基于磁定位原理的永磁同步电机转子初始位置定位研究

Fig.3 The first step of the initial rotor position detection
3 3.5 d 3 4
N S
q
脉冲输出变化立即封锁 PWM 输出并使 iq 0 ， 判
3 3.75 3.5 d
4
e = 45 的 断电机转向， 然后施加 id 0 、iq is 、
Abstract：An positioning method of initial rotor position based on the principle of magnetic orientation that was presented. through the motor perturbation inflict current vector, narrow the scope of location by changing the current vector make use of the relationship between the encoder and the current vector. The process of positioning the rotors rotation small movement, can meet the needs of non-impact machine permanent magnet synchronous motor position of the initial request. Analysis of the principle position and experimental results are given in the paper. Keyword: permanent magnet synchronous motor; initial position; starting;magnetic orientation

is
q
id
图 2 磁定位法转子相位初始化
0
e
Fig.2 Rotor phase initialization by magnetic orientation

如图 2， 设定位前电机转子磁极 N 极在 d 、q 坐标系中任意一个位置角 处，给定子施加一个 电流矢量： d 轴分量 id 0 ， q 轴分量 iq is ，
电磁转矩方程为
。通常取
s Te 1.5 pis sin(e ) TL Bps Jp
因为 p 、 、is（ is 0 ） 固定， 如果忽略 TL ，
e 90 使转子转到 d 轴、A 轴、 轴三轴重合
的位置。
Te 0 ， 则当 e 0 时， 电机逆时针转动；
Tab.1 the number of encoder after the first step( = 180 )

