永磁电机的转子位置检测与定位

《中小型电机》2003,30(3) 永磁电机的转子位置检测与定位　　　　　　　　　　61

试验与测试

永磁电机的转子位置检测与定位

南京航空航天大学(南京市,210016) 　　陈　荣　严仰光

　　本文在简述矢量控制原理的基础上, 通过分析现有转子位置检测手摘要　

段的不足, 提出使用普通光电编码盘实施永磁同步电机转子位置检测及电机转子位置的初始定位方法, 并在实验系统中使用, 可以满足实际使用要求。　　关键词　永磁同步电机　伺服　位置检测　初始定位

陈　荣　1963年10月生年毕业于南京, 硕士, 副教授。研究方向为电力电子及电气传动。

R otor Position Detection Position Nanjing University of R ong , Yan Yangguang

　　a method of rotor position detection and incipient position photoelectrical coded disks , based on sim ply defining the principle of control and analyzing the shortcoming of

rotor position detection mea 2sure used nowadays. The method has been put into use in experiment system and could meet the needs of practical use.

　　K ey w ords :PMSM 　Serv o 　P osition detection 　Incipient position location

的转子位置能够准确知道, 才可以按照矢量控制

的一系列方程, 将永磁同步电机等效变换成dq 坐标系上的等效模型, 系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制, 从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。

　　1　引言

随着交流伺服传动技术的发展, 特别是用于实时处理的DSP 芯片技术的出现, 使交流伺服传动系统中大量复杂的函数计算、坐标变换、参数调节等运算可以在极短的时间内完成, 从而可以满足交流伺服传动系统的实时运算要求, 使交流伺服传动逐步走向前台, 以取代原己广泛使用的直流伺服传动。而在交流伺服传动系统中, 由于永磁同步电机的数学模型相对异步电机而言较为简单, 并且它的结构简单、单位体积的功率较大、低速时转子不发热, 不影响伺服传动精度、而且由于其转子有励磁, 即使在极低的频率下也能运行, 故其调速范围较宽。正是由于永磁同步电机具有如此多的优点, 人们投入了大量的人力物力研究永磁同步伺服驱动。

在永磁伺服驱动系统中, 电机转子的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。只有永磁同步电机

　现有电机转子位置检测方法及其存在问题

　　2

　　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(有高次谐波注入法、基于观测器的位置检测法、基于电感信息的位置检测法等) , 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

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系统中是没有使用价值的。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, 也就是说, 这些方法都不能用于永磁同步电机转子的初始定位。

而对于旋转变压器法, 从其工作原理可以知道, 其输出信号中包含有电机转子的位置信息, 并

) 的形式出现, 式子中ω以u =kU m sin (ω0t +θ0是旋转变压器法励磁信号的角频率, θ角就是电机

转子的位置信息, 为了得到电机转子位置信号, 这就需要对其输出信号进行解调, 步电机的转子位置θ, 进制码, , 输出的(注:不是连续函数) 。, , 即输出的二进制码位数较少, 因而定位精度不高, 且它所能测量的位置角仅局限于360°范围, 不具有多转检测能力。而且由于信号的并行传输, 引线较多而不便使用。下面, 我们将研究通用增量式光电编码盘在伺服系统中使用时, 永磁同步电机转子位置的检测与定位方法。

θπ

×m Πp e 0ΠP +2

π×P ×m Πp e , 该　　若用电角度表示, θ=θ0+2θ角就是我们矢量控制时进行坐标变换所需要的转子位置角。其方程为

i d i =

3

i a i b i c

θ　cos cos (

θ-

) 　) cos (θ+

33

) 　) sin θ　sin (θ-sin (θ+33

・

磁链、在第i , i 个采样值π×P ×m i Πp e 　i ∈N i 1+2i 为第i 个采样周期的脉冲计数值, 将θi 代入上面的方程, 就可以求出该时刻电机电参量在

dq 坐标系中的对应数值, 系统就可以通过适当的

调节器对指定量进行调节, 如对i q 。则永磁同步电机在i d =0情况下的数学模型就是下面的一组方程式

u q =R s i q +L q p i q +e 0u d =-ωr L q i q T e =P Ψd i d

=P L md i f i q

T e =J p (

　增量式码盘使用中电机转子

位置的检测与定位

　　3

　　目前, 通用增量式光电编码盘的技术很成熟, 价格比较低, 使用很广泛。其输出有A 、B 正交脉冲两路, 零脉冲Z 一路, 及U 、V 、W 三路互差120°的脉冲。一般A 、B 端口每转输出1000～5000个脉冲,Z 端口每转输出1个脉冲,U 、V 、W 端口每转输出P 个周期的矩型脉冲, P 为电机极对数。使用它实现电机转子位置检测的方法如下:

假定它在旋转过程中给定时间T (s ) 内给出脉冲数目为m , 则电机转速n (r Πmin ) 可表示为:n =60×m ΠT ×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θ0, 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

