專利名稱：一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位新方法，方法簡(jiǎn)單，精度高。
背景技術(shù)：
永磁同步電機(jī)功率密度高，效率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，定位精確，這些優(yōu)點(diǎn)使得永磁同步電機(jī)作為交流伺服電機(jī)在位置伺服控制系統(tǒng)中已經(jīng)日益受到廣泛的重視和應(yīng)用。在位置伺服控制系統(tǒng)中，永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子位置角是很重要的控制信息，沒(méi)有位置角就難以確定定子繞組的控制狀態(tài)，電機(jī)就可能發(fā)生速度振蕩甚至失步，更談不上實(shí)現(xiàn)高精度位置伺服控制。然而，由于轉(zhuǎn)子存在永磁，磁極在轉(zhuǎn)速為O時(shí)的位置是隨機(jī)不確定的，除了旋轉(zhuǎn)變壓器和絕對(duì)式光電編碼器等位置傳感器能夠確定轉(zhuǎn)子初始位置角外，就是增量式光電編碼盤(pán)這樣高精度的位置傳感器也不能判斷轉(zhuǎn)子靜止時(shí)的位置角，因此永磁同 步電機(jī)初始轉(zhuǎn)子位置角的確定是十分關(guān)鍵的。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置角的確定通常使用脈沖電壓注入法。定子繞組輸入脈沖電壓產(chǎn)生固定位置的定子電樞磁場(chǎng)，從而強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子永磁磁極與定子磁場(chǎng)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)整步。這類方法適用于空載或輕載情況下轉(zhuǎn)子初始位置的校正。但是，對(duì)于增量碼盤(pán)這樣的位置傳感器，測(cè)得的轉(zhuǎn)子位置為相對(duì)位置，得不到其絕對(duì)位置。常用的方法是在驅(qū)動(dòng)電機(jī)之前用手動(dòng)的方法轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)，使增量碼盤(pán)找到零位脈沖信號(hào)，然后清零脈沖數(shù)，使增量碼盤(pán)的零位對(duì)應(yīng)電機(jī)的零位。這種使用手動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的方法，依賴于人工協(xié)助，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制的全自動(dòng)。因此，研究如何使用控制器而非手動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位以及如何提聞定位精度具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明實(shí)施例提供一種簡(jiǎn)單而高精度的永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題。一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，包括以下步驟—、使用方波驅(qū)動(dòng)和霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)首先根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令給定值以及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速指令再利用轉(zhuǎn)子位置傳感器霍爾元件檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變化估算出轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，并得到轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)Λ ω = ωΓ-ω ；然后利用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器計(jì)算電流參考指令值^ ;同時(shí)采樣電流值I ;接著計(jì)算電流誤差信號(hào)ΛΙ = 1「1，利用電流PI調(diào)節(jié)確定功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的占空比；最后根據(jù)霍爾元件信號(hào)以及指令電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的正負(fù)確定定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運(yùn)行；電機(jī)啟動(dòng)之后，電機(jī)側(cè)的增量碼盤(pán)找到零位脈沖信號(hào)后，記錄下此時(shí)的脈沖數(shù)；隨后清零脈沖數(shù)，使增量碼盤(pán)的零位對(duì)應(yīng)電機(jī)的零位；二、進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位在正弦波驅(qū)動(dòng)控制器中，給定定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)中的電壓指令信號(hào)的Ua為一恒定值、U0為零，此時(shí)電機(jī)將自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到某一極的邊緣，并在此邊緣上鎖緊不動(dòng)，即強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子永磁磁極與定子磁場(chǎng)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)整步；得到此時(shí)增量碼盤(pán)的脈沖數(shù)MO，由此得到電機(jī)每個(gè)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的脈沖數(shù)范圍，然后將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度，得到電機(jī)每個(gè)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的機(jī)械角度范圍，完成了初始位置定位。