一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，首先通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測，然后采用二分法對磁極位置進(jìn)行精確搜索，選擇適當(dāng)?shù)募钚盘柤钏欧姍C，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動；采用增量式編碼器測量微動的增量；獲得轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系。現(xiàn)有技術(shù)方法主要是通過增量式編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始磁極控制，與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明創(chuàng)新在于先通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測，確定當(dāng)前的電角度區(qū)間，然后在通過增量式編碼器，采用二分法對磁極位置進(jìn)行精確搜索。這樣可以大大加快對轉(zhuǎn)子磁極位置的搜索。
【專利說明】
一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及一種永磁同步電動機，尤其涉及一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伺服電機廣泛的應(yīng)用于機器人控制。數(shù)控機床等對調(diào)速系統(tǒng)性能要求很高的領(lǐng)域，在高性能數(shù)控機床，機器人等領(lǐng)域應(yīng)用的伺服電動機幾乎都需要配置光電式編碼器等位置反饋元件，其控制方式多采用矢量控制的方式。通過矢量控制的方法可以將交流伺服電動機建模成勵磁繞組和電樞繞組與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的直流電機，從而將直流調(diào)速系統(tǒng)的理論應(yīng)用到永磁同步伺服電機的控制中來獲得高性能的控制效果。
[0003]在永磁同步電機的矢量控制中，轉(zhuǎn)子磁極和定子的空間位置關(guān)系對于電機的穩(wěn)定運行具有重要的影響。因為在電機的啟動過程中，只有獲得轉(zhuǎn)子和定子的準(zhǔn)確的空間位置關(guān)系，這樣才能得到正確的電壓相量，從而得到合適的轉(zhuǎn)動力矩。若當(dāng)電機及驅(qū)動電源上電時，轉(zhuǎn)子相對于定子繞組的位置是任意的。根據(jù)電機的力矩公式，由于上電時轉(zhuǎn)子磁場的角度相對于定子繞組的角度Ginit無法確定，因而通常無法實現(xiàn)正常的位置和速度控制。如果隨意選擇磁場角度Θ作為初始值進(jìn)行控制可能導(dǎo)致電機的力矩非常小或者為零，還有可能是電機按照相反的方向轉(zhuǎn)動，這在某些場合會導(dǎo)致嚴(yán)重后果。目前，用于永磁同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)子位置的檢測方法主要有:旋轉(zhuǎn)變壓器法、光電編碼盤法(增量式和絕對式)、電機內(nèi)置位置傳感器法、無位置傳感器位置檢測法，這些方法中除旋轉(zhuǎn)變壓器法和絕對式光電編碼盤包含了電機轉(zhuǎn)子的初始位置信息，可以用作電機的上電初始定位外，其它方法都不能對永磁同步電機進(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，這在實際應(yīng)用對于電機內(nèi)置位置傳感器法，這種方法對電機的設(shè)計要求較高，需要在埋置電機定子繞組的同時埋設(shè)檢測繞組，不具有通用性。無位置傳感器位置檢測法是目前人們熱衷研究的問題，但是在永磁同步電機處于靜止或者電機剛剛上電時，在電機的定子繞組上沒有任何能夠反映電機轉(zhuǎn)子位置信息的信號，這些方法都不能用于永磁同步電機轉(zhuǎn)子的初始定位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改善而提出一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法。
[0005]本發(fā)明一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，包括如下步驟:
[0006](I)通過傳感器確定所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的所在區(qū)間[Q1，0h]，得到所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的初始位置O(O) = 0Q=(01+0h)/2，其中Q1是通過霍爾傳感器確定的所述伺服電機轉(zhuǎn)子六個電角度區(qū)間的上限值，911是通過霍爾傳感器確定的所述伺服電機轉(zhuǎn)子六個電角度區(qū)間的下限值，Qh-Q1 = 60°，θ。為轉(zhuǎn)子初始位置，下同；
[0007](2)采用二分法對所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行精確搜索:
[0008]a、選擇激勵信號激勵所述伺服電機，使所述伺服電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動；
[0009]b、采用增量式編碼器測量步驟a所述微動的增量A0k即兩次采樣周期中電機轉(zhuǎn)動角度的差值，下同；
[0010]C、根據(jù)步驟b所述微動的增量△ 0k得到所述伺服電機轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系即初始磁極位置。
[0011]步驟(I)所述傳感器采用霍爾位置傳感器。
[0012]步驟(2)所述微動指所述所述伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動I?2°。
[0013]步驟a所述激勵信號是根據(jù)步驟(I)所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的初始位置θο選取的，所述激勵信號為電流信號或電壓信號。
[0014]步驟c所述的根據(jù)步驟b所述微動的增量△0k得到所述伺服電機轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系的方法如下:
