绕线转子永磁电机（精选六篇）
绕线转子永磁电机 篇1
电机生产设备是我国装备制造重点研发的方向。在电机生产中,转子绕线是关键的环节,需要有效的控制绕线机飞叉旋转和平台进给实现电机绕组的绕制。因此,绕线控制系统设计的好坏将直接影响绕线机的动作精度,并最终决定生产的电机性能。
电机绕线发展历史经历了从手工到机器自动绕线过程。早期手工方式绕线精度不高,效率低且无法适应大规模生产场合。目前,自动控制绕线已经成为研究的热点。文献[1]中提出采用PLC作为主控制器的绕线系统,但PLC主要用于电气设备的开关控制,将其用于多轴联动控制效果不佳,且浪费PLC的端口资源。文献[2]中设计的控制系统使用DSP作为核心,虽然DSP具有很强的数字信号处理能力,但其控制功能和通信功能比较弱,且其不容易实现人机交互功能。数控系统在多轴联动控制上具有精度高,实时性强,便于实现等优点[3]。因此,本文基于NUM公司生产的power1040数控设备,在已有成熟的绕线机结构上设计了一种高精度电机转子绕线控制系统。
1 绕线机机械结构及绕线工艺流程
1.1 绕线机机械结构
绕线机机械结构示意图如图1所示。主要包括:转子固定装置、张力装置、水平进给平台、圆盘、飞叉、控制进给平台和圆盘旋转的伺服电机以及极轴电机等。待绕线的转子通过转子固定装置固定在水平进给平台上;张力装置通过气动方式将待绕制的漆包线绷紧;进给平台伺服电机和圆盘旋转伺服电机分别通过传动装置控制进给平台和飞叉做水平运动和旋转运动;极轴电机控制转子绕转子中心轴每次90°转动,用于实现电机转子各极的依次绕线。
1.2 绕线机工艺流程
绕线机绕线工艺流程主要包含以下四个步骤:1)初始化:圆盘回原位,进给平台到达原点位置;气缸气压加压到设定的工作气压;通过转子固定装置将转子固定并将漆包线压紧在转子上,后通过张力控制器张紧漆包线。2)转子单极绕线。控制器按设定的绕线程序控制伺服电机带动圆盘上的飞叉和进给平台分别做圆周运动和水平进给运动。通过飞叉的旋转和平台的进给配合实现转子单极绕线。3)转子转向。当转子单极绕线完成,极轴电机控制转子转动90°进入下一极绕线。4)绕线完成。人工剪断漆包线取下绕制好的电机。
2 绕线机控制系统设计
绕线机控制系统结构框图如图2所示。系统采用NUM生产的数控设备作为主控制器(NUM POWER1040)。主控制器通过通信电缆输出控制信号给伺服驱动器实现绕线机飞叉旋转和平台进给的运动控制。两个交流伺服电机型号分别为BMH1423N1RA1C和BMH10952N1RF1C,配套的驱动器型号分别为MNDA2025Q23和MNDA2010Q23。为了实现精准的运动控制,针对两台伺服电机设计速度和位置闭环反馈控制。其中,主控制器、伺服电机驱动器和伺服电机组成的闭环控制系统如图3所示。伺服电机自带编码器输出作为速度反馈控制信号,另外,设置在圆盘同轴位置的10位编码器输出作为位置反馈信号。此外,主控制器还支持人机交互功能。使用者可通过控制箱显示器及操作面板完成对绕线机信息显示、设置及参数修改等操作。操作箱除设计了人机交互界面外还配备了辅助电气控制按钮以供用户实时控制机床设备(如手动/自动、急停/暂停、气缸动作、单步执行输入指令等功能)。
论文设计了与绕线机控制系统相对应的电气控制原理图,如图4所示。380V回路中的谐波滤波器有效抑制电网噪声和浪涌电流冲击对系统的影响;设计380VAC/24VDC变压器为控制系统提供需要的24V直流工作电源;主控制器通过驱动器连接伺服电机,同时它的电气输出模块通过继电器控制气缸动作、极轴电机通电等;它的输入模块通过接线端子获取传感器信号以及操作箱的按钮动作信号,并以总线数据通信的方式通过具有专用接口的液晶显示器进行人机交互。控制系统和具体执行机构上电过程如下:为了保证安全启动,系统设置了两个中间继电器(K6、K7)实现辅助伺服电机和极轴电机启动。当气缸压力、关门信号同时满足工作条件时,控制器控制K6闭合为。K6闭合并按下启动按钮后K7闭合并自保持,当控制器检测到前门关闭信号后,SG1开关闭合,完成绕线机主要设备通电。主回路中除了极轴电机M3由控制器直接控制外,交流伺服电机M1(飞叉轴电机),M2(平台轴电机)通过对应的驱动器控制,当KM1~KM3接触器闭合后,绕线机电机上电。
3 数控系统软件程序设计
论文对绕线机运动模型进行了简单建模。将飞叉设置为Y轴,进给平台设置为X轴,建立一个坐标系[4]。当两轴同时进行联动时应满足式(1)。
其中,x和y分别为平台进给距离和飞叉旋转弧长距离;r为飞叉到转子中心的距离为500mm,vx和vy分别为平台进给速度和圆盘的转速。与式(1)相对应,控制系统的平台轴所走的实际路程和控制器发出的脉冲数需满足式(2),飞叉轴所走的实际路程和控制器发出的脉冲数应满足式(3):
其中丝杆螺距为6mm,半径为500mm,编码寄存器值为210,减速比为9。通过式(2)、式(3)可分别求出电机需要的脉冲数。
最终设计的控制系统程序流程图如图5所示。首先用户将设备通电后,设备自动初始化数据、各气缸回原位,人工通过操作箱按钮控制各轴回原位。其次用户选择设备处于手动或者自动工作模式。
若用户选择自动工作模式,则自动绕线步骤有:1)系统自动选择用户编写并预存于设备的程序,且不同转子型号对应不同的程序。2)主控制器自动逐条读取控制程序,通过式(2)和式(3)计算所需要的脉冲并送给伺服电机驱动器。3)主控制器在每极绕线完成时通过继电器模块控制极轴电机带动转子按转子中心轴旋转90°。4)转子旋转90°后主控制器继续读取程序并进行下一极绕线。5)待转子四极绕组全部绕制完成,系统自动退出工作模式,至此绕线结束。
(a)圆盘和飞叉;(b)交流伺服电机;(c)设备整体效果;(d)转子;(e)进给平台
若选择手动工作状态,则用户首先应通过人机界面手动选择程序,其次通过控制箱上的按钮逐步执行所选择的程序。其中执行控制两轴运动的程序时,系统会根据式(2)和式(3)自动计算所需的脉冲数并输出。待转子绕组全部绕制完成后,系统退出工作模式。
4 系统测试
