专利名称：一种利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及旋转角度的定位技术，尤其是一种利用旋转编码器直接输出绝对位置的角度定位系统，属于自动控制机、电一体化的技术领域。
背景技术：
在目标跟踪定位的控制系统中，常常会遇到旋转角度的定位问题，通常这种系统包括以下几部分位置给定、驱动控制、执行电机、目标位置、位置锁定以及位置反馈(如图I)。系统的驱动执行电动机对目标跟踪控制的锁定制动方法分为两种一种是直流电动机驱动控制(见图2):图2 Ca)是直流电动机的模型，电枢引出导线a，b，通入电枢的脉冲电压为Uab波形见图2 (b)。图2表示的是当直流电压通过a，b端将脉冲电压Uab输入直流电动机的电枢时，直流电动机驱动系统就实现了位置锁定。在图2的直流电动机位置控制的系统中，由控制器对直流电动机的电枢回路输入一个正负(土U)变化的脉振电压Uab,这·个脉振电压通过直流电动机的电枢形成一个正负变化的脉冲电流，这个正负变化的脉冲电流，使电动机输出正负交替变化的正负脉冲转矩，这个脉冲转矩将对负载位置进行正反向的制动锁定。另一种是二相交流异步电动机的驱动控制(见图3)。图3 (a)是二相交流电动机的模型，三相交流异步电动机的定子A相引出线A-x出相引出线B_y ;(相引出线C-Z0三相交流异步电动机三相绕组的任一相通入直流电压(电流),交流异步电动机也可实现位置锁定。在图3的交流异步电动机位置控制的系统中，由控制器对三相交流异步电动机的三相定子绕组中的任意一相(如A相A-x)通入直流电压UAx (图3 (b))，这个直流电压通过定子绕组形成直流电流，这个通过直流电流的定子绕组将产生一个固定的直流电磁场，直流电磁场对转子进行制动，从而实现对负载位置的锁定。在以上的位置锁定的方法中，驱动电动机可以在任意位置制动，但都无法对位置辨认，所以必须由位置传感器将位置信号反馈给系统，系统根据接收到的反馈值确定目标，并根据反馈的位置值发出指令给执行电动机，执行电动机按照系统指令向着目标方向旋转进行调整，当系统接收到目标位置与给定位置相等时，系统将发出位置锁定信号，锁定在目标位置上，完成目标定位。因交流同步电动机的转子是磁性的，采用单相直流制动时，转子都是锁定在同一个位置上，锁定位置不可变。所以不被采用。以上的控制方法除了交流同步电动机，都能够较好的实现系统位置驱动及锁定的控制，但是由于系统的位置完全依赖于位置反馈检测的信号，根据检测结果进行定位及目标追踪控制。因跟踪定位控制系统的制动，是用单方向的磁场锁定而实现的。以上的控制方法在实际系统运行过程中还存在以下问题
(I)目标跟踪定位控制系统的驱动执行电动机(直流电动机采用的是高速正反向平衡转矩，三相交流异步电动机采用单向绕组通电)采用的均为单向磁场定位法锁定角度。所以，电动机本身都没有认知位置的能力。(2)控制系统完全依赖位置反馈信号发出指令进行制动定位，一旦反馈信号出错，系统位置将随之出错。
(3)现代控制技术对直流定位控制系统采用PWM (脉宽调速)控制，电动机锁定电压是通过脉冲电压实现，由脉冲电压产生的转矩是正负变化的，执行电动机在驱动低惯性负载，尤其是空载运行时，往往系统会伴随抖动现象。(4)在系统逼近目标时，对于控制电动机要求更高，系统可能因出现爬行而错误的反馈位置信号，使得目标位置控制出错。(5) 每次开机时都必须将系统归至零位，系统要有一个复位的过程，对于快速跟踪系统，无疑是一个及不方便的控制。(6)执行电机不具备自锁能力需不断的调整正反向旋转的位置获得逼近目标并锁定的目的，锁定是一个动态过程。(7)目前用简单可靠的定位方法实现准确的绝对位置定位还是一个较难解决的问题。
发明内容
本发明提供一种利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统及其方法，将现有位置驱动控制系统的脉振磁场定位改进设计为合成磁场多点定位。本发明采取的技术方案是