θ=θπ=60) ×20ΠP +(n ×T Π

ωr

P

) +R Ω(

ωr

P

) +T 1

式中　p ———微分算子

e 0———反电势

ωr ———电机旋转角速度Ψd ———电机转子励磁磁链

R Ω———摩擦系数P ———电机极对数

T e 、T 1———电磁及负载转矩, 带有d 、

q 脚

标的量为dq 坐标系中的分量

R s ———电枢电阻

由此可知, 此时的永磁同步电机和直流电机完全相同, 直轴和交轴之间实现解耦, 系统就可以模仿直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制。

因此, 从前面的分析可知, 永磁同步电机在转子位置可知的情况下, 借助于坐标变换, 可以把它

转换成等效直流电机来控制。然而, 电机在刚通

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电时, 或者电机在运行过程中掉电而后又来电时, 此时电机的转子位置未知, 也就是说此时上述的坐标变换方程失去了存在的基础。如果仍然按照上述方程对电机的电参量进行坐标转换, 实际控制的电压电流将不能满足电机的矢量控制要求, 此时的伺服系统不是处于振荡状态就是电机过电流。所以说, 为了使永磁同步电机伺服驱动系统能够取得优异的控制性能, 将永磁同步电机变换成等效直流电机来控制, 必须完成电机的初始定位, 在电机还没有旋转时就能确切知道电机转子的初始位置。有文章介绍在电机上电时, 给电机一个初始状态, 也就是强制给电机三相绕组输入电流, 使电机在这个定子磁场作用之下将转子移到指定位置。显然, 这种方法不能用于伺服系统, 下使电机旋转。

, 自然没有办法获, 那么, 我们只有还从光电编码盘来想办法获得这个信息。现在的通用型光电编码盘除输出两相相位相差90°的正交脉冲信号A 、B 外, 还有一路零信号Z , 和三路彼此相差120°的脉冲信号U 、V 、W , 两路正交信号可以用做电机的转速和转向的判别, 这可以参考有关文献。Z 信号用于电机速度测量过程中的误差修正, 以

但是, 这里仅能给出电机转子所在区间, 至于它在某区间的什么位置还不能确切知道。伺服驱动系统在开始运行时, 首先要咬合电机的转子, 也就是通常所说的伺服使能, 则此时电机定子所形成的空间磁场位置应该和转子d 轴重合。那么, 我们可以在U 、V 、W 所告知的区间内反复测试电机的转子磁场(为分析方便, 假定电机极对数P =1) 。比如说, 刚上电时U 、V 、W 所给出的状态是:101, 表示电机转子在图2所示区域, 则A 相、C 相电流应具有图示方向, 才可以将电机转子咬合, 至于B 相电流是何方向以及A 、C , 60。假定电机转子的初, 则按照θ=30°给电机的三相绕组加入电流, 按照电机合成磁场要求, 为使电机咬合转子, 必须给电机加入电流i a =-i c =I , i b =0, 根据三相电流合成矢量的计

算方法可得:

j30°

(i a +i b e j120°+i c e -j120°) =i =I e 3避免累积误差。那么U 、V 、W 脉冲信号在电机旋

(P 为极对数) , 即电机转转时, 每转变化P ×360°

子的360°空间被分成了P 等分, 每一等分相应于电信号的一个周期。U 、V 、W 所组成的状态信号在一个周期内分别为:101、100、110、010、011、001, 它们各对应电信号一个周期内的60

°区间, 对应机械角为60°ΠP , 则在电机初始上电时, 由U 、V 、W 的状态就可以判定电机转子所处空间位置的相应区间, 参见图1。

图2　电机转子空间位置

　　即此时三相电流合成矢量位于101所表示区域的中心线上, 如果电机转子也在此处, 则电机即

处于咬合状态, 光码盘的输出端A 或者B 无输出脉冲信号。如果电机转子位置不在此处, 则有两种可能, 一种可能就是使电机正向(逆时针) 旋转, 第二种可能就是使电机反向旋转, 就可以由光码盘的输出端A 、B 测出电机是在正向还是反向旋

转。如果电机处于正向旋转状态, 那说明电机转子位于电机A 相绕组轴线及101所表示区域的中心线之间, 那么就按照θ=150°给电机的三相绕组

图1　U 、V 、W 信号及其所表示的状态

加入电流, 电机三相定子电流的综合矢量即位于

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θ=15°的位置, 同样此时仍有三种可能状态, 下面的操作类推, 总可以在一个很小的区间内使电机的转子处于微振状态。每次测试, 区间减小二分之一。

由于电机初始通电时, 电机均处于轻载状态

(或空载) , 因此, 在给电机加上定位力矩T 时, 有方程

T -T f =J

　　从表1可知, 由于使用U 、V 、W 信号实施电机转子的初始定位, 则控制系统在运行时, 将按照上表所示关系来控制电机的三相电流, 因此, 实际使用时要考虑电机的接线。

比如说, 在电机接线时, 电机的B 相和C 相接反, 电机转子的初始位置在图2所示位置,U 、V 、W 信号指示电机位置在0～60°区间, 则系统按照前述方法对电机转子进行定位, 给电机加入电流i a =-i c =I , i b =0, 根据三相电流合成矢量的计算方法可得