绕线机组装后的样机如图6所示,为了验证其数控系统设计的有效性,我们进行了实际电机转子的绕线测试。采用2.5mm漆包线在转子上绕制11圈,测试重复8次。实际绕线测试结果和绕线效果分别如表1和图7所示,进给平台和旋转平台运动最大误差分别小于等于2μm和28μm。考虑到漆包线线径为2.5mm,设计的控制系统单圈绕线误差小于0.1%。从实际绕线效果图(图7)中可以看到,绕制完成后的转子上漆包线线距分布均匀,排列紧密,达到了电机转子绕线的要求。测试结果表明,数控系统能够有效地通过两台交流伺服电机控制旋转轴和水平进给轴联动,实现高质量的电机转子自动绕线。
5 结论
本文提出一种以NUM数控设备为核心,以两台交流伺服电机为传动机构的绕线机自动控制系统。该系统通过两台伺服电机控制两轴联动完成绕组的绕制,同时还设计了人机交互功能,方便用户实时了解设备运行状态。实际绕线测试结果证明所设计的控制系统能较好的实现直径2.5mm的漆包线的转子绕制,单圈绕线误差小于0.1%。设计的绕线系统在实际工业生产中具有较好的应用价值。
摘要：针对电机转子高精度的绕线要求,在成熟的绕线机机械结构上采用NUM公司POWER 1040控制器设计了电机转子的自动绕线系统。在分析了机床设备的机械结构、绕组的绕制工艺流程上,给出了自动绕线系统的整体硬件架构和电气控制方案,并编写了相应的软件程序,最后对所设计的自动绕线系统进行了实际测试。设计的绕线系统对直径为2.5mm的漆包线作半径为500mm的圆周运动绕线时单圈运动误差小于0.1%。实际测试结果表明设计的控制系统能高精度的完成电机转子绕制,具有较好的应用前景。
关键词：绕线机,电机转子,数控系统,交流伺服控制
参考文献
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绕线转子永磁电机 篇2
为了减小励磁变换器的体积,消除输出励磁电流的脉冲尖峰并进一步提高变换器效率,本文提出了一种适用于电励磁同步电机的新型零电流Buck励磁变换器。在传统Buck变换器结构基础上采用感值很小的耦合电感来实现电动机励磁电路的无尖峰恒定电流输出,同时实现了功率开关器件的零电流开通和关断。此外,由于未使用体积较大的滤波器和谐振元件,变换器的体积可以做到很小。最后,利用PSIM仿真验证了所提变换器结构的正确性。
1 Buck拓扑结构和控制策略
本文提出的Buck变换器拓扑结构如图1a所示。该拓扑主要由两部分组成,包括新型零电流开关Buck变换器和虚线框内代表电机转子等值电路的部分。等值电路包括寄生电容Ceq,等效转子电阻Req,等效线路电感Lline和1个电感值较大的等效转子电感Lrotor。为了实现零电流开关,Buck电路采用互感值为M的耦合电感L1和L2。L1与直流源Vi和功率开关管S串联,而L2与续流二极管D串联。此外,在所提Buck变换器拓扑中引入了1个由耦合电感L1,L2及输出电容Cr组成的准谐振电路来实现零电流开关。逆变器的体积由于选取的电感值L1,L2,M和电容值Cr较小而得到了较大的减小。
图1b示出了该Buck变换器的控制框图。实际输出电流与参考电流相比得到的误差信号VEA经过电压控制振荡器(VCO)调节后生成SSET信号来使能PWM触发器。为了避免开关管S直通采用了相位延迟和占空比调节模块。VCO的输出信号首先在相位上延迟0.9×2π,接着被转变成占空比为0.1的窄脉冲信号SPRO,并且它的相位与频率f的下个上升沿右对齐。这种情况下,如果开通占空比大于0.9时,SPRO信号将会强迫开关管S关断,由此避免开关管S损坏。SZCD和SPRO经由或门得到触发器的重置信号SREST。
2 工作原理分析
为了简化电路分析,作出以下假设:虚线框内转子等值电路的电感Lrotor足够大,输出电流Io视为恒定值;耦合电感L1和L2内阻忽略不计;电感L1和L2完全相同,即L1=L2;功率开关管S和二极管D为理想元件。
所提出的ZCS Buck电路工作模式分析如下,各模态的等效电路图如图2所示,主要波形如图3所示。
2.1 MODE_1(t0~t1)
模态1的等效电路如图2a所示,在t0时刻,开关管S关断,二极管D处于反向截止状态,电容C上电压为Vi,并开始向负载以恒定电流放电,故电压uc线性下降,直至t1时刻该电压降至零,此时,二极管D两端压降为零,二极管开始导通,模态1结束,电路进入下一个工作模态。
该模态下电路等值方程为
由初始边界条件
可得该模态下各个变量表达式为
2.2 MODE_2(t1~t2)
模态2的等效电路如图2b所示,开关管S仍然处于关断状态,二极管D在t=t1时刻导通,电感L2和电容C开始谐振,电流从零上升,电容电压uc则从零开始下降。当电容电流ic由-I0上升至零时,电容电压uc达到负向最大值,此时有;之后,继续上升,电容电压uc由负向最大值向零变化,直至t=t2时,开关管S导通。此时,电感L2上电流的值记为。在开关管S关断过程中,电感L1上电流iL1一直为零,故电路实现了ZCS关断。
该模态下电路等值方程为
由初始边界条件
可得该模态下各个变量表达式为
2.3 MODE_3(t2~t3)
模态3的等效电路如图2c所示,t2时刻开关管S导通,二极管D处于导通状态,耦合电感L1,L2和电容C形成谐振。电流自零上升,电流由t2时刻的值开始下降,电压uc由初值uc_m1开始上升。至t=t3时,电感L2的电流iL2下降至零,电感L1,L2和电容C结束谐振,电路进入下一个工作模态。
该模态下电路等值方程为
由初始边界条件
可得该模态下各个变量表达式为
其中
2.4 MODE_4(t3~t4)
模态4的等效电路如图2d所示,此时,开关管S一直开通,二极管D处于反向截止状态,电感L1和电容C进行谐振,电感L1向电容C和负载电流源放电,其电流从初值下降,至时,电容电压uc达到正向最大值uc_max。此后,uc,同时下降直至下降至零时,开关管S关断,电路实现ZCS开通,并进入下一个工作周期。
该模态下电路等值方程为
由初始边界条件
可得该模态下各个变量表达式为
3 PSIM仿真及分析
为了验证所提零电流开关Buck变换器的正确性,在PSIM仿真环境下建立模型并仿真。该仿真模型如图4所示。由于PSIM中无法实现VCO,本文只实现了开环控制仿真。
