基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位置初始定位_图文

1、 控制与应用技术EMCA2007, 34(3基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位置初始定位3陈荣(盐城工学院电机与信息工程学院, 江苏盐城224003摘要:在简述矢量控制原理的基础上, , 。试验结果表明, 该方法可以满足实际使用要求关键词:永磁同步电机; ; 中图分类号:T M301. :文章编号:167326540(2007 0320032203i p t Positi on L oca ti on of P M S M Ba sedon I ncre m en t a l Photoelectr i c Coded D iskCHEN R ong(I nstitute of Elec

2、tric Machine and I nf or mati on Engineering, Yancheng I nstitute of Technol ogy, Yancheng 224003, China Abstract:A method of r ot or positi on detecti on and inci p ient positi on l ocati on using incre mental phot oelectricalcoded disks was intr oduced . The p rinci p le of vect or contr ol was p

3、resented . The shortcom ing of r ot or positi on detecti on measure used nowadays was analyzed . The method had been put int o use in experi m ent system, and the test results showed that it could meet the needs of p ractical use .Key words:per manen t magneti c synchronous m otor; i n cre m en t a

4、l photoelectr i ca l coded d isk; i n c i p i en t positi on loca ti on3江苏省高校自然科学基金项目(04KJB470150 ; 盐城市科学技术局自然科学基金项目(YK2005016210引言在交流传动系统中, 永磁同步电机的数学模型相对简单, 且其功率密度大、低速时转子不发热、不影响传动精度; 而且, 由于电机转子有励磁,电机的运行频率极低, 电机调速范围较宽1。在永磁同步电机传动系统中, 电机转子位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件, 也是矢量控制解耦的必要条件。只有准确知道永磁同步电机的转子位置, 才可以借助矢

5、量控制技术, 将永磁同步电机按照他励直流电机的控制方法进行控制, 并可以达到他励直流电机传动系统的性能指标。1现有转子位置检测方法及其问题用于永磁同步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、电机内置位置传感器法、无位置传感器位置检测法等228。这些方法中, 只有旋转变压器和绝对式光电编码盘含有电机转子初始位置信息, 可以实现电机上电初始定位, 有的方法需要多次定位修正才能完成初始定位, 在实际系统中没有实用价值。电机内置位置传感器法对电机的设计要求较高, 需要在电机定子槽内同时埋设检测绕组, 不具有通用性。无位置传感器位置检测法9210是人们热衷研究的问题, 但在永磁同步电机处

6、于静止或电机刚刚加电时, 电机定子绕组上没有能够反映转子位置信息的信号, 因此不能用于永磁同步电机转子的初始定位。至于旋转变压器法, 由工作原理可知, 其输出信号中包含有电机转子的位置信息, 输出u =kU m sin (0t +23 2007, 34(3控制与应用技术EM CA式中:0旋转变压器励磁信号角频率;电机转子位置。为得到转子位置信号, 需要对其输出信号解调, 得出永磁同步电机转子位置。但其解算转子位置的方法比较复杂。在绝对式光电编码盘法中, 码盘输出多位自然二进制码, 是转子位置的单值函数; 二进制码和转子绝对位置一一对应。但由于码盘的道数有限, 定位精度不高, 所能测量的位置角仅

7、局限于360°范围, 不具备多转检测能力, 且信号并行传输, 引线较多不便使用。为此, 增量式光电编码盘时, 检测与定位方法。2目前, 通用增量式光电编码盘的技术很成熟, 价格比较低, 使用广泛。其输出有A 、B 两路正交脉冲, Z 路零脉冲, 及U 、V 、W 三路互差120°的脉冲。一般A 、B 端口每转输出6005000个脉冲, Z 端口每转输出1个脉冲, U 、V 、W 端口每转输出p 个周期的矩形脉冲(p 为电机极对数 。使用光电编码盘实现电机转子位置检测的方法如下。假定旋转过程中在给定时间t 内脉冲数为m , 则电机转速n 可表示为:n =60×m /

