專利名稱：采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始位置的確定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種裝有增量式編碼器伺服系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)在60度電角度內(nèi)精確 確定電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的控制方法，屬于電機(jī)控制裝置制造技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
對(duì)交流永磁同步電機(jī)進(jìn)行伺服控制時(shí)，控制器控制定子三相電流合成磁 場(chǎng)的矢量方向。為了有效控制定子磁場(chǎng)矢量，需要對(duì)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行精確測(cè)量。
通常經(jīng)濟(jì)而有效的方法是在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝增量式編碼器，用編碼器輸出 脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化。但該方法中，控制器的控制計(jì)算機(jī)需要
先得到轉(zhuǎn)子的初始位置，再根據(jù)編碼器送來的A、 B脈沖才能確定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的
方向和已轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。在系統(tǒng)首次通電時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子的絕對(duì)位置是不確定的。 使用這類控制器在初始上電時(shí)，只能讓電機(jī)先旋轉(zhuǎn)起來，當(dāng)控制器接受到編
碼器送來的z脈沖時(shí)，控制器才能確認(rèn)轉(zhuǎn)子位置初始點(diǎn)，也就是說才能開始 對(duì)定子磁場(chǎng)矢量開始進(jìn)行控制。在電機(jī)制造時(shí)，編碼器的Z脈沖，即編碼器 的零位脈沖，均準(zhǔn)確定位于轉(zhuǎn)子磁極的特征位置，每個(gè)廠家對(duì)Z脈沖的標(biāo)識(shí) 位置不同， 一般為第一相的90電角度之后，如第一相的150度電角度或180 度電角度。電機(jī)首次上電時(shí)，轉(zhuǎn)子可能需要轉(zhuǎn)過360度的機(jī)械角度才能尋找 到零點(diǎn)，接受到編碼器的Z脈沖，開始正常的控制。在此之前增量式編碼器 不能給出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)，這就造成了電機(jī)難以起動(dòng)的問題。當(dāng)永磁無刷直 流電機(jī)采用增量式編碼器作為位置反饋時(shí)，也存在同樣的起動(dòng)問題。如不能 精確定位轉(zhuǎn)子磁極位置則在控制電機(jī)起動(dòng)時(shí)會(huì)引起轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)也就是轉(zhuǎn)速不 穩(wěn)，通常在低端交流伺服產(chǎn)品對(duì)起動(dòng)的要求不高，而在高端伺服產(chǎn)品中要求 起動(dòng)平穩(wěn)。
目前采用增量式編碼器確定電機(jī)起動(dòng)時(shí)磁極初始位置也有一些方法，如 普遍采用的利用霍爾信號(hào)U、 V、 W控制電機(jī)起動(dòng)，直到編碼器的Z信號(hào)出 現(xiàn)才能精確確定磁極位置的方法，這樣在第一個(gè)Z信號(hào)出現(xiàn)前的控制算法是 依據(jù)霍爾信號(hào)估計(jì)磁極位置，從而影響伺服系統(tǒng)的起動(dòng)性能；還有根據(jù)霍爾信號(hào)U、 V、 W的六個(gè)狀態(tài)內(nèi)結(jié)合編碼器A、 B信號(hào)來進(jìn)行磁極位置定位，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度電角度分為六個(gè)相等的區(qū)間，每個(gè)區(qū) 間為360+6=60度電角度，盡管較前一種有了較大改善，但是還不能更加精 確確定磁極位置，例如中國(guó)專利ZL 200410022610.8介紹了一種交流永磁同步 電機(jī)控制系統(tǒng)首次上電時(shí)轉(zhuǎn)子的定位方法，該專利通過增量式編碼器發(fā)出的 U、 V、 W信號(hào)狀態(tài)，確定電機(jī)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)矢量初始位于哪一個(gè)區(qū)間，此時(shí)，取 該區(qū)間的中點(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 三相繞組輸出相應(yīng)矢量方向的電流，確保電機(jī)達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩。但是此專利只 是將發(fā)出狀態(tài)改變的U、 V、 W信號(hào)與定子三相繞組輸出相應(yīng)矢量方向的電流 相對(duì)應(yīng)，并沒有計(jì)算出轉(zhuǎn)子磁極的初始角度，這樣，在以后的運(yùn)行過程中要 不停的重復(fù)上述過程，不停的采集U、 V、 W信號(hào)以獲得控制定子三相繞組輸 出相應(yīng)矢量方向的電流的相關(guān)的數(shù)據(jù)，工作量大，占用大量的內(nèi)存去處理這 一個(gè)事件。