永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位

1、中小型電機(jī)2003,30(3)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位61試驗(yàn)與測(cè)試永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位南京航空航天大學(xué)(南京市,210016)陳榮嚴(yán)仰光本文在簡(jiǎn)述矢量控制原理的基礎(chǔ)上,通過(guò)分析現(xiàn)有轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)手摘要段的不足,提出使用普通光電編碼盤實(shí)施永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的初始定位方法,并在實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用,可以滿足實(shí)際使用要求。關(guān)鍵詞永磁同步電機(jī)伺服位置檢測(cè)初始定位陳榮1963年10月生年畢業(yè)于南京,碩士,副教授。研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹半姎鈧鲃?dòng)。RotorPositionDetectionPositionNanjingUniversityofRong,YanYangguangame

2、thodofrotorpositiondetectionandincipientpositionphotoelectricalcodeddisks,basedonsimplydefiningtheprincipleofcontrolandanalyzingtheshortcomingofrotorpositiondetectionmea2sureusednowadays.Themethodhasbeenputintouseinexperimentsystemandcouldmeettheneedsofpracticaluse.Keywords:PMSMServoPositiondetectio

3、nIncipientpositionlocation的轉(zhuǎn)子位置能夠準(zhǔn)確知道,才可以按照矢量控制的一系列方程,將永磁同步電機(jī)等效變換成dq坐標(biāo)系上的等效模型,系統(tǒng)才能按照類似他勵(lì)直流電機(jī)的控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制,從而可以達(dá)到他勵(lì)直流電機(jī)構(gòu)成的伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。1引言隨著交流伺服傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展,特別是用于實(shí)時(shí)處理的DSP芯片技術(shù)的出現(xiàn),使交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中大量復(fù)雜的函數(shù)計(jì)算、坐標(biāo)變換、參數(shù)調(diào)節(jié)等運(yùn)算可以在極短的時(shí)間內(nèi)完成,從而可以滿足交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)運(yùn)算要求,使交流伺服傳動(dòng)逐步走向前臺(tái),以取代原己廣泛使用的直流伺服傳動(dòng)。而在交流伺服傳動(dòng)系統(tǒng)中,由于永磁同步電機(jī)的數(shù)學(xué)模型相對(duì)

4、異步電機(jī)而言較為簡(jiǎn)單,并且它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、單位體積的功率較大、低速時(shí)轉(zhuǎn)子不發(fā)熱,不影響伺服傳動(dòng)精度、而且由于其轉(zhuǎn)子有勵(lì)磁,即使在極低的頻率下也能運(yùn)行,故其調(diào)速范圍較寬。正是由于永磁同步電機(jī)具有如此多的優(yōu)點(diǎn),人們投入了大量的人力物力研究永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)。在永磁伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中,電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置檢測(cè)與初始定位是系統(tǒng)構(gòu)成與運(yùn)行的基本條件,也是矢量控制解耦的必要條件。只有永磁同步電機(jī)現(xiàn)有電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)方法及其存在問題2目前,用于永磁同步伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)方法主要有:旋轉(zhuǎn)變壓器法、光電編碼盤法(增量式和絕對(duì)式)、電機(jī)內(nèi)置位置傳感器法、無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)法(有高次諧波注入法、基于觀測(cè)器的位置檢測(cè)

5、法、基于電感信息的位置檢測(cè)法等),這些方法中除旋轉(zhuǎn)變壓器法和絕對(duì)式光電編碼盤包含了電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置信息,可以用作電機(jī)的上電初始定位外,其它方法都不能對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行初始定位,有的方法需要多次定位修正才能完成伺服系統(tǒng)定位,這在實(shí)際應(yīng)用62永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位中小型電機(jī)2003,30(3)系統(tǒng)中是沒有使用價(jià)值的。對(duì)于電機(jī)內(nèi)置位置傳感器法,這種方法對(duì)電機(jī)的設(shè)計(jì)要求較高,需要在埋置電機(jī)定子繞組的同時(shí)埋設(shè)檢測(cè)繞組,不具有通用性。無(wú)位置傳感器位置檢測(cè)法是目前人們熱衷研究的問題,但是在永磁同步電機(jī)處于靜止或者電機(jī)剛剛上電時(shí),在電機(jī)的定子繞組上沒有任何能夠反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息的信號(hào),也就是說(shuō),這些