8、(t ×p e , p e 为光电编码盘每转输出的脉冲数。假定电机在静止时转子的初始位置角(电角度 是0, 电机的极对数为p, 则从静止开始经过时间t 后的电机转子位置(机械角 与电机速度n 之间的关系为:=0/p +2×m /p e 若用电角度表示, 则为:=0+2×p ×m /p e 该角就是矢量控制时进行坐标变换所需要的转子位置角。其矢量控制变换方程为: d q=3cos -+sin -+i a i b (1磁链、电压变换方程与式(1 相同。第i 个采样值为:i =i-1+2×p ×m i /p e i N 其中, m i 为第

9、i 个采样周期的脉冲计数值。将i代入式(1 , 求得该时刻电机电参数在d 2q 坐标系中的对应值后, 系统可通过适当的调节器对指定量(如参数i q 进行调节, 则在i d =0情况下, 永磁同步电机的数学模型为:u q =R s i q +L qd i qd t+L +f (2 d =i dd q (3 e f i q (4 e =Jd t +R P n+T l(5式中:电机旋转角速度;f 电机转子励磁磁链; R 摩擦系数; T e , T l 电磁及负载转矩;R s 电枢电阻。此时, 永磁同步电机数字模型和直流电机完全相同, 直轴和交轴之间实现解耦, 系统可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步

10、电机进行控制。可见, 永磁同步电机在转子位置可知的情况下, 借助坐标变换, 可以转换成等效直流电机来控制。然而, 电机在起动时转子位置未知, 此时上述坐标变换方程失去了存在的基础。如果仍然按照上述方程进行坐标转换, 实际控制的电压电流将不能满足电机的矢量控制要求, 此时的传动系统不是处于振荡状态就是过电流状态。所以, 必须完成转子的初始定位, 获得电机转子实际位置, 是永磁同步电机实现矢量控制的必要条件。电机刚起动时, 电机转子位置随机。假定电机对称, 在360°空间位置的任意一点, 其随机概率均相等。与转子同轴的光码盘, 除输出A 、B 、Z 信号外, 还输出U 、V 、W 信号。

11、U 、V 、W 信号每转变化p ×360°。电机转子360°空间被分成p 等分。每一等分对应电信号一个周期。在每一个360°电角度空间, U 、V 、W 信号按所对应的状态将该空间分成6份。U 、V 、W 构成状态信号在一个电信号周期内为010、011、001、101、100、110。他们各对应电信号的60°区间, 对应机械角60°/p 。在电机初始上电时, 由U 、V 、W 状态可以判定电机转子所处空间位置的相应区间(见图1 。33 控制与应用技术EMCA2007, 34(3 图1U 、V 、W 信号及其所表示的状态但是, U 、V

12、 、W 只给出转子空间位置的区间,不能给出准确的空间位置。而仅凭转子所处位置空间范围是不能实施矢量控制的, 必须得到准确的位置角。 再看电机等效模型图2。假定电机为单对极(多对极同样分析 , 电机转子位置如图, V 、W 状态为101, 角度为0量控制, , 交意位置, ±30°。两:60°位置, 此时假想交轴电流超前d 轴60° 电机转子位于0°位置, 此时假想交轴电流超前d 轴120°。 图2电机转子空间位置不管电机转子位于60°空间的哪一点, 系统按照前面假定所给的交轴电流均使电机产生正向旋转的转矩。在初始定位时, 电

13、机不允许旋转。永磁同步驱动系统有速度环, 在起动后的定位过程中, 速度设定为零; 系统按照矢量控制要求给电机送去交轴电流, 电机有正向旋转的趋势与动作。速度反馈信号指示电机转向及速度信息, 电流调节器产生使电机反向旋转的电流; 电机将在交替施加的超前、滞后交轴电流作用下, 转子在原来位置上处于微振状态, 从而实现电机转子位置的初步定位。此时, 控制系统并不能确定电机转子的具体位置, 只能将转子咬合在起始位置上。要完成电机转子位置的初始定位, 需要将电机旋转起来, 在检测到电机转子的零位脉冲情况下, 控制程序实现电机转子位置的适时修正。这时控制系统所反映的角度, 才是转子的具体位置。当给出电机旋