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是解決目前永磁電機(jī)利用增量式編碼器在起動(dòng)時(shí)不能精確 確定磁極初始位置的問題，提供一種采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始 位置的確定方法。本發(fā)明采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始位置的確定方法，安裝帶 有霍爾信號(hào)U、 V、 W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖的 數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)信 號(hào)，共有六個(gè)電子狀態(tài)，101、 100、 110、 010、 011、 001，表征電機(jī)轉(zhuǎn)子電 角度位置的為六個(gè)等距區(qū)間，每個(gè)區(qū)間60度電角度；增量式編碼器的Z信號(hào) 標(biāo)識(shí)在U相的a度電角度處，在初始上電電機(jī)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)了不大于60 度電角度，跨過了由霍爾信號(hào)U、 V、 W表征的電角度區(qū)間時(shí)，霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)發(fā)生第一次躍變，所述霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)的第一次躍變?yōu)榈?1對(duì) 第P對(duì)磁極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或w下降沿，控制器根據(jù)所述霍爾信號(hào)U、 V、 w狀態(tài)的第一次躍變信息確 定發(fā)生霍爾信號(hào)U、 V、 w狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁極與z信號(hào)位置的相對(duì)電角度，繼而獲得了霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極與z信號(hào)位置的相對(duì)A或B脈沖的數(shù)量，確定了磁極的初始位置。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是在60度電角度內(nèi)確定磁極的初始位置，誤差在士30度 電角度之內(nèi)，而且確定初始位置之后，不用再采集U、 V、 W霍爾信號(hào)就可以 輕松利用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖控制電機(jī)的運(yùn)行。


圖1是是三相多極電機(jī)的線電壓u-v、 v-w和w-v的電壓波形、增量式 編碼器U、 V、 w信號(hào)躍變時(shí)與增量式編碼器輸出z信號(hào)間的位置關(guān)系圖。
具體實(shí)施方式
具體實(shí)施方式
一下面結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始位置的確定方法，安裝帶有霍爾信號(hào)u、V、 W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子 位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)信號(hào)，共有六個(gè)電 子狀態(tài)，101、 100、 110、 010、 011、 001，表征電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度位置的為六 個(gè)等距區(qū)間，每個(gè)區(qū)間60度電角度；增量式編碼器的Z信號(hào)標(biāo)識(shí)在U相的a 度電角度處，在初始上電電機(jī)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)了不大于60度電角度，跨過 了由霍爾信號(hào)U、 V、 W表征的電角度區(qū)間時(shí)，霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)發(fā)生 第一次躍變，所述霍爾信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)的第一次躍變?yōu)榈?對(duì) 第P對(duì)磁 極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或W下降沿，控制器根據(jù)所述霍爾信號(hào)U、 V、 w狀態(tài)的第一次躍變信息確定發(fā)生霍爾信號(hào) U、 V、 w狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁極與z信號(hào)位置的相對(duì)電角度，繼 而獲得了霍爾信號(hào)u、 V、 w狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極與z信號(hào)位置的相對(duì)A或B脈沖的數(shù)量，確定了磁極的初始位置。