磁旋转编码器在永磁同步电机位置测量中的应用

1、磁旋转编码器在永磁同步电机位置测量中的应用季学武1,何正义1,张雪峰2(1.清华大学汽车工程系,北京100084;2.北京航空航天大学汽车工程系,北京100083摘要:为了检测永磁同步电机磁极位置,在电机位置传感器安装之后要对其进行初始定位。根据电机反电动势信号与电机位置角的关系,利用电机反电动势过零信号来定位磁旋转编码器。根据这一方案,无需调整编码器的安装位置即能够确定磁旋转编码器所输出的绝对角度与电机位置角的关系。测试结果还表明,根据磁旋转编码器输出的绝对角度,在电机刚开始转动时就能够精确检测出电机磁极的初始位置,其分辨率能够满足课题要求。关键词:永磁同步电机;磁旋转编码器;转子位置中图分

2、类号:TM341文献标识码:AMagnetic Rotary E ncoder and Its Application in PMSMJ I Xue 2wu 1,H E Zheng 2yi 1,ZHAN G Xue 2feng 2(1.De partment of A utomotive Engineering ,Tsinghua Uni versit y ,B ei j ing 100084,China;2.Department of A utomotive Engineering ,B ei hang Universit y ,B ei j ing 100083,China Abstrac

3、t :A magnetic rotary encoder used as PMSM angle sensor was introduced.A intended method based on back 2EMF information is used to decide the relationship between encoder output and rotor position was described in detail.The advantage of the proposed scheme is that there is no need to adjust the enco

4、der af 2ter installing and the installing process of the encoder as PMSM position sensor is simple.Moreover ,experi 2mental result illustrate that motor controller can get the accurate initial rotor position when motor begin to ro 2tate.The test result shows that using the magnetic rotary encoder ,h

5、igh resolution rotor position can be a 2chieved.K ey w ords :permanent magnet synchronous motor ;magnetic rotary encoder ;rotor position与直流电机相比,永磁同步电机具有体积小、效率高、无需维护等优点,成为未来汽车用电动转向助力(EPS 电机的发展方向。对于EPS 系统,电机输出转矩波动应该限制在3%4%之内,由位置传感器精度引起的转矩波动应限制在1%以内1,这就要求电机位置传感器具有足够的精度。AS5040磁旋转编码器能够满足高精度、高可靠性、低成本的设计要求

6、。将AS5040磁旋转编码器应用于永磁同步电机位置检测时,需要解决两个问题:一是磁旋转编码器安装位置初始定位,即确定编码器输出的位置信号与电机实际位置角的对应关系;二是获得电机轴开始转动时转子磁极的精确位置。对于永磁同步电机来说,为得到电机轴开始转动时转子磁极的位置,通常采用昂贵的绝对编码器或旋转变压器来达到这样的要求。本文采用廉价的AS5040磁旋转编码器同样能达到这一要求。1AS5040工作原理AS5040检测转轴角位置时,需在转轴的端部安装一个纽扣形磁铁。AS5040与磁铁的相对位置如图1所示, 其工作原理是通过芯片内部的图1AS5040与磁铁相对位置示意图Fig.1Typical ar

7、rangement of AS5040and magnet6电气传动2008年第38卷第2期EL ECTRIC DRIV E 2008Vol.38No.2线性霍尔阵列检测出磁铁的磁场强度分布,从中分离出角度信息2。该磁旋转编码器具有增量角度输出和绝对角度输出功能。增量角度输出信号分为A ,B 两路,磁铁相对AS5040旋转一周,A ,B 通道各输出256个周期脉冲,两路信号相位相差1/2个脉冲,可以根据超前或滞后关系判断转动方向,通过4倍频可以获得10位的分辨率。AS5040将绝对角度定义为磁铁的磁极与霍尔阵列间的角度,磁铁每旋转一周,AS5040将输出512个绝对角度信号,通过SPI 通讯可

8、将其读出。在绝对角度为0或1023时,IND EX 通道将输出一个零位脉冲,可以利用此信号重置测量值,消除累积误差。本文采用TI 公司的TMS320L F2407A 作为电机控制器,该DSP 具有串行外设接口模块(SPI 以及正交编码器脉冲电路(Q EP ,能够处理AS5040绝对角度和增量角度信号。2AS5040安装位置初始定位磁旋转编码器安装位置初始定位主要目的是获得在电机位置角为0时对应的编码器绝对角度,根据这一信息可以使得电机位置角与编码器的绝对角度一一对应。图2示出了AS5040,磁铁磁极,电机转子磁极,以及电机定子A 相轴线四者间的关系。定义转子磁极与定子A 相轴线重合时电机位置角

9、为0,且逆时针方向为正向 。图2传感器与电机间位置关系Fig.2Relationship between and motor position图2中,1为AS5040轴线与电机定子A 相轴线的交角,AS5040安装到电机端盖上后,1即被固定;2为磁铁轴线与电机转子d 轴(直轴的交角,当磁铁安装到电机转子轴上后,2即被固定;为电机定子A 相轴线与电机转子d 轴的交角,即电机位置角;A x 为AS5040轴线与磁铁轴线的交角,即AS5040绝对角度,可以通过其SSI 接口输出,并由DSP 的SPI 读取。可以看到,电机位置角可以表示为=A x -(1+2(1由于A x 可以从AS5040读出,为了

