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，王國強(qiáng)

（中冶南方（武漢）自動化有限公司，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)初始定位時對電機(jī)初始角的辨識就成了關(guān)鍵。

2 當(dāng)前的永磁同步電機(jī)的初始定位方法及其問題

目前檢測轉(zhuǎn)子位置的方法有無傳感器技術(shù)和傳統(tǒng)的機(jī)械傳感器控制兩類。無傳感器技術(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、不能滿寬范圍調(diào)速、對電機(jī)的結(jié)構(gòu)有要求等問題，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，而且還可以調(diào)解出電機(jī)的速度信號。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旋變產(chǎn)生的包絡(luò)線信號調(diào)解出位置信息和速度信息，再通過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。如果旋變的信號不是很好，解碼芯片解出的速度信號波動也會很大，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信號進(jìn)行初始定位，具體方法是，剛上電時給電機(jī)通直流電把電機(jī)轉(zhuǎn)子固定在一個固定的角度，然后以此角度為起點(diǎn)開始轉(zhuǎn)動電機(jī)。Z信號作為校正信號，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一周校正一次。這樣做的缺點(diǎn)是會產(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UVW信號大致估算出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置（有30°偏差），此時可以依據(jù)這個估算角度運(yùn)轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動遇到Z信號時即可對電機(jī)精確定位。其優(yōu)點(diǎn)是：不會產(chǎn)生機(jī)械撞擊，而且定位也相對準(zhǔn)確。也可能會產(chǎn)生一個問題：電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周才遇到Z信號，也就是說電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)一周才可以精確定位。針對這個問題，本文進(jìn)一步改進(jìn)方法。電機(jī)估測完角度并開始運(yùn)行后，不斷的查詢UVW信號，當(dāng)發(fā)現(xiàn)UVW信號的狀態(tài)發(fā)生跳變時，對電機(jī)進(jìn)行精確定位。也就是把UVW信號狀態(tài)跳變沿當(dāng)作Z信號來使用。因?yàn)閁VW信號的狀態(tài)每周會跳變6次，也就是說60°會跳變一次，所以電機(jī)進(jìn)行角度辨識后，最多運(yùn)行1/6周就可以對電機(jī)精準(zhǔn)定位。

3 使用普通的增量式編碼器對轉(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、AB增量信號以及Z路零脈沖信號。

霍爾元件送出的U、V、W狀態(tài)信號共有六個電平狀態(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個相等的區(qū)間。每個區(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，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)子位置停在一個固定的角度，然后以這個角度開始旋轉(zhuǎn)電機(jī)，當(dāng)遇到Z信號時完成初始定位。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)直流制動時的位置不準(zhǔn)確。

3.3 初始定位控制

針對傳統(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，對電機(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)初始上電時刻，通過增量式編碼器發(fā)出的U、V、W信號狀態(tài)，即確定電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場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，即轉(zhuǎn)過一個不大于60°的電角度時，必然要越過U、V、W狀態(tài)的一次變化沿。而只要轉(zhuǎn)子越過了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，控制器立即動作，根據(jù)編碼器送出的A、B脈沖信號進(jìn)行轉(zhuǎn)子準(zhǔn)確定位。

如圖3所示，系統(tǒng)上電時，通過讀取U、V、W三個脈沖狀態(tài)，可以大致估算出轉(zhuǎn)子的位置。為確保初始定位時電機(jī)振動盡量小，選取每個脈沖狀態(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，說明電機(jī)轉(zhuǎn)子位于0°～60°這個扇區(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)信號發(fā)生變化時，可以通過A、B脈沖信號記錄轉(zhuǎn)過的位置θ，這樣得出電機(jī)初始位置角為α＝60°-θ。同時把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，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度，U、V、W信號中必然有一個信號的狀態(tài)會發(fā)生一次變化，根據(jù)該跳變及另兩個信號的狀態(tài)可對轉(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轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行重新精確定位，系統(tǒng)可以對轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行校核，避免在這60°電角度的運(yùn)行過程中由于編碼器脈沖丟失或增加等誤碼情況帶來的錯誤。保證控制器對應(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)平臺為基礎(chǔ)，電機(jī)的位置與速度信號檢測由DSP控制器的捕獲電路ECAP完成，通過CPLD對編碼器的A、B脈沖信號進(jìn)行處理，輸出一路脈沖信號ECAD與一路方向信號DIRD給DSP。CPLD可以過濾雜波，提高了電路的可靠性。U、V、W信號通過三路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SPI可以讀出當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對位置信號。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。比較電機(jī)轉(zhuǎn)子處于任意位置時三者顯示角度的差別，如表1所示。

表1 轉(zhuǎn)子處于不同位置時的角度顯示

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

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相反電動勢的關(guān)系。從圖中發(fā)現(xiàn)，電機(jī)當(dāng)前角度的0°角與a相反電動勢過0點(diǎn)重合。說明電機(jī)初始角辨識正確。

圖5 電機(jī)角度與a相反電動勢

5 結(jié)束語

本文提出的初始定位方法在定位過程中具有電機(jī)振動小、軟件控制簡單、定位精度高等優(yōu)點(diǎn)，并且可以對光電碼盤的零位進(jìn)行軟件調(diào)零。通過精確的初始定位不僅可以加快電機(jī)的啟動速度，同時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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