永磁电机中无传感器转子从初始状态开始的位置判断

摘要：

    本文介绍了在静止和低速状态下内置永磁电机(ipmm - interior permanent magnet motor)驱动系统无任何旋转变换装置的一种转矩、转速或位置控制方法。虽然这种ipmm电机具有原始的磁阻，但是它会随着负载条件的变化而变化，并且其控制性能也会显著下降。本文中，阻抗误差还是用传统的方法，但是为了放大包括转子转角信息的差异，以及在任意负载条件下维持一种比较合理的性能，我们提出了高频输入的方案，采用了一种基于高频阻抗特性的速度、位置测试方案。该方案采用了与转子位置相关的高频阻抗成分。本文还提出了从转子任意位置开始的初始角检测方案。它能在几十毫秒内就能辨别出n、s极。这种方案可用于无传感器或无位置传感器的ipmm的位置控制。实验结果阐明了这种位置控制算法在任何负载条件下都是非常令人满意的。

关键词：电机驱动；位置检测；无传感器控制

1  引言

    到目前为止，ipmm电机的无传感器驱动从鲁棒性、可靠性、成本等方面早已经开始研究了。在八十年代以后，随着电力电子和微电子技术的展，为了达到能与有传感器的向量控制性能相媲美，人们就开始对无传感嚣控制方法进行调研。针对ipmm电机的无传感器位置检测方案有两类。种是基于反电动势( emf)，采用电压模式，观测者通过同步或者固定镜头或者卡尔曼滤波器来观测得到。这种方法在中速或者高速区域测量出来的结果很好。这种反电势的幅值跟转速成正比，但是在低速状态下就不适用了。另外一种方案就是利用磁阻。这种算法就是在一个取样周期内输入电压信号来测试转子位置，因为是在很短时间内用电压信号探测电感，这些信号可能在参数变化或者嗓音面前显得很薄弱。另外一个就是输入高频转速采用追踪算法。因为采用这种高频旋转信号，动态性能在一个很狭窄的范围内受到限制。近来，针对静止或者低频运行状态，人们提出了一种基于谐波信号输入到转子的新算法。这种方法应用于感应磁阻电机和同步电机中。它能在静止或低速定子频率下具有合理的力矩控制性能，甚至超载条件下也能达到。与另外的信号输入方式比较，它输入的不是旋转信号而是磁通法线的波动信号，因此，它产生的是较小的力矩波动、振动和可听见噪音。

    这种方法采用磁阻，但还有一个问题，就是判断初始状态的磁极位置。这个问题的根本原因在于有两个稳定的极：n极和s极。如果需测试的角度排列在s极位置，输出的力短信号将改变，系统将不稳定。因此，辨别出n极位置是很重要的。实际上，区分两个稳定的点是不可能的，因为在初始状态下转子的转速几乎为零，并且在那个时刻也没有反电动势。因此，为了辨别出n极位置，非理想的现象就应该考虑。区别同一的n极位置的直轴的传统方法就是基于转子磁通的饱和。由于磁通饱和，n极的终端阻抗减少而s极的终端阻抗增加。因此，如果在n极和s极位置输入同样的电压，能显示n极位置方向的失调电流就产生了，由于这种方法是用一种低通滤波器来测量失调电流的，它测量的响应速度很慢。辨别直轴的另外一种方法是基于电压和电流之间的相位。相位主要由转子的转速决定。如果转子的速度是零，它就没有转子位置的信息。测试信号产生的速度波动主要影响这些方法。然而，根据机械系统或者负载条件它们不应有速度波纹。在这种情况下，这些方法都不是有效的。

    本文介绍了一种用高频输入的无传感器控制算法。因为它用的是ip㈣电机的高频阻抗，所以这些高频区域的特性在不同的负载条件下都进行了测试、分析。为了放大这些特性的信号，在转子参考面上直轴的波动信号被输入使用。这种电机在交轴上的****阻抗根据负载级别很容易饱和，因此，磁阻将减小或消失。为了避免无传感器控制因为这个原因而失败，就提出了用直轴方向的电流来补偿。闵为直轴电流的调节可以使得ipvim电机的单位电流的力矩减小，所以我们考虑使用特性补偿。此方法中，磁滞现象被用来判断初始状态的k极位置。这种方法可以辨别n极，它有快速的动态特佳，能准确的测量出磁极的位置。这个判断转子位置的方案使得我们在任何负载条件下部能进行无传感器转矩、转速和位置控制。实验结果表明了这种无传感器算法是快而准确的操作。

    图1表示的是一台ip惭电机的测试结果，参数列在表l。图1(a)描绘了根据直轴和交轴电流的单位幅值电流产生的力矩。

 

    图l(b)显示依照交轴电流的单位电流产生的****力矩的直轴电流，这种ipmmm电机同时产生磁力矩和磁阻力矩，单位电流产生的大的力