一種永磁同步電機(jī)初始定位的方法

康現(xiàn)偉，王勝勇，盧家斌，徐 暉，王國(guó)強(qiáng)

（中冶南方（武漢）自動(dòng)化有限公司，湖北省 武漢 430205）

1 引言

隨著永磁材料技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，永磁同步電機(jī)(PMSM)在工業(yè)控制領(lǐng)域逐漸取代了直流電機(jī)，取得了主導(dǎo)地位。永磁同步機(jī)控制重點(diǎn)在于電流的解偶，也就是轉(zhuǎn)子位置角需要十分精確。所以在電機(jī)初始定位時(shí)對(duì)電機(jī)初始角的辨識(shí)就成了關(guān)鍵。

2 當(dāng)前的永磁同步電機(jī)的初始定位方法及其問(wèn)題

目前檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置的方法有無(wú)傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器控制兩類(lèi)。無(wú)傳感器技術(shù)是近幾年研究的熱點(diǎn)，主要是利用電機(jī)繞組中相關(guān)的變量如定子電壓、定子電流等，來(lái)估算轉(zhuǎn)子的位置和速度，此法雖然省掉了機(jī)械傳感器，但是該法存在計(jì)算量大、不能滿(mǎn)寬范圍調(diào)速、對(duì)電機(jī)的結(jié)構(gòu)有要求等問(wèn)題，影響了它的應(yīng)用范圍［1］。

帶編碼器的方法根據(jù)編碼器類(lèi)型不同又可以分為許多種。目前常用的編碼器有旋轉(zhuǎn)變壓器和光電式增量編碼器。

旋轉(zhuǎn)變壓器含有電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息，可以得知準(zhǔn)確的位置信號(hào)，而且還可以調(diào)解出電機(jī)的速度信號(hào)。但是其解算轉(zhuǎn)子位置的方法比較復(fù)雜。在實(shí)際應(yīng)用中一般將其與旋變解碼器配合使用，旋變解碼器可以通過(guò)旋變產(chǎn)生的包絡(luò)線信號(hào)調(diào)解出位置信息和速度信息，再通過(guò)SPI傳輸給控制用的CPU。實(shí)際應(yīng)用中，旋變解碼器都比較昂貴，而且外圍電路也比較復(fù)雜，占用板子空間。如果旋變的信號(hào)不是很好，解碼芯片解出的速度信號(hào)波動(dòng)也會(huì)很大，嚴(yán)重影響控制品質(zhì)。

光電式增量編碼器的使用方法也有很多?？梢灾苯佑霉怆娋幋a器的ABZ信號(hào)進(jìn)行初始定位，具體方法是，剛上電時(shí)給電機(jī)通直流電把電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在一個(gè)固定的角度，然后以此角度為起點(diǎn)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)。Z信號(hào)作為校正信號(hào)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周校正一次。這樣做的缺點(diǎn)是會(huì)產(chǎn)生機(jī)械撞擊，而且由于電機(jī)齒槽效應(yīng)造成定位偏差。

還有種方法是，通過(guò)UVW信號(hào)大致估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置（有30°偏差），此時(shí)可以依據(jù)這個(gè)估算角度運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)遇到Z信號(hào)時(shí)即可對(duì)電機(jī)精確定位。其優(yōu)點(diǎn)是：不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械撞擊，而且定位也相對(duì)準(zhǔn)確。也可能會(huì)產(chǎn)生一個(gè)問(wèn)題：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周才遇到Z信號(hào)，也就是說(shuō)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周才可以精確定位。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，本文進(jìn)一步改進(jìn)方法。電機(jī)估測(cè)完角度并開(kāi)始運(yùn)行后，不斷的查詢(xún)UVW信號(hào)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)UVW信號(hào)的狀態(tài)發(fā)生跳變時(shí)，對(duì)電機(jī)進(jìn)行精確定位。也就是把UVW信號(hào)狀態(tài)跳變沿當(dāng)作Z信號(hào)來(lái)使用。因?yàn)閁VW信號(hào)的狀態(tài)每周會(huì)跳變6次，也就是說(shuō)60°會(huì)跳變一次，所以電機(jī)進(jìn)行角度辨識(shí)后，最多運(yùn)行1/6周就可以對(duì)電機(jī)精準(zhǔn)定位。