一种利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统，其特征是设有作为位置信号发生器的三相正弦波位置编码器、含有三对差分输入、互补输出的功率放大器的三相驱动控制器以及三相永磁同步电动机，三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的三对正弦波差分信号分别连接三对差分输入、互补输出的功率放大器，三对差分输入、互补输出功率放大器的输出分别连接三相永磁同步电动机的三相电源输入端。所述三对差分输入、互补输出的功率放大器的结构相同，每对差分输入、互补输出的功率放大器均包括两个NPN三极管，其中一个三极管的集电极连接电源VCC正端，基极连接三相正弦波位置编码器输出的其中一相正弦波的正半周信号，发射极与另外一个三极管的集电极互连，另外一个三极管的发射极连接电源VCC负端，基极连接同相正弦波的负半周信号，两三极管之间的发射极与集电极互连端连接三相永磁同步电动机其中一相的定子线圈，另外两对差分输入、互补输出的功率放大器中两三极管的发射极与集电极互连端分别连接三相永磁同步电动机另外两相的定子线圈。根据交流同步电动机的自然机械特性，采用交流旋转磁场的理论，将原有的通入一相线圈产生的单向直流磁场，改变为在同一圆周上同时供给三相的磁场，利用永磁同步电动机的定子磁场与转子磁场的直接磁性偶合，产生一个固定的定位磁场，实现位置磁场的直接锁定，具体方法是三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的三对正弦位置差分信号分别给三个差分输入、互补输出的功率放大器进行放大后输出三个之间相位互差120°的三相电流分别给三相永磁同步电动机的三相定子线圈，产生三个不同方向的定子磁场，并合成为一个方向磁场与三相永磁同步电动机的永磁转子磁性偶合，转子将按照同性相斥异性相吸的原理旋转至由定子磁场指定的位置并锁定。本发明的优点及显着效果本发明采用交流旋转磁场的理论，将原来的通入一相线圈产生的单向直流磁场，改变为在同一圆周上同时供给三个方向(三相)的磁场，利用永磁同步电动机的定子磁场与转子磁场的直接磁性偶合，产生一个固定的定位磁场，实现位置磁场的直接锁定。定位锁定的三相线圈的锁定电压按照正弦交流电的电压变化规律，线性的改变三个方向驱动磁场的大小数值，位置磁场的方向将发生变化，三个方向磁场合成后的位置磁场直接对同步电机转子进行控制。因交流同步电动机在自然状态下运行，就具备的磁场定位特性(因为定、转子均有磁场)，只要对定子进行位置控制，即可直接对转子位置进行锁定，获得理想的系统位置值。本发明为直接输出绝对位置的定位系统。用三相正弦波编码器提供正弦波位置信号为基准，利用三相永磁同步电动机的磁场自然定位的特点，通过调节永磁同步电动机三相定子电流值，即可获得对转子绝对位置的控制。方法简单，使用方便，定位速度快，定位不受到反馈位置值的限制定位精度也可提高。
图I是现有目标跟踪定位的控制系统 图2是直流驱动控制电机制动示意图；
图3是交流驱动控制电机制动示意 图4是本发明目标跟踪定位系统 图5 Ca)是三相同步电动机的运行模型；
图5 (b)是三相电动机绕组为Y型连接的接线 图5 (c)、5 (d)分别是同步电动机运行时，通入三相线圈的电流波形.iA、iB、iC及电压波形U、V、W ;
图6是同步电机转子锁定在G角度时，电机A、B、C三相线圈通入按照正弦规律变化的直流电流值以及同步电动机转子被锁定的角度位置；
图7 (a)是本发明系统的具体结构图、7 (b)电路图，图7 (c)是机械角G锁定值在0°位时，同步电动机三相线圈的电流波形 图8是机械角G锁定值在0°位时，同步电动机三相线圈的电流情况 图9是机械角G锁定值在60°位时，同步电动机三相线圈的电流情况 图10是是机械角G锁定值在120°位时，同步电动机三相线圈的电流情况图。
具体实施例方式如图4，本发明系统包括作为位置信号发生器的三相正弦波位置编码器、含有三对差分输入、互补输出功率放大器的三相驱动控制器以及三相永磁同步电动机，三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的正弦波差分信号U、V、w分别连接三对差分输入、互补输出的功率放大器的输入端，三对差分输入、互补输出功率放大器的输出分别连接三相永磁同步电动机的三相电源输入端(可任意连接其中一相)。三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的正弦位置差分信号U、V、w分别给三对差分输入、互补输出的功率放大器进行放大后输出三个之间相位互差120°的三相电流分别给三相永磁同步电动机的三相定子线圈(可任意连接其中一相)，产生三个不同方向的定子磁场，并合成为一个方向磁场与三相永磁同步电动机的永磁转子磁性偶合，转子将按照同性相斥异性相吸的原理旋转至由定子磁场指定的位置并锁定。图5. a)是三相同步电动机运行的模型(正弦波编码器旋转的位置角用G表示，三相电动机绕组有Y型和Λ型两种的连接方法对运行无影响，Α、B、C引出)。