永磁电机转子位置检测方法

张红

贵州航天林泉电机有限公司 贵州省贵阳市 550081

摘要：本文介绍了一种基于旋转变压器与AD2S1210数字变换器相结合的转子位置检测方法。介绍了一种用于旋转变压器信号调理电路的改进建议，它具有减小信号畸变、抑制高频干扰、提高测量准确度等优点。该方法利用测童绕组的电压过零点和感应到的电流过零点之间的相位差来校正转子初位（初始位置）角度。通过试验，证明了调理电路的正确性，以及转子位置初始角标定的精确性。

关键词：永磁电机；转子位置；检测标定

1高速永磁同步电机转子位置检测方法

PMSM相对于异步电动机,具有体积小,质量轻,效率高,功率系数高等特点。其中,大容量低速直驱型永磁电机由于其特有的振动噪音特性,被广泛用于调查船、科考船等特殊舰船的推进系统中。基于状态观测器的无位置传感器系统是当前国内外学者关注的焦点,其中最受关注的有:龙贝格观测器,滑模观测器,以及扩展卡尔曼滤波观测器。通过以上对多种无需位置传感器的转子位置探测方法进行的研究总结发现，扩充卡尔曼滤波器的算法比较复杂，而且还涉及到矩阵的逆向运算，其计算量非常大，对单片机的要求也非常高，因此其在实际中的应用有很大的局限性；而高频信号注入方法只能在低转速和零转速范围内有效，无法对PMSM，尤其是HPMSM，进行全转速范围内的转子位置探测；该方法具有结构简单、算法通俗易懂、易于数字化实现等优点，但其通常采用的PI自适应控制器，其动态和稳定特性无法适用于高速PMSM的转子位置检测，低速时有轻微的振荡，高速时有很大的时滞。滑模观测器方法响应速度快、算法简单、便于工程实施，且对外界扰动不敏感，具有良好的抗干扰性和鲁棒性，但该方法在转速数万转/分钟、乃至数千转/分钟时，仍有明显的抖振现象[1]。

综合上述各种方式的优点和不足，采用位置传感器进行转子位置探测的方式更加直观，位置检测传感器器有两类，一类是光电编码器，另一类是旋转变压器。由于采用了光电编码器，只能获得相对位置，所以在起动过程中，还需采用其他的方式来获得电动机的初始位置。也就是旋变式变压器。测量得到的是转子位移的绝对位置信息，可以在任意时间点精确地获得转子位移，是目前最常用的方法。此外，旋转变压器的抗腐蚀、抗冲击等性能优良，更适用于船舶推进系统的使用。

2旋转变压器模拟信号

2.1位置检测系统构成

图1位置检测系统框图

图1是一个由信号探测，信号调节，译码，数据通讯组成的转子位置检测系统。其中，以旋转变压器为传感元件，可对转子的位置进行实时反馈，并对转子的位置进行仿真；AD2S1210起到一个旋转变压器解码芯片的作用，它可以输出一个励磁信号，并根据该励磁信号进行解算，从而获得位置数据和故障数据；励磁信号调整器的作用是对激励信号的幅度和功率进行放大；反馈调整电路的功能包括：滤波、调幅、调相；利用FPGA(现场可编程门阵列）设计了时序控制芯片，完成了AD2S1210的组态、数据读出、与外部接口的通讯。

2.2激励信号

为了从旋转变压器中提取出转子位姿信号，需要在其输入线圈上施加一个具有一定幅度、一定频率的正弦激励信号。AD2S1210虽然可以输出励磁信号，但是它的输出功率太低，不能满足旋转变压器的要求，所以需要对它进行放大处理。因为诸如AD8662之类的传统运算放大器的输出功率很小，所以无法提供旋变需要的功率。因此，在实际工作中，通常使用的是“运算放大器+推挽器”的调理电路。运算放大器用来调节激励电压的幅度，使反馈信号的幅度保持在一个合理的幅度；采用推挽回路对激励信号进行了功率放大，从而达到了对旋转变压器供电功率的要求[2]。

但推挽电路本身具有过零畸变问题，且器件本身具有非理想的特性，导致了即使采用同一批高精度的电阻、二极管、三极管，也会导致各通道之间的电压振幅不匹配，并最终转化为旋转变压器的定位误差。此外，元件越多，电路调节的复杂性也就越大。

2.3反馈信号调理

旋转变压器的反馈信号由两个正交的正弦与余弦信号组成，信号调理的目标是去除信号的高频噪声，从而提高信号的检测准确度，并调节信号的振幅，使之符合RDC的输入信号的要求，从而实现故障的检测。图2是当前常用的一种回馈讯号调整器。将可视化的输入信号通过上拉电阻器提高到2.5V的基准电压，从而达到对线圈信号的缺失或退化的检测。从R3到R6其功能是调节输入RDC信号的幅度，使之符合AD2S1210的输入信号的要求。其中，R5、C1、R6、C2分别组成了一种对高频噪声进行滤波的低通滤波器。在信号发生时，要使RDC输入和激励信号之间的相位偏差不超过允许值，否则会影响到信号变换的准确度。VD1、VD2分别起到过电压保护的作用。

图2反馈信号调理电路

3实验及分析

基于xxMW动力推进试验平台，对上述试验结果进行了试验验证，并给出了试验波形。uad是对调制电路的励磁信号的输出，uex是对AD2S1210的励磁信号的输出，u

rdout是对调制信号的输出，ufbin是对反馈信号的输入。由数字变换器AD2S1210输出一个具有10KHz的频率的励磁信号，该励磁信号具有较高的频率。本项目拟利用该放大器调节励磁信号，提高励磁信号的幅度与功率，并对励磁信号进行有效滤波，并利用反馈信号调节，对励磁信号的延迟进行补偿。在对反馈信号幅度进行校正的情况下，对输出信号进行相位调整，使输出信号的相位差保持在标称范围之内，从而保证了变换的准确度。在PMSM以恒定速度运行时所检测出的转子位置信号，该信号没有毛刺干扰，并且具有较高的检测准确度。电动机的a相绕组电压的零点超前位置检测，超前角是转子的初始位置角，在对永磁电机进行控制的过程中，通过从检测到的位置信号中减去转子位置的初始角，就可以获得转子位置的绝对值。

结论

针对永磁电机转子位置检测的实际需要，本项目拟在传统的转子位置检测技术基础上，对现有的转子位置检测技术进行改进，以提高定位精度，降低测量设备对元件精度的要求，并在此基础上，提出一种简便的转子位置初值校正方法。试验证明，该方法具有有效性、可行性。

参考文献

[1]王俊博,李佳嫱,刘梓超,等.永磁电机转子位置检测方法[J].电工技术,2023(3):58-60.

[2]湖南擎舟芯源电子科技有限公司.一种永磁同步电机的转子初始位置检测方法及系统:CN202211302721.9[P].2023-01-13.