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摘要：雙凸極永磁電機(jī)（DoublySalientPermanentMagnetMotor,DSPM電機(jī)）研究重點(diǎn)內(nèi)容之一是轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的控制檢測(cè)。文章根據(jù)DSPM電機(jī)的工作特點(diǎn)，選用無(wú)位置傳感器方案，設(shè)計(jì)了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)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(jī)的起動(dòng)、正交正弦波參考電流信號(hào)等。實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)DSPM電機(jī)的實(shí)時(shí)跟隨控制。

關(guān)鍵詞：雙凸極永磁電機(jī)；轉(zhuǎn)子；無(wú)位置傳感器；控制

引言

區(qū)別于傳統(tǒng)電機(jī)，DSPM電機(jī)無(wú)法直接作用于工頻交流電或者是直流電源，且在一個(gè)導(dǎo)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(guò)功率變換器將強(qiáng)電流轉(zhuǎn)換為弱電流信號(hào)，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(jī)正常工作，必須實(shí)時(shí)了解DSPM轉(zhuǎn)子位置并予以定義，如此，功率變換器才能將強(qiáng)電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為弱電流信號(hào)，從而控制電源通斷，最終實(shí)現(xiàn)電機(jī)正常工作。可見(jiàn)，轉(zhuǎn)子位置實(shí)時(shí)監(jiān)控是實(shí)現(xiàn)DSPM電機(jī)正常工作的重點(diǎn)所在。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文以兩相運(yùn)行原理為基本理論依據(jù)，選取8/6極定子永磁型DSPM電機(jī)作為研究對(duì)象。理論上，兩相運(yùn)行原理是：為電機(jī)兩相繞組施加與反電動(dòng)勢(shì)同相位同頻率的正弦波參考信號(hào)，而永磁磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子位置導(dǎo)數(shù)的極性與永磁反電勢(shì)成正比，那么，若導(dǎo)數(shù)極性為正，通入正極性電流；反之，則是負(fù)極性電流［3］。假設(shè)：DSPM結(jié)構(gòu)對(duì)稱，忽略電機(jī)邊緣效應(yīng)和鐵芯磁阻等因素，那么，相角、轉(zhuǎn)矩分別為:則反電動(dòng)勢(shì)極性與永磁磁鏈對(duì)轉(zhuǎn)子位置導(dǎo)數(shù)的關(guān)系如式（3）所示。反電動(dòng)勢(shì)極性與通入電流極性成正比。當(dāng)θp=60°時(shí)，半周為30°，V，W相反電動(dòng)勢(shì)相位相差15°，電角度為90°。因此，DSPM轉(zhuǎn)子每變化15°，反電動(dòng)勢(shì)極性將變化一次。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析：（1）電機(jī)空載反電勢(shì)波形因其轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)急劇下降，故幾乎可以認(rèn)為是正弦波；（2）V相、W相的電動(dòng)勢(shì)有著較大差異。本文選擇反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零比較法作為DSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)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(dòng)方法作為DSPM電機(jī)起動(dòng)技術(shù)［4-5］。

2硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

DSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制系統(tǒng)主要包含功率變換器、過(guò)零比較與隔離電路、電流與位置檢測(cè)電路、控制電路4個(gè)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(jī)V相、W相繞組的接線方式如圖1所示。對(duì)應(yīng)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(hào)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(guò)20mA、輸出端電壓為-0.5~1.0V的兩路正交的正弦電流信號(hào)。由圖3可見(jiàn)，電流比較采樣電路主要是將實(shí)際繞組電流與正弦波參考電流做比較，輸出信號(hào)為斬波信號(hào)，再將斬波信號(hào)與開(kāi)關(guān)信號(hào)、IPM輸出信號(hào)、過(guò)電流信號(hào)做邏輯與，從而得到IPM的開(kāi)關(guān)信號(hào)。

3軟件體系設(shè)計(jì)DSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)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(dòng)以及電機(jī)正常工作等階段［6］。