当采用Y型连接时(图5b )，A、B、C分别为为电机三相绕组，A首端X尾端，A-x为A相线圈，B-y为B相线圈，C-z为C相线圈，xyz短接。图5d)是正弦波编码器输出的三组相差120° (U、V、W)的位置信号。图5c)是通入同步电动机三相线圈的按照正弦规律分布的三相电流IA、IB、IC的波形，在时间轴t上所标示的角度，表示的是同步电动机转子的运行一周0°-360°的各相位置角的电流波形。图5c)中IA、IB、IC是按照角度顺序不同通入三相同步电动机线圈的直流电流波形，表示的是同步电动机转子的运行位置角。当同步电动机按照三相正弦波位置编码器提供的位置信号U、V、W变化的规律旋转一周期时，在三相同步电动机线圈中通入的直流电流IA、IB、IC也按照这一变化规律变化一个周期。当三相正弦波位置编码器旋转到哪个位置，同步电动机也跟踪旋转到哪个位置。同步电动机旋转的位置不同，三相线圈电流也不相同，三相线圈合成产生的直流磁场方向也不同，在这个磁场的作用下，同步电动机转子旋转的位置角随定子合成磁场角度而确定。以2极三相永磁同步电动机为例说明。正弦波位置编码器发出三相正弦位置信号U、V、W给三相驱动控制器，驱动控制器将三相正弦位置信号放大并将三相电流(IA、IB、IC)输送给同步电动机的三相定子绕组，产生三相磁场，三相磁场直接驱动同步转子旋转到规定的位置并锁定。设线圈的峰值电流为I，转子的机械位置是G.当G为零时，定义为机械的零位，三相正弦波位置编码器按照位置G定义的零位设置。当三相正弦波位置编码器发出的信号送入三相驱动控制器，经过三相驱动控制器将三相按照正弦规律变化的电流送入同步电动机三相线圈即A相线圈通入电流IA=ISin (G+0°)、B相线圈通入电流IB=ISin(G+120° )、C相线圈通入电流IC=ISin (G+2400 )时，同步电动机转子按照同步电机内磁场的机械位置角度，被锁定在规定的位置G，选择不同的机械位置角G，同步电动机三相线圈的电流列表如图6，在三相线圈中通入三个不同的直流电流IA、IB、1C，那么，三相线圈中将产生三个不同的直流电磁场，在这三个固定磁场的合成作用下，根据同性相斥异性相吸的规律，同步电动机的永磁转子将会以定子磁场为基准，旋转定位在这个固定的位置上。如果按照图6这个交流电的变化规律，同步的改变三相线圈的直流电流，那么每改变一组(IA、IB、IC)的电流值，同步电动机的转子就会有一个固定的位置，如此同步电动机的转子将可以旋转并锁定在任何一个角度位置上。如图7 (a)、7 (b)，本发明作为位置信号发生器的三相正弦波位置编码器为6路为标准正弦波编码器三对差分输出信号，分别是(U+、U-)、(V+、V-)、(W+、W-)。可采用国产YGM1387-1024 (S) Pl 型号(差分输出)。三对差分输入、互补输出的功率放大器结构相同，每对差分输入、互补输出的功率放大器包括两个NPN三极管。三极管Gl与G4，G3与G6，G5与G2各构成一对差分输入、互补输出的功率放大器。三极管G1、G3、G5的集电极均连接电源VCC正端，三极管G1、G3、G5的发射极分别与晶体管G4、G6、G2的集电极连接，分别作为三个功率放大器的互补输出端，三极管G4、G6、G2的发射极均连接电源VCC负端，三极管Gl的基极连接三相正弦波位置编码器的U+输出，Gl控制C相正半周的电流，提供三相同步电机C绕组的正向电流(正半周);三极管G4的基极连接三相正弦波位置编码器的U-输出，G4控制C相负半周的电流，提供三相同步电机C绕组的负向电流(负半周);三极管G3的基极连接三相正弦波位置编码器的V+输出，G3控制B相正半周的电流，提供三相同步电机B绕组的正向电流(正半周);三 极管G6的基极连接三相正弦波位置编码器的V-输出，G6控制B相负半周的电流，提供三相同步电机B绕组的负向电流(负半周);三极管G5的基极连接三相正弦波位置编码器的W+输出，G5控制A相正半周的电流，提供三相同步电机A绕组的正向电流(正半周);三极管G2的基极连接三相正弦波位置编码器的W-输出，G2控制A相负半周的电流，提供三相同步电机A绕组的负向电流(负半周)。三个功率放大器的互补输出端分别连接三相永磁同步电动机的三相定子线圈(可以任意连接其中一相定子线圈)。三相永磁同步电动机为标准电机产品O6路正弦波信号的波形见图7c)，6路信号对相应的功率放大器均为正半周打开，负半周关断。(也有负半周打开，正半周关断。实际根据功率放大器极性而定)。