永磁同步電機帶霍爾及增量式編碼器的伺服控制

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(1.貴州航天林泉電機有限公司，貴州貴陽550000；2.國家精密微特電機工程技術研究中心，貴州貴陽550000；3.貴州裝備制造職業學院，貴州貴陽550008)

0 引言

隨著科學技術的不斷進步，電力電子技術的快速發展，永磁同步電機因其高效率、高功率密度、低損耗等特點，逐漸被廣泛應用于各種要求高響應、高精度、寬調速的高性能伺服控制系統，如機器人、轉臺、電動汽車以及數控機床等領域[1]。然而不同于直流電機的有刷換向，同步電機的運轉需要實時提供轉子位置，以便電機能進行正確的換向。同步電機的位置信號獲取主要有兩種方式：一種通過位置傳感器獲取實時位置信號；另一種是無位置控制，通過無位置控制算法，實時估計出一個轉子位置，來保證電機換向[2]。前者主要應用于需要高精度定位的伺服控制場合，后者則主要應用于伺服調速系統。對于需要高精度伺服定位控制系統，選用的位置傳感器有光柵尺、絕對式編碼器、旋轉變壓器以及增量式編碼器幾種[3]。前三種位置傳感器成本相對較高，且隨定位精度的增加，成本呈指數增加。考慮到成本的因素，出現了帶霍爾的增量式編碼器，該方式通過霍爾進行初始定位，后期則利用編碼器進行精確定位。基于此，本文將介紹一種永磁同步電機帶霍爾及增量式編碼器的伺服控制方法。

1 帶霍爾增量式編碼器原理介紹

霍爾傳感器輸出為三根信號線，分別為U、V、W。三個信號為相位互差120°電角度的方波信號，并在一個電角度周期內能組合為六個狀態，每個狀態為60°電角度。故霍爾傳感器可以檢測出同步電機一個電角度周期內的六個狀態，可利用霍爾信號對電機轉子位置進行初始粗定位。

帶霍爾增量式編碼器，顧名思義就是帶霍爾傳感器以及增量式編碼器。有的文獻也稱之為復合式光電編碼器。該傳感器輸出信號為6路脈沖信號，分別為U、V、W、A、B、Z信號。其中A相和B相的波形完全相同，但相位相差90度。若A相位超前B相位90度，則通常定義為電機正轉，反之則電機反轉。Z相信號為電機基準定位信號，電機每轉一圈，則發出一個Z信號。U、V、W為如前所述的方波信號[4]。

2 硬件電路設計

由于文中所用的伺服電機發出的A、B、Z、U、V、W六路信號均為差分信號，因此硬件設計時，需將六路信號轉換為單端信號，選用的轉換芯片為AM26C32。此外，由于編碼器及AM26C32芯片輸出信號均為5V信號，且所選的主控芯片DSP2812只能接收3.3V以內的信號，因此需要將AM26C32轉換的位置信號轉換為3.3V信號，選用轉換芯片為74LVC245A，編碼器信號處理電路如圖1。

圖1 位置信號處理電路

控制板選擇TI的DSP芯片TMS320F281為控制系統主控芯片，該芯片含有豐富的IO接口電路以及AD采樣電路，不需要再外擴太多的芯片就可以完成控制系統的搭建，轉換后的編碼器A、B、Z信號接到DSP的qep電路，U、V、W信號接到普通的IO口即可。利用DSP的AD口，可采集伺服系統的相電流信號，相電流則是通過電流傳感器ACS724-10AB采集得到，并經過DSP的AD口轉換為數字信號以便完成系統電流環功能。

控制板的功能主要包括：

1)接收電流、速度指令和位置指令；

2)完成位置環、速度環和電流環控制算法；

3)獲取同步電機實時位置；

4)獲取同步電機實時相電流；

5)輸出PWM控制信號；

6)向上位機實時反饋電機狀態，如位置、轉速、電流等。

驅動板則是利用IPM來搭建，所選IPM模塊為PM50CL60A，利用該模塊，可將DSP svpwm模塊送出的六路PWM信號轉為相應的驅動信號。

3 控制系統軟件設計

3.1 轉子位置初始定位

位置傳感器安裝時，需要使霍爾傳感器的U信號、編碼器的Z信號與同步電機的A相繞組反電勢由負到正過零點對齊，以確保傳感器檢測到零位為電機轉子的實際零位。當編碼器安裝好后，轉子為編碼器檢測到的相對位置基本就確定。