[0015]根據(jù)微動的增量A0k判斷出在當(dāng)前激勵信號的作用下，所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)；
[0016]A、當(dāng)微動的增量A0k大于0，則所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)，所述伺服電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置Θ處于[0Q，0h]之間，此時將所述伺服電機定子磁場逆時針旋轉(zhuǎn)(0Q-0h)/2，返回步驟a;
[0017]B、當(dāng)微動的增量A0k小于0，則所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是逆時針旋轉(zhuǎn)，所述伺服電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置Θ處于[Q1, θ。]之間，此時將所述伺服電機定子磁場順時針旋轉(zhuǎn)(θο-θΟ/2，返回步驟a;
[0018]C、當(dāng)微動的增量A0k等于O，則所述伺服電機停止轉(zhuǎn)動，所述伺服電機定子磁場方向和轉(zhuǎn)子磁極位置中心線重合，搜索過程結(jié)束。
[0019]本發(fā)明根據(jù)測量到的轉(zhuǎn)子位置信息、通過修正定子勵磁電流從而改變定子磁場的方向，并使定子磁場位置最終定位于轉(zhuǎn)子磁場方向，這一過程就獲得了關(guān)于轉(zhuǎn)子磁極位置的足夠信息。定位過程中定子磁場可能經(jīng)常出現(xiàn)左右擺動的現(xiàn)象，擺動的幅度越來越小，在左右擺動的范圍小于預(yù)先設(shè)定的閾值時可認(rèn)為初始轉(zhuǎn)子磁極位置搜索基本結(jié)束。首先通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測;然后采用二分法對磁極位置進(jìn)行精確搜索，選擇適當(dāng)?shù)碾娏飨蛄考铍姍C，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動;采用增量式編碼器測量微動的增量;獲得轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系。現(xiàn)有技術(shù)方法主要是通過增量式編碼器實現(xiàn)轉(zhuǎn)子初始磁極控制，與現(xiàn)有技術(shù)方法相比，本發(fā)明創(chuàng)新在于先通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測，確定當(dāng)前的電角度區(qū)間。然后在通過增量式編碼器，采用二分法對磁極位置進(jìn)行精確搜索，這樣可以大大加快對轉(zhuǎn)子磁極位置的搜索。
【附圖說明】
[0020]圖1為本發(fā)明方法流程圖；
[0021 ]圖2為初始上電時轉(zhuǎn)子磁通和定子勵磁電流；
[0022]圖3為轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通和定子位置關(guān)系；
[0023]圖4為轉(zhuǎn)子順時針對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通和定子位置關(guān)系；
[0024]圖5為轉(zhuǎn)子逆時針對應(yīng)于轉(zhuǎn)子磁通和定子位置關(guān)系。
【具體實施方式】
[0025]結(jié)合圖1、圖2、圖3、圖4、圖5敘述本發(fā)明的一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，包括下列步驟:
[0026]1、通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測；
[0027]矢量控制中關(guān)心的是初始電角度，根據(jù)霍爾傳感器輸出信號HU、Hff、HV的排列確定每60°電角度一個區(qū)間。具體使用時，通過1端口一次讀入3個信號，根據(jù)其排列可確定當(dāng)前所在電角度的區(qū)間。
[0028]2、采用二分法對磁極位置進(jìn)行精確搜索。
[0029](I)選擇適當(dāng)?shù)碾娏飨蛄考铍姍C，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動；
[0030](2)采用增量式編碼器測量微動的增量；
[0031](3)獲得轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系。其具體步驟為:
[0032]步驟1:通過霍爾位置傳感器確定的轉(zhuǎn)子磁極所在區(qū)間為[Q1Jh];
[0033]矢量控制中關(guān)心的是初始電角度，根據(jù)霍爾傳感器輸出信號HU、Hff、HV的排列確定每60°電角度一個區(qū)間。具體使用時，通過1端口一次讀入3個信號，根據(jù)其排列可確定當(dāng)前所在電角度的區(qū)間；
[0034]步驟2:記錄當(dāng)前轉(zhuǎn)子磁極的初始位置Φ (O) = θ0= (Θι+Θη)/2；
[0035]步驟3:按照θο給一電流指令矢量Id = Ise3, Iq = 0(其中Ise3為定子電流矢量，Id和Iq分別是Ise在兩相坐標(biāo)系d軸和q軸的分量，下同)；(激勵信號還可以采用電壓指令矢量，所述電壓指令矢量由所述電流指令矢量通過矢量變換得到)。
[0036]步驟4:在下一采樣周期中測量電機的轉(zhuǎn)動的角度0k，計算和前一次的差值:ΔQk= Qk-Qk-1 ；
[0037]步驟5:根據(jù)判斷A0k出在當(dāng)前電流矢量Iq(k)作用下，電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)；
[0038]a、當(dāng)Δ 0k大于0，則電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)，說明電機當(dāng)前Id產(chǎn)生的定子磁場牽引著轉(zhuǎn)子順時針方向旋轉(zhuǎn)，表示Θ處于[0Q，0h]之間，此時將定子磁場逆時針旋轉(zhuǎn)(θ0-0h)/2，再次按照進(jìn)行變換得出電流環(huán)指令，進(jìn)行電流環(huán)控制，在下一采樣周期中測量電機的轉(zhuǎn)動的角度Gk，仿照前步通過判斷電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)決定定子磁場轉(zhuǎn)向的角度，按照相似的規(guī)則重復(fù)直到細(xì)分程度滿足要求，或通過電機停轉(zhuǎn)判定出結(jié)束磁場角判定過程；