在電機(jī)轉(zhuǎn)子上安裝普通增量式編碼器，用其輸出的A、 B脈沖的數(shù)量來表 征轉(zhuǎn)子位置的變化。同時(shí)在電機(jī)制造時(shí)預(yù)先安裝轉(zhuǎn)子磁極位置的感應(yīng)霍爾元 件并配備普通增量式編碼器，或者安裝配套帶有U、 V、 W信號(hào)的特種增量式 編碼器。如圖l所示，霍爾元件或編碼器送出的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，表征電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度位置的 為六個(gè)等距區(qū)間，每個(gè)區(qū)間為360+6=60度電角度。Z信號(hào)標(biāo)識(shí)在U相的a度電角度處，U、 V、 W的躍變信號(hào)與Z信號(hào)位 置之間的相對(duì)關(guān)系是確定的，因?yàn)樵谝粚?duì)轉(zhuǎn)子磁極下霍爾信號(hào)U、 V、 W信號(hào) 發(fā)生的六次躍變位置是固定的:U上升沿事件發(fā)生在U-V電壓30度電角度處， U下降沿事件滯后其180度電角度，發(fā)生在U-V電壓210度電角度處；V上 升沿事件發(fā)生在U-V電壓150度電角度，V下降沿事件滯后其180度電角度， 發(fā)生在U-V電壓330度電角度處；W下降沿事件發(fā)生在U-V電壓90度電角 度，U上升沿事件滯后其180度電角度，發(fā)生在U-V電壓270度電角度處； 因此，標(biāo)識(shí)在U相的a度電角度處的Z信號(hào)位置與霍爾信號(hào)U、 V、 W信號(hào) 發(fā)生的六次躍變位置是確定的。如設(shè)定a =180度電角度，則在第一對(duì)磁極下的U上升沿超前Z信號(hào)150 度電角度，U下降沿滯后Z信號(hào)30度電角度，V上升沿超前Z信號(hào)30度電 角度，V下降沿滯后Z信號(hào)150度電角度，W上升沿滯后Z信號(hào)90度電角度， W下降沿超前Z信號(hào)90度電角度。根據(jù)電機(jī)結(jié)構(gòu)及電氣的對(duì)稱關(guān)系，第二對(duì) 磁極下的相應(yīng)的U、V、W的六次躍變相對(duì)于第一對(duì)磁極下的滯后360電角度， 以此類推，可得出P對(duì)磁極下的U、 V、 W的躍變與Z信號(hào)的位置關(guān)系，用 電角度表示。本實(shí)施方式所用增量式編碼器為L(zhǎng)線，因?yàn)槲覀僓、 V、 W的上升沿和 下降沿都應(yīng)用了，即此時(shí)增量式編碼器為四倍頻，則本實(shí)施方式的增量式編 碼器輸出的A或B脈沖數(shù)為4L，電機(jī)轉(zhuǎn)子一周的機(jī)械角度360對(duì)應(yīng)的電角度 360P，則每個(gè)A或B的脈沖對(duì)應(yīng)的電角度為360P/4L。電機(jī)起動(dòng)，轉(zhuǎn)子跨越了不同電角度區(qū)間時(shí)，即轉(zhuǎn)過一個(gè)不大于60度的電 角度時(shí)，必然要越過U、 V、 W狀態(tài)的一次躍變。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，控制器立即根據(jù)U、 V、 W狀態(tài)的變化計(jì)算出發(fā)生躍變的位置相對(duì)于Z信號(hào)的電角度，然后根據(jù) 每度電角度與A或B脈沖數(shù)量的對(duì)應(yīng)關(guān)系計(jì)算出A或B脈沖數(shù)，即獲得了電 機(jī)起動(dòng)時(shí)的初始位置，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， 電機(jī)即由初始上電運(yùn)行進(jìn)入正常精確定位運(yùn)行?？刂齐姍C(jī)平穩(wěn)起動(dòng)。轉(zhuǎn)子精確定位前轉(zhuǎn)過的機(jī)械角度不大于60度的P分之一。轉(zhuǎn)子磁極的初始位置被確定后，在沒有轉(zhuǎn)過一周檢測(cè)到Z信號(hào)的情況下，Z信號(hào)的位置也已經(jīng)被計(jì)算確定，在后續(xù)的轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)過程中一直被使用，而不
再用不停地檢測(cè)U、 V、 W的信號(hào)就可以通過增量式編碼器輸出的A、 B脈沖 控制電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。
本發(fā)明綜合利用霍爾信號(hào)U、 V、 W的狀態(tài)和信號(hào)躍變產(chǎn)生的事件、編碼 器信號(hào)A、 B、 Z中Z信號(hào)與U、 V、 W信號(hào)躍變點(diǎn)間的位置關(guān)系、Z信號(hào)與 反電動(dòng)勢(shì)的位置關(guān)系、多極電機(jī)U、 V、 W相位的對(duì)稱關(guān)系，對(duì)于多極電機(jī)， 在U、 V、 W任一信號(hào)躍變時(shí)即可精確獲得與Z信號(hào)對(duì)稱的轉(zhuǎn)子磁極位置； 對(duì)于兩極電機(jī)，在U、 V、 W任一信號(hào)躍變時(shí)即可精確獲得轉(zhuǎn)子磁極位置。因 為U、 V、 W信號(hào)在360度電角度內(nèi)共產(chǎn)生六次躍變，所以，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn) 在60度電角度內(nèi)精確確定轉(zhuǎn)子磁極位置。
