雙凸極永磁電機信號控制的設計與控制范文

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摘要：雙凸極永磁電機（DoublySalientPermanentMagnetMotor,DSPM電機）研究重點內(nèi)容之一是轉(zhuǎn)子位置信號的控制檢測。文章根據(jù)DSPM電機的工作特點，選用無位置傳感器方案，設計了電機轉(zhuǎn)子位置信號控制的硬件部分與軟件部分。硬件系統(tǒng)主要包括功率變換電路、隔離電路、主控制電路。軟件體系主要考慮電機的起動、正交正弦波參考電流信號等。實驗結(jié)果顯示文章所選方案具有良好的控制性能，能夠有效實現(xiàn)DSPM電機的實時跟隨控制。

關鍵詞：雙凸極永磁電機；轉(zhuǎn)子；無位置傳感器；控制

引言

區(qū)別于傳統(tǒng)電機，DSPM電機無法直接作用于工頻交流電或者是直流電源，且在一個導通周期內(nèi)，DSPM均通電［1］。因此，DSPM必須在特定轉(zhuǎn)子位置處經(jīng)過功率變換器將強電流轉(zhuǎn)換為弱電流信號，才能通、斷電源［2］，從而控制繞組電流矢量，最終使得DSPM處于正常工作狀態(tài)。因此，若電機正常工作，必須實時了解DSPM轉(zhuǎn)子位置并予以定義，如此，功率變換器才能將強電流信號轉(zhuǎn)化為弱電流信號，從而控制電源通斷，最終實現(xiàn)電機正常工作。可見，轉(zhuǎn)子位置實時監(jiān)控是實現(xiàn)DSPM電機正常工作的重點所在。

1系統(tǒng)總體設計

本文以兩相運行原理為基本理論依據(jù)，選取8/6極定子永磁型DSPM電機作為研究對象。理論上，兩相運行原理是：為電機兩相繞組施加與反電動勢同相位同頻率的正弦波參考信號，而永磁磁鏈對轉(zhuǎn)子位置導數(shù)的極性與永磁反電勢成正比，那么，若導數(shù)極性為正，通入正極性電流；反之，則是負極性電流［3］。假設：DSPM結(jié)構(gòu)對稱，忽略電機邊緣效應和鐵芯磁阻等因素，那么，相角、轉(zhuǎn)矩分別為:則反電動勢極性與永磁磁鏈對轉(zhuǎn)子位置導數(shù)的關系如式（3）所示。反電動勢極性與通入電流極性成正比。當θp=60°時，半周為30°，V，W相反電動勢相位相差15°，電角度為90°。因此，DSPM轉(zhuǎn)子每變化15°，反電動勢極性將變化一次。根據(jù)實驗分析：（1）電機空載反電勢波形因其轉(zhuǎn)矩脈動急劇下降，故幾乎可以認為是正弦波；（2）V相、W相的電動勢有著較大差異。本文選擇反電動勢過零比較法作為DSPM電機轉(zhuǎn)子位置信號控制算法，選擇二階低通巴特沃思濾波器作為濾波算法，選擇三段式啟動方法作為DSPM電機起動技術［4-5］。

2硬件系統(tǒng)設計

DSPM電機轉(zhuǎn)子位置信號控制系統(tǒng)主要包含功率變換器、過零比較與隔離電路、電流與位置檢測電路、控制電路4個部分。

2.1功率變換電路本文選用三菱公司IPM模塊PM75DSA120，PM75RLA120，前者是兩管封裝IPM模塊，后者是七管封裝IPM模塊，與電機V相、W相繞組的接線方式如圖1所示。對應隔離電路均采用快速蘇光耦隔離方式。 

2.2主控制電路本文選擇Intel公司的80C196KC作為主控制器，控制電路主要包括正弦波發(fā)生電路、外圍控制電路。正弦波發(fā)生器、斬波信號發(fā)生器分別如圖2—3所示。其中，在圖2中，AD9854旨在產(chǎn)生幅值不超過20mA、輸出端電壓為-0.5~1.0V的兩路正交的正弦電流信號。由圖3可見，電流比較采樣電路主要是將實際繞組電流與正弦波參考電流做比較，輸出信號為斬波信號，再將斬波信號與開關信號、IPM輸出信號、過電流信號做邏輯與，從而得到IPM的開關信號。

3軟件體系設計DSPM電機轉(zhuǎn)子位置信號控制系統(tǒng)軟件體系主要包含系統(tǒng)初始化、轉(zhuǎn)子定位、轉(zhuǎn)子起動以及電機正常工作等階段［6］。

