双凸极永磁电机信号控制的设计与控制范文

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摘要：双凸极永磁电机（DoublySalientPermanentMagnetMotor,DSPM电机）研究重点内容之一是转子位置信号的控制检测。文章根据DSPM电机的工作特点，选用无位置传感器方案，设计了电机转子位置信号控制的硬件部分与软件部分。硬件系统主要包括功率变换电路、隔离电路、主控制电路。软件体系主要考虑电机的起动、正交正弦波参考电流信号等。实验结果显示文章所选方案具有良好的控制性能，能够有效实现DSPM电机的实时跟随控制。

关键词：双凸极永磁电机；转子；无位置传感器；控制

引言

区别于传统电机，DSPM电机无法直接作用于工频交流电或者是直流电源，且在一个导通周期内，DSPM均通电［1］。因此，DSPM必须在特定转子位置处经过功率变换器将强电流转换为弱电流信号，才能通、断电源［2］，从而控制绕组电流矢量，最终使得DSPM处于正常工作状态。因此，若电机正常工作，必须实时了解DSPM转子位置并予以定义，如此，功率变换器才能将强电流信号转化为弱电流信号，从而控制电源通断，最终实现电机正常工作。可见，转子位置实时监控是实现DSPM电机正常工作的重点所在。

1系统总体设计

本文以两相运行原理为基本理论依据，选取8/6极定子永磁型DSPM电机作为研究对象。理论上，两相运行原理是：为电机两相绕组施加与反电动势同相位同频率的正弦波参考信号，而永磁磁链对转子位置导数的极性与永磁反电势成正比，那么，若导数极性为正，通入正极性电流；反之，则是负极性电流［3］。假设：DSPM结构对称，忽略电机边缘效应和铁芯磁阻等因素，那么，相角、转矩分别为:则反电动势极性与永磁磁链对转子位置导数的关系如式（3）所示。反电动势极性与通入电流极性成正比。当θp=60°时，半周为30°，V，W相反电动势相位相差15°，电角度为90°。因此，DSPM转子每变化15°，反电动势极性将变化一次。根据实验分析：（1）电机空载反电势波形因其转矩脉动急剧下降，故几乎可以认为是正弦波；（2）V相、W相的电动势有着较大差异。本文选择反电动势过零比较法作为DSPM电机转子位置信号控制算法，选择二阶低通巴特沃思滤波器作为滤波算法，选择三段式启动方法作为DSPM电机起动技术［4-5］。

2硬件系统设计

DSPM电机转子位置信号控制系统主要包含功率变换器、过零比较与隔离电路、电流与位置检测电路、控制电路4个部分。

2.1功率变换电路本文选用三菱公司IPM模块PM75DSA120，PM75RLA120，前者是两管封装IPM模块，后者是七管封装IPM模块，与电机V相、W相绕组的接线方式如图1所示。对应隔离电路均采用快速苏光耦隔离方式。 

2.2主控制电路本文选择Intel公司的80C196KC作为主控制器，控制电路主要包括正弦波发生电路、外围控制电路。正弦波发生器、斩波信号发生器分别如图2—3所示。其中，在图2中，AD9854旨在产生幅值不超过20mA、输出端电压为-0.5~1.0V的两路正交的正弦电流信号。由图3可见，电流比较采样电路主要是将实际绕组电流与正弦波参考电流做比较，输出信号为斩波信号，再将斩波信号与开关信号、IPM输出信号、过电流信号做逻辑与，从而得到IPM的开关信号。

3软件体系设计DSPM电机转子位置信号控制系统软件体系主要包含系统初始化、转子定位、转子起动以及电机正常工作等阶段［6］。

3.1起动阶段设计电机起动主要分为转子预定位、外同步运行两部分。转子预定位。功率变换器的驱动信号来自于电枢绕组电流信号与正交参考电流信号的比较信号，其中，参考电流信号由AD9854决定。当参考电流信号的初始频率与相位均设置为0，那么，正弦波信号刚好为0，属于正弦波信号形式；而余弦波信号则为直流信号。如此，V相为直流信号，W相为0。此状态持续一定时间，便可实现V相定位。同理，W相也可采用同样的预定位方法。外同步运行。外同步起动主要分为传统外同步起动与间接外同步起动两个阶段。当软件定时器1设置三次中断，一旦启动键按下，AD9854产生正弦波参考信号，为电机提供4段参考信号。若V相通电导通后，检测不导通相是否过0点。若过0，则导通相转换为W相。若没有，则一直是V相导通。此时，将进入外同步起动的第二个阶段——间接外同步起动方式。