) j (-30°

(i a +i c e j120°+i b -=i =I e 3-30°位, °区间, 由图可知, 电机, 系统仍然按照原定方法定101所表示的60°区间, 故此时电机的定位力矩将使电机旋转起来, 当电机越过电机A 相绕组轴线之后, 电机的定位电流给定将发生变化, 其综合矢量便移至011所对应的区间, 如此继续, 电机便旋转起来。经过分析, 在电机的三相绕组接线错误的情况下, 如果给电机加入电流i a =-i c =I , i b =0, 其三相电流矢量所处空间位置见下表。　　表2　各种接线方式时电流的空间矢量位置

(对应i a =-i c =I , i b =0)

接线顺序空间矢量位置Π°

ABC 30

AC B 330

BAC 90

BC A -90

C BA 210

C AB 150

ωd t

式中　T f ———电机及轴联负载的摩擦力矩

J ———其转动惯量

则电机在定位力矩作用下就要跟随定子磁场而旋转。速度将按前述方程加速上升。然而, 我们的定位是不允许电机旋转的, 则电机一旦开始旋转, 指示的转向, 指示的方向, , , 角的修正将在极小, , 定位完成。为防止电机旋转, θ角的修正速度要合适, 太快转子来不及反应, 太慢电机将会旋转, 故测试时间需要反复调整, 才可以完成电机的初始定位。

在测试过程中, 由于给电机施加的电流矢量与电机转子的d 轴不重合, 电机肯定是要旋转的。但是, 只要电机的光电编码盘有脉冲输出, 电机的三相绕组电流就会改变, 使电机定子形成的空间矢量跳变一定角度, 再测试电机的运行状态, 然后再改变电机电流空间矢量的位置, 再测试电机的运行状态, 如此反复进行, 故电机只能旋转几个脉冲对应的角度, 而不会出现连续运行状态。由于光电编码盘每转所输出的脉冲达几千个, 如果倍频则达上万个脉冲, 因此电机旋转输出几个脉冲它所产生的角位移是很小的, 在数控机床机械传动的间隙里完全可以淹没这种微振位移。　　4

　　但对于表中前第二和第三两种状态, 实际运

行中会出现这种情况, 如电机转子仍在图2所示区间, 电机三相接线为BAC , 则逆变器初始定位时电机将逆时针旋转, 并在0°～60°及60°～120°区间的临界分界线上停止下来。如果此时要使电机旋转, 按照i d =0给电机定子送去三相电流, 并以电机转子位置角对电机实施矢量控制, 则电机在定子电流的综合磁链作用下旋转, 但是由于相位错误, 希望电机正转时电机的旋转磁场却是反向的, 则电机转子在电枢磁场作用下与电枢磁场做相向运动, 经过旋转一定角度后, 电枢磁场与转子磁场同向, 电磁力矩为零, 电机停止。

为使分析具有一般性, 假定电机转子位置位于101

所表示的区间(实际分析与电机转子初始位置无关) , 电机转子轴线与电机A 相绕组轴线的夹角为θ,a 、b 、c 三相电流分别为

θi a =I cos

　实际使用接线情况分析

电机出厂时, 将光电编码盘安装在电机轴的非负载侧, 并进行调零操作, 使得电机旋转时, 光电编码盘所输出的U 、V 、W 信号和电机转子位置

角的对应关系如下表(表中角度为电角度) :

表1　UVW 的状态及其所表示的区间

状态角度Π°

1010～60

100

110

010

011

001

60～120120～180180～240240～300300～360

《中小型电机》2003,30(3) 永磁电机的转子位置检测与定位　　　　　　　　　　65

) i b =I cos (θ-120°) i c =I cos (θ+120°

过电流而损坏器件。

参考文献

1　伍小杰等. 同步电机转子位置检测的一种方法及实

　　按照前述计算方法, 可得, 在三相接线变化时, 其三相电流矢量所处空间位置见下表。

表3　各种接线方式下电流空间矢量的一般位置　　

(当U 、V 、W =101时)

接线顺序ABC 空间矢量位置Πθ

AC B

BAC

BC A

C BA

C AB 180-θ

360-θ120-θ-120+θ180+θ

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　　表2是表3的一种特殊情况。经过分析, 其它U 、V 、W 情况下结果类似。　　5

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tion from Z ero to Rated S peed for an Integrated P MS M Drive. IEEE. I A ,V ol. 32,NO. 5,1996.

前述电机转子位置检测及初始定位方法在永磁伺服系统中投入使用, 从实验运行情况看, 电机转子在任何位置永磁伺服系统都能准确定位位时间很短, , 电机转子就能咬合。, 误差。然后, 其故障运行时所出现的现象与前述相同, 说明分析正确。但要注意, 在表2后三种状态下, 如要使电机运转, 系统的电流环必须要有完善的保护措施, 以免出现

收稿日期:2002211216

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