永磁電機中無傳感器轉(zhuǎn)子從初始狀態(tài)開始的位置判斷
摘要：
本文介紹了在靜止和低速狀態(tài)下內(nèi)置永磁電機(ipmm - interior permanent magnet motor)驅(qū)動系統(tǒng)無任何旋轉(zhuǎn)變換裝置的一種轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)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(tǒng)的方法，但是為了放大包括轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置相關(guān)的高頻阻抗成分。本文還提出了從轉(zhuǎn)子任意位置開始的初始角檢測方案。它能在幾十毫秒內(nèi)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(jié)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(guān)鍵詞：電機驅(qū)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(qū)動從魯棒性、可靠性、成本等方面早已經(jīng)開始研究了。在八十年代以后，隨著電力電子和微電子技術(shù)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(diào)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(qū)域測量出來的結(jié)果很好。這種反電勢的幅值跟轉(zhuǎn)速成正比，但是在低速狀態(tài)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(nèi)輸入電壓信號來測試轉(zhuǎn)子位置，因為是在很短時間內(nèi)用電壓信號探測電感，這些信號可能在參數(shù)變化或者嗓音面前顯得很薄弱。另外一個就是輸入高頻轉(zhuǎn)速采用追蹤算法。因為采用這種高頻旋轉(zhuǎn)信號，動態(tài)性能在一個很狹窄的范圍內(nèi)受到限制。近來，針對靜止或者低頻運行狀態(tài)，人們提出了一種基于諧波信號輸入到轉(zhuǎn)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(zhuǎn)信號而是磁通法線的波動信號，因此，它產(chǎn)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(tài)的磁極位置。這個問題的根本原因在于有兩個穩(wěn)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(tǒng)將不穩(wěn)定。因此，辨別出n極位置是很重要的。實際上，區(qū)分兩個穩(wěn)定的點是不可能的，因為在初始狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)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(xiàn)象就應該考慮。區(qū)別同一的n極位置的直軸的傳統(tǒng)方法就是基于轉(zhuǎn)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(diào)電流就產(chǎn)生了，由于這種方法是用一種低通濾波器來測量失調(diào)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(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速決定。如果轉(zhuǎn)子的速度是零，它就沒有轉(zhuǎn)子位置的信息。測試信號產(chǎn)生的速度波動主要影響這些方法。然而，根據(jù)機械系統(tǒng)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(qū)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(zhuǎn)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(jù)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(diào)節(jié)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(xiàn)象被用來判斷初始狀態(tài)的k極位置。這種方法可以辨別n極，它有快速的動態(tài)特佳，能準確的測量出磁極的位置。這個判斷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置控制。實驗結(jié)果表明了這種無傳感器算法是快而準確的操作。
2轉(zhuǎn)矩特性和高頻阻抗
圖1表示的是一臺ip慚電機的測試結(jié)果，參數(shù)列在表l。圖1(a)描繪了根據(jù)直軸和交軸電流的單位幅值電流產(chǎn)生的力矩。
圖l(b)顯示依照交軸電流的單位電流產(chǎn)生的****力矩的直軸電流，這種ipmmm電機同時產(chǎn)生磁力矩和磁阻力矩，單位電流產(chǎn)生的大的力 |