3 使用普通的增量式編碼器對(duì)轉(zhuǎn)子初始位置精確定位

3.1 普通增量式編碼器的工作原理［8］

普通的增量式編碼器包括UVW三路相差120°的位置信號(hào)、AB增量信號(hào)以及Z路零脈沖信號(hào)。

霍爾元件送出的U、V、W狀態(tài)信號(hào)共有六個(gè)電平狀態(tài)：101、100、110、010、011、001。將電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的每360°電角度分為6個(gè)相等的區(qū)間。每個(gè)區(qū)間為60°電角度，如圖1所示。A、B兩路脈沖相差90°，用于判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向和計(jì)算轉(zhuǎn)速，Z脈沖用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。

圖1 UVW電平組合和區(qū)間劃分

3.2 任意位置電流矢量的輸出

選擇兩相靜止定子坐標(biāo)系，由永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型可知它的定子電壓方程為：

可得：

永磁同步電機(jī)在空間矢量坐標(biāo)系里，同步旋轉(zhuǎn)dq軸系經(jīng)反PARK變換到靜止的αβ軸系，再經(jīng)由反CLARK變化到三相ABC軸坐標(biāo)系。具體的變化方程如式（3）：

由式（2）-式（3）可以獲得當(dāng)電機(jī)通iq＝IN，id＝0，θ＝0的矢量電壓時(shí)，三相電流狀態(tài)為

圖2 任意位置電流矢量控制框圖

使用增量式編碼器對(duì)電機(jī)進(jìn)行初始定位的傳統(tǒng)方法是，給電機(jī)通固定的直流電，使轉(zhuǎn)子位置停在一個(gè)固定的角度，然后以這個(gè)角度開(kāi)始旋轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)遇到Z信號(hào)時(shí)完成初始定位。這樣可能造成電機(jī)的機(jī)械沖擊；由于永磁同步電機(jī)的齒槽效應(yīng)，可能造成電機(jī)直流制動(dòng)時(shí)的位置不準(zhǔn)確。

3.3 初始定位控制

針對(duì)傳統(tǒng)方法的一些缺點(diǎn)，充分利用光電編碼器提供的U、V、W信號(hào)，對(duì)電機(jī)的初始定位方法做了一些改進(jìn)，具體方法如下。

在電機(jī)初始上電時(shí)刻，通過(guò)增量式編碼器發(fā)出的U、V、W信號(hào)狀態(tài)，即確定電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量初始位置所處的區(qū)間，取該區(qū)間中點(diǎn)作為轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量位置，控制器以此作為轉(zhuǎn)子初始位置向定子三相繞組輸出電流。

轉(zhuǎn)子跨越不同電角度區(qū)間時(shí)，即轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)不大于60°的電角度時(shí)，必然要越過(guò)U、V、W狀態(tài)的一次變化沿。而只要轉(zhuǎn)子越過(guò)了U、V、W狀態(tài)的一次變化沿，U、V、W狀態(tài)發(fā)生第一次變化，控制器立即動(dòng)作，根據(jù)編碼器送出的A、B脈沖信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確定位。

如圖3所示，系統(tǒng)上電時(shí)，通過(guò)讀取U、V、W三個(gè)脈沖狀態(tài)，可以大致估算出轉(zhuǎn)子的位置。為確保初始定位時(shí)電機(jī)振動(dòng)盡量小，選取每個(gè)脈沖狀態(tài)的中間值作為轉(zhuǎn)子的給定位置，記做β。例如UVW狀態(tài)為圖1中101狀態(tài)時(shí)，說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)子位于0°～60°這個(gè)扇區(qū)內(nèi)，可以給定轉(zhuǎn)子位置為30°電角度，這樣其與初始位置的誤差控制在（-30°，30°）的范圍內(nèi)，然后控制電流矢量使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)U、V、W狀態(tài)信號(hào)發(fā)生變化時(shí)，可以通過(guò)A、B脈沖信號(hào)記錄轉(zhuǎn)過(guò)的位置θ，這樣得出電機(jī)初始位置角為α＝60°-θ。同時(shí)把a(bǔ)角度設(shè)為初始位置角給定值，從而完成了轉(zhuǎn)子的初始定位。

