永磁電機(jī)中無(wú)傳感器轉(zhuǎn)子從初始狀態(tài)開(kāi)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(jī)(ipmm - interior permanent magnet motor)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)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(jī)具有原始的磁阻，但是它會(huì)隨著負(fù)載條件的變化而變化，并且其控制性能也會(huì)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(fù)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(cè)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(kāi)始的初始角檢測(cè)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(wú)傳感器或無(wú)位置傳感器的ipmm的位置控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果闡明了這種位置控制算法在任何負(fù)載條件下都是非常令人滿意的。
關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動(dòng)；位置檢測(cè)；無(wú)傳感器控制
1 引言
到目前為止，ipmm電機(jī)的無(wú)傳感器驅(qū)動(dòng)從魯棒性、可靠性、成本等方面早已經(jīng)開(kāi)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(dá)到能與有傳感器的向量控制性能相媲美，人們就開(kāi)始對(duì)無(wú)傳感囂控制方法進(jìn)行調(diào)研。針對(duì)ipmm電機(jī)的無(wú)傳感器位置檢測(cè)方案有兩類。種是基于反電動(dòng)勢(shì)( emf)，采用電壓模式，觀測(cè)者通過(guò)同步或者固定鏡頭或者卡爾曼濾波器來(lái)觀測(cè)得到。這種方法在中速或者高速區(qū)域測(cè)量出來(lái)的結(jié)果很好。這種反電勢(shì)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(gè)取樣周期內(nèi)輸入電壓信號(hào)來(lái)測(cè)試轉(zhuǎn)子位置，因?yàn)槭窃诤芏虝r(shí)間內(nèi)用電壓信號(hào)探測(cè)電感，這些信號(hào)可能在參數(shù)變化或者嗓音面前顯得很薄弱。另外一個(gè)就是輸入高頻轉(zhuǎn)速采用追蹤算法。因?yàn)椴捎眠@種高頻旋轉(zhuǎn)信號(hào)，動(dòng)態(tài)性能在一個(gè)很狹窄的范圍內(nèi)受到限制。近來(lái)，針對(duì)靜止或者低頻運(yùn)行狀態(tài)，人們提出了一種基于諧波信號(hào)輸入到轉(zhuǎn)子的新算法。這種方法應(yīng)用于感應(yīng)磁阻電機(jī)和同步電機(jī)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(dá)到。與另外的信號(hào)輸入方式比較，它輸入的不是旋轉(zhuǎn)信號(hào)而是磁通法線的波動(dòng)信號(hào)，因此，它產(chǎn)生的是較小的力矩波動(dòng)、振動(dòng)和可聽(tīng)見(jiàn)噪音。
這種方法采用磁阻，但還有一個(gè)問(wèn)題，就是判斷初始狀態(tài)的磁極位置。這個(gè)問(wèn)題的根本原因在于有兩個(gè)穩(wěn)定的極：n極和s極。如果需測(cè)試的角度排列在s極位置，輸出的力短信號(hào)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(shí)際上，區(qū)分兩個(gè)穩(wěn)定的點(diǎn)是不可能的，因?yàn)樵诔跏紶顟B(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速幾乎為零，并且在那個(gè)時(shí)刻也沒(méi)有反電動(dòng)勢(shì)。因此，為了辨別出n極位置，非理想的現(xiàn)象就應(yīng)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(lái)測(cè)量失調(diào)電流的，它測(cè)量的響應(yīng)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?zèng)Q定。如果轉(zhuǎn)子的速度是零，它就沒(méi)有轉(zhuǎn)子位置的信息。測(cè)試信號(hào)產(chǎn)生的速度波動(dòng)主要影響這些方法。然而，根據(jù)機(jī)械系統(tǒng)或者負(fù)載條件它們不應(yīng)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(wú)傳感器控制算法。因?yàn)樗玫氖莍p㈣電機(jī)的高頻阻抗，所以這些高頻區(qū)域的特性在不同的負(fù)載條件下都進(jìn)行了測(cè)試、分析。為了放大這些特性的信號(hào)，在轉(zhuǎn)子參考面上直軸的波動(dòng)信號(hào)被輸入使用。這種電機(jī)在交軸上的****阻抗根據(jù)負(fù)載級(jí)別很容易飽和，因此，磁阻將減小或消失。為了避免無(wú)傳感器控制因?yàn)檫@個(gè)原因而失敗，就提出了用直軸方向的電流來(lái)補(bǔ)償。閔為直軸電流的調(diào)節(jié)可以使得ipvim電機(jī)的單位電流的力矩減小，所以我們考慮使用特性補(bǔ)償。此方法中，磁滯現(xiàn)象被用來(lái)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(dòng)態(tài)特佳，能準(zhǔn)確的測(cè)量出磁極的位置。這個(gè)判斷轉(zhuǎn)子位置的方案使得我們?cè)谌魏呜?fù)載條件下部能進(jìn)行無(wú)傳感器轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和位置控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了這種無(wú)傳感器算法是快而準(zhǔn)確的操作。
2轉(zhuǎn)矩特性和高頻阻抗
圖1表示的是一臺(tái)ip慚電機(jī)的測(cè)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(jī)同時(shí)產(chǎn)生磁力矩和磁阻力矩，單位電流產(chǎn)生的大的力 |
