劉 軻
(廣東新高電驅(qū)動系統(tǒng)技術有限公司, 廣東 佛山 528518)
永磁同步電機具有功率密度大、高效率區(qū)間廣、運行可靠等優(yōu)點,近年來得到廣泛應用。永磁同步電機通常采用矢量控制策略,通過旋變(旋轉變壓器)定位轉子位置;為了保證電機性能的一致性,要求每一臺電機的旋變的初始位置一致,并且一臺電機只有一個旋變初始位置。而電機的齒槽轉矩過大,會引起旋變初始位置有偏差。
磁阻式旋變依據(jù)電磁感應原理,通過轉子凸極效應產(chǎn)生具有正弦特征的氣隙磁導變化,使輸出繞組的感應電壓隨機械轉角作相應正弦或余弦變化。定子里面有1組勵磁繞組和2組輸出繞組(如圖1);根據(jù)檢測轉子和定子的氣隙磁導變化,以sin和cos式波形的變化來輸出2組電壓,如圖2所示。
圖1 定子繞組示意圖
圖2 氣隙磁導變化的電壓波形圖
由于磁阻式旋轉變壓器具有結構牢固,抗振動沖擊,耐油污、粉塵,抗電磁干擾能力強等優(yōu)點,廣泛應用于新能源汽車、軌道交通、礦山機械等領域。本論文案例中所用的旋轉變壓器就是磁阻式旋轉變壓器,使用在新能源汽車驅(qū)動電機上。
永磁同步電機通常采用轉子磁場定向矢量控制策略,這種控制策略需要使用傳感器檢測轉子的絕對位置,對于精度要求較高的場合,一般采用旋變作為位置傳感器。
旋變初始位置標定的方法有三種:第一種,直接采用固定方向的定子電壓矢量進行定位,將轉子位置定位在與其方向一致的位置上,然后讀出轉子位置就是初始角。第二種,采用電流閉環(huán)的定位方式,定位時假定轉子電角度位置為-90,給定為id=0,iq為初始定位電流大小(取0.5-1倍額定電流),定位后讀出的轉子位置就是初始角;由于存在轉子摩擦和齒槽轉矩,為了減少誤差,將電機順時針和逆時針兩個方向定位到零位置時,讀取轉子位置值求平均值后,作為轉子的位置初始角[1];第三種,反電勢過零法:通過拖動電機被動轉動,測量電機繞組反電勢電壓以及旋變解碼數(shù)據(jù)高位信號的零位偏差直接測量方法,該方法只需要測量兩個時間量即可計算得到位置傳感器零位偏差[2]。
永磁電機中的永磁體與對面的齒槽結構存在相互作用的切向力,這種作用力試圖使電機的永磁磁極中心線與齒槽中心線保持對齊。這個作用力產(chǎn)生的轉矩就是齒槽轉矩。
在一些應用場合,永磁同步電機不能在線標定旋變初始位置,需要預先將每臺電機的旋變初始位置標定,保證每一臺電機的旋變初始位置一樣。
旋變的初始位置與電機轉子磁極和定子磁極的位置有關。磁阻式旋變,通常把旋變轉子固定在電機轉軸上,隨電機轉子轉動,通過鍵槽定位徑向位置;旋變定子通過螺絲固定在電機后端蓋上,旋變定子可以在一定角度內(nèi)轉動,用螺絲固定,如圖3所示。
圖3 旋變定子結構圖
電機轉子,在安裝磁鋼和轉軸時,要保證磁鋼的N-S極性相對于旋變轉子固定鍵槽一致。電機定子,定子鐵芯上有標記槽,每臺定子從標記槽開始嵌線,保證定子磁極位置一致。定子裝入機殼,機殼上設計定位特征或者通過工裝,保證每臺定子裝入機殼后,圓周位置基本一致。通過以上措施,每臺電機磁場的位置大體一致,然后安裝旋變的轉子和定子,轉動旋變定子,精確調(diào)整旋變的初始位置,可以保證初始位置的一致性差異在±0.3°(電角度)的范圍以內(nèi)。