優(yōu)選地，在所述進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位的步驟中，當(dāng)?shù)玫睫D(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)得的碼盤(pán)脈沖數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度，根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置定位得到的極對(duì)數(shù)定位即可確定此位置屬于電機(jī)的哪一磁極范圍內(nèi)；然后將此機(jī)械角度減去此磁極范圍內(nèi)初始位置的機(jī)械角度，再乘以極對(duì)數(shù)，即得到此時(shí)轉(zhuǎn)子位置的電角度，此電角度可用于永磁同步電機(jī)的矢量控制中，進(jìn)行正弦波驅(qū)動(dòng)。本發(fā)明還提供了一種永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)、霍爾元件、增量碼盤(pán)、制動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器和正弦波驅(qū)動(dòng)控制器；其中，所述霍爾元件用于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息，所述碼盤(pán)用于正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息和速度信 息，所述制動(dòng)器用于電機(jī)定位時(shí)的鎖緊，所述旋轉(zhuǎn)變壓器用于檢測(cè)所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置信息；其中，所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置定位過(guò)程被配置為包括以下步驟一、采用方波驅(qū)動(dòng)的方式和霍爾元件檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)；二、進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子初始位置定位方法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)從啟動(dòng)到運(yùn)轉(zhuǎn)的全自動(dòng)，不需要外力或人工啟動(dòng)，同時(shí)方法簡(jiǎn)單，精確度高，這種定位方法在電機(jī)控制中具有以下有益效果I.本發(fā)明方法簡(jiǎn)單，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)；2.電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位精度高。


圖I是永磁同步電機(jī)的正弦波驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)框圖。圖2是電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位流程圖。圖3是正弦波驅(qū)動(dòng)中反饋的碼盤(pán)脈沖值轉(zhuǎn)換為電角度流程圖。
具體實(shí)施例方式圖I是根據(jù)本發(fā)明的永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)由永磁同步電機(jī)、霍爾元件，增量碼盤(pán)，制動(dòng)器，旋轉(zhuǎn)變壓器和正弦波驅(qū)動(dòng)控制器組成。其中霍爾元件用于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息；碼盤(pán)用于正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息和速度信息；制動(dòng)器用于電機(jī)定位時(shí)的鎖緊；旋轉(zhuǎn)變壓器用于檢測(cè)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位
置信息。假設(shè)所用永磁同步電機(jī)為N對(duì)極，增量碼盤(pán)為M線，倍頻數(shù)為k。電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位包括兩個(gè)步驟，第一，采用方波驅(qū)動(dòng)的方式和霍爾元件檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)；第二，電機(jī)極對(duì)數(shù)定位。電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位具體流程圖如圖2所示首先，將電機(jī)使用方波驅(qū)動(dòng)的方式啟動(dòng)起來(lái)，此時(shí)使用的轉(zhuǎn)子位置傳感器為霍爾元件。方波驅(qū)動(dòng)流程如下根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令給定值以及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速指令再利用轉(zhuǎn)子位置傳感器霍爾元件檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變化估算出轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，并得到轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)Λ ω = ωΓ-ω ;然后利用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器計(jì)算電流參考指令值同時(shí)采樣電流值I ;接著計(jì)算電流誤差信號(hào)ΛΙ = 1「1，利用電流PI調(diào)節(jié)確定功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的占空比；最后根據(jù)霍爾元件信號(hào)以及指令電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的正負(fù)確定定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運(yùn)行。電機(jī)啟動(dòng)起來(lái)之后，電機(jī)側(cè)的碼盤(pán)找到零位脈沖信號(hào)(Z脈沖信號(hào))后，記錄下此時(shí)的脈沖數(shù)。清零脈沖數(shù)，使碼盤(pán)的零位對(duì)應(yīng)電機(jī)的零位，此時(shí)，增量碼盤(pán)可以當(dāng)作絕對(duì)位置傳感器使用。然后進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)，對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位。在傳統(tǒng)的電機(jī)極對(duì)數(shù)定位中，采用閉環(huán)控制的方法，即給定q軸電流為一恒定值，d軸電流id為0，電角度0^為-90°。通過(guò)電流傳感器反饋的電流信號(hào)，計(jì)算出q軸和d軸的電流誤差，通過(guò)電流環(huán)電流調(diào)節(jié)器，使電機(jī)旋轉(zhuǎn)到某一極邊緣，鎖緊不動(dòng)。在本發(fā)明中，提出了更加簡(jiǎn)單和可靠的開(kāi)環(huán)控制的方法。根據(jù)定子電壓在轉(zhuǎn)子dqO坐標(biāo)系統(tǒng)中的方程和反Park變換矩陣，如下式所示，由給定q軸電流i,為一恒定值，d軸電流id為0，電角度Θ為-90°可以推導(dǎo)出給定電壓指令信號(hào)Ua為一恒定值，Ue為O。