根据交流同步电动机的的转动特点，当三相同步电动机的三组定子绕组中通入按照正弦规律分布的直流电流时，通入这三个绕组中的直流电流会产生三个不同方向、不同大小的直流磁场，这三个直流磁场将在定子所包容的圆柱形空间合成一个且仅一个绝对位置的磁场，因同步转子为磁性转子，根据同性相斥异性相吸的原理，定子合成磁场将驱动磁性转子旋转至这一固定的绝对位置处，实现了驱动系统对绝对位置的定位控制。如果按照正弦规律任意调整三相同步电动机三相绕组中通入直流电流，电动机即可按照三个绕组合·成磁场指定的任意目标将转子旋转推向目标位置。正弦位置信号可由正弦波编码器提供(或其他位置信号发生器，如用电脑按照正弦规律也可以发出位置信号，位置编码器可以是手动，如带手轮的正弦波编码器，或外力驱动输出位置信号给驱动控制器)如用电动机带动的正弦波编码器。本发明采用交流旋转磁场的理论，将原来通入的一相线圈产生的单向直流磁场，对异步转子的不定方向的制动，改变为利用永磁同步电动机的定子磁场与转子磁场的直接磁性偶合，在同一圆周上同时供给三个方向(三相)的磁场，利用这三个互差120°磁场合成为一个固定的定位磁场，对转子进行位置控制，实现了位置磁场的直接锁定。实施例I :见图8，当正弦波编码器旋转至G=O的位置时，正弦波编码器输出信号U、V、W送给三相驱动控制器，经过三相驱动控制器放大的电流信号送给同步电动机三相绕组的电流为A相线圈通入电流为O ;B相电流通入电流为O. 871 ;(相电流通入电流为-O. 871 ;根据右手螺旋定则，三相定子绕组将产生三个直流磁场，并合成为一个方向磁场，在合成磁场的作用下，同步电机永磁转子将旋转至正弦波编码器指定的位置(电流数据中的I表示线圈制动电流的峰值)，这个位置定义为位置0，用G=O表示。实施例2 :见图9，当A相线圈通入电流为O. 51，B相电流通入电流为O. 51，C相电流通入电流为-I时，永磁转子将在实施例I的位置旋转了 60°并锁定，这个位置用G=60°表不。实施例3 :见图10，当A相线圈通入电流为I，B相电流通入电流为-O. 51，C相电流通入电流为-O. 51时，永磁转子将在实施例2的位置在旋转了 60°并锁定，这个位置用G=120° 表示。综上，正弦波编码器每旋转一个角度都会改变同步电机的三个方向驱动磁场的大小数值，同步电动机的定子角度位置磁场方向都会发生变化，同步电机转子位置也随之变化并定位锁定。当位置编码器连续的旋转时，系统将驱动同步电动机的转子随位置编码器连续的旋转，当位置编码器旋转停止在位置G时，同步电动机的转子也将被锁定在位置G处。
权利要求
1.一种利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统，其特征是设有作为位置信号发生器的三相正弦波位置编码器、含有三对差分输入、互补输出的功率放大器的三相驱动控制器以及三相永磁同步电动机，三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的三对正弦波差分信号分别连接三对差分输入、互补输出的功率放大器，三对差分输入、互补输出功率放大器的输出分别连接三相永磁同步电动机的三相电源输入端。
2.根据权利要求I所述利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统，其特征是:三对差分输入、互补输出的功率放大器的结构相同，每对差分输入、互补输出的功率放大器均包括两个NPN三极管，其中一个三极管的集电极连接电源VCC正端，基极连接三相正弦波位置编码器输出的其中一相正弦波的正半周信号，发射极与另外一个三极管的集电极互连，另外一个三极管的发射极连接电源VCC负端，基极连接同相正弦波的负半周信号，两三极管之间的发射极与集电极互连端连接三相永磁同步电动机其中一相的定子线圈，另外两对 差分输入、互补输出的功率放大器中两三极管的发射极与集电极互连端分别连接三相永磁同步电动机另外两相的定子线圈。
全文摘要
一种利用编码器直接输出绝对位置的角度定位系统，其特征是设有作为位置信号发生器的三相正弦波位置编码器、含有三对差分输入、互补输出的功率放大器的三相驱动控制器以及三相永磁同步电动机，三相正弦波位置编码器输出三个之间相位互差120°的三对正弦波差分信号分别连接三对差分输入、互补输出的功率放大器，三对差分输入、互补输出功率放大器的输出分别连接三相永磁同步电动机的三相电源输入端。
文档编号H02P6/00GK102891640SQ20121035165
公开日2013年1月23日 申请日期2012年9月21日 优先权日2012年9月21日
发明者丁一明 申请人:南京中科天文仪器有限公司