10、能求出电机位置角,还需要测出(1+2的值。为了测出(1+2,在电机位置角=0时,从AS5040读出此时的绝对角度,设为A 0,根据式(1得到:1+2=A 0(2根据式(1、式(2电机位置角可以表示为=A x -A 0(3同样在电机刚开始旋转时的电机初始位置可由下式得到:0=A x1-(1+2=A x1-A 0(4式中:A x1为电机刚开始旋转时从AS5040读出的绝对角度值。从上面过程可以看到,一个必需的步骤是要在电机位置角=0的时刻,从AS5040读出A 0。因为电机位置角与电机反电动势相位有关,考虑利用反电动势信号捕捉电机位置角=0的时刻。图3所示的电路引出了电机反电动势信号。在图3中,R

11、 是外接电阻,L A ,L B ,L C 是电机定子三相电感,R A ,R B ,R C 是电机定子三相电阻。根据上面对电机位置的定义,若R 值取得很大,则定子内阻压降以及电感上的感应电压可以被忽略,电机A 相反电动势的表达式为3e A =f sin (p (5U A =e A(6式中:e A 为电机A 相反电动势;f 为转子磁通;p 为电机转子极对数;为电机磁极与定子A 相轴线间夹角,即电机位置角;=d /d t ;U A 的定义见图3 。图3A 相反电动势测量示意图Fig.3Measurement circuit of phase back 2EMF从式(5可以看出,通过检测A 相反电动势

12、正向过零点即可表明电机位置角是否等于0。图4是检测A 相反电动势正向过零点的示意图。为了获得信噪比较高的反电动势波形,需要利用另外一台电机拖动永磁同步电机以较高的速度作恒速旋转。7季学武,等:磁旋转编码器在永磁同步电机位置测量中的应用电气传动2008年第38卷第2期 图4反电动势过零点测试示意图Fig.4Detecting of phase back 2EMF zero crossing point s当A 相反电动势正向过零点时,DSP 发生捕获中断。在中断服务子程序中,通过SPI 读入AS5040输出的绝对角度信号A 0。尽管电机拖动速度很高,由于在反电动势过零点处仍会有毛刺存在,实际捕获

13、过零点时,过零比较器仍会有误触发。在过零比较器的前级串入一个低通滤波器,可解决这一问题。由于电机空载恒速旋转,动势是频率正比于转速的正弦波,滤波器引起的延迟可以被精确地补偿。转子磁极对数为p 时,每机械周期A 相反电动势将出现p 个正向过零点,A 0可取AS5040输出的绝对角度信号中最大者。整个初始定位过程无需手工调整传感器与电机的相对位置,同时在安装时对传感器的安装位置角未作任何要求,从而加快了传感器的安装速度。3电机转子初始位置的确定虽然AS5040能够输出绝对角度信号,但每转只能输出512个绝对角度信号;另外,需要通过串行通讯才能获取绝对角度信号。在汽车较为恶劣的电磁环境中,串行通讯降

14、低了信号传输过程中的可靠性;同时,由于串行信号的传输延迟,在电机转速较高时,不能实时获取角度信号。根据AS5040可以同时输出增量角度和绝对角度的特点,只将绝对角度信号用于电机初始位置的确定,电机在运行过程中的位置角由增量角度信号决定,从而能够得到分辨率为10位的电机位置信号。当电机控制器上电时,在DSP 的初始化程序中启动SPI ,从AS5040的SSI 读取AS5040的绝对角度,记为A X1,根据式(4,电机初始位置角的计算如下:0=A x1-A 0A x1-A 00A x1-A 0+1023A x1-A 00(7从上面的过程可以看到,只需在电机刚开始转动时,通过SPI 读入一次AS50

15、40的绝对角度信号,利用这个信号即可获得电机初始位置角,测量误差为0.35。4电机位置角的测量从电机开始转动到第一个INDEX 信号出现之前,电机位置角根据增量信号的脉冲个数以0为起始位置作增减。当AS5040的IND EX 信号出现时,对应的AS5040绝对角度为0或者1023。为了消除累积误差,需要利用INDEX 信号重置电机位置角,根据式(3,重置后的电机位置角为(1023-A 0。这一过程可由DSP 的正交编码器脉冲电路(Q EP 完成。Q EP 模块能够对A/B 增量脉冲信号4倍频,同时能够根据两路信号的相位关系提取转向信息,简化了外围电路。5试验结果试验电机转子磁极为3对极,电机反

16、电动势 为正弦波。实验过程中,电机由另一直流电机拖动,转速为630r/min 。试验结果如图5所示,电机位置角通过D/A 输出,反电动势信号根据图3取出。可以看到,反电动势的过零点与实测电机位置角的零点符合得很好。图5反电动势与实测电机位置角的关系Fig.5Relationship between back 2EMF and motor position6结论目前已将AS5040应用在汽车电动助力转向系统的永磁同步电机上。运行试验表明本文的方案能够实现精确的转子初始位置检测,同时能够获得较高分辨率的转子位置信号。参考文献1Liu Guang ,Kurnia A ,DeLarminat R ,et al .Position SensorError Analysis for EPS Motor Drive J .Proceeding