6、方法都不能用于永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位。而對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器法,從其工作原理可以知道,其輸出信號(hào)中包含有電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,并)的形式出現(xiàn),式子中以u(píng)=kUmsin(0t+0是旋轉(zhuǎn)變壓器法勵(lì)磁信號(hào)的角頻率,角就是電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置信息,為了得到電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào),這就需要對(duì)其輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào),步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置,進(jìn)制碼,輸出的(注:不是連續(xù)函數(shù))。,即輸出的二進(jìn)制碼位數(shù)較少,因而定位精度不高,且它所能測(cè)量的位置角僅局限于360°范圍,不具有多轉(zhuǎn)檢測(cè)能力。而且由于信號(hào)的并行傳輸,引線較多而不便使用。下面,我們將研究通用增量式光電編碼盤在伺服系統(tǒng)中使用時(shí),永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)與定位方法。&#

7、215;mpe0P+2×P×mpe,該若用電角度表示,=0+2角就是我們矢量控制時(shí)進(jìn)行坐標(biāo)變換所需要的轉(zhuǎn)子位置角。其方程為idi=3iaibiccoscos(-)cos(+33)sinsin(-sin(+33磁鏈、在第i,i個(gè)采樣值×P×mipeiNi1+2i為第i個(gè)采樣周期的脈沖計(jì)數(shù)值,將i代入上面的方程,就可以求出該時(shí)刻電機(jī)電參量在dq坐標(biāo)系中的對(duì)應(yīng)數(shù)值,系統(tǒng)就可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)器對(duì)指定量進(jìn)行調(diào)節(jié),如對(duì)iq。則永磁同步電機(jī)在id=0情況下的數(shù)學(xué)模型就是下面的一組方程式uq=Rsiq+Lqpiq+e0ud=-rLqiqTe=Pdid=PLmdifiqT

8、e=Jp(增量式碼盤使用中電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)與定位3目前,通用增量式光電編碼盤的技術(shù)很成熟,價(jià)格比較低,使用很廣泛。其輸出有A、B正交脈沖兩路,零脈沖Z一路,及U、V、W三路互差120°的脈沖。一般A、B端口每轉(zhuǎn)輸出10005000個(gè)脈沖,Z端口每轉(zhuǎn)輸出1個(gè)脈沖,U、V、W端口每轉(zhuǎn)輸出P個(gè)周期的矩型脈沖,P為電機(jī)極對(duì)數(shù)。使用它實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的方法如下:假定它在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中給定時(shí)間T(s)內(nèi)給出脈沖數(shù)目為m,則電機(jī)轉(zhuǎn)速n(rmin)可表示為:n=60×mT×pe,pe為光電編碼盤每轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。假定電機(jī)在靜止時(shí)轉(zhuǎn)子的初始位置角(電角度)是0,電機(jī)的極對(duì)數(shù)為P,

9、則從靜止開始經(jīng)過(guò)時(shí)間T后的電機(jī)轉(zhuǎn)子位置(機(jī)械角)與電機(jī)速度n之間的關(guān)系為=60)×20P+(n×TrP)+R(rP)+T1式中p微分算子e0反電勢(shì)r電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度d電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁磁鏈R摩擦系數(shù)P電機(jī)極對(duì)數(shù)Te、T1電磁及負(fù)載轉(zhuǎn)矩,帶有d、q腳標(biāo)的量為dq坐標(biāo)系中的分量Rs電樞電阻由此可知,此時(shí)的永磁同步電機(jī)和直流電機(jī)完全相同,直軸和交軸之間實(shí)現(xiàn)解耦,系統(tǒng)就可以模仿直流電機(jī)的控制方法對(duì)永磁同步電機(jī)進(jìn)行控制。因此,從前面的分析可知,永磁同步電機(jī)在轉(zhuǎn)子位置可知的情況下,借助于坐標(biāo)變換,可以把它轉(zhuǎn)換成等效直流電機(jī)來(lái)控制。然而,電機(jī)在剛通中小型電機(jī)2003,30(3)永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置