14、转指令时, 电机运行过程电流波形如图3所示。图3中, 上部为未经滤波的给定电流, 下部为电机对应相电流。电机从初始加电到定位完成的时间是随机的, 最长时间为电机旋转一圈的周期。为观察方便速度设为r/min , , 将假想的( 送给控制系统。当(少于一圈 , 控制系统接收, 控制系统对控制角实现修正, 输出准确的交轴电流控制信号, 这样完成电机的初始定位。(a 转子初始位置1时电流波形(b 转子初始位置2时电流波形图3永磁同步电机的初始定位过程在开始的初步定位时, 仅保证系统在起动时电机转子的“咬合”, 可实现转子咬合状态下电机带额定负载转矩。然而, 这并不是矢量控制, 电机的交轴电流与电机转子

15、直轴间并不成90°。在系统给出电机速度指令后, 速度调节器输出给定的交轴电流。依以上假定, 按照矢量控制算法可以输出给定的三相电流, 由电流环实现三相电流调节。此时, 电机实际电流和电机转子d 轴间不成90°。当控制器接收到零位脉冲Z 时, 系统对计数做一次修正, 使计数脉冲表示转子实际位置。定位修正之后, 电机的初始定位完成。(下转第60页43 应用EMCA2007, 34(3质量好。内浇口在机座铸件内壁形成搭边, 浇口清理方便, 对后面机座机加工工序无有害影响。 图1方案1图2方案2对于每台机座铸件来说, 采用上述工艺后节约了与机座铸件长度相等的直浇道的重量, 大电机机

16、座铸件而言, 人。以Y22200机座为例, 浇8. 25kg/台, 75台, 差异, 现已应用到Y/Y2系列H355以下机座号的机座铸件批量生产中, 节材效果显著, 经济效益良好。2效益分析通过上述分析可以看出, 这种新型结构的机座模具顶式浇注系统具有下列特点:如果配合机座外模气鼓造型工艺, 能进一步提高型腔面砂表面强度, 减少高温铁水对机座型腔表面冲刷造成的各种铸造缺陷, 同时提高了机座铸件表观质量; 大大减轻了浇口重量, 节约了大量原材料(每台约10% , 提高了铁水利用率, 降低了生产过程费用, 减少了生产成本; 40同时; 、快捷、完全, 对机座机加工。【参考文献】1俞在宏, 蒋小兵,

17、 小型电机铸件的自补缩作用J .中小型电机, 1992(4 :19221.2陆文华. 铸铁及熔炼M.北京:机械工业出版社,1981.3关洪野. 何本廉. 球墨铸铁基本知识M.广州:广东科技出版社, 1980.收稿日期:2006205211(上接第34页按上述方法实现电机转子定位需事先知道电机零位脉冲实际位置, 这可通过编制程序来实现。3结语在电机伺服使能键按下后, 转子即被“咬合”, 实现在初始定位情况下带额定负载。在电机接受到运行指令后即投入伺服运行, 电机转子旋转一周完成转子位置定位, 电机运行实现矢量控制, 达到系统设计所希望的运行性能。【参考文献】1王成元, 周美文, 郭庆鼎. 矢量控

18、制交流伺服驱动电动机M.机械工业出版社, 北京:1995.2朱春毅, 李崇坚, 干永革, 等. 交交变频同步电动机转子位置检测研究J .冶金自动化, 1994, 18(5 :8212.3伍小杰, 戴鹏, 姜建国. 同步电动机转子位置检测的一种方法及实现J .电气传动, 2001(1 :22223.4郭庆鼎, 罗睿夫, 王丽梅. 永磁同步电机的位置和速度检测方法J .沈阳工业大学学报, 1996, 18(3 :7212.5许强, 贾正春, 李朗如. 新型全数字交流伺服系统J .微电机, 30(1 :14219.6吴凯, 郭宏, 汪国梁. 一种基于电感测量的永磁交流伺服系统位置检测新方法J .西安交通大学学报, 1998, 32(6 :23225.7贵献国, 徐殿国, 王宗培. 电机转子位置检测方法评述J .微电机, 1999, 32(6 :44247.8王丽梅, 郭庆鼎. 基于转子凸极跟踪的永磁同