is
1
2
4
N S
e
0
电流矢量 脉冲数 Q1 幅角 0 1 2 3 4 0 23998 23990 23976 23972 0 23996 23978 23972 23972 脉冲数 Q2 转动方向 不转 顺时针 顺时针 顺时针 不转
基于磁定位原理的永磁同步电机转子初始位置定 位研究
黎永华，皮佑国 （华南理工大学自动化科学与工程学院，广州，510640）
摘要：提出了一种基于磁定位原理的转子初始位置定位方法，通过给电机施加电流矢量，根据电机转动方向与施加的电 流矢量角之间的关系，不断改变电流矢量角实现缩小定位范围。定位过程中转子转动微小，能满足需要无运动冲击机械 永磁同步电动机的初始定位要求。论文分析了定位原理并给出了实验结果。 关键词：永磁同步电机；初始位置；起动；磁定位 中图分类号：TM 351 文献标志码：A
[1]
Fig.1 relationship of current in the dq reference frame
如图 1 所示， 当给定子施加大小为 is（ is 0 ） 方向为 e 的电流矢量时，则
id is cos( e ) iq is sin( e )
2 3
d
1
q
图4 检测转子初始位置第二步
Fig.4 The second step of the initial rotor position detection
3 实验及结果分析
基于 TMS320LF2812 DSP 平台实现了算法， 按照上诉步骤在 CCS 编译环境中对一台型号为 P10B13100BXS20 的三洋永磁同步电机做验证性 实验，具有 6000 线增量式编码器，经过 4 倍频即 电机转动一圈编码器共产生 24000 个脉冲，电机 逆时针转动编码器脉冲增加，顺时针转动时编码 器脉冲减少。 情况一：当电机转子实际位置在 = 180 时， 执行第一步定位后编码器脉冲数如表 1 所示。表 中电流矢量幅角乘以 45°就是施加的电流矢量角 度， 脉冲数 Q1 是检测到编码器脉冲有变化时的编 码器脉冲数，由于电机存在惯性，脉冲数 Q2 是封 锁 PWM 一段时间确定电机没有转动后的编码器 脉冲数，用于下次跟 Q1 比较判断转向。 表 1 = 180 时执行第一步后编码器数
图 1 dq 坐标系下电流关系
d q 坐标系相位为 e 的电流矢量 is ， is 所产生的
定子磁场与永磁体转子磁场作用， 当 + > e > 时，电机逆时针转动，当 - < e < 时，电机顺 时针转动， 使转子转到 e +90°位置而停止， 这时 转子的磁极位置与电流矢量的位置相差 90°，从 而实现了转子的初始定位的初始化
电流矢量，同样检测编码器，一旦编码器有脉冲 输出变化便立即封锁 PWM 输出。 当相邻两个角度
N S
1 与 2 转子转向由顺时针变为逆时针时，可以确
定电机磁极 N 极在这个 45°范围内；当转子转向 由顺时针变为设定足够时间内不转则可以确定电 机磁极 N 极就在这个不转的位置。 第二步：在第一步得出 1 与 2 的基础上，按 照图 4 所示，给定子施加电流矢量，取 e = 3 = （ 1 + 2 ）/2，恢复 PWM 输出，检测编码器变化 情况并判断方向，一旦变化立即封锁 PWM 输出， 如果顺时针转动取 e = 4 =（ 3 + 2 ）/2，逆时针 转动则取 e = 4 =（ 1 + 3 ）/2，不转说明磁极 N 极位置就在 3 处，然后再二分 e 直到在设定时间 内编码器没有变化为止。
Research of the Initial Rotor Position Based on the Principle of Magnetic Orientation Li Yonghua, Pi Youguo
(college of automation science and engineering,South China University of Technology,Guangzhou,510640)
当 e 0 时，Te 0 ，电机顺时针转动； 当 e 0 或 时，Te 0 ，电机不转，可见转 子的转动方向包含着转子的位置信息，于是可以 通过判断电机的转动方向来实现转子初始位置定 位。 磁定位法是通过给永磁同步电机定子通以一 个已知大小和方向的电流矢量，使转子转动到已 知电流矢量对应的位置，从而得出转子运行前的 初始位置，定位过程如图 2 所示。
5
q
7 6
图3
检测转子初始位置第一步
5 6 7
23974 23986 1
23982 23999 5
逆时针 逆时针 逆时针
=196°时，执行第一步定位后编码器脉冲数如
表 4 所示。 表 4 =196°时执行第一步后编码器数
电流矢量幅角 0 1 2 3 4 5 6 7 脉冲数 Q1 2 3 23996 23989 23980 23977 23983 23991 5 23999 23991 23982 23975 23980 23989 23995 脉冲数 Q2
复摄动，直到当电机转子不转动时，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。 设转子位置如图 3 所示，检测转子初始位置 （即 ）步骤如下： 第一步： 按照 0-7 的顺序分别给电机定子施加 相同大小不同方向的电流矢量。首先施加电流矢 量 id 0 、 iq is 、 e = 0 ，一旦检测到编码器有
由表可知在 3 位置时转子顺时针转动， 4 位置 时转子不转， 于是得出磁极 N 极在 4 位置即 180° 处。 情况二：当给定电机转子初始位置在 =100°时，执行第一步定位后编码器脉冲数如 表 2 所示。 表 2 = 100 时执行第一步后编码器数
0 引言
永 磁 同 步 电 机 (Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)具有结构简单、调速性能好的优点， 因此在工业控制领域得到了日益广泛的应用。永 磁同步电机调速系统通常采取在电机上安装增量 式脉冲编码器来提供转子的位置信息，得以实现 系统的闭环控制，且电机的起动过程也依赖于转 子的初始位置信息，但由于在电机起动时电机转 子位置是任意的，而增量式编码器无法提供电机 的初始位置信息，因此转子初始位置检测是电机 控制中必须解决的问题。转子初始定位最常用的 方法是磁定位法 [1] ，此方法原理简单并且可以使 转子磁极准确定位，但初始化过程中转子被强行 拉到给定位置，使转子产生较大的扭动而不能满 足要求无运动冲击机械的要求。近年来许多学者 对转子的初始位置估算进行了大量的研究，文献 [2-4] 利用电机wenku.baidu.com磁饱和特性来检测转子初始位 置，当给定子施加的电流矢量与转子磁极 N 极重 合时，定子的电感最小，这种方法理论上可以达 到较高估算精确，但是在实际应用中，对电流检 测硬件电路要求较高，实现起来具有一定的难度。 文献[5-8]采用高频注入法，可以检测零速下的转 子位置，其中旋转高频电压注入法更适用于凸极 率较高的电机，而脉动高频信号注入法适用于表
Ld 、 Lq 为 d、q 轴上的电感量， id 、 iq 为 d、q 轴
上的电流， B 阻尼系数， s 机械角速度， TL 为负 载转矩。 对于表面式 PMSM， L 矩方程为： Te 1.5 piq 。
d

d

is

Lq ，于是电磁转
e 90
N O S N


S
A
iq
2 基于磁定位原理的摄动定位研究
磁定位法可以精确实现转子的初始定位，但 可能造成转子较大幅度的转动，本文提出基于磁 定位原理的摄动定位方法：给定子通以 id 0 、
iq is 、方向为 e 的电流矢量，电动机在上述电
流矢量的作用之下开始旋转，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。接着改变电流矢 量，使给定的电流矢量更接近电机转子的磁极， 再检测电机的转向。当电机的转向改变时，表明 所给矢量越过了磁极，再改变电流矢量。如此反
1 转子磁定位法简介
永磁同步电机在 dq 坐标系下的数学模型如 下， 磁链方程为：
d Ld id 0 q Lq iq
电磁转矩方程为：
Te 1.5 p[iq (Ld Lq )id iq ]
机械运动方程为：
s Te TL Bps Jp
式中 p 为电机磁极对数， 为电磁转矩系数，
面安装永磁电机，且算法均较复杂。本文的思想 是通过给电机定子施加电流矢量，利用增量式编 码器脉冲信号检测电机转动方向，根据转动方向 与摄动电流矢量的角度关系，不断改变电流矢量 方向来实现缩小定位范围，首先介绍转子磁定位 方法，再详细提出基于磁定位原理的定位方法和 定位步骤，最后介绍了实验过程及其结果。