永磁同步电机初始位置检测及启动方法

文/徐志书 杨金鹏 岳宗帅 李东东 王婕

1 概述

永磁同步电机的初级磁场与次级磁场的相互作用产生电磁转矩，只有在转子以同步速运行，即初级磁场与次级磁场相对静止时才能产生有效的电磁转矩。假设永磁同步电机刚启动时，直接通以额定频率与幅值的交流电，此时定子磁场静止，转子磁场是以同步速前进的圆形磁场，转子磁极所受电磁推力每半个周期变化一次，一个周期平均电磁推力为零，永磁同步电机无法实现自启动。启动前获得转子实际位置的是永磁同步电机实现矢量控制的必要条件。

目前工程上常用的启动方法有开环启动法、绝对位置法、固定矢量电流法、绝对位置法、霍尔磁极检测法、转子位置观测器法、高频注入法、脉冲信号注入法等。开环启动法不需要额外的硬件，但它无法实现最大转矩启动；绝对位置法具有较高的精度，但对硬件要求比较高，增加了硬件成本，通用性不高。固定矢量电流法简单易行，但是在高精度控制场合，尤其是在电机正常运行之前不允许电机转子存在角位移的场合时无法适用。

2 转子初始位置检测原理

根据永磁同步电机在 d-q 坐标系下的数学模型，永磁同步电机在 d-q 坐标系下的电压方程为：

式中：ud、uq为 d、q 轴方向电压； id、iq为 d、q 轴方向电流；Ld、Lq为 d、q 轴电感；rs为定子内阻；p为微分算子；ψr为转子永磁体磁链；ω为转子角速度。

转矩方程为：

运动方程为：

其中：Te为电磁转矩；TL为负载转矩；ωr为转子角速度；np为电机极对数；J为电机转动惯量；B为阻尼系数。

对于表面式永磁同步电机，Ld=Lq，于是转矩方程为：

当 d、q 轴电流参考值确定、坐标变换角度确定，变频器就能在 d-q 坐标系下输出一个幅值、方向确定的电流矢量，假设电机转子初始角度为θ，当给定子电流施加幅值为is，方向为θt的电流时,此时电机转矩可写为：

表1：UVW状态与转子电空间对应表

电机启动时，ωr=0，则运动方程可写为：

若给定定子电流幅值大小足够，可以满足当0＜θt-θ＜π时，Te-TL＞0， 电机逆时针转动； 当-π＜θt-θ＜0 时，Te-TL＜0，电机顺时针转动；当θt-θ=0或θt-θ=π，电机不转；由此不断试探，通过电机转子的转动方向判断转子初始位置。

3 永磁同步电机转子初始位置检测及实现

本文采用霍尔磁极检测法方案，该方案在转子微小转动的基础上便可以实现转子初始位置的准确定位，实现接近负载咬合启动。硬件成本低、效率高，是一种较为理想的方案。

霍尔磁极检测器的的UVW三相信号用来检测磁极位置，首先粗略估计出转子磁极当前的位置，使电机咬合负载启动，然后电机运行过程中通过检测光栅编码器的Z信号进行校正。

磁极霍尔检测元件输出的UVW信号在每一个360°电空间，UVW信号按所对应的状态将该空间分成6份，每份空间对应电信号的60°区间，在6个不同的状态空间，对应的UVW的信号状态分别为001、010、011、100、101、110。则在系统初始带电时，由UVW状态可以判断转子处在哪个空间。

利用对拖法观测转子U相反电动势与UVW三相输出信号的波形，绘制如图1所示。

从图1可以看出UVW状态与转子电空间对应关系如表1所示。

现在假设判断UVW的初始状态为100，即转子位于空间0°～60°电空间，为实现矢量控制，假设转子位于30°位置，交轴电流应该在120°位置。转子可能是处在0°～60°电空间的任意位置，按照30°位置的假设可能产生以下两种极限情况：假设转子处于0°位置，此时假想交轴电流超前d轴120°；假设转子处于60°位置，此时假想交轴电流超前d轴60°。

图1：U相反电动势与UVW三相信号波形

不管转子真实状态位于0°～60°空间的哪一点，按照前面假定给120°方向的交轴电流均可以使电机产生正向的电动力。电机在正向电动力的作用下正向运动，初始定位时，速度的设定值SpeedRef=0，此时速度反馈信号与设定值作用在速度调节器又使电机产生反向运动的电流，该电流与前面所假想的交轴电流反向。在上述过程中，电机转子将在交替施加的超前、滞后（对d轴）交轴电流的作用下处微振状态，最终实现定、转子的咬合，咬合状态的结束标志此时定子磁场与转子磁场的磁链的矢量积所决定的推力恰好可以带动负载，即可实现带启动，但此时控制系统并不知道转子的具体位置，此时假想的交轴电流与电机转子直轴并不一定成90°角，故此时仍算不上矢量控制。接下来给电机运动的速度指令，等控制器接收到零位脉冲时，系统对计数脉中做一次修正，使计数脉冲真实表示转子的实际位置，此后电机运行便完成定位，进入真正的矢量控制。

3 总结

本文详细阐述了基于霍尔磁极检测法对永磁同步电机初始位置检测及启动方法，硬件成本低、效率高，为基于永磁同步电机对拖动系统与伺服系统工程研究提供了方案。