永磁同步电机全速范围转子定位系统设计

在传统永磁同步电机矢量控制过程中，需要精确的转子位置进行坐标轴系变换问题，针对这种情况采用一种基于DSP的永磁同步电机转子位置检测和初始定位的方法。该方法在电机静止时使用改进的磁定位法，通过分别两次输出直流转矩，将转子先牵引出定位盲区，然后固定到预定位置进行转子初始定位;在电机运行后采用改进的 M/T法，以及可变的采样时间测量速度和转子位置信息。同时在实验平台上验证了该方法，实验结果表明该方法能准确定位转子初始位置，电机在低速和高速时能准确测出转子位置信息，且具有一定的可靠性和有效性。

永磁同步电机的控制策略，例如矢量控制，需要精确的全速范围内的转子位置进行解耦变换。而其中转子初始位置最为重要，初始位置的误差会影响其后转子位置的计算，从而导致永磁同步电机解耦变换错误，导致无法对电机进行正确控制。针对传统的磁定位法，可能由于电机静止时转子位置位于定位盲区，普通的直流转矩不能使转子旋转到预定位置，使用改进的磁定位法，通过二次直流转矩定位，精确定位转子初始位置。针对传统的M/T算法存在检测时间、误差大的问题，使用改进的M/T算法，缩短了计算时间和提高了计算精度。

1 改进磁定位法原理

磁定位法原理是通过给逆变器发出直流触发脉冲信号，例如图1脉冲信号为(100)输出给电机定子绕组静止的电流矢量。

其产生的直流转矩会将定子旋转到固定位置，从而完成永磁同步电机的转子初始位置定位，原理如图2所示。

永磁同步电机的电磁转矩公式为

Tem=KFsFrsinθsr (1)

式中，Fs为定子磁势;Fr为转子磁势;K为由电机参数决定的常数;θsr为转子磁势和定子磁势的夹角。

由式(1)可知，电磁转矩将使电机转子向θsr减小的方向旋转，直到电磁转矩与电机固有转矩达到稳定的平衡点。最终使转子D轴与电机A轴重合，完成转子的预定位。但转子位置在预定前是随机的，当施加电压矢量为直轴负方向时，θsr=90°，电磁力矩Tem则等于0。转子的磁定位会由于转子不转动而失败。

为了避免转子位置位于上述的定位盲区，使用二次定位。在转子预定位前，在与预定位置相差90°的位置施加一个电压矢量，使转子位置离开上述定位盲区，然后再施加原定的电压矢量，将已离开定位盲区的转子定位到预定位置，完成转子的预定位操作。

2 变M/T法原理

增量式光电编码器旋转一圈会发出A相、B相和Z相3路脉冲。其中，A相和B相为两路正交脉冲信号，Z相脉冲等于编码器旋转圈数。其输出波形如图3所示。

M/T法原理为测周期/频率法，原理是在检测时间和此时间内编码器发出的脉冲个数。设1个时问间隔为Tg，Tg后检测到的第1个编码器脉冲终止DSP的内部脉冲计数器，计此时脉冲计数器值为m2，并用m2来测量检测时间T，且

T=Tg+△T (2)

设N为编码器旋转一周发出的脉冲数;m1为T时间内编码器发出的脉冲数;X为T时间内电机转过的角度位移，及

X=2πm1/N (3)

则电机转速可表示为

但上述M/T法存在检测信号时间过长，检测误差大的问题，针对此问题，提出了变M/T法。其原理是在检测高频时钟脉冲和编码器信号脉冲的同时，采用随编码器发出脉冲信号而变化的时间Tg。取Tg=m3/fc，m3不含△T时间内的高频脉冲个数。则电机转速可表示为

n2=60m1fc/m3N (6)

转子位置信息可推导为

θ=θ0/p+(n2Tg/60)·2π (7)

其中，θ0为电机的转子初始位置;p为电机极对数。式(7)可化简为

θ=θ0/p+2πm1/N (8)

这个方法在高速和低速情况下，检测精度与检测时间均优于传统M/T法。

这个方法在电机静止时能很好地进行转子初始位置定位。在电机低速和高速运行时，均能较好地检测出转子位置信息，其反馈转子位置信息能使电机进行正常的矢量控制。