一种SPMSM无位置传感器的位置估算方法在洗衣机中的应用

一种SPMSM无位置传感器的位置估算方法在洗衣机中的应
用
任飞;陈功;魏世民
【摘要】伴随电力电子技术的不断发展及节能需求,永磁同步电机的变频控制在家电行业应用广泛.在表贴式永磁同步电机(SPMSM)的驱动系统应用中,无传感器控制技术不但能够降低系统成本,而且能够提高系统的可靠性.在无传感器控制技术中,为实现永磁同步电机无位置传感器运行,位置估算便尤为重要.本文提出了一种速度/角度估算方法.并在产品中成功应用,取得满意效果.
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2017(000)006
【总页数】2页(P128-129)
【关键词】表贴式永磁同步电机;无位置传感器;位置估算
【作者】任飞;陈功;魏世民
【作者单位】惠而浦(中国)股份有限公司;惠而浦(中国)股份有限公司;惠而浦(中国)股份有限公司
【正文语种】中文
随着电子技术的发展以及国家对家电节能要求越来越严格，变频技术在家电上的应用越来越广泛，如变频类洗衣机、空调、冰箱等。

因此各大家电制造商均在研究和优化变频控制方案，惠而浦（中国）作为国内最早推出变频洗衣机的企业，对变频电机在洗衣机上的应用有着深入的研究。

相比较于其他家电设备，洗衣机由于其特殊性，工作环境相对比较复杂。

需要频繁进行启动切换，在洗涤过程中的负载始终处于动态变化中，并随着实际的洗涤量和选定的洗涤模式的不同而变化，尤其对于前开式滚筒洗衣机，当负载位于滚筒的顶部时，必须克服重力对电机负载做功。

在这种情况下，需要能够及时准确的检测出转子位置和速度，并做出相应的控制极为重要。

作为无位置传感器控制算法的核心，速度与转子位置估算器的设计直接决定了调速系统的精度以及动态响应速度。

本文介绍的位置估算方法基于矢量控制的基础上。

利用硬件电路搭配软件算法，实时检测电机的反电势变换，根据磁场定位技术，控制电机的动作。

变频控制包括方波驱动和正弦波驱动，正弦波驱动的电流高次谐波少，因此马达的控制效果更好。

矢量控制也是一种正弦波控制，可以实现转矩变化小，高效、低振动和低噪音的性能。

从控制对象电机的理论角度分析，矢量变换控制技术利用坐标系变换，将三相系统等效为两相系统，再将两相系统按照磁场定向等效为两相同步旋转系统，实现对定子电流励磁分量与转矩分量之间的解耦，从而达到分别控制电机的磁链和转矩的目的。

所涉及的理论基础主要有两个方面：一是坐标变换理论；二是不同坐标系下电机的数学模型。

矢量控制中主要涉及到的坐标系变换有静止三相—静止两相，静止两相—旋转两相的变换及其对应的逆变换。

抽象成坐标系之间的关系可表示为从静止的u-v-w 坐标系向静止的坐标系变换，以及从静止的坐标系向同步速旋转的坐标系变换。

通过控制定子电流励磁分量（d轴电流）即可控制励磁，控制转矩分量（q轴电流）即可控制转矩。

本文提出的一种无位置传感器的位置估算方法，是基于东芝无感驱动芯片的应用。

根据采样变换后的电流等参数，结合电机本身电阻及电感等相关参数。

利用硬件电路搭配软件算法，实时检测电机的反电势变换，进行反电势计算，经过PI运算整
定后，进行更新速度和角度位置。

根据磁场定位技术，得到角度位置和速度信息后，进而控制电机的动作。

UVW /αβ 变换：
向 3 相线圈 U、V、W 分别加入电流 IU、IV、IW 产生磁场，也可向 2 相线圈α、β 加入电流Iα、Iβ 获取相同磁场，此时Iα、Iβ 可以根据以下公式算出。

不过、U 与α 需保持同方向。

Iα = 2/3 × (cos0 × IU + cos120 × IV + cos240 × IW)
Iβ = 2/3 × (sin0 × IU + sin120 × IV + sin240 × IW)
Iα = 2/3 × (IU - 1/2 × IV - 1/2 × IW)
Iβ = 2/3 × (√3/2 × IV - √3/2 × IW)
αβ/ dq 变换：
此外，向与转子同时旋转的 2 相线圈 d、q 分别加入电流 Id、Iq 获取相同磁场，
此时 Id、Iq 可以根据以下公式计算。

Id = cosθ × Iα + sinθ × Iβ
Iq = - sinθ × Iα + cosθ × Iβ
基于矢量变换的控制技术，通过电机反电势可以提取关于位置的相关信息。

其中需要使用到电机的相关电阻、电感等参数。

基于东芝无感驱动芯片的应用，根据前次的角速度和这次检测到的Id、Iq电流值求出感应电压，算出与目标速度的偏差，
进而估算转子的位置。

可以由以下公式求出d轴感应电压：
Ed = Vd –R*Id + ωest0*Lq*Iq
使用上面的公式，根据前次的ωest0 和现在的 Vd，Id，Iq 可以计算出 Ed。

当估算的速度和实际速度一致的情况下， Ed=0。

通常，因为估算的速度和实际速度之间有误差， E 轴偏移 q 轴，Ed不等于 0。

为了使 Ed=0，
根据 PI 更新估算速度，从而估算转子速度。

由PI控制的操作量ω，根据以下公式可以求出估算的位置和估算的速度：
估算的速度：ωest =ωcom + R_Ed_PI
估算的位置：θn = θn-1 + Ts * ωest
根据项目的总体要求，应用平台为前开式滚筒洗衣机。

驱动电机为SPMSM外转子表贴式永磁同步电机，电机极对数为12，滚筒洗衣机负载容量标称为8公斤。

系统设计需满足标称容量负载范围内的洗涤动作、脱水动作等，并达到国家相关性能、能耗等要求。

此外，应具有自我保护的性能。

控制系统主要包括位置估算、速度控制、电流检测与控制等基本单元。

基本框图如图1所示。

本文主要简述了一种表贴式永磁同步电机无位置传感器的位置检测方法应用。

在此基础上的滚筒洗衣机的应用，进一步提升变频电机效率，降低变频电机噪音等，取得了满意的效果。

任飞（1990-），男，安徽淮北人，现为惠而浦（中国）股份有限公司技术人员，从事洗衣机控制器的研究与设计。

【相关文献】
[1]秦峰,贺益康,贾洪平.基于转子位置自检测复合方法的永磁同步电机无传感器运行研究[J].中国电机工程学报,2007,27(3)：13-17.
[2]林平,胡长生,李明峰.基于模型参考自适应系统算法的速度估算核的研制[J].中国机电工程学
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[3]王成元,夏加宽,杨俊友,孙宜标.电机现代控制技术[M].北京：机械工业出版社,2006.。