本發(fā)明只需要三個(gè)霍爾信號(hào)的一次躍變事件，就可以對(duì)轉(zhuǎn)子磁極進(jìn)行精 確定位，避免了在控制電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)且在未獲得Z信號(hào)之前，時(shí)刻檢測(cè)霍爾 信號(hào)U、 V、 W狀態(tài)信息的CPU的大量工作。
現(xiàn)在給出一個(gè)具體的實(shí)施例，以6極(3對(duì)極，P-3)永磁電機(jī)為例說明本 發(fā)明方法(參見圖l)，光電編碼器線數(shù)I^2400， a480度電角度
將A、 B信號(hào)4倍頻后360度機(jī)械角度的線數(shù)為4L=4X2400=9600線。
則每個(gè)A或B信號(hào)的脈沖對(duì)應(yīng)的電角度為360P/4L=(360X 3)/9600=0.1125 度電角度。
如電機(jī)運(yùn)行后檢測(cè)霍爾信號(hào)U、 V、 W發(fā)生在第一次躍變事件為第一對(duì)磁 極下的U下降沿事件，因此事件位置與Z信號(hào)位置的相對(duì)電角度為30度電角 度，因此對(duì)應(yīng)的A或B脈沖數(shù)為30/0.1125=367線。
獲得了此脈沖數(shù)即可以通過增量式編碼器輸出的A或B脈沖控制電機(jī)運(yùn) 轉(zhuǎn)，達(dá)到了沒有獲得Z信號(hào)的時(shí)候而有獲得Z信號(hào)后一樣的控制效果。
如檢測(cè)霍爾信號(hào)U、 V、 W的第一次躍變事件為其它磁極下的事件，根據(jù) 前面所述的各事件與Z信號(hào)位置的相對(duì)關(guān)系可輕松獲得發(fā)生躍變事件位置， 即轉(zhuǎn)子磁極的初始位置。
權(quán)利要求
1、采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始位置的確定方法，安裝帶有霍爾信號(hào)U、V、W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、B脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)信號(hào)，共有六個(gè)電子狀態(tài)，101、100、110、010、011、001，表征電機(jī)轉(zhuǎn)子電角度位置的為六個(gè)等距區(qū)間，每個(gè)區(qū)間60度電角度；增量式編碼器的Z信號(hào)標(biāo)識(shí)在U相的α度電角度處，其特征在于在初始上電電機(jī)運(yùn)行后，轉(zhuǎn)子運(yùn)轉(zhuǎn)了不大于60度電角度，跨過了由霍爾信號(hào)U、V、W表征的電角度區(qū)間時(shí)，霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)發(fā)生第一次躍變，所述霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)的第一次躍變?yōu)榈?對(duì)～第P對(duì)磁極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或W下降沿，控制器根據(jù)所述霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)的第一次躍變信息確定發(fā)生霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子磁極與Z信號(hào)位置的相對(duì)電角度，繼而獲得了霍爾信號(hào)U、V、W狀態(tài)的第一次躍變對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)子磁極與Z信號(hào)位置的相對(duì)A或B脈沖的數(shù)量，確定了磁極的初始位置。
全文摘要
采用增量式編碼器的永磁電機(jī)磁極初始位置的確定方法，涉及一種裝有增量式編碼器伺服系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)在60度電角度內(nèi)精確確定電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的控制方法，目的是為解決目前永磁電機(jī)利用增量式編碼器在起動(dòng)時(shí)不能精確確定磁極初始位置的問題。本發(fā)明在轉(zhuǎn)子運(yùn)行不到60度電角度內(nèi)采集霍爾信號(hào)U、V、W的一次躍變信息，利用系統(tǒng)增量式編碼器的反饋信息和電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相位間的關(guān)系以及多極電機(jī)的結(jié)構(gòu)和電氣上的對(duì)稱關(guān)系實(shí)現(xiàn)磁極的精確定位，將上述霍爾信號(hào)U、V、W發(fā)生躍變事件位置與Z信號(hào)位置之間的電角度換算成對(duì)應(yīng)增量式編碼器的線數(shù)關(guān)系，以通過增量式編碼器輸出的A、B脈沖數(shù)控制電機(jī)運(yùn)行。在要求起動(dòng)平穩(wěn)的交流伺服產(chǎn)品中起到了很大的作用。
文檔編號(hào)H02P6/00GK101409523SQ20081020958
公開日2009年4月15日 申請(qǐng)日期2008年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月1日
發(fā)明者嚴(yán)偉燦, 衛(wèi)愛平, 康爾良 申請(qǐng)人:哈爾濱理工大學(xué)