,直流侧电压311V,PWM开关频率
10kHz,d轴电流给定值为30A,q轴电流为0A。

仿真程序中通过Signal Builder模块每隔1秒就改变一次电流矢量的方向，即以90。

递增，使电机在这种情况下旋转一周，最后转子被拖动至与A轴重合。

定位矢量分别为0。

、90°、180°、270°、360°。

当转子初始位置设置分别为45。

和225。

，转子位置示波器图如图7〜图8所示。

>cos(u[1])*u[2]-sin(u[1])*u[3]——►(1)
-----------------------------------------------Ualpha
>sin(u[1])*u[2]+cos(u[1])*u[3]——►(2)
-----------------------------------------------Ubeta
图6坐标变化模型
67
图9编码器I 脉冲位置与A 轴重合图
图7转子初始位置设为45°时图8转子初始位置为225 °时
仿真结果表明：通过仿真图像，转子位置从 初始角度45。

或者225° , 一段时间内分别到0。

、
90°、180°、270°、360°处。

证明五电流矢量
预定位策略可以实现转子位置准确定位，当转子初 始位置在任意位置时，均可以实现对转子的成功 引导。

5编码器校正
由于使用的是增量式编码器，对于安装精度 不高导致编码器输出脉冲的I 相不能与电机A 轴重
合的情况，需对编码器安装时的误差进行测量与校 正。

编码器I 脉冲位置与A 轴重合图如图9所示。

首先，应用五电流预定位法对永磁同步电机进行初
始定位，将转子定位至A 轴，转子在A 轴位置时控
制器中计数值为a;电机顺时针旋转，在进入中 断程序时记录下I 信号发出的位置计数器的数值
P ；根据02=2"(a-0)/”(n 为编码器线数)，计
算索引信号I 与A 轴夹角$ (如图10所示)，得 出永磁同步电机编码器安装误差企最后将安装误
差引入系统控制器程序加以校正，得出电机初始定 位后的转子位置。

图10编码器I 脉冲与A 轴存在夹角图
6结论
本文首先阐述了基于转子预定位的PMSM 转子初始位置 检测方法，分析了定子电流矢量的产生方法，得出预定位策略
控制框图。

在此研究基础上，提出一种五电流预定位方法，该 方法能够减少施加一次电流矢量将转子预定位至零度造成误差
较大的问题。

施加五个方向的电流矢量后，转子预定位至已知 位置，在永磁同步电机起动前，对增量式编码器完成了校正，
使得获取精确的转子电气角度，实现电机的平稳起动。

参考文献：
［1］ 陈容，严仰光.永磁电机的转子位置检测与定位［J ］.中小型电机，
2003, 30(3):61-65
［2］ 杨立,陈为奇.永磁同步电机转子初始位置检测研究［J ］,电气传动， 2012,42(3): 57-61.
［3］ 黄科元，周李泽，周滔滔，等.一种增强可靠性的永磁同步电机初始
角检测［JJ.电工技术学报，2015, 30(1): 45-51.
［4］ 鲁家栋，刘景林，卫丽超.永磁同步电机转子初始位置检测方法［J ］.
电工技术学报，20勺5.30(7): 105-111.
作者简介：
孙晓饪大连交通大学硕士研究生在读研究方向轨道车辆运行控制及自动化
68 THE WORLD OF
INVERTERS。