3.1起動階段設計電機起動主要分為轉(zhuǎn)子預定位、外同步運行兩部分。轉(zhuǎn)子預定位。功率變換器的驅(qū)動信號來自于電樞繞組電流信號與正交參考電流信號的比較信號，其中，參考電流信號由AD9854決定。當參考電流信號的初始頻率與相位均設置為0，那么，正弦波信號剛好為0，屬于正弦波信號形式；而余弦波信號則為直流信號。如此，V相為直流信號，W相為0。此狀態(tài)持續(xù)一定時間，便可實現(xiàn)V相定位。同理，W相也可采用同樣的預定位方法。外同步運行。外同步起動主要分為傳統(tǒng)外同步起動與間接外同步起動兩個階段。當軟件定時器1設置三次中斷，一旦啟動鍵按下，AD9854產(chǎn)生正弦波參考信號，為電機提供4段參考信號。若V相通電導通后，檢測不導通相是否過0點。若過0，則導通相轉(zhuǎn)換為W相。若沒有，則一直是V相導通。此時，將進入外同步起動的第二個階段——間接外同步起動方式。

3.2正交正弦波參考信號軟件設計通過反電動勢過零方法可以實時監(jiān)測V相的電角度，即當V相電角度每旋轉(zhuǎn)90°時，電動勢為0，這意味著當V相電動勢每旋轉(zhuǎn)變化90°，DSPM電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)15°。那么，在360°范圍內(nèi)，V相電動勢有4個過0點，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°。所以，若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈360°，將獲得24個電動勢過0點的位置信號。在設計正交正弦波參考信號時，根據(jù)核心控制器定時/中斷服務器所選工作方式的不同，可以實時計算出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)15°時需要的時間，即電動勢相鄰過0點的時間間隔。那么，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°所需要的時間就是旋轉(zhuǎn)15°時所需時間的24倍，以此便可推導出轉(zhuǎn)子的位置信號。

4實驗分析

本文研究對象選擇8/6極DSPM，其基本參數(shù)為：PN=750W；TN=4.775Ngm；nN=1500rpm。此外，選擇Z2-12型并勵直流電機作為負荷端，其額定參數(shù)為：PN=600W；IN=7.68A；nN=1500rpm；UN=110V。當轉(zhuǎn)子位置信號每旋轉(zhuǎn)15°時，則表示相反電動勢位置過0，且其電角度恰恰為90°。實驗結(jié)果如圖4所示。圖4上方波形描述V相反電動勢與位置信號；下方為W相反電動勢與位置信號。可見，V相與W相的反電動勢信號恰好相差90°電角度。當V相位置信號與W相反電動勢波形相位信號相重合，同時，W相位置信號與V相反電動勢波形相位信號相差180°時，本文設計的DSPM轉(zhuǎn)子位置信號控制檢測的反電動勢與位置關系滿足設計要求。設DSPM電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為1350rpm，其V相反電動勢波形信號與該相正交正弦波參考電流波形信號的圖形如圖5所示。可見，正交正弦波參考信號與相實際電動勢波形具有良好的跟隨性。設DSPM作為發(fā)電機狀態(tài)，另外一臺并勵直流電機作為負載。（1）起動：本文采取的方案是持續(xù)為V相繞組提供正電供電電源，直到電機旋轉(zhuǎn)至正確位置后再利用AD9854的正交正弦波觸發(fā)信號使電機逆時針旋轉(zhuǎn)。（2）外同步：本文采取前述“傳統(tǒng)外同步+間接外同步”的方案。在外同步初始階段，W相的端電壓（上方信號波形）就是其反電動勢信號；位置信號（下方信號波形）在初始階段不能進行過0點的有效檢測。（3）正常運行階段：通過“傳統(tǒng)外同步+間接外同步”使得電機加速后，經(jīng)過一定時間周期，電機會自動切換到兩相運行方式，處于正常運行狀態(tài)。

5結(jié)語

基于8/6極DSPM電機，本文設計了DSPM電機轉(zhuǎn)子位置信號控制系統(tǒng)總體方案，進行了硬件系統(tǒng)、軟件體系的設計研究。實驗結(jié)果顯示本方案能夠?qū)崿F(xiàn)DSPM電機在沒有位置傳感器的情況下，依然能夠獲得良好的電流波形，具有良好的跟隨控制性能。

參考文獻

［1］葛路明，樊英，江和和.雙凸極永磁電機新型控制策略研究［J］.微電機，2011（3）：32-36.

［2］董仕鎮(zhèn).新型永磁開關磁鏈電機的無位置傳感器控制［D］.杭州：浙江大學，2007.

［3］趙文祥，程明，花為，等.雙凸極永磁電機故障分析與容錯控制策略［J］.電工技術學報，2009（4）：71-74.

［4］朱曉虹，張廣明，梅磊.新型軸向磁通雙凸極永磁電機設計與建模仿真［J］.電機與控制應用，2015（7）：6-11.

［5］鄧智泉，蔡駿.開關磁阻電機無位置傳感器技術的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.南京航空航天大學學報，2012（5）：611-618.

［6］張家禎，張廣明，梅磊，等.基于模糊PID控制的軸向磁通雙凸極電機調(diào)速系統(tǒng)［J］.微特電機，2014（10）：55-58.

作者：劉明綱 單位：成都工業(yè)學院 信息與計算科學系