如图4所示,时钟源VCO1用来产生频率为120 k Hz的PWM开通信号,而ZCD的输出则作为PWM关断信号。负载在空载(0%)到满载(100%)的范围内变化。所提逆变器结构的仿真参数如下:输入电压Vi=400 V,开关频率fS=120k Hz,额定占空比D=0.44,耦合电感L1/L2=20μH,互感M=2μH,谐振电容Cr=33 n F,转子等值电阻Ro=30Ω,转子等值电感Lrotor=2.1 H,转子等值电容Ceq=33 p F,输出线路等效电感Lline=2μH。
图5和图6分别示出了空载和额定负载条件下零电流开关Buck变换器主要参数的仿真波形。
图5图6中,纵坐标从上到下依次为功率开关管驱动信号VGATE,输入电流,电容电流iC,输出电流Io,开关管电压Vds,续流二极管电压Vd及电容电压V0。
图5a和图5b的主要区别就是开关频率不同。图5a所示为fs=20 k Hz下的输出波形。图5b所示为fs=120 k Hz下的输出波形。由图5可以看出,如果开关频率与输出电流值不匹配,开关管S的反向二极管内将会流过较大的反向电流。同时还可以看到通过VCO电路参数的优化使得在合理的负载变化范围内系统的效率得到了提高。
从图6可以看出在开关转换期间,流经开关管的电流和其两端的电压Vds的波形没有重叠。因此,所提变换器拓扑能够同时实现零电流开通和零电流关断,并能实现续流二极管的软开通。输出电流波形中的数值在7.49 A到7.51 A间的波动相对于其有效值可以忽略不计。这保证了在无法忽略电路寄生参数的影响下转子绕组的输出电流恒定。图5和图6中的波形与图2中描述的开关模式匹配良好,由此验证了所提拓扑的合理性。
4 结论
本文提出了一种适用于电励磁同步电机的新型零电流Buck励磁变换器。在利用绕线转子等效电感减小变换器体积的同时考虑转子绕组寄生参数的影响,通过在传统Buck电路中集成耦合电感和谐振电容保证了转子绕组输出电流的平滑无尖峰。同时还实现了功率开关器件的ZCS软开通和软关断,极大地降低了变换器的功率损耗和EMI。最后,通过PSIM仿真验证了所提拓扑结构的有效性。
参考文献
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永磁同步电机转子初始位置检测研究 篇3
近些年来，由于永磁材料的发展和新的控制算法的提出，高性能的永磁同步电机得到了广泛应用，目前永磁同步电机已经广泛应用于交流伺服系统中。在永磁同步电机传动控制系统中，电机转子初始定位与位置检测是构成完整系统的基本条件和正常运行的必要条件，也是按转子磁链定向矢量控制的必要条件。只有准确知道永磁同步电机的转子在任意时刻的确定位置，才可以通过坐标变换进行矢量控制，将永磁同步电机按照他励直流电机的控制方法进行控制，并可以达到他励直流电机传动系统的性能指标。
在未知转子初始位置情况下，直接启动永磁同步电机会出现所不期望的现象。对于转子初始位置的估算，许多研究者进行了大量的研究，提出了许多解决方案。有采用高频注入法来检测零速下的转子位置[1]；有利用电机的磁饱和特性来检测转子初始位置[2]。但是这些方法主要依赖硬件电路和电机参数。本文通过对常用通直流电把转子拉到指定位置的实现研究，提出了利用增量式光电编码器的A，B脉冲信号，利用DSP的高速运算能力，在电机启动前确定转子初始位置的方法。
2 永磁同步电机工作原理
如图1所示，1个二极永磁转子，当定子三相绕组通上空间和时间上相差120°的三相交流电后，就产生1个旋转磁场，图1中用另一对旋转磁极来表示，该旋转磁场将以同步转速Ns旋转。由于磁极同性相斥，异性相吸的原理，那么旋转的磁场带着转子一起旋转，并以同步转速Ns旋转。当转子加上负载转矩之后，转子磁极轴线将落后定子磁场轴线1个角度，随着负载增加，这个角度也随之增大；负载减少时，此角度也减小；只要不超过一定限度，转子始终跟着定子的旋转磁场以恒定的同步转速Ns旋转。
3 未知转子初始位置启动分析
在未知转子的初始位置情况下，直接启动永磁同步电动机有可能出现所不期望的现象。
首先假设启动电机时，给定的电流矢量方向的初始角度与A轴的夹角为零。根据转子位置和三相ABC坐标系中A轴的夹角的关系可以分为以下4种情况。
1）转子与A轴夹角为0°，如图2所示。在这种情况下，转子在磁场力作用下的力臂最大，此时的对应力矩最大，即电机在启动过程中d轴与A轴的夹角为零。这就是所期望的永磁同步电机的正常启动情况。
2）转子与A轴夹角为90°，如图3所示。在这种情况下，转子在磁场作用下的力臂为零，所受的力矩为零，在此情况下启动，转子将静止不转，即电机无法启动，这是启动过程中所不期望的现象。
3）转子与A轴夹角为锐角，如图4所示。在这种情况下，转子受到的力矩不是最大，在空载的情况下，电机也许可以转动，但是电机没有足够大的转矩。这种情况电机不能带重载启动，或者启动过程中会产生过流现象。
4）转子与A轴夹角为钝角，如图5所示。这种情况下启动，由图5可知，由于同性相斥，异性相吸的原理，通电后产生的磁场会先排斥转子，即出现反转的现象，随后转过一定角度后又吸引转子，这样启动过程中会出现抖动的现象。这也是启动中不期望的现象。
在未知转子初始位置的情况下，启动永磁同步电机，以上4种情况是随机的出现，然而大多数情况是人们所不期望的启动现象，所以为了更好地控制永磁同步电机，应该确定转子的初始位置后再启动。
4 转子位置的检测方法
根据矢量id=0控制算法，空间矢量脉宽调制SVPWM以及矢量控制中的坐标变换方法，在永磁同步电机控制系统的双闭环控制中运用传统的PI控制，这样可以得到的系统模型如图6所示。
4．1通直流法
在未知转子初始位置的情况下，可以给定子通直流电，产生恒定的磁场，这样就可以把转子拉到指定的位置，此时就可以确定转子的初始位置，并在这种情况下对永磁同步电机进行矢量控制。具体的操作方法是：首先令id为一个较小常数，iq值为零，电流矢量角度值为零，这种情况产生的电流矢量的方向沿三相静止坐标系中的A轴。这就相当于在A轴方向产生一对磁极，如图7所示。根据磁极同性相斥，异性相吸的原理，就可以让转子转到已知的A轴位置。
本实验中给定的参数为：id=0．2，iq=0（标幺值），θ=0°。
已知逆PARK变换公式：
由式（1）、式（2）解得：
