一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法
【专利摘要】本发明公开了一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，首先通过霍尔位置传感器进行位置粗测，然后采用二分法对磁极位置进行精确搜索，选择适当的激励信号激励伺服电机，使转子产生微动；采用增量式编码器测量微动的增量；获得转子相对于定子的绝对位置关系。现有技术方法主要是通过增量式编码器实现转子初始磁极控制，与现有技术方法相比，本发明创新在于先通过霍尔位置传感器进行位置粗测，确定当前的电角度区间，然后在通过增量式编码器，采用二分法对磁极位置进行精确搜索。这样可以大大加快对转子磁极位置的搜索。
【专利说明】
一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法
技术领域
[0001 ]本发明涉及一种永磁同步电动机，尤其涉及一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法。
【背景技术】
[0002]伺服电机广泛的应用于机器人控制。数控机床等对调速系统性能要求很高的领域，在高性能数控机床，机器人等领域应用的伺服电动机几乎都需要配置光电式编码器等位置反馈元件，其控制方式多采用矢量控制的方式。通过矢量控制的方法可以将交流伺服电动机建模成励磁绕组和电枢绕组与转子同步旋转的直流电机，从而将直流调速系统的理论应用到永磁同步伺服电机的控制中来获得高性能的控制效果。
[0003]在永磁同步电机的矢量控制中，转子磁极和定子的空间位置关系对于电机的稳定运行具有重要的影响。因为在电机的启动过程中，只有获得转子和定子的准确的空间位置关系，这样才能得到正确的电压相量，从而得到合适的转动力矩。若当电机及驱动电源上电时，转子相对于定子绕组的位置是任意的。根据电机的力矩公式，由于上电时转子磁场的角度相对于定子绕组的角度Ginit无法确定，因而通常无法实现正常的位置和速度控制。如果随意选择磁场角度Θ作为初始值进行控制可能导致电机的力矩非常小或者为零，还有可能是电机按照相反的方向转动，这在某些场合会导致严重后果。目前，用于永磁同步伺服驱动系统电机转子位置的检测方法主要有:旋转变压器法、光电编码盘法(增量式和绝对式)、电机内置位置传感器法、无位置传感器位置检测法，这些方法中除旋转变压器法和绝对式光电编码盘包含了电机转子的初始位置信息，可以用作电机的上电初始定位外，其它方法都不能对永磁同步电机进行初始定位，有的方法需要多次定位修正才能完成伺服系统定位，这在实际应用对于电机内置位置传感器法，这种方法对电机的设计要求较高，需要在埋置电机定子绕组的同时埋设检测绕组，不具有通用性。无位置传感器位置检测法是目前人们热衷研究的问题，但是在永磁同步电机处于静止或者电机刚刚上电时，在电机的定子绕组上没有任何能够反映电机转子位置信息的信号，这些方法都不能用于永磁同步电机转子的初始定位。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是对现有技术进行改善而提出一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法。
[0005]本发明一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，包括如下步骤:
[0006](I)通过传感器确定所述伺服电机转子磁极的所在区间[Q1，0h]，得到所述伺服电机转子磁极的初始位置O(O) = 0Q=(01+0h)/2，其中Q1是通过霍尔传感器确定的所述伺服电机转子六个电角度区间的上限值，911是通过霍尔传感器确定的所述伺服电机转子六个电角度区间的下限值，Qh-Q1 = 60°，θ。为转子初始位置，下同；
[0007](2)采用二分法对所述伺服电机转子磁极位置进行精确搜索:
[0008]a、选择激励信号激励所述伺服电机，使所述伺服电机转子产生微动；
[0009]b、采用增量式编码器测量步骤a所述微动的增量A0k即两次采样周期中电机转动角度的差值，下同；
[0010]C、根据步骤b所述微动的增量△ 0k得到所述伺服电机转子相对于定子的绝对位置关系即初始磁极位置。
[0011]步骤(I)所述传感器采用霍尔位置传感器。