[0039]b、當(dāng)Δ 0k小于0，則電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是逆時針旋轉(zhuǎn)，說明電機當(dāng)前Id產(chǎn)生的定子磁場牽引著轉(zhuǎn)子逆時針方向旋轉(zhuǎn)，表示Θ處于[Q1, θ。]之間，此時將定子磁場順時針旋轉(zhuǎn)(θ0-θι)/2，再次按照進(jìn)行變換得出電流環(huán)指令，進(jìn)行電流環(huán)控制，在下一采樣周期中測量電機的轉(zhuǎn)動的角度Gk，仿照前步通過判斷電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)決定定子磁場轉(zhuǎn)向的角度，按照相似的規(guī)則重復(fù)直到細(xì)分程度滿足要求，或通過電機停轉(zhuǎn)判定出結(jié)束磁場角判定過程；
[0040]C、當(dāng)Δ 0k等于O，則電機停止轉(zhuǎn)動，說明當(dāng)前定子磁場方向和轉(zhuǎn)動子磁極位置中心線重合，搜索過程結(jié)束。
[0041]步驟6:反復(fù)測試后，得出轉(zhuǎn)子初始角度；
[0042]步驟7:初始定向結(jié)束，電機開始正常運行。
[0043]其中，Is為定子電流矢量，Id和Iq分別是Is在兩相坐標(biāo)系d軸和q軸的分量，為轉(zhuǎn)子磁極磁通，(K和A相軸線的夾角即轉(zhuǎn)子磁極的空間角0init，HU、Hff、HV為霍爾傳感器三相輸出信號，Θ為當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置，Θ。為轉(zhuǎn)子初始位置，01和011是通過霍爾傳感器確定的六個電角度區(qū)間的某一上限值和下限值，0^0: = 60° 乂為下一采樣周期中測量電機的轉(zhuǎn)動的角度，0k-1為前一次采樣周期中測量電機的轉(zhuǎn)動的角度，A 兩次采樣周期中電機轉(zhuǎn)動角度的差值。
【主權(quán)項】
1.一種矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，其特征在于包括如下步驟: (1)通過傳感器確定所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的所在區(qū)間[Q1，ΘΗ]，得到所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的初始位置O(O) = 0Q=(01+0h)/2，其中Q1是通過霍爾傳感器確定的所述伺服電機轉(zhuǎn)子六個電角度區(qū)間的上限值，9h是通過霍爾傳感器確定的所述伺服電機轉(zhuǎn)子六個電角度區(qū)間的下限值，Qh-Q1 = 60°，θο為轉(zhuǎn)子初始位置，下同； (2)采用二分法對所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極位置進(jìn)行精確搜索: a、選擇激勵信號激勵所述伺服電機，使所述伺服電機轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動； b、采用增量式編碼器測量步驟a所述微動的增量A0k即兩次采樣周期中電機轉(zhuǎn)動角度的差值，下同； C、根據(jù)步驟b所述微動的增量△ 到所述伺服電機轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系即初始磁極位置。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量控制永磁同伺服電機初始磁極位置搜索方法，其特征在于步驟(I)所述傳感器采用霍爾位置傳感器。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量控制永磁同伺服電機初始磁極位置搜索方法，其特征在于步驟(2)所述微動指所述所述伺服電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動I?2°。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，其特征在于步驟a所述激勵信號是根據(jù)步驟(I)所述伺服電機轉(zhuǎn)子磁極的初始位置θο選取的，所述激勵信號為電流信號或電壓信號。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的矢量控制永磁同步伺服電機初始磁極位置搜索方法，其特征在于步驟c所述的根據(jù)步驟b所述微動的增量△ 0k得到所述伺服電機轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關(guān)系的方法如下: 根據(jù)微動的增量A 0k判斷出在當(dāng)前激勵信號的作用下，所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)、逆時針旋轉(zhuǎn)還是停轉(zhuǎn)； A、當(dāng)微動的增量A0k大于O，則所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是順時針旋轉(zhuǎn)，所述伺服電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置Θ處于[θο，0h]之間，此時將所述伺服電機定子磁場逆時針旋轉(zhuǎn)(0『0h)/2，返回步驟a ； B、當(dāng)微動的增量A0k小于O，則所述伺服電機轉(zhuǎn)動的狀態(tài)是逆時針旋轉(zhuǎn)，所述伺服電機轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置Θ處于[Q1, θο]之間，此時將所述伺服電機定子磁場順時針旋轉(zhuǎn)(θ『θ0/2，返回步驟a ； C、當(dāng)微動的增量A0k等于0，則所述伺服電機停止轉(zhuǎn)動，所述伺服電機定子磁場方向和轉(zhuǎn)子磁極位置中心線重合，搜索過程結(jié)束。
【文檔編號】H02P21/08GK105915139SQ201610257974
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】劉維亭, 高翔
【申請人】江蘇科技大學(xué)