iα=0．2 iβ=0
已知逆Clarke变换公式：
由式（3）、式（4）解得：
式中：iα，iβ分别是两相静止坐标下α轴和β轴的电流；id，iq分别是两相旋转坐标下d轴和q轴的电流；iA，iB，iC分别是三相静止坐标下A轴、B轴和C轴的电流。
由此可知三相ABC电流产生的电流矢量方向沿A轴方向，如图7所示。
结合永磁同步电机双闭环结构图，在转子初始定位过程中应该停止速度调节器工作，同时电流调节器输入给相应的定值产生一个恒定磁场。在这个磁场的作用下，转子会转动，使d轴与A轴重合，使转子转到已知的位置，在此情况下可以直接启动电机。通直流转子定位流程图见图8。
4．2基于增量式编码器A，B信号搜索法
该方法的基本思想是在确定转子位置的过程中，保证转子位置几乎不动，而改变三相电所产生的电流矢量的方向，通过读取增量式光电编码器产生的A，B信号来获得转子微动的方向信息，再利用DSP的高速运算能力，不断地获取转子极微小的移动方向，进而来确定电机转子与A轴的夹角近似值。
实验中是以3对极永磁同步电机为例进行实验的，那么360°的机械空间被划分为3个部分，转子的位置范围可能是在0°到120°之间。假设转子位置在图9所示中的某一位置，下面通过搜索法来寻找转子与A轴的夹角。
具体的操作方法是：上电后首先产生沿与A轴方向夹角为60°的电流矢量is0，通过分析增量式光电编码器A，B信号，进而确定电机微转动的方向，如果转子是顺时针微动，那么可以确定转子的范围在60°到120°之间；如果是逆时针微动，转子的位置在0°到60°之间。如果是第1种情况，那么就再产生1个与A轴夹角是90°方向的电流矢量is4，此时再判断转子的微动方向，如果是顺时针微动，转子位置在90°到120°之间，反之则在60°到90°之间。对于第2种情况，需要产生1个与A轴夹角为30°的电流矢量is1，如果转子顺时针微动，那么其就在30°到60°之间，反之就在0°到30°之间。下面的操作类推，总可以在1个很小的区间内使电机的转子处于微振状态。每次测试，区间减少二分之一。
在很多情况下，确定转子的初始位置是不允许电机转动的，所以转子一旦开始转动，控制系统通过检测到的增量式编码器的A，B脉冲信号反馈来判断转子的微动方向，然后系统按照上述方法不断修正转子与A轴的夹角，给电机特定方向的电流矢量。每次测试，其夹角均做相应修正，则经过多次试探后，系统对此夹角的修改将在极小范围内进行，电机转子处于微振动状态，转子的初始位置完成。
在确定转子的初始位置过程中，只要给电机施加的电流矢量is与电机转子的d轴不重合，那么电机肯定会旋转，这是无法避免的。但是，只要电机有微小的转动，光电编码器就会有A，B脉冲信号输出，通过DSP处理芯片读取转子微动的方向，再改变电机电流空间矢量的位置，在很短的时间内，如此反复进行测试，就可以不断地逼近电机转子的真实角度。在测试过程中，电机只能旋转几个脉冲对应的角度，而不会出现连续运行状态。同时又由于光电编码器每旋转一周所输出的脉冲达几千个，再经过倍频后就达到几万个，因此电机旋转输出几个脉冲它所产生的角位移是很小的，这在一般场合下是允许的。
转子初始位置的真实角度和估算角度的最大误差与测试次数的关系为
式中：Δθ为转子的实际角度和所估算角度差的最大误差；N为测试的次数。
具体的关系见表1。
由式（5）和表1可知，实际角度和估算角度的最大误差随着检测的次数增加而减少。当检测的次数为8次的时候，最大误差值就为0．468 75°，这在一定范围内是允许的。但是随着检测次数增多，程序的结构必然也随之复杂。
结合永磁同步电机双闭环结构图，在确定转子初始位置的过程中，首先应该停止速度调节器的工作，然后给适当的电流矢量幅值和不同的方向，该电流矢量维持适当的时间，以便能够读取转子微动的方向信息。搜索法程序流程图如图10所示。
这种方法中，电流矢量的幅值和作用时间是非常重要的参数，如果施加到电机上的电流矢量的幅值太大或者作用时间过长，则可能在检测过程中电机开始转动，因此实施转子初始位置检测之前，必须给定合适的电流矢量幅值和作用时间，使得转子初始位置检测能够正常运行。本文中给出的方法是：首先给定每一个电流矢量作用时间为t，然后把t分为n等分，当n从零开始逐渐增加，电流矢量的幅值从零逐渐增加，同时也不断地检测转子方向的输出信息，一旦方向值有变化，说明此时的电流矢量的幅值让转子转动了，然后记下转子转动的方向，再把电流矢量的幅值置为零，换下一个电流矢量，以下操作方法类似。即一旦检测到转子有微动，就立即使作用的电流矢量为零。这样可以保证转子不会出现大的转动，只是在原有的位置上微动。
5 实验分析
本实验是基于TI公司的TMS320F2812控制器实现的，永磁同步电机参数是3对极，1．1kW，编码器码盘数为2 500。
5．1通直流转子定位实验
如图11所示，上面一条曲线是A相电流的波形，在前5s内，给定一个恒定直流电，转子会转到与A轴重合。图11中下面的曲线是电机角度输出曲线，会产生一个尖峰，说明转子在此电流作用下转动到指定位置，然后在此角度下开始启动电机。
5．2搜索法转子定位实验
如图12所示，上面一条曲线是A相电流波形，每100ms改变一次电流矢量的方向，在图12中可以看出阶梯形的跳动，于此同时转子也随之而跳动，为了能看到转子随电流矢量方向的改变而改变，此时所通电流幅值不能固定，所以这种方法并不能满足在检测转子初始位置过程中保证转子不动。在此基础上需要逐渐增加电流矢量的幅值，如图13所示，上面的曲线是A相电流波形，可以看出在检测转子初始位置过程中，在给定方向下，电流矢量幅值逐渐增加。下面的波形是转子角度波形，定位过程中的角度是给定的，一旦确定角度后就从给定的角度开始启动。在检测到转子开始微动的时候，就立即把电流的幅值置为零，给定下一个电流矢量。
通直流的方法虽然简单，但是会使电机发热，其次对于有负载的启动行不通，同时在某些场合下电机启动前是不允许转动的。搜索法寻找转子初始位置的方法保证了搜索过程中转子没有转动，但是程序实现较为复杂，对所给定的电流矢量的幅值和作用时间有较高的要求。
6 结论
本文所提出的基于光电编码器A，B脉冲信号的搜索法，利用了DSP芯片的高速运算能力，快速的找到转子位置，可以很好地启动永磁同步电动机。
