永磁電機中無傳感器轉子從初始狀態開始的位置判斷

摘要：

    本文介紹了在靜止和低速狀態下內置永磁電機(ipmm - interior permanent magnet motor)驅動系統無任何旋轉變換裝置的一種轉矩、轉速或位置控制方法。雖然這種ipmm電機具有原始的磁阻，但是它會隨著負載條件的變化而變化，并且其控制性能也會顯著下降。本文中，阻抗誤差還是用傳統的方法，但是為了放大包括轉子轉角信息的差異，以及在任意負載條件下維持一種比較合理的性能，我們提出了高頻輸入的方案，采用了一種基于高頻阻抗特性的速度、位置測試方案。該方案采用了與轉子位置相關的高頻阻抗成分。本文還提出了從轉子任意位置開始的初始角檢測方案。它能在幾十毫秒內就能辨別出n、s極。這種方案可用于無傳感器或無位置傳感器的ipmm的位置控制。實驗結果闡明了這種位置控制算法在任何負載條件下都是非常令人滿意的。

關鍵詞：電機驅動；位置檢測；無傳感器控制

1  引言

    到目前為止，ipmm電機的無傳感器驅動從魯棒性、可靠性、成本等方面早已經開始研究了。在八十年代以后，隨著電力電子和微電子技術的展，為了達到能與有傳感器的向量控制性能相媲美，人們就開始對無傳感囂控制方法進行調研。針對ipmm電機的無傳感器位置檢測方案有兩類。種是基于反電動勢( emf)，采用電壓模式，觀測者通過同步或者固定鏡頭或者卡爾曼濾波器來觀測得到。這種方法在中速或者高速區域測量出來的結果很好。這種反電勢的幅值跟轉速成正比，但是在低速狀態下就不適用了。另外一種方案就是利用磁阻。這種算法就是在一個取樣周期內輸入電壓信號來測試轉子位置，因為是在很短時間內用電壓信號探測電感，這些信號可能在參數變化或者嗓音面前顯得很薄弱。另外一個就是輸入高頻轉速采用追蹤算法。因為采用這種高頻旋轉信號，動態性能在一個很狹窄的范圍內受到限制。近來，針對靜止或者低頻運行狀態，人們提出了一種基于諧波信號輸入到轉子的新算法。這種方法應用于感應磁阻電機和同步電機中。它能在靜止或低速定子頻率下具有合理的力矩控制性能，甚至超載條件下也能達到。與另外的信號輸入方式比較，它輸入的不是旋轉信號而是磁通法線的波動信號，因此，它產生的是較小的力矩波動、振動和可聽見噪音。

    這種方法采用磁阻，但還有一個問題，就是判斷初始狀態的磁極位置。這個問題的根本原因在于有兩個穩定的極：n極和s極。如果需測試的角度排列在s極位置，輸出的力短信號將改變，系統將不穩定。因此，辨別出n極位置是很重要的。實際上，區分兩個穩定的點是不可能的，因為在初始狀態下轉子的轉速幾乎為零，并且在那個時刻也沒有反電動勢。因此，為了辨別出n極位置，非理想的現象就應該考慮。區別同一的n極位置的直軸的傳統方法就是基于轉子磁通的飽和。由于磁通飽和，n極的終端阻抗減少而s極的終端阻抗增加。因此，如果在n極和s極位置輸入同樣的電壓，能顯示n極位置方向的失調電流就產生了，由于這種方法是用一種低通濾波器來測量失調電流的，它測量的響應速度很慢。辨別直軸的另外一種方法是基于電壓和電流之間的相位。相位主要由轉子的轉速決定。如果轉子的速度是零，它就沒有轉子位置的信息。測試信號產生的速度波動主要影響這些方法。然而，根據機械系統或者負載條件它們不應有速度波紋。在這種情況下，這些方法都不是有效的。

    本文介紹了一種用高頻輸入的無傳感器控制算法。因為它用的是ip㈣電機的高頻阻抗，所以這些高頻區域的特性在不同的負載條件下都進行了測試、分析。為了放大這些特性的信號，在轉子參考面上直軸的波動信號被輸入使用。這種電機在交軸上的****阻抗根據負載級別很容易飽和，因此，磁阻將減小或消失。為了避免無傳感器控制因為這個原因而失敗，就提出了用直軸方向的電流來補償。閔為直軸電流的調節可以使得ipvim電機的單位電流的力矩減小，所以我們考慮使用特性補償。此方法中，磁滯現象被用來判斷初始狀態的k極位置。這種方法可以辨別n極，它有快速的動態特佳，能準確的測量出磁極的位置。這個判斷轉子位置的方案使得我們在任何負載條件下部能進行無傳感器轉矩、轉速和位置控制。實驗結果表明了這種無傳感器算法是快而準確的操作。

    圖1表示的是一臺ip慚電機的測試結果，參數列在表l。圖1(a)描繪了根據直軸和交軸電流的單位幅值電流產生的力矩。

 

    圖l(b)顯示依照交軸電流的單位電流產生的****力矩的直軸電流，這種ipmmm電機同時產生磁力矩和磁阻力矩，單位電流產生的大的力