圖3 初始定位原理圖

上述的U、V、W信號(hào)除用于系統(tǒng)首次上電作為轉(zhuǎn)子定位外，在系統(tǒng)進(jìn)入精確定位并正常運(yùn)行時(shí)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，U、V、W信號(hào)中必然有一個(gè)信號(hào)的狀態(tài)會(huì)發(fā)生一次變化，根據(jù)該跳變及另兩個(gè)信號(hào)的狀態(tài)可對(duì)轉(zhuǎn)子所處的電角度做精確定位。因此由U、V、W狀態(tài)的每一次變化沿可對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行重新精確定位，系統(tǒng)可以對(duì)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行校核，避免在這60°電角度的運(yùn)行過(guò)程中由于編碼器脈沖丟失或增加等誤碼情況帶來(lái)的錯(cuò)誤。保證控制器對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子位置向三相繞組輸出相應(yīng)的三相電流波形。

4 永磁同步電機(jī)初始定位實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)以TMS320F28335的DSP控制器為核心的永磁同步電機(jī)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)，電機(jī)的位置與速度信號(hào)檢測(cè)由DSP控制器的捕獲電路ECAP完成，通過(guò)CPLD對(duì)編碼器的A、B脈沖信號(hào)進(jìn)行處理，輸出一路脈沖信號(hào)ECAD與一路方向信號(hào)DIRD給DSP。CPLD可以過(guò)濾雜波，提高了電路的可靠性。U、V、W信號(hào)通過(guò)三路IO輸給DSP用于判斷當(dāng)前所處扇區(qū)。電機(jī)發(fā)現(xiàn)U、V、W狀態(tài)跳變后，完成初始定位。

先做一個(gè)實(shí)驗(yàn)，用于判斷傳統(tǒng)的初始定位方法與目前采用的初始定位方法的優(yōu)劣性。制作如圖4所示工裝。

圖4 電機(jī)實(shí)驗(yàn)工裝

如圖4所示的電機(jī)實(shí)驗(yàn)工裝，把帶光電編碼器的永磁同步電機(jī)與一個(gè)旋轉(zhuǎn)變壓器同軸連接，把旋轉(zhuǎn)變壓器接在控制板A上。通過(guò)SPI可以讀出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置信號(hào)。電機(jī)以及它的光電編碼器接到控制板B上。由控制板B控制電機(jī)初始定位以及運(yùn)行，并讀取電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。比較電機(jī)轉(zhuǎn)子處于任意位置時(shí)三者顯示角度的差別，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子處于不同位置時(shí)的角度顯示

由上表可以看出如果采用傳統(tǒng)的直流制動(dòng)再啟動(dòng)的方法，辨識(shí)到的轉(zhuǎn)子位置角與實(shí)際的轉(zhuǎn)子位置角之間會(huì)產(chǎn)生偏差。而文章介紹的方法則解決了這個(gè)問(wèn)題。

圖5所示為用示波器記錄的電機(jī)完成初始定位后，電機(jī)當(dāng)前角度值與a相反電動(dòng)勢(shì)的關(guān)系。從圖中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)當(dāng)前角度的0°角與a相反電動(dòng)勢(shì)過(guò)0點(diǎn)重合。說(shuō)明電機(jī)初始角辨識(shí)正確。

圖5 電機(jī)角度與a相反電動(dòng)勢(shì)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的初始定位方法在定位過(guò)程中具有電機(jī)振動(dòng)小、軟件控制簡(jiǎn)單、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以對(duì)光電碼盤(pán)的零位進(jìn)行軟件調(diào)零。通過(guò)精確的初始定位不僅可以加快電機(jī)的啟動(dòng)速度，同時(shí)也能提高位置控制的精度。該方法可以直接應(yīng)用于高性能的伺服控制系統(tǒng)中。

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