本論文案例中,旋變的極對數(shù)與電機的極對數(shù)相同,為四對極。旋變初始位置的標定方法采用電流閉環(huán)的定位方式:電機定子通直流電,電流從A相流入,由 B、C相流出,電流大小為2/3倍額定電流 ;此時電動機轉子自動轉到垂直于A相繞組軸線的地方[3];用角度顯示儀測試初始位置的電角度,轉動旋變定子,使初始位置的電角度固定在某個值,本案例采用180°;用螺絲鎖緊旋變定子。
然后斷開電源,順時針轉動電機轉子,重新通電,測試初始位置的電角度;同樣的方法,逆時針轉動電機轉子,測試初始位置的電角度。當齒槽轉矩過大時,順時針和逆時針測試的初始位置的電角度有偏差,本案例中順時針的初始位置約為180°電角度,逆時針約為190°電角度。測試結果如下圖4。
使用角度顯示儀標定旋變初始位置的電角度,保證旋變初始位置的一致性;再用電機控制器測試旋變初始位置的參數(shù),軟件參數(shù)為0-4095的范圍,對應機械角度0~360°。
圖4 測試結果圖
分析旋變初始位置偏差的原因,電機定子通直流電,產(chǎn)生電磁轉矩;當齒槽轉矩過大甚至接近電磁轉矩時,就會削弱電磁轉矩的大小,干擾電機轉子磁極中心線對齊定子A相繞組的磁極中心線。通過軟件仿真,測試以上案例電機的齒槽轉矩約為±1.9 Nm,如圖5所示;測試初始位置的電磁轉矩約為4 Nm,如圖6所示。
圖5 測試電機的齒槽轉矩
圖6 測試初始位置的電磁轉矩
改進旋變初始位置偏差的措施,通過優(yōu)化極弧系數(shù)、定子斜槽、不均勻氣隙等方法降低齒槽轉矩;本案例通過優(yōu)化極弧系數(shù),將齒槽轉矩降低到±0.32 Nm,如圖7所示。然后,采用電流閉環(huán)的定位方式標定旋變初始位置,順時針和逆時針轉動轉子,測試初始位置的電角度,均為180°電角度;即正反轉的旋變初始位置沒有偏差。
總結:齒槽轉矩為±1.9 Nm時,在標定旋變初始位置過程,齒槽轉矩對電磁轉矩產(chǎn)生較大干擾,順時針和逆時針轉動轉子,測試初始位置的電角度有10個電角度的差異。
圖7 優(yōu)化極槽弧系數(shù)降低齒槽轉矩
由于齒槽轉矩過大,在標定旋變初始位置時,順時針和逆時針定位的初始位置不同,出現(xiàn)兩個初始位置(零位),取不同的旋變初始位置,電機的額定功率的效率有差異,如下表1所示。
表1 旋變不同初始位置對額定點效率的影響
齒槽轉矩過大,使順時針和逆時針定位的初始位置有兩個值,會影響電機的外特性曲線,造成外特性曲線的恒功率區(qū),低轉速區(qū)功率偏高,高轉速區(qū)功率偏低。圖8中,順時針和逆時針的初始位置分別為180.3、190.1,取平均值185.0,測試的外特性曲線。圖9中,順時針和逆時針的初始位置相同,均為180度,測試的外特性曲線,恒功率區(qū)功率曲線水平。旋變初始位置偏差過大,還會造成電機的轉矩脈動變大,甚至高轉速失控。
圖8 初始位置不同時的外特征曲線
圖9 初始位置相同時的外特征曲線
本文分析旋轉變壓器的原理,旋轉變壓器應用在電機上初始位置的標定方法。通過軟件仿真和樣機試驗,研究電機齒槽轉矩對于標定旋變初始位置的影響。研究證明,在采用電流閉環(huán)的方式標定旋變初始位置時,齒槽轉矩過大會造成電機順時針和逆時針標定的初始位置不一致,出現(xiàn)兩個初始位置,兩個初始位置相差大約10°的電角度;兩個初始位置會影響電機的效率和外特性曲線。因此,在設計電機時,要盡量降低齒槽轉矩,保證在采用電流閉環(huán)的方式標定旋變初始位置時只有一個值。