参考文献
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绕线转子永磁电机 篇4
永磁同步电机初始位置的确定是伺服电机控制的基础, 也是有效控制永磁同步电机的起点。初始位置检测不准确会导致电机反转、电机无法启动等故障, 在实际工程应用中永磁同步电机启动时是不允许出现反转的, 故永磁同步电机初始位置的确定是伺服电机控制方法较为重要的部分。
初始位置的检测一直是伺服电机控制的热点问题之一, 通过电机的磁饱和特性[1,2,3,4]来检测电机初始位置是常用的一种方法。该方法给电机施加相同幅值、不同相位的电压矢量, 考虑绕组电感饱和效应, 当电压矢量相位和转子位置一致时, 直轴电流响应最大。通过观测直轴电流响应的最大值, 即可估计电机初始位置。磁饱和特性检测转子初始位置的方法原理简单, 检测过程转子保持静止, 满足广泛的工程应用, 但是该方法依赖于精准的硬件电流检测电路, 且在电机保持静止时电流响应变化不大, 所以实现过程比较困难。常用的方法还有高频注入法[5,6,7,8], 高频注入法是在基波激励上叠加一个三相平衡的高频电压或电流信号或者是一个脉振的高频电压信号, 然后检测电机中对应的电流或电压响应并通过特定的信号处理来获取转子位置信息的自检测方法。高频注入法检测过程转子也是静止, 且检测结果准确, 但是该方法要进行大量数学建模和计算, 算法复杂, 难于实现。通过对电机启动时微小的转动方向来确定电机起始位置的文章[9,10,11]也屡有发表, 但笔者尝试后发现实际检测效果并不理想。
本研究通过给电机施加24个特殊空间矢量, 使电机转子产生微小抖动, 通过判断抖动的方向来估算电机的转子位置。该方法原理简单, 不依赖精准的硬件电路, 也不需要复杂的建模和计算, 易于实现, 检测结果准确。虽然在检测过程中电机转子有微小抖动, 但只要控制这种抖动在工程允许范围内就可以用于工程应用。
1 电机起始位置检测原理
检测电机转子的初始位置, 其实就是找出电机上电以后转子的一个磁极N所对应的编码盘编码。设电机转子的极对数为n, 转子转一圈编码盘的输出编码为M, 电机编码盘一圈M个编码被极对数划分成了n个区域。记转子中的两个磁极N为N1、N2, 当N1转过一定角度与原先的磁极N2重合时, 此时磁极N1的编码转过了M/n的整数倍。转子初始位置相差M/n的整数倍对于电机启动而言没有影响。所以确定转子磁极N的初始编码只需在M/n的范围内来寻找。
1.1 特殊空间矢量
本研究中逆变器采用空间矢量脉宽调制 (SVP-WM) , 其输出为对称的三相脉宽调制电压, 波形如图1所示。在图1中, 横轴表示电角度, 纵轴表示逆变器输出的三相电压经过电机线圈耦合之后的电压波形。其电角度转过360°时, 电机转子的一个磁极N1正好转到下一个磁极N2, 并与之重合。
当电机出厂以后其增量式编码盘位置就固定了, 所以每个空间矢量所对应的编码就确定。本研究中提到的“特殊空间矢量”就是已知编码盘编码的矢量。本研究从空间矢量中每隔15°电角度取一个, 共24个矢量, 通过自检的方式获得这24个矢量的编码值。其自检过程为:在电机空载时给电机施加这24个特殊空间矢量, 此时电机会不平稳地旋转。当电机转子转过零点以后, 增量式编码盘数据得到修正, 电机转子位置确定。此时每个特殊空间矢量对应一个编码, 从而得到24个已知编码的特殊空间矢量, 将这些编码存入系统Flash, 用于以后每次系统上电之后的转子初始位置检测。
1.2 检测步骤
本研究利用24个特殊空间矢量, 就可以推算以后电机每次上电时的转子初始位置。其基本思想为:当对电机施加相邻几个特殊空间矢量的时候, 如果电机转子总是在这个位置附近重复正、反转动, 则认为电机的磁极一个N的位置就在这几个矢量所对应的编码附近。
具体步骤如下:
(1) 规定逆时针为正方向, 电机启动转子规定要正转 (或反转) 。施加特殊空间矢量F0, 逐步加大电流, 一旦检测编码盘有变化则停止输出。只要控制电流步进加大的速度, 这样就可以保证转子每次转动幅度不会超过一个编码盘编码, 如图2所示。
(2) 判断电机转子是否正转, 若电机反转, 改为施加下一矢量, 重复上述过程判断转动方向, 直到电机正转为止。
(3) 当电机正转以后, 判断此次施加的矢量和前两次施加的矢量是否都不相同:
(1) 若都不相同, 说明转子位子并不在这几个矢量对应的编码附近。将“同一位置抖动次数”清零;同时改为施加上一矢量, 重复步骤 (2) , 看电机转子是否在相同的位置上正、反转动。
(2) 若此次矢量与前两次矢量中任意一个相同, 说明转子位置有可能就在这几个矢量对应的编码附近。但为了消除偶然性的影响, 还需继续判断检测的正确性。将“同一位置抖动次数”加1;同时改为施加上一矢量, 重复步骤 (2) 看电机转子是否在继续在相同的位置上正反转动。如图3所示。
(4) 如果“同一位置抖动次数”达到一定次数α, 说明转子已经连续α次在某几个矢量间抖动。且如果此次电机转动方向为正, 说明初始位置已经检测准确, 电机的一个磁极N就在此处。即转子的一个磁极N所在位置为此时施加的矢量所对应的编码。
(5) 对电机施加连续的空间矢量脉宽调制电压, 启动电机, 等电机转子转过零点以后再对电机转子位置做修正, 消除误差。
在上述检测过程中α的取值不能太小, 太小则不能说明检测的准确性;同时也不能太大, 太大则检测时间过长。笔者通过多次试验, 得出α的取值在5～10之间效果较好。本研究中α的取值为10。电机起始位置检测过程流程图如图4所示。
2 电机起始位置检测实验
本研究的实验平台采用台达伺服电机ECMA-G31309PS, 扭矩为8.59 N·m, 功率为0.9 k W, 极对数为5。电机编码盘采用2 500线增量式编码盘, 经过4倍频后电机转一圈输出10 000个编码。控制芯片使用TI的数字信号处理芯片TMS320F2808。
2.1 电机自检