10、檢測(cè)與定位63電時(shí),或者電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中掉電而后又來(lái)電時(shí),此時(shí)電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置未知,也就是說(shuō)此時(shí)上述的坐標(biāo)變換方程失去了存在的基礎(chǔ)。如果仍然按照上述方程對(duì)電機(jī)的電參量進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換,實(shí)際控制的電壓電流將不能滿足電機(jī)的矢量控制要求,此時(shí)的伺服系統(tǒng)不是處于振蕩狀態(tài)就是電機(jī)過(guò)電流。所以說(shuō),為了使永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)能夠取得優(yōu)異的控制性能,將永磁同步電機(jī)變換成等效直流電機(jī)來(lái)控制,必須完成電機(jī)的初始定位,在電機(jī)還沒有旋轉(zhuǎn)時(shí)就能確切知道電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置。有文章介紹在電機(jī)上電時(shí),給電機(jī)一個(gè)初始狀態(tài),也就是強(qiáng)制給電機(jī)三相繞組輸入電流,使電機(jī)在這個(gè)定子磁場(chǎng)作用之下將轉(zhuǎn)子移到指定位置。顯然,這種方法不能用于伺服

11、系統(tǒng),下使電機(jī)旋轉(zhuǎn)。,自然沒有辦法獲,那么,我們只有還從光電編碼盤來(lái)想辦法獲得這個(gè)信息?，F(xiàn)在的通用型光電編碼盤除輸出兩相相位相差90°的正交脈沖信號(hào)A、B外,還有一路零信號(hào)Z,和三路彼此相差120°的脈沖信號(hào)U、V、W,兩路正交信號(hào)可以用做電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向的判別,這可以參考有關(guān)文獻(xiàn)。Z信號(hào)用于電機(jī)速度測(cè)量過(guò)程中的誤差修正,以但是,這里僅能給出電機(jī)轉(zhuǎn)子所在區(qū)間,至于它在某區(qū)間的什么位置還不能確切知道。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在開始運(yùn)行時(shí),首先要咬合電機(jī)的轉(zhuǎn)子,也就是通常所說(shuō)的伺服使能,則此時(shí)電機(jī)定子所形成的空間磁場(chǎng)位置應(yīng)該和轉(zhuǎn)子d軸重合。那么,我們可以在U、V、W所告知的區(qū)間內(nèi)反復(fù)測(cè)試電

12、機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)(為分析方便,假定電機(jī)極對(duì)數(shù)P=1)。比如說(shuō),剛上電時(shí)U、V、W所給出的狀態(tài)是:101,表示電機(jī)轉(zhuǎn)子在圖2所示區(qū)域,則A相、C相電流應(yīng)具有圖示方向,才可以將電機(jī)轉(zhuǎn)子咬合,至于B相電流是何方向以及A、C,60。假定電機(jī)轉(zhuǎn)子的初,則按照=30°給電機(jī)的三相繞組加入電流,按照電機(jī)合成磁場(chǎng)要求,為使電機(jī)咬合轉(zhuǎn)子,必須給電機(jī)加入電流ia=-ic=I,ib=0,根據(jù)三相電流合成矢量的計(jì)算方法可得:j30°(ia+ibej120°+ice-j120°)=i=Ie3避免累積誤差。那么U、V、W脈沖信號(hào)在電機(jī)旋(P為極對(duì)數(shù)),即電機(jī)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)時(shí),每轉(zhuǎn)變化P×

13、;360°子的360°空間被分成了P等分,每一等分相應(yīng)于電信號(hào)的一個(gè)周期。U、V、W所組成的狀態(tài)信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)分別為:101、100、110、010、011、001,它們各對(duì)應(yīng)電信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的60°區(qū)間,對(duì)應(yīng)機(jī)械角為60°P,則在電機(jī)初始上電時(shí),由U、V、W的狀態(tài)就可以判定電機(jī)轉(zhuǎn)子所處空間位置的相應(yīng)區(qū)間,參見圖1。圖2電機(jī)轉(zhuǎn)子空間位置即此時(shí)三相電流合成矢量位于101所表示區(qū)域的中心線上,如果電機(jī)轉(zhuǎn)子也在此處,則電機(jī)即處于咬合狀態(tài),光碼盤的輸出端A或者B無(wú)輸出脈沖信號(hào)。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子位置不在此處,則有兩種可能,一種可能就是使電機(jī)正向(逆時(shí)針)旋轉(zhuǎn),第二種