由= N，id = 0，θ = -90°，電機(jī)角速度ω = 0，經(jīng)由下式可得Ud = O, Uq =(Rs+pXLq) XN0 Rs, p, Ltl均為常數(shù)?？芍琔d為O, Utl為一!'亙定常數(shù),設(shè)為Niq
權(quán)利要求
1.一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位方法，其特征在于，包括以下步驟 一、使用方波驅(qū)動(dòng)和霍爾元件反饋的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)首先根據(jù)外部模擬量輸入轉(zhuǎn)速指令給定值以及轉(zhuǎn)向要求確定轉(zhuǎn)速指令ωρ再利用轉(zhuǎn)子位置傳感器霍爾元件檢測(cè)到的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)變化估算出轉(zhuǎn)子實(shí)際轉(zhuǎn)速ω，并得到轉(zhuǎn)速誤差信號(hào)Λ ω = ωΓ-ω ;然后利用轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器計(jì)算電流參考指令值^ ;同時(shí)采樣電流值I ;接著計(jì)算電流誤差信號(hào)ΔΙ = 1「1，利用電流PI調(diào)節(jié)確定功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通的占空比；最后根據(jù)霍爾元件信號(hào)以及指令電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的正負(fù)確定定子繞組控制邏輯，輸出相應(yīng)的PWM波形，使得轉(zhuǎn)子按照控制的要求運(yùn)行；電機(jī)啟動(dòng)之后，電機(jī)側(cè)的增量碼盤(pán)找到零位脈沖信號(hào)后，記錄下此時(shí)的脈沖數(shù)；隨后清零脈沖數(shù)，使增量碼盤(pán)的零位對(duì)應(yīng)電機(jī)的零位； 二、進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位在正弦波驅(qū)動(dòng)控制器中，給定定子靜止兩相坐標(biāo)系統(tǒng)中的電壓指令信號(hào)的Ua為一恒定值、U0為零，此時(shí)電機(jī)將自動(dòng)旋轉(zhuǎn)到某一極的邊緣，并在此邊緣上鎖緊不動(dòng)，即強(qiáng)迫轉(zhuǎn)子永磁磁極與定子磁場(chǎng)對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)整步；得到此時(shí)增量碼盤(pán)的脈沖數(shù)MO，由此得到電機(jī)每個(gè)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的脈沖數(shù)范圍，然后將脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度，得到電機(jī)每個(gè)磁極轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)的機(jī)械角度范圍，完成了初始位置定位。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，在所述進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位的步驟中，當(dāng)?shù)玫睫D(zhuǎn)子位置傳感器測(cè)得的碼盤(pán)脈沖數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)換成機(jī)械角度，根據(jù)轉(zhuǎn)子初始位置定位得到的極對(duì)數(shù)定位即可確定此位置屬于電機(jī)的哪一磁極范圍內(nèi)；然后將此機(jī)械角度減去此磁極范圍內(nèi)初始位置的機(jī)械角度，再乘以極對(duì)數(shù)，即得到此時(shí)轉(zhuǎn)子位置的電角度，此電角度可用于永磁同步電機(jī)的矢量控制中，進(jìn)行正弦波驅(qū)動(dòng)。
3.一種永磁同步電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，包括永磁同步電機(jī)、霍爾元件、增量碼盤(pán)、制動(dòng)器、旋轉(zhuǎn)變壓器和正弦波驅(qū)動(dòng)控制器；其中，所述霍爾元件用于電機(jī)轉(zhuǎn)子初始定位時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息，所述碼盤(pán)用于正弦波驅(qū)動(dòng)時(shí)檢測(cè)電機(jī)的位置信息和速度信息，所述制動(dòng)器用于電機(jī)定位時(shí)的鎖緊，所述旋轉(zhuǎn)變壓器用于檢測(cè)所述伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的位置信息；其特征在于，所述永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子初始位置定位過(guò)程被配置為包括以下步驟 一、采用方波驅(qū)動(dòng)的方式和霍爾元件檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)； 二、進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置定位的方法，首先采用方波驅(qū)動(dòng)的方式和霍爾元件檢測(cè)的轉(zhuǎn)子位置信息啟動(dòng)電機(jī)，隨后進(jìn)入正弦波驅(qū)動(dòng)并對(duì)電機(jī)極對(duì)數(shù)進(jìn)行定位。本發(fā)明的轉(zhuǎn)子初始位置定位方法可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)從啟動(dòng)到運(yùn)轉(zhuǎn)的全自動(dòng)，不需要外力或人工啟動(dòng)，同時(shí)方法簡(jiǎn)單，精確度高。
文檔編號(hào)H02P6/20GK102938628SQ201110262488
公開(kāi)日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者蔣志宏, 李丹鳳, 黃強(qiáng), 李輝 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)