永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

何 鑫，李明勇，高 躍

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永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

何 鑫，李明勇，高 躍

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

使用增量式編碼器關鍵在于確定轉子的初始位置。本文基于永磁同步電機數學模型，提出了一種轉子初始位置定位方法。該方法采用二分法選擇電流矢量試探角度，根據轉子轉動方向不斷縮小初始位置范圍。實驗結果表明，該方法能迅速準確完成轉子初始位置定位。

永磁同步電機 轉子初始位置 增量式編碼器

0 引言

永磁電機控制方案一般采用經典的轉速、電流雙閉環矢量控制系統，矢量控制閉環依賴于電機的轉子位置信息。轉子位置信息通常通過安裝在永磁電機上的增量式光電編碼器來獲得，使用增量式編碼器關鍵在于確定DSP控制程序中光電脈沖計數器的基準值，即轉子的初始位置。

在采用增量式光電編碼器的控制系統中，為確定轉子的初始位置，常用的方法是給定一個方向固定的電流矢量，將電機轉子磁極強行拉到給定位置，這種方法實現簡單，但定位過程中轉子會產生較大扭動，在某些要求轉子不動的特殊的應用場合該方法并不適用[1,2]；一些學者采用高頻注入法來檢測初始位置，但需要額外設計濾波器和解析位置信息算法，實現起來比較復雜[6,8]；也有學者利用電機的磁飽和特性來檢測轉子的初始位置，但這要依賴于電機本身的參數[4]。

本文提出了一種基于增量式光電編碼器，采用二分法選擇試探電流矢量角度，通過檢測轉子微動方向縮小轉子初始位置范圍，最終確定轉子的初始位置的方法，并進行了實驗驗證。

1 永磁同步電機矢量控制原理

永磁同步電機矢量控制原理圖如圖1所示，控制系統采用轉速、電流雙閉環控制，轉速和坐標變換角度通過增量式光電編碼器得到。

轉速反饋值與轉速給定比較，差值經轉速PI調節器生成q軸電流給定值；d軸電流給定為0，即；永磁同步電機定子電流由電流傳感器采樣送入DSP，經3S-2S坐標變換得到d、q軸電流反饋值；d、q軸電流反饋與得到的給定值比較，差值經電流PI調節器得到輸出電壓d、q軸電壓參考值、；、再經2S-3S坐標變換得到逆變器輸出電壓參考波，再由SPWM模塊得到三相橋各個開關管的開關信號。

2 轉子初始位置檢測原理

根據永磁同步電機在d-q坐標系下的數學模型，永磁同步電機在d-q坐標系下的電壓方程為:

式中：u、u為d、q軸方向電壓；i、i為d、q軸方向電流；L、L為d、q軸電感；r為定子內阻；為微分算子；ψ為轉子永磁體磁鏈；為轉子角速度。

轉矩方程為：

運動方程為：

其中：T為電磁轉矩；T為負載轉矩；ω為轉子角速度；n為電機極對數；為電機轉動慣量；為阻尼系數。

對于表面式永磁同步電機，L=L，于是轉矩方程為：

根據第1節介紹的永磁同步電機矢量控制原理，當d、q軸電流參考值確定、坐標變換角度確定，變頻器就能在d-q坐標系下輸出一個幅值、方向確定的電流矢量，如圖2所示。假設電機轉子初始角度為，當給定子電流施加幅值為i，方向為θ的電流時：

圖2 定子電流矢量圖

此時電機轉矩可寫為：

電機啟動時，ω=0，則運動方程可寫為：

若給定定子電流幅值大小足夠，可以滿足當0<θ– θ<π時， T–T>0，電機逆時針轉動；當π<θ– θ<0時，T–T<0，電機順時針轉動；當θ– θ=0或θ–θ=π，電機不轉；由此不斷試探，通過電機轉子的轉動方向判斷轉子初始位置。

3 轉子初始位置程序檢測設計

根據轉子初始位置檢測原理，結合二分法查詢，可以根據如下程序流程圖設計位置檢測程序。假設電機轉子初始角度為，程序開始，初始化起始范圍0～2π，初始試探角度θ=π，定子電流給定、。