14、可能就是使電機(jī)反向旋轉(zhuǎn),就可以由光碼盤的輸出端A、B測(cè)出電機(jī)是在正向還是反向旋轉(zhuǎn)。如果電機(jī)處于正向旋轉(zhuǎn)狀態(tài),那說(shuō)明電機(jī)轉(zhuǎn)子位于電機(jī)A相繞組軸線及101所表示區(qū)域的中心線之間,那么就按照=150°給電機(jī)的三相繞組圖1U、V、W信號(hào)及其所表示的狀態(tài)加入電流,電機(jī)三相定子電流的綜合矢量即位于64永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位中小型電機(jī)2003,30(3)=15°的位置,同樣此時(shí)仍有三種可能狀態(tài),下面的操作類推,總可以在一個(gè)很小的區(qū)間內(nèi)使電機(jī)的轉(zhuǎn)子處于微振狀態(tài)。每次測(cè)試,區(qū)間減小二分之一。由于電機(jī)初始通電時(shí),電機(jī)均處于輕載狀態(tài)(或空載),因此,在給電機(jī)加上定位力矩T時(shí),有方程T-Tf

15、=J從表1可知,由于使用U、V、W信號(hào)實(shí)施電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始定位,則控制系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí),將按照上表所示關(guān)系來(lái)控制電機(jī)的三相電流,因此,實(shí)際使用時(shí)要考慮電機(jī)的接線。比如說(shuō),在電機(jī)接線時(shí),電機(jī)的B相和C相接反,電機(jī)轉(zhuǎn)子的初始位置在圖2所示位置,U、V、W信號(hào)指示電機(jī)位置在060°區(qū)間,則系統(tǒng)按照前述方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行定位,給電機(jī)加入電流ia=-ic=I,ib=0,根據(jù)三相電流合成矢量的計(jì)算方法可得)j(-30°(ia+icej120°+ib-=i=Ie3-30°位,°區(qū)間,由圖可知,電機(jī),系統(tǒng)仍然按照原定方法定101所表示的60°區(qū)間,故此時(shí)電

16、機(jī)的定位力矩將使電機(jī)旋轉(zhuǎn)起來(lái),當(dāng)電機(jī)越過(guò)電機(jī)A相繞組軸線之后,電機(jī)的定位電流給定將發(fā)生變化,其綜合矢量便移至011所對(duì)應(yīng)的區(qū)間,如此繼續(xù),電機(jī)便旋轉(zhuǎn)起來(lái)。經(jīng)過(guò)分析,在電機(jī)的三相繞組接線錯(cuò)誤的情況下,如果給電機(jī)加入電流ia=-ic=I,ib=0,其三相電流矢量所處空間位置見下表。表2各種接線方式時(shí)電流的空間矢量位置(對(duì)應(yīng)ia=-ic=I,ib=0)接線順序空間矢量位置°ABC30ACB330BAC90BCA-90CBA210CAB150dt式中Tf電機(jī)及軸聯(lián)負(fù)載的摩擦力矩J其轉(zhuǎn)動(dòng)慣量則電機(jī)在定位力矩作用下就要跟隨定子磁場(chǎng)而旋轉(zhuǎn)。速度將按前述方程加速上升。然而,我們的定位是不允許電機(jī)旋轉(zhuǎn)

17、的,則電機(jī)一旦開始旋轉(zhuǎn),指示的轉(zhuǎn)向,指示的方向,角的修正將在極小,定位完成。為防止電機(jī)旋轉(zhuǎn),角的修正速度要合適,太快轉(zhuǎn)子來(lái)不及反應(yīng),太慢電機(jī)將會(huì)旋轉(zhuǎn),故測(cè)試時(shí)間需要反復(fù)調(diào)整,才可以完成電機(jī)的初始定位。在測(cè)試過(guò)程中,由于給電機(jī)施加的電流矢量與電機(jī)轉(zhuǎn)子的d軸不重合,電機(jī)肯定是要旋轉(zhuǎn)的。但是,只要電機(jī)的光電編碼盤有脈沖輸出,電機(jī)的三相繞組電流就會(huì)改變,使電機(jī)定子形成的空間矢量跳變一定角度,再測(cè)試電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),然后再改變電機(jī)電流空間矢量的位置,再測(cè)試電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài),如此反復(fù)進(jìn)行,故電機(jī)只能旋轉(zhuǎn)幾個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)的角度,而不會(huì)出現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行狀態(tài)。由于光電編碼盤每轉(zhuǎn)所輸出的脈沖達(dá)幾千個(gè),如果倍頻則達(dá)上萬(wàn)個(gè)脈沖,