自检测得24个特殊空间矢量的编码过程:从图2中每隔15°电角度选取一个矢量共24个矢量。例如0°时, 矢量F0为:{0.000 000 0, -0.866 025 4, 0.866 025 4}, 15°时矢量F1为{0.258 819 0, -0.965 925 8, 0.707 106 8}, 依此类推。本研究对空载的电机按顺序施加这24个矢量, 每次施加后要有时间空余, 使电机有短暂停顿, 形成间歇性的旋转。当电机转过零点以后记录每次间歇时编码盘的编码, 这个编码值就是此次施加的矢量对应的编码值。本研究将这些编码值存入系统Flash, 如表1所示。
2.2 启动过程初始位置检测
检测初始位置的一次数据如表2所示, 其中Shift表示转子转动移动的编码数, Shift为负表示转子反方向转动, 为正表示正方向转动, α表示“同一位置抖动次数”。
从表2中可以看出, 前5次检测转子转动都为反方向 (顺时针) , 第6次开始变为正方向, 此后一直在矢量F4、F5、F6之间来回转动, 最后等到α加到10且电机转子此次是正转时, 则表明转子位子已经检测准确。检测结束, 把F6对应的编码1836作为电机转子初始位置编码, 对电机编码盘做修正, 启动电机。等转子转过零点后, 对编码盘数据做进一步修正, 消除误差。实验表明此次启动过程平稳, 转子抖动幅度为6个编码, 满足工程应用要求。
对于检测过程中电机转子的抖动幅度, 本研究从F0开始给电机施加24个特殊空间矢量, 不管电机正转还是反转, 在最坏的情况下, 施加的矢量走完1圈 (24个) 后电机转子方向肯定改变。之后便在改变方向处来回抖动, 而且每次抖动幅度能控制在1个编码, 所以在最坏的情况下整个检测过程中转子相对于原始位置偏离幅度不会超过24个编码。
3 结束语
本研究通过给电机施加24个特殊空间矢量, 判断电机转子的微小转动方向, 以确定电机的初始位置。通过实验证明该方法能正确估算出电机转子初始位置, 电机启动过程平稳, 且实现过程简单, 不依赖精确的硬件电路也不需要复杂的建模和计算, 检测过程中转子微小抖动幅度不会超过24个编码, 满足工程应用要求, 可以用于工程应用。
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绕线转子永磁电机 篇5
高速永磁同步电机具有体积小、转矩密度高、低速大转矩输出、转子发热小等优势,尤其是较高的动态响应速度,很容易实现较高的稳速精度和快速正反转切换,具有广泛的应用前景,如高速机床、飞轮储能、电主轴、天然气管道中采用的离心压缩机和鼓风机以及分析设备中的真空泵等[1,2,3,4]。
转子是高速永磁电机的核心部件,转子的永磁体通常选用烧结钕铁硼或钐钴永磁材料,该类型材料能够承受很大的压应力而不能承受较大的拉应力,需要采取护套保护,永磁体和护套之间采用过盈配合,从而给永磁体施加预先压应力,补偿高速旋转时离心力产生的拉应力[5,6]。
护套与永磁体之间过盈量的确定是一个复杂问题。高速旋转下离心力会使永磁体和护套之间的过盈量减小;在高温情况下由于护套材料的线膨胀系数与永磁体材料有所不同,也使过盈量减小[7,8]。为了保证永磁体和护套之间有足够的接触压力,必须选择合适的过盈量,使电机高速运转时永磁体受一定的压应力,同时护套的所受应力在许用强度范围内。
文献[9]分析了转子与护套之间过盈量对转子强度的影响;文献[10]分析了金属材料护套与碳纤维护套的优缺点,并对采用碳纤维护套的电机转子进行了强度分析。文献[11]针对一台额定转速为60 000 r/min的高速电机转子进行了强度分析,利用有限元法进行了仿真计算,仿真结果与理论计算接近,但未考虑温度影响。
本研究主要针对高速永磁电机转子的结构设计和强度分析,重点对护套与永磁体之间的过盈量进行研究,介绍护套与永磁体的过盈量的理论计算方法,并结合一台最高转速为72 000 r/min的10 k W高速永磁同步电机,采用ANSYS workbench分析过盈量对护套和永磁体的应力水平的影响。
1 转子结构设计
根据高速永磁电机转子结构形式的国内外研究现状分析,高速电机永磁体多采用两极圆柱形实心结构。为了保护永磁体,本研究在永磁体外面增加非导磁合金钢护套。永磁体和护套之间通过过盈配合,实现扭矩和轴向力的传递。圆筒形护套采用不导磁、高强度的镍铬铁合金制成,既作为永磁体的保护套,又作为转轴与机械负载连接。采用实心圆柱形永磁体可以提高永磁体的抗去磁能力,减小电枢反应对永磁体磁密的影响。同时,可保证转子沿径向各向同性,有利于转子的动态平衡。
其结构如图1所示。
永磁体的直径大小、护套厚度以及过盈量对高速永磁同步电机的电磁、热以及机械性能均有着很大的影响。
1.1 转子外径初选
由于转速很高,在设计高速永磁电机的转子时,必须综合考虑电机转子的直径和长度。高速旋转的电机转子要承受较大的离心力,其数学表达式为:
式中:ρ—电机转子的单位体积质量,A—转子截面积,D2—转子外径,ω—转子角速度。
将式(1)改写为离心应力:
式中:v—转子表面线速度,v=ωD2/2。转子须满足强度条件:
式中:[σ]—材料许用应力,σs—材料的屈服极限,S—安全系数。
由式(1)可知,电机转子承受的离心力大小与转子转速的平方和转子外径的平方均成正比。转子转速越高,外径越大,则离心力越大。因此,为了降低高速永磁同步电机转子所承受的离心力,必须对转子直径进行严格地限制。从离心力的角度来看,转子直径应该越小越好。但是转子直径也不能太小,因为转子要有足够的空间放置永磁体,且细长型的转子刚度可能不够。因而直径与长度需要有一个合适的比例。
1.2 材料的选择
钐钴(Sm Co)永磁材料是20世纪60年代中期兴起的磁性能优异的永磁材料。依据成分不同,钐钴永磁材料分为Sm Co5和Sm2Co17。其特点是剩余磁感应强度,磁感应矫顽力及最大磁能积都很高;退磁曲线基本上是一条直线,回复线基本上与退磁曲线重合,抗去磁能力强。本研究中10 k W高速永磁同步电机转子的永磁体选用Sm2Co17,护套选用不导磁的高温合金GH4169和GH3625。
转子各组成部分的材料性能参数如表1所示。
2 永磁体与护套的过盈配合
2.1 位移分析
永磁体与护套之间的过盈量可以采用解析法进行分析,主要包括3个方面[12]:
(1)静态过盈量