每個循環周期判斷編碼器脈沖計數器增減方向，即轉子微動方向，一旦轉子轉動（），則立即封鎖PWM脈沖。若轉子正轉，θ>0，測試角大于轉子初始位置角，0<θ–<π，更新測試角度范圍上限；若轉子反轉，θ<0，測試角小于轉子初始位置角，-π<θ–<0，更新測試角度范圍下限；然后測試角更新，取新范圍的中間值，θ=(1+2)/2，如此往復，不斷縮小測試角范圍，最終，轉子幾乎不轉動，θ=0，得到的測試角度即為轉子初始位置角。

由于程序主循環周期太短，為毫秒級，再考慮整個控制系統的響應時間，電流矢量給定后，需要再經過若干個循環，即t時間，編碼器脈沖計數器才會變化。因此當θ=0時還要判斷是否經過了t時間，若過了t時間轉子計數器仍沒有變化，才能認為轉子初始位置角定位結束。t值的確定可以給定不同方向的電流矢量，測試需要經過多少個循環后，電機才會轉動，以其中測得時間最久情況為基準，t可取最大時間的1.5倍。

圖3 程序流程框圖

4 實驗驗證

根據上一章節程序流程圖編寫DSP程序，控制器DSP芯片為TMS320F2812，實驗電機一臺3相22 kW表面式永磁同步電機。增量式編碼器型號為FINS5810A593 R/5000，線數為5000，電機旋轉一周，編碼器共產生20000個脈沖。

實驗中每次測試角度更新，記錄下測試角度，通過CCS變量觀測窗口記錄下各個測試角度，具體結果如下：

實驗1：轉子初始位置角42°，測試角各次更新情況如表1所示。

表1 測試角度記錄（θ=42°）

根據表1所記錄的數據，經過12次縮小范圍后，電流矢量試探角度快速逼近實際轉子初始位置，最終測得電機轉子初始位置角度為：42.084°，與實際轉子初始角42°相差不大，測試角逼近過程如圖4所示。

圖4 測試角度逼近過程（θ=42°）

實驗2：轉子初始位置角348°，測試角各次更新情況如表2所示。

表2 測試角度記錄（θ=348°）

根據表2數據，測試角逼近過程如圖5所示。轉子初始位置角348°的情況，程序依然能不斷縮小測試角范圍，最終經過13次更新后測得轉子初始位置角度為：348.786°。

圖5 測試角度逼近過程（θ=348°）

根據以上兩次試驗結果可以看出，轉子初始位置角度在0～π、π～2π范圍內，程序都能在13次試探后檢測出實際轉子初始位置。

5 結論

本文提出了一種基于增量式光電編碼器，采用二分法選擇電流矢量試探角度，通過檢測轉子微動方向縮小轉子初始位置范圍，最終確定轉子的初始位置的方法。該方法簡單實用，定位迅速，精度高，還能保證檢測定位過程中轉子基本不動。

[1] 賈洪平, 賀益康．基于高頻注入法的永磁同步電動機轉子初始位置檢測研究[J]．中國電機工程學報, 2007, 27(15): 15-20．

[2] 劉穎, 周波, 李帥, 等．轉子磁鋼表貼式永磁同步電機轉子初始位置檢測[J]．中國電機工程學報, 2011, 31(18): 78-84．

[3] 陳榮．基于增量式光電編碼盤的永磁同步電機轉子位置初始定位[J]．電機與控制應用, 2007, 34(3): 32-34．

[4] 張劍, 溫旭輝, 劉鈞, 等．一種基于DSP的PMSM轉子位置及速度估計新方法[J]．中國電機工程學報，2006，26(12): 144-148．

[5] 黎永華, 皮佑國. 基于磁定位原理的永磁同步電機轉子初始位置定位研究[J].電氣傳動，2010,40（3）: 28-31.

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[8] Mohamed B．Implementation and experimental investigation of sensorless speed control with initial rotor Position Estimation for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drive[J]．IEEE Transactions on Power Electronics, 2005, 20(6): 1413-1422．

A Method of Initial Rotor Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Motors

He Xin, Li Mingyong, Gao Yue

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulision, Wuhan 430064, China）

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TM351

A

1003-4862（2015）02-0077-04

2014-11-07

何鑫（1990-），男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。