18、因此電機(jī)旋轉(zhuǎn)輸出幾個(gè)脈沖它所產(chǎn)生的角位移是很小的,在數(shù)控機(jī)床機(jī)械傳動(dòng)的間隙里完全可以淹沒這種微振位移。4但對(duì)于表中前第二和第三兩種狀態(tài),實(shí)際運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)這種情況,如電機(jī)轉(zhuǎn)子仍在圖2所示區(qū)間,電機(jī)三相接線為BAC,則逆變器初始定位時(shí)電機(jī)將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),并在0°60°及60°120°區(qū)間的臨界分界線上停止下來(lái)。如果此時(shí)要使電機(jī)旋轉(zhuǎn),按照id=0給電機(jī)定子送去三相電流,并以電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角對(duì)電機(jī)實(shí)施矢量控制,則電機(jī)在定子電流的綜合磁鏈作用下旋轉(zhuǎn),但是由于相位錯(cuò)誤,希望電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)卻是反向的,則電機(jī)轉(zhuǎn)子在電樞磁場(chǎng)作用下與電樞磁場(chǎng)做相向運(yùn)動(dòng),經(jīng)過(guò)旋轉(zhuǎn)一定角

19、度后,電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)同向,電磁力矩為零,電機(jī)停止。為使分析具有一般性,假定電機(jī)轉(zhuǎn)子位置位于101所表示的區(qū)間(實(shí)際分析與電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置無(wú)關(guān)),電機(jī)轉(zhuǎn)子軸線與電機(jī)A相繞組軸線的夾角為,a、b、c三相電流分別為ia=Icos實(shí)際使用接線情況分析電機(jī)出廠時(shí),將光電編碼盤安裝在電機(jī)軸的非負(fù)載側(cè),并進(jìn)行調(diào)零操作,使得電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí),光電編碼盤所輸出的U、V、W信號(hào)和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表(表中角度為電角度):表1UVW的狀態(tài)及其所表示的區(qū)間狀態(tài)角度°10106010011001001100160120120180180240240300300360中小型電機(jī)2003,30(3)永磁電

20、機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)與定位65)ib=Icos(-120°)ic=Icos(+120°過(guò)電流而損壞器件。參考文獻(xiàn)1伍小杰等.同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)的一種方法及實(shí)按照前述計(jì)算方法,可得,在三相接線變化時(shí),其三相電流矢量所處空間位置見下表。表3各種接線方式下電流空間矢量的一般位置(當(dāng)U、V、W=101時(shí))接線順序ABC空間矢量位置ACBBACBCACBACAB180-360-120-120+180+現(xiàn).電氣傳動(dòng),2001(1):2223.2許強(qiáng)等.新型全數(shù)字交流伺服系統(tǒng).微電機(jī),1997(1):1419.3吳凱等.一種基于電感測(cè)量的永磁同步伺服系統(tǒng)位表2是表3的一種特殊情況。經(jīng)過(guò)分析

21、,其它U、V、W情況下結(jié)果類似。5置檢測(cè)新方法.西安交大學(xué)報(bào),1998(6):2225.4郭慶鼎等.永磁同步電機(jī)的位置和速度檢測(cè)方法.沈陽(yáng)工大學(xué)報(bào),1996(3):712.5周風(fēng)余等.電實(shí)際應(yīng)用氣傳動(dòng)(3)6.微電機(jī),19997andRobertD.Lorenz.RotorPositionandEstimationforaSalient2PolePMSMatStandstillandHighSpeeds.IEEEONIA,1998,VOL.34,NO.4.8Zhu.gc,AkhcifO,KaddouriA,DesceintLA.SpeedTrackingControlofaPMSMwithStateandLoadTorqueOb2server.IEEE.IE,Vol.47,NO.2,2000.9Ostlund,S.Brokenper,M.SensorlessRotor2PositionDete