护套与永磁体之间采用过盈配合。静态过盈量即装配过盈量,为永磁体外半径与护套内半径之差:
式中:δs—装配过盈量,rmo—永磁体外半径,rsi—护套内半径。
(2)高速旋转位移
转子高速旋转会产生离心力,在其作用下永磁体及护套会产生径向位移,其位移计算如下:
式(5)中:
式(6)中:
式中:ud,si—旋转时护套内表面径向位移;ud,mo—旋转时永磁体表面径向位移;ρs,ρm—护套、永磁体密度;Es,νs,Em,νm—护套、永磁体的弹性模量和泊松比;ω—旋转角速度;rso—护套外半径;rmi—永磁体内半径。
高速旋转后的过盈量为:
(3)温度位移
受温度影响,护套与永磁体会产生热位移,永磁体热位移较小一般不考虑。温度改变时护套内表面的温度位移:
式中:α—材料线膨胀系数;ΔT—温差;ut,si—温度改变时护套内表面径向位移。
护套与永磁体之间的动态过盈量等于静态过盈量减去高速旋转产生的径向位移及温度位移。动态过盈量的大小是保证永磁体在高速运转下不产生破坏的根本原因。永磁体与护套间的动态过盈量为:
由以上分析可知,转子工作时主要受离心力、温差应力和装配应力作用。离心力的增大和温度的升高,均会造成过盈量的减小。因此,转子的强度校核条件应为:在一定过盈量条件下,考虑温度及离心载荷的作用,护套的最大应力是否超过材料的强度极限以及永磁体是否与护套分离。
3 转子强度计算
3.1 有限元模型
最高转速72 000 r/min,输出功率10 k W的电机转子护套外径为32 mm,转子永磁体外径为27.5 mm。单元类型为solid186,离散为11 125个单元。
有限元模型如图2所示。
3.2 转子热-结构耦合分析
由第2节分析可知,需对转子进行热-结构耦合分析,以校核其强度。
3.2.1 转子热分析
通过电磁仿真可以计算出永磁体及护套的热生成量,进而分析出转子的温度分布。永磁体与护套的内部热生成量分别为:2.3 W和20.5 W。最高温度为94℃,热计算结果如图3所示。
3.2.2 转子热-结构耦合分析
本研究将温度载荷输入至结构计算中完成热-结构耦合计算。在ANSYS workbench中offset设置过盈量,该方法简便可靠,护套与永磁体接触为非线性接触,采用惩罚函数法,接触面设置为Frictional,摩擦系数为0.1,施加惯性载荷为72 000 r/min,过盈量设置为0.04 mm。永磁体表面受压应力29 MPa,护套与永磁体未分离,满足使用要求。
永磁体径向应力云图如图4所示。
护套最大应力为359.5 MPa,GH4169在650℃屈服极限为650 MPa,满足使用要求。
护套的等效应力云图如图5所示。
3.2.3 不同过盈量下转子强度计算
不同过盈量下计算结果如表2所示。
3.3 结果分析
由表2可知,随着过盈量的增加,永磁体表面压应力增大,同时护套的等效应力也增大。过盈量太小会导致永磁体与护套分离,过盈量太大会导致护套发生破坏,过盈量的选取需要考虑永磁体表面压应力,护套等效应力,过盈装配工艺等条件。该转子永磁体与护套的最佳过盈量为0.03 mm~0.05 mm,过盈量选取0.04 mm可以满足使用要求。
4 结束语
本研究通过对高速永磁电机的转子结构分析,考虑温度及过盈量影响,采用ANSYS workbench软件对转子进行热-结构耦合的三维应力场分析,计算选取了多组过盈量,最终确定护套和永磁体之间的最佳过盈量,得出了以下结论:
(1)针对高速永磁电机,由于永磁体抗拉强度小,无法承受高速下的离心力,转子一般采取内嵌式设计,采用护套保护永磁体,永磁体与护套采用过盈装配,以保证施加一定预压力保护永磁体。永磁体与护套之间的过盈量需要通过准确的应力分析计算确定。
(2)永磁体与护套之间的动态过盈量由3个因素影响:静态过盈量、高速旋转下的位移、热位移。转子实际的过盈量会随着电机工作温度和旋转速度的改变而发生改变。转子的强度校核条件为,在一定过盈条件下,永磁体表面承受一定压应力,即未与护套分离,同时护套最大等效应力未超过许用值。
(3)永磁体与护套在不同过盈量下其内部应力水平不同,存在最佳过盈量,工程上可以采用ANSYS workbench软件计算确定过盈量值,该方法计算简单可靠。
摘要：针对高速永磁同步电机转子结构设计及强度问题,对转子结构形式和永磁体材料的选择、轴径尺寸的确定、护套与永磁体之间的过盈配合、转子强度分析方法等方面进行了研究。开展了护套与永磁体之间过盈量的理论分析,使用解析法建立了转子动态过盈量的计算公式,提出了高速永磁同步电机转子的结构强度校核方法。在理论分析的基础上,利用ANSYS-workbench有限元软件对一台最高转速为7 2000 r/min的10 k W高速永磁同步电机的转子进行了热-结构耦合强度分析计算。研究结果表明,永磁体与护套之间的动态过盈量决定了转子的强度,该电机转子的过盈量最佳值为0.03 mm0.05 mm,该转子设计合理可靠,可以满足设计要求;该有限元仿真方法能够方便地实现内嵌式转子的结构强度分析,为转子的结构优化设计提供一定的依据。
关键词：高速永磁电机,转子,护套,结构强度,过盈量,热-结构耦合分析
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绕线转子永磁电机 篇6
永磁同步发电机的运动控制需要精确的转子位置和速度信号去实现磁场定向,而转子位置测量是整个电机驱动控制系统的前提,是系统构成与运行的基本条件。若转子初始位置检测失误,会严重影响转子位置的计算,以致无法正确完成电机控制的其他一系列算法,将造成电机运转的紊乱。
目前,国内外文献提出利用软件来完成永磁同步电机转子位置检测,但很少涉及转子初始位置检测。
2 转子位置各种检测方法及存在问题