3.1起動(dòng)階段設(shè)計(jì)電機(jī)起動(dòng)主要分為轉(zhuǎn)子預(yù)定位、外同步運(yùn)行兩部分。轉(zhuǎn)子預(yù)定位。功率變換器的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)自于電樞繞組電流信號(hào)與正交參考電流信號(hào)的比較信號(hào)，其中，參考電流信號(hào)由AD9854決定。當(dāng)參考電流信號(hào)的初始頻率與相位均設(shè)置為0，那么，正弦波信號(hào)剛好為0，屬于正弦波信號(hào)形式；而余弦波信號(hào)則為直流信號(hào)。如此，V相為直流信號(hào)，W相為0。此狀態(tài)持續(xù)一定時(shí)間，便可實(shí)現(xiàn)V相定位。同理，W相也可采用同樣的預(yù)定位方法。外同步運(yùn)行。外同步起動(dòng)主要分為傳統(tǒng)外同步起動(dòng)與間接外同步起動(dòng)兩個(gè)階段。當(dāng)軟件定時(shí)器1設(shè)置三次中斷，一旦啟動(dòng)鍵按下，AD9854產(chǎn)生正弦波參考信號(hào)，為電機(jī)提供4段參考信號(hào)。若V相通電導(dǎo)通后，檢測(cè)不導(dǎo)通相是否過(guò)0點(diǎn)。若過(guò)0，則導(dǎo)通相轉(zhuǎn)換為W相。若沒(méi)有，則一直是V相導(dǎo)通。此時(shí)，將進(jìn)入外同步起動(dòng)的第二個(gè)階段——間接外同步起動(dòng)方式。

3.2正交正弦波參考信號(hào)軟件設(shè)計(jì)通過(guò)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零方法可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)V相的電角度，即當(dāng)V相電角度每旋轉(zhuǎn)90°時(shí)，電動(dòng)勢(shì)為0，這意味著當(dāng)V相電動(dòng)勢(shì)每旋轉(zhuǎn)變化90°，DSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)15°。那么，在360°范圍內(nèi)，V相電動(dòng)勢(shì)有4個(gè)過(guò)0點(diǎn)，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)60°。所以，若轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一圈360°，將獲得24個(gè)電動(dòng)勢(shì)過(guò)0點(diǎn)的位置信號(hào)。在設(shè)計(jì)正交正弦波參考信號(hào)時(shí)，根據(jù)核心控制器定時(shí)/中斷服務(wù)器所選工作方式的不同，可以實(shí)時(shí)計(jì)算出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)15°時(shí)需要的時(shí)間，即電動(dòng)勢(shì)相鄰過(guò)0點(diǎn)的時(shí)間間隔。那么，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)360°所需要的時(shí)間就是旋轉(zhuǎn)15°時(shí)所需時(shí)間的24倍，以此便可推導(dǎo)出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。

4實(shí)驗(yàn)分析

本文研究對(duì)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(lì)直流電機(jī)作為負(fù)荷端，其額定參數(shù)為：PN=600W；IN=7.68A；nN=1500rpm；UN=110V。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)每旋轉(zhuǎn)15°時(shí)，則表示相反電動(dòng)勢(shì)位置過(guò)0，且其電角度恰恰為90°。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。圖4上方波形描述V相反電動(dòng)勢(shì)與位置信號(hào)；下方為W相反電動(dòng)勢(shì)與位置信號(hào)。可見(jiàn)，V相與W相的反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)恰好相差90°電角度。當(dāng)V相位置信號(hào)與W相反電動(dòng)勢(shì)波形相位信號(hào)相重合，同時(shí)，W相位置信號(hào)與V相反電動(dòng)勢(shì)波形相位信號(hào)相差180°時(shí)，本文設(shè)計(jì)的DSPM轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制檢測(cè)的反電動(dòng)勢(shì)與位置關(guān)系滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)DSPM電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速為1350rpm，其V相反電動(dòng)勢(shì)波形信號(hào)與該相正交正弦波參考電流波形信號(hào)的圖形如圖5所示。可見(jiàn)，正交正弦波參考信號(hào)與相實(shí)際電動(dòng)勢(shì)波形具有良好的跟隨性。設(shè)DSPM作為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，另外一臺(tái)并勵(lì)直流電機(jī)作為負(fù)載。（1）起動(dòng)：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(jī)旋轉(zhuǎn)至正確位置后再利用AD9854的正交正弦波觸發(fā)信號(hào)使電機(jī)逆時(shí)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(hào)波形）就是其反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)；位置信號(hào)（下方信號(hào)波形）在初始階段不能進(jìn)行過(guò)0點(diǎn)的有效檢測(cè)。（3）正常運(yùn)行階段：通過(guò)“傳統(tǒng)外同步+間接外同步”使得電機(jī)加速后，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間周期，電機(jī)會(huì)自動(dòng)切換到兩相運(yùn)行方式，處于正常運(yùn)行狀態(tài)。

5結(jié)語(yǔ)

基于8/6極DSPM電機(jī)，本文設(shè)計(jì)了DSPM電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)控制系統(tǒng)總體方案，進(jìn)行了硬件系統(tǒng)、軟件體系的設(shè)計(jì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示本方案能夠?qū)崿F(xiàn)DSPM電機(jī)在沒(méi)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。

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作者：劉明綱 單位：成都工業(yè)學(xué)院 信息與計(jì)算科學(xué)系