基于灵动MM32 SPIN系列MCU高频注入法侦测永磁同步电机的转子初始位置研究与应用

由于温室效应及全球暖化越趋严重, 如何节能的议题受到世界各国的重视。耗能高的电机应用上, 采用高效率节能永磁同步电机的趋势也越来越受消费者的欢迎, 消费者重视的节能、低震动、低噪音的要求, 也使得永磁同步电机驱动方式逐渐的朝向了的弦波驱动。

在无传感器弦波驱动方式下, 通常会使用反电动势估测转子的角度, 但是在电机静止的状态下, 反电动势为零, 导致无法由反电动势的角度估测得到静止时的转子位置。本文提出以灵动微电子所生产的MM32 SPIN系列 32位微处理器做为演算的核心, 以实现高频注入法的转子角度估测技术, 在无传感器永磁同步电机静止时, 估测转子位置, 以避免电机启动时产生反转的问题。

本篇内容分为四大部分, 高频注入法的基本原理、转子极性判断、软件设计、以及实际运转验证。

一、高频注入法的基本原理

图1为高频注入法转子初始位置侦测(Initial Position Detection IPD)的系统框图, 各个方块输出/输入的斜体文字为实际程序中的变量名称。

其原理为注入高频的弦波电压讯号至永磁同步电机的d轴旋转坐标轴, 并令q轴电压为零。经逆变换Park转换后, 将电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统转换回静态的2轴    坐标系统, 再经过空间矢量调制(SVPWM)运算, 产生三相PWM占空比数据到外部的电力驱动组件, 其可输出U, V, W三相电压给予电机。 之后量测电机的U, V, W三相电流, 经过Clark转换将三相电流的三轴(a, b, c)坐标系统转换为2轴（）坐标系统, Park转换将静态的2轴（）坐标系统转换为电机同步旋转的2轴(d, q)坐标系统后, 得到d, q轴的高频电流Idh, Iqh, 并利用此高频电流输入到高频注入法的转子初始位置角度估测功能方块(HFI IPD), 进行转子的角度估测。

　　图1. 高频注入法转子初始位置侦测(Initial Position Detection IPD)的系统框图

　　为避免产生不必要的转矩涟波, 故将此高频电压讯号注入于d轴坐标轴, 因此d, q轴输出电压的公式如下:

　　其中

　　Vinj 为高频输出讯号的电压振幅

　　图2为高频注入法的转子初始位置角度估测功能方块(HFI IPD)的细部框图。其利用高频电压住入讯号注入静止状态下的电机, 并对所产生的高频电流Idh, Iqh 进行除法运算, 再将其乘上具凸极效应电机的已知电感参数, 如此可以计算得知此次的估测角度误差。之后加上次估测的角度, 可以计算得知, 如式(3)。在足够的时间下, 估测角度将逐次逼近真实的转子角度。

　　图2. 高频注入法转子初始位置角度估测框图

　　其中

　　lqh 为q轴高频下的自感

　　ldh为d轴高频下的自感

　　二、转子极性的判断

　　由于转子结构具对称性，在进行电机转子初始位置侦测时，高频注入法的角度估测结果有可能会与真实角度相差180度。为解决此问题, 在完成高频注入法的角度估测之后, 后续需再进行电机的极性判断。

　　图3为转子极性判断的系统框图, 其利用电机磁路的饱和特性, 通过对电机注入两个绝对值大小相同但正负值相反的d轴脉冲电压矢量, Vd及反向-Vd电压。注入脉冲时间宽度皆为相同的t1, 转子角度使用高频注入法的角度估测最终结果　, 之后采集此两个脉冲电压矢量的d轴电流响应后, 可对电机极性做出正确的判断。

　　图3. 转子极性判断的系统框图

　　如图4, Vd及反向-Vd的注入脉冲时间宽度皆为相同的t1, 并在t1时间点, 观察Vd及反向-Vd两个矢量电压各自所产生的d轴电流Id1、Id2, 比较其绝对值大小, 若绝对值电流 | Id1 | > | Id2 |, 则不必修正高频注入法最终的转子估测角度, 反之则估测角度与实际的转子角度差了180度。

　　在t1时间点,

       其中

     为电机静止状态下, 高频注入法转子最终收敛的估测角度

　　为电机静止状态下, 电感饱和法极性判断后的转子估测角度

　　三、高频注入法的软件设计

　　图5为高频注入法转子初始位置侦测软件的流程图。 此软件置于16KHz的PWM中断服务程序中。流程一开始是读取经由ADC转换完成的三相电流值Iu、 Iv、 Iw。之后利用上一次PWM周期中, 由高频注入法计算所得的估测转子角度误差值, 累加至上次估测的转子角度, 如此可以取得本次PWM 中断所需的转子估测角度。

　　接着用此三相电流与转子角度, 经过Clarke, Park坐标轴转换, 得到高频的d, q轴电流 Idh, Iqh, 并利用此高频的旋转坐标轴电流, 代入高频注入法角度计算公式后, 可以取得转子角度估测误差值, 做为下次进入PWM中断服务程序使用。

　　接下来由式(1), 计算本次d轴所需注入的高频电压值, 并代入SVPWM计算后, 得到三相PWM占空比的值, 并将其输出至外部的电力驱动组件, 完成本次PWM的周期中断服务程序。

　　图5. 高频注入法角度估测软件设计流程图

　　图6为完整的电机无传感磁场导向弦波驱动软件框图。在电机静止状态下, 首先由高频注入法取得估测得转子初始位置, 接下来由电感饱和法原理的转子极性判别, 计算此估测角度与实际的转子角度, 是否需给予180度的补偿角度。之后就可以利用此转子初始位置的角度启动电机运转, 以达成电机启动无反转的目标。

　　图6. 具高频注入法转子初始位置估测的无传感磁场导向弦波驱动软件框图

　　四、实际运转验证

　　本次运转验证选用了灵动微电子的MM32 SPIN05PF 32位微处理器, 藉以实现服务器散热风扇的高频注入法初始位置侦测。

　　表1. 服务器散热风扇电机参数

　　图7, 8 为高频注入电压频率1KHz的U相电流及电机静止状态下的转子估测角度波形, 一开始U相电流为1KHz的弦波, 利用此高频电流的量测, 解耦为d, q轴电流, 并经过式(3)计算后, 估测出转子静止时的位置。

　　之后进入转子极性判别, 使用式(5)(6)计算后可以得到正确的转子位置。图7极性判别为最终的高频住入法估测角度不需反转180度, 图8为需要反转180度。

　　图9 为U相电流的启动至进入闭环的完整电流波形, 其经历了高频注入法、转子极性判别、零转速启动、进入闭环运转等过程, 达成了电机叶片启动无反转的目标。

　　图7. 高频注入法极性无需反转的转子初始位置侦测波形图

图8. 高频注入法极性需反转的转子初始位置侦测波形图

图9. 电机静止启动进入闭环控制的相电流波形

　　本文提出以MM32 SPIN 系列微处理器为控制计算的核心, 使用高频注入法转子角度估测及电感饱和法的极性判别方法, 实现了准确的转子初始位置侦测。高频注入法利用电机的凸极特性估测转子角度, 鲁棒性高, 且不需要有电机反电动势的反馈, 非常适合电机不反转启动的应用需求。