[0012]步骤(2)所述微动指所述所述伺服电机转子转动I?2°。
[0013]步骤a所述激励信号是根据步骤(I)所述伺服电机转子磁极的初始位置θο选取的，所述激励信号为电流信号或电压信号。
[0014]步骤c所述的根据步骤b所述微动的增量△0k得到所述伺服电机转子相对于定子的绝对位置关系的方法如下:
[0015]根据微动的增量A0k判断出在当前激励信号的作用下，所述伺服电机转动的状态是顺时针旋转、逆时针旋转还是停转；
[0016]A、当微动的增量A0k大于0，则所述伺服电机转动的状态是顺时针旋转，所述伺服电机转子当前位置Θ处于[0Q，0h]之间，此时将所述伺服电机定子磁场逆时针旋转(0Q-0h)/2，返回步骤a;
[0017]B、当微动的增量A0k小于0，则所述伺服电机转动的状态是逆时针旋转，所述伺服电机转子当前位置Θ处于[Q1, θ。]之间，此时将所述伺服电机定子磁场顺时针旋转(θο-θΟ/2，返回步骤a;
[0018]C、当微动的增量A0k等于O，则所述伺服电机停止转动，所述伺服电机定子磁场方向和转子磁极位置中心线重合，搜索过程结束。
[0019]本发明根据测量到的转子位置信息、通过修正定子励磁电流从而改变定子磁场的方向，并使定子磁场位置最终定位于转子磁场方向，这一过程就获得了关于转子磁极位置的足够信息。定位过程中定子磁场可能经常出现左右摆动的现象，摆动的幅度越来越小，在左右摆动的范围小于预先设定的阈值时可认为初始转子磁极位置搜索基本结束。首先通过霍尔位置传感器进行位置粗测;然后采用二分法对磁极位置进行精确搜索，选择适当的电流向量激励电机，使转子产生微动;采用增量式编码器测量微动的增量;获得转子相对于定子的绝对位置关系。现有技术方法主要是通过增量式编码器实现转子初始磁极控制，与现有技术方法相比，本发明创新在于先通过霍尔位置传感器进行位置粗测，确定当前的电角度区间。然后在通过增量式编码器，采用二分法对磁极位置进行精确搜索，这样可以大大加快对转子磁极位置的搜索。
【附图说明】
[0020]图1为本发明方法流程图；
[0021 ]图2为初始上电时转子磁通和定子励磁电流；
[0022]图3为转子不转对应于转子磁通和定子位置关系；
[0023]图4为转子顺时针对应于转子磁通和定子位置关系；
[0024]图5为转子逆时针对应于转子磁通和定子位置关系。
【具体实施方式】
[0025]结合图1、图2、图3、图4、图5叙述本发明的一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，包括下列步骤:
[0026]1、通过霍尔位置传感器进行位置粗测；
[0027]矢量控制中关心的是初始电角度，根据霍尔传感器输出信号HU、Hff、HV的排列确定每60°电角度一个区间。具体使用时，通过1端口一次读入3个信号，根据其排列可确定当前所在电角度的区间。
[0028]2、采用二分法对磁极位置进行精确搜索。
[0029](I)选择适当的电流向量激励电机，使转子产生微动；
[0030](2)采用增量式编码器测量微动的增量；
[0031](3)获得转子相对于定子的绝对位置关系。其具体步骤为:
[0032]步骤1:通过霍尔位置传感器确定的转子磁极所在区间为[Q1Jh];
[0033]矢量控制中关心的是初始电角度，根据霍尔传感器输出信号HU、Hff、HV的排列确定每60°电角度一个区间。具体使用时，通过1端口一次读入3个信号，根据其排列可确定当前所在电角度的区间；
[0034]步骤2:记录当前转子磁极的初始位置Φ (O) = θ0= (Θι+Θη)/2；
[0035]步骤3:按照θο给一电流指令矢量Id = Ise3, Iq = 0(其中Ise3为定子电流矢量，Id和Iq分别是Ise在两相坐标系d轴和q轴的分量，下同)；(激励信号还可以采用电压指令矢量，所述电压指令矢量由所述电流指令矢量通过矢量变换得到)。
[0036]步骤4:在下一采样周期中测量电机的转动的角度0k，计算和前一次的差值:ΔQk= Qk-Qk-1 ；
[0037]步骤5:根据判断A0k出在当前电流矢量Iq(k)作用下，电机转动的状态是顺时针旋转、逆时针旋转还是停转；
[0038]a、当Δ 0k大于0，则电机转动的状态是顺时针旋转，说明电机当前Id产生的定子磁场牵引着转子顺时针方向旋转，表示Θ处于[0Q，0h]之间，此时将定子磁场逆时针旋转(θ0-0h)/2，再次按照进行变换得出电流环指令，进行电流环控制，在下一采样周期中测量电机的转动的角度Gk，仿照前步通过判断电机转动状态决定定子磁场转向的角度，按照相似的规则重复直到细分程度满足要求，或通过电机停转判定出结束磁场角判定过程；