由于文中所選用的伺服電機為采購的電機，編碼器已經安裝好，且不便于拆卸，因此霍爾信號位置將不調整。但可通過軟件同步霍爾傳感器U信號與Z信號位置。當編碼器發出Z信號以后，置一個標志位，在此標志位的前提下，當電機捕捉到U信號的上升沿，則記錄下此時電機編碼器所記錄的位置脈沖個數，此脈沖即為U信號與Z信號之間的位置偏差，可作為編碼器初始矯正因子，使得U信號與Z信號同步。

圖2 UVW信號與電角度及初始值關系

系統上電后，首先讀取UVW的三相信號，在一個電角度周期內，霍爾UVW信號將呈現6個狀態，如圖2。當檢測到霍爾信號落在的區間，則取其中間值作為同步電機的初始值，這使得電機轉子初始位置值最大誤差不大于30°電角度，該值不會影響同步電機初始運轉[5]。

系統接收到相應的指令后，同步電機的轉子位置通過qep電路計算的位置值與霍爾定位的初始位置值來確定。當位置傳感器發出Z信號時，則電機轉子位置由qep電路計算的位置值以及U相信號與Z脈沖信號之間的矯正值確定。從而完成帶霍爾及增量式編碼器永磁同步電機的初始粗定位以及后期精準換向。

3.2 控制算法設計

同步電機系統模型本身是一個非線性系統，且變量之間互相耦合，難以對其進行精確的控制。將系統模型簡化，同步電機電壓方程如下：

(1)

其中Uq,Ud分別為dq坐標下的q軸、d軸電樞電壓分量；iq,id分別為dq坐標下的q軸、d軸電樞電流；Rs為電樞繞組電阻；ψq,ψd分別為dq坐標下定子磁鏈分量；φ是轉子磁鋼在定子繞組上的耦合磁鏈；Lq,Ld分別為dq坐標下的q軸、d軸等效電樞電感分量[6]。

對于q軸和d軸電樞電流iq,id則是利用AD采樣回來的相電流iA,iB,iC通過Clark變換、Park變換而來[7]。通過Clark變換和Park變換將電機三相交流電信號轉換為旋轉坐標系下的兩相直流信號，從而可以將同步電機當作直流電機一樣控制。Clark變換公式如下：

(2)

Park變換公式如下：

(3)

同步電機運動學方程如下：

(4)

Te-T1=Jωe

表貼式同步電機中，由于Lq≈Ld，進而有如下關系：

(5)

因此，對于表貼式同步電機而言，通常采用id=0的控制方式。通過控制直軸電流iq就可以間接地控制同步電機電磁轉矩，進而控制同步電機的轉速。

電流環控制器采用的是積分限幅PI控制器，盡管電流環是兩個控制回路id和iq，但兩環可以采樣相同的控制器[8]。控制器結構如下：

(6)

速度環采用的控制算法同樣為帶積分限幅的PI控制器。電機反饋速度通過固定時間內的位置脈沖來計算，計算公式如下：

(7)

式中，t為兩次讀取位置信號的頻率，ΔM為兩次讀取位置脈沖之間的位置脈沖差值。

速度環積分限幅PI控制器：

(8)

位置環采用的是帶輸出限幅的比例控制器：

Gp(s)=Kpe(t)

(9)

DSP控制程序框圖如圖3。

圖3 系統控制程序框圖

4 實驗驗證

本次實驗所選用的電機為國內某公司的永磁同步伺服電機，電機上帶有旋轉變壓器作為位置傳感器，電機主要參數如表1。

表1電機主要參數

系統性能試驗包括兩個部分：調速性能試驗和位置定位試驗。調速時，分別給定轉速為100 r/min和1000 r/min，如圖4(a)所示，可以看到電機能正常啟動并能迅速定位到系統所接收到的速度指令。位置定位試驗通過上位機發送位置指令200°，如圖4(b)所示，可以看到電機能迅速、精準地定位到所給定的參考位置。

圖4

5 結論

本文研究了永磁同步電機帶霍爾及增量式編碼器的伺服控制方法。通過利用霍爾信號對同步電機轉子進行初始粗定位，使得同步電機能夠完成正常啟動。同步電機啟動并捕捉到編碼器Z脈沖信號后，再利用增量式編碼器信號所提供的位置信號作為系統反饋，從而實現精定位。針對所選用的帶霍爾及增量式編碼器的同步電機，設計了相應的控制器。從實驗結果來看，該伺服系統能正常啟動，并完成調速及定位功能，這表明該方法具備一定的實效性及工程使用價值。