用于永磁同步电机转子位置的检测方法主要有:旋转变压器法、光电编码盘法(增量式和绝对式)、电机内置位置传感器法、无位置传感器位置检测法等。这些方法中除了旋转变压器法和光电编码盘包含了电机转子的初始位置信息。可以用作电机的上电初始定位外,其他方法都不能对永磁同步电机进行初始定位。对于电机内置位置传感器法,这种方法对电机的设计要求较高,需要在埋置电机定子绕组的同时埋设检测绕组,较麻烦且不具有通用性。无位置传感器位置检测法是目前人们热衷研究的方向,但是在永磁同步电机处于静止或者电机刚刚上电时,在电机的定子绕组上没有任何能够反映电机初始转子位置信息的信号。旋转变压器输出信号虽包含转子初始位置信息,但解调方法太复杂。对于绝对式光电编码盘法,定位精度不高,且它所能测量的位置角仅局限于360°范围,不具有多转检测能力。综合上述各种方法,本文提出的增量式光电编码器具有结构简单、分辨率高、抗干扰能力强、可靠性高且适合于长距离传输等优点,能够提高转子位置检测的精度及易操作性。
3 增量式光电编码器检测转子位置原理
增量式光电编码器输出两组信息,分别是A、B正交脉冲两路、零脉冲Z一路;及U、V、W三路互差120°的脉冲。A、B端口每转可输出0～10000个脉冲,U、V、W端口每转输出P个周期的矩型脉冲,P为电机极对数,测量方法如下:
电机转速n(r/min)可表示为:
式中 T——电机旋转过程中的时间;
m——给定时间内的脉冲数目;
pe——光电编码盘每转输出的脉冲数。
电机静止时电机初始位置角为θ0(电角度),那么从静止到经过时间T后电机转子的位置(机械角)与电机转速n之间的关系:
用电角度表示为:
该θ角为矢量控制时进行坐标变换所需要的转子位置角,方程如下:
磁链、电压变换方程类似,在第i个采样时间结束后,采样值为:
将θi代入式(1)～式(4),就可以求出该时刻电机电参量在dq坐标系中的对应数值,则永磁同步电机在id=0的情况下的数学模型即为:
undefined
式中 p——微分算子;
e0——反电势;
ωr——电机旋转角速度;
RΩ——摩擦系数;
Te、T1、Tm——电磁、负载及永磁转矩。
此时永磁同步电机的数学模型和直流电机完全相同,直轴和交轴之间实现解耦,系统就可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制。
然而,永磁风力发电机在刚刚转动时,或者发电机在运行过程中不断地起动、停止时,此时电机的转子位置未知,上述坐标变换失去了意义。为了使永磁同步电机伺服驱动系统能够取得优异的控制性能,将永磁同步电机变换成等效直流电机来控制,必须在电机还没有旋转时就能确切知道电机转子的初始位置。
当电机未旋转时,电机端口没有任何可以反映转子位置状态的电信号,无法获得电机转子的位置信息,只有通过光电编码盘来获取位置信息。光电编码盘的两路正交信号可以用来判别电机的转向和转速。Z信号用于电机速度测量中的误差修正,避免误差的积累。U、V、W脉冲信号在电机旋转时,每转变化P×360°。U、V、W所组成的状态信号在一个周期内分别为:101、100、110、010、011、001。各对应电信号一个周期内的60°区间,对应机械角为60°/P。在发电机刚开始转动时,由U、V、W的状态就可以判定电机转子所处空间位置的相应区间,如图1所示。
电机开始转动以后,由U、V、W相跳变信号,即知转子到达的位置。然后,用A、B信号精确定位转子磁极角度位置。
4 永磁同步电机转子初始位置检测方法
本次设计采用高精度增量式光电编码器,实验时将其安装在电机转子轴上,旋转轴转动带动在径向有均匀窄缝的主光栅码盘旋转。在主光栅码盘的上面有与其平行的鉴向盘,在鉴向盘上有两条彼此错开90°相位的窄缝,并分别有光敏二极管接收主光栅码盘透过来的信号。但在安装过程中无法保证光电编码器的零刻度位置与电机转子的起始一致,所以需要额外测量两者之差。永磁电机空载时,电机输出端电压uα,uβ与转子位置的电角度θ0满足:
故能够通过测量空载时电机电压得到电机的转子位置电角速度为
实验测量光电编码器旋转到零刻度时,电机端电压值uα0,uβ0,通过式(8)计算便可以得到θ0,那么θ0即为光电编码器与电机转子磁轴之间的电角度差。设光电编码器测量得到的电机转子位置为θ′,最终电机的转子位置θ可以表示为θ=θ′+θ0。
5 实验结果及分析
为了验证这种方法的准确性,设计中将在实验平台上进行实际验证,由于风速具有随机波动性,导致风能的利用率时大时小,发电机可能长期处在起动和停止状态,对电机的性能要求更高,同时对光电编码器的分辨率和灵敏度要求提高,故本次设计增量式光电编码盘采用2000线,输出可达到8000个脉冲。
将光电编码器输出信号通过光耦隔离直接送入现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)中,FPGA中的电机转速、相位测量模块根据光电编码器的A、B、Z信号分别计算出电机的转速和相位,如图2所示。
采用数字信号微处理器(Digital Signal Processor,DSP)读取FPGA中测量到的电机转子位置数据,再加上保存在DSP中的θ0,即可计算出电机的转子位置角θ。将采集到的电机端电压和计算出的转子位置角θ进行Clark(克拉克)和Park(帕克)变换,根据计算出来ud,uq的大小既可以判断该方案的正确与否。当同步选择坐标系的d轴定位于永磁电机转子磁极轴线上时,得到的ud,uq应该满足:
为了验证理论的正确性,进行机侧实验测量,并计算ud,uq的理论值:
式中 Uab——永磁电机理论输出电压;
ω——电机角频率;
ψf——电机励磁磁动势。
由此得到ud=0,uq=112V。
图3和图4为最终的测试结果,图3从上到下变量依次为电机相位、光电编码器Z通道信号、电机电角度的正弦值、永磁电机AB相电压、BC相电压、电机电压q轴分量以及电机电压d轴分量。实际测量的电机输出电压为105.7V,频率为4.26Hz,根据光电编码器实际测量电机的相位和转速信息对永磁电机的输出电压进行Clark变换和Park变换得到:
与理论值相比较,从而验证了电机转速、相位测量的正确性。
6 结束语
转子初始位置的准确检测是永磁同步发电机可靠运行的必要保证,本文在分析了永磁同步电机的基础上,采用增量式光电编码器盘进行转子位置测量,从实验运行情况看,该方法能准确地估计出转子位置。同时,利用光电编码盘的Z信号能够消除电机转子旋转过程中由于干扰而出现脉冲丢失所引起的累积误差。因此,实验结果验证了本方法的有效性和正确性。
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