[0039]b、当Δ 0k小于0，则电机转动的状态是逆时针旋转，说明电机当前Id产生的定子磁场牵引着转子逆时针方向旋转，表示Θ处于[Q1, θ。]之间，此时将定子磁场顺时针旋转(θ0-θι)/2，再次按照进行变换得出电流环指令，进行电流环控制，在下一采样周期中测量电机的转动的角度Gk，仿照前步通过判断电机转动状态决定定子磁场转向的角度，按照相似的规则重复直到细分程度满足要求，或通过电机停转判定出结束磁场角判定过程；
[0040]C、当Δ 0k等于O，则电机停止转动，说明当前定子磁场方向和转动子磁极位置中心线重合，搜索过程结束。
[0041]步骤6:反复测试后，得出转子初始角度；
[0042]步骤7:初始定向结束，电机开始正常运行。
[0043]其中，Is为定子电流矢量，Id和Iq分别是Is在两相坐标系d轴和q轴的分量，为转子磁极磁通，(K和A相轴线的夹角即转子磁极的空间角0init，HU、Hff、HV为霍尔传感器三相输出信号，Θ为当前转子位置，Θ。为转子初始位置，01和011是通过霍尔传感器确定的六个电角度区间的某一上限值和下限值，0^0: = 60° 乂为下一采样周期中测量电机的转动的角度，0k-1为前一次采样周期中测量电机的转动的角度，A 两次采样周期中电机转动角度的差值。
【主权项】
1.一种矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，其特征在于包括如下步骤: (1)通过传感器确定所述伺服电机转子磁极的所在区间[Q1，ΘΗ]，得到所述伺服电机转子磁极的初始位置O(O) = 0Q=(01+0h)/2，其中Q1是通过霍尔传感器确定的所述伺服电机转子六个电角度区间的上限值，9h是通过霍尔传感器确定的所述伺服电机转子六个电角度区间的下限值，Qh-Q1 = 60°，θο为转子初始位置，下同； (2)采用二分法对所述伺服电机转子磁极位置进行精确搜索: a、选择激励信号激励所述伺服电机，使所述伺服电机转子产生微动； b、采用增量式编码器测量步骤a所述微动的增量A0k即两次采样周期中电机转动角度的差值，下同； C、根据步骤b所述微动的增量△ 到所述伺服电机转子相对于定子的绝对位置关系即初始磁极位置。2.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同伺服电机初始磁极位置搜索方法，其特征在于步骤(I)所述传感器采用霍尔位置传感器。3.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同伺服电机初始磁极位置搜索方法，其特征在于步骤(2)所述微动指所述所述伺服电机转子转动I?2°。4.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，其特征在于步骤a所述激励信号是根据步骤(I)所述伺服电机转子磁极的初始位置θο选取的，所述激励信号为电流信号或电压信号。5.根据权利要求1所述的矢量控制永磁同步伺服电机初始磁极位置搜索方法，其特征在于步骤c所述的根据步骤b所述微动的增量△ 0k得到所述伺服电机转子相对于定子的绝对位置关系的方法如下: 根据微动的增量A 0k判断出在当前激励信号的作用下，所述伺服电机转动的状态是顺时针旋转、逆时针旋转还是停转； A、当微动的增量A0k大于O，则所述伺服电机转动的状态是顺时针旋转，所述伺服电机转子当前位置Θ处于[θο，0h]之间，此时将所述伺服电机定子磁场逆时针旋转(0『0h)/2，返回步骤a ； B、当微动的增量A0k小于O，则所述伺服电机转动的状态是逆时针旋转，所述伺服电机转子当前位置Θ处于[Q1, θο]之间，此时将所述伺服电机定子磁场顺时针旋转(θ『θ0/2，返回步骤a ； C、当微动的增量A0k等于0，则所述伺服电机停止转动，所述伺服电机定子磁场方向和转子磁极位置中心线重合，搜索过程结束。
【文档编号】H02P21/08GK105915139SQ201610257974
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月22日
【发明人】刘维亭, 高翔
【申请人】江苏科技大学