3.2正交正弦波参考信号软件设计通过反电动势过零方法可以实时监测V相的电角度，即当V相电角度每旋转90°时，电动势为0，这意味着当V相电动势每旋转变化90°，DSPM电机转子旋转15°。那么，在360°范围内，V相电动势有4个过0点，转子旋转60°。所以，若转子旋转一圈360°，将获得24个电动势过0点的位置信号。在设计正交正弦波参考信号时，根据核心控制器定时/中断服务器所选工作方式的不同，可以实时计算出转子旋转15°时需要的时间，即电动势相邻过0点的时间间隔。那么，转子旋转360°所需要的时间就是旋转15°时所需时间的24倍，以此便可推导出转子的位置信号。

4实验分析

本文研究对象选择8/6极DSPM，其基本参数为：PN=750W；TN=4.775Ngm；nN=1500rpm。此外，选择Z2-12型并励直流电机作为负荷端，其额定参数为：PN=600W；IN=7.68A；nN=1500rpm；UN=110V。当转子位置信号每旋转15°时，则表示相反电动势位置过0，且其电角度恰恰为90°。实验结果如图4所示。图4上方波形描述V相反电动势与位置信号；下方为W相反电动势与位置信号。可见，V相与W相的反电动势信号恰好相差90°电角度。当V相位置信号与W相反电动势波形相位信号相重合，同时，W相位置信号与V相反电动势波形相位信号相差180°时，本文设计的DSPM转子位置信号控制检测的反电动势与位置关系满足设计要求。设DSPM电机工作于发电机状态，转速为1350rpm，其V相反电动势波形信号与该相正交正弦波参考电流波形信号的图形如图5所示。可见，正交正弦波参考信号与相实际电动势波形具有良好的跟随性。设DSPM作为发电机状态，另外一台并励直流电机作为负载。（1）起动：本文采取的方案是持续为V相绕组提供正电供电电源，直到电机旋转至正确位置后再利用AD9854的正交正弦波触发信号使电机逆时针旋转。（2）外同步：本文采取前述“传统外同步+间接外同步”的方案。在外同步初始阶段，W相的端电压（上方信号波形）就是其反电动势信号；位置信号（下方信号波形）在初始阶段不能进行过0点的有效检测。（3）正常运行阶段：通过“传统外同步+间接外同步”使得电机加速后，经过一定时间周期，电机会自动切换到两相运行方式，处于正常运行状态。

5结语

基于8/6极DSPM电机，本文设计了DSPM电机转子位置信号控制系统总体方案，进行了硬件系统、软件体系的设计研究。实验结果显示本方案能够实现DSPM电机在没有位置传感器的情况下，依然能够获得良好的电流波形，具有良好的跟随控制性能。

参考文献

［1］葛路明，樊英，江和和.双凸极永磁电机新型控制策略研究［J］.微电机，2011（3）：32-36.

［2］董仕镇.新型永磁开关磁链电机的无位置传感器控制［D］.杭州：浙江大学，2007.

［3］赵文祥，程明，花为，等.双凸极永磁电机故障分析与容错控制策略［J］.电工技术学报，2009（4）：71-74.

［4］朱晓虹，张广明，梅磊.新型轴向磁通双凸极永磁电机设计与建模仿真［J］.电机与控制应用，2015（7）：6-11.

［5］邓智泉，蔡骏.开关磁阻电机无位置传感器技术的研究现状和发展趋势［J］.南京航空航天大学学报，2012（5）：611-618.

［6］张家祯，张广明，梅磊，等.基于模糊PID控制的轴向磁通双凸极电机调速系统［J］.微特电机，2014（10）：55-58.

作者：刘明纲 单位：成都工业学院 信息与计算科学系