CN101604955B - 三相交流伺服电动机微动寻相方法 - Google Patents

Abstract

一种在三相交流伺服电动机的绕组施加寻相电流，通过测量电动机转子的微小运动从而确定转子磁极相对于定子的电角度α的微动寻相方法，包括步骤：1.寻相参数定义和初始化；2.对伺服电动机施加对应于电角度假定值α₀并逐步增大的寻相电流，使转子产生微动，若寻相电流值已达到最大值I_max且转子运动仍未超过允许偏差角度δ值，转向步骤5；3.确定角度修正量θ；4.根据伺服电动机的微动方向和角度修正量θ修正电角度假定值α₀，返回步骤2；5.将电角度假定值α’作为电角度实际值α。本方法还可包括步骤6.判断和校正电动机三相绕组接线的相序；其中的步骤3可先后使用二分法和偏移加权步进方法确定角度修正量θ。本方法与现有寻相方法相比较具有电动机运动行程小、寻相速度快、寻相精度高、通用性强的特点，不但适用于旋转电动机，也适用于直线电动机。

Description

三相交流伺服电动机微动寻相方法

技术领域

本发明涉及一种测定三相交流伺服电动机转子磁极位置的寻相方法，特别是涉及一种在三相交流伺服电动机的绕组施加寻相电流，通过测量转子的微小运动从而确定所述转子磁极相对于定子的电角度α的微动寻相方法。

背景技术

现代交流伺服系统已经逐渐开始应用于机器人、数控机床等高技术领域，矢量控制技术和直接力矩控制技术的出现，以及大功率全控式电力电子器件和高性能微处理器的快速发展，更促进了交流伺服系统的发展和应用，并显示出取代直流伺服系统的趋势。由于矢量控制的实质就是转子角度的控制，因此矢量控制方法的前提是驱动器必须知道转子磁极在磁场中的角度。我们把驱动器获得转子磁极在磁场中角度的过程叫做寻相。

目前常用的寻相方法有：

1.给定角度法

该方法是给电动机绕组一个指定角度的矢量电流，使转子在磁场作用下转到与指定磁场角度重合的位置。这种方法的优点是：程序实现简单，可靠性高；缺点是：寻相精度不高，电机转动角度大，寻相时间长。

2.霍尔寻相法

为了克服给定角度法电机转动角度大，寻相时间长的缺点，有的交流伺服电机增加了霍尔元件，驱动器可根据霍尔元件的电平状态得到转子的角度范围，霍尔元件越多，角度范围确定的越细。但是，这增加了交流伺服电机结构与伺服系统的复杂性，加大了伺服系统的成本，而且寻相精度受霍尔元件数量限制，不能适用于无霍尔元件的伺服电机。

3.高频注入寻相法

该方法是给电动机绕组加入一个高频电压分量，从而产生一个高频电流分量。由于磁场的各向异性，根据电流分量的幅值与附加的高频电压信号关系，可以计算出转子的角度位置。该方法的寻相精度高，寻相时间短。但是该方法的算法较复杂，计算量大且只对凸极效应明显的电机才能准确跟踪到转子位置，适应性不强。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以规避上述常用寻相方法的缺点和局限性的微动寻相方法，所要解决的技术问题是向伺服电机施加对应于假设的转子磁极电角度且逐步加大的矢量寻相电流，同时测量转子的微小运动，根据转子的运动方向修正假设的转子磁极电角度，使其逼近真实的转子磁极角度。

本发明的微动寻相方法，通过伺服控制系统的驱动器在三相交流伺服电动机的绕组施加寻相电流，测量三相交流伺服电动机转子的微小运动从而确定转子磁极相对于三相交流伺服电动机定子的电角度α，包括

【步骤1】寻相参数定义和初始化，包括

定义电角度α的假定值α’及其初始值α’₀，假定值α’的初始值α’₀设定为[-180°，180°]范围内的任意一个值；

定义电角度α的允许偏差角度δ，允许偏差角度δ设定为[0.5°，5°]范围内的任意一个值；

定义电角度α的角度修正量θ及其初始值θ₀，角度修正量θ的初始值θ₀设定为180°；

定义寻相电流的最大值I_max，寻相电流的最大值I_max设定为不超过三相交流伺服电动机最大持续电流1.5倍的任意一个正数值；

【步骤2】对伺服电动机施加寻相电流，包括

驱动器控制产生对应于电角度假定值α₀并逐步增大的三相寻相电流矢量施加于伺服电动机三相绕组，直至伺服电动机转子运动超过允许偏差角度δ值，或寻相电流达到最大值I_max，停止施加寻相电流；

若寻相电流值已达到最大值I_max且伺服电动机转子运动仍未超过允许偏差角度δ值，转向步骤5；

【步骤3】确定角度修正量θ，包括

重新确定角度修正量θ的值，使角度修正量θ的值比其原值递减，但始终保持角度修正量θ的值大于0；

【步骤4】修正电角度假定值α₀，包括

若伺服电动机转子正向运动超过允许偏差角度δ值，将电角度假定值α’减去角度修正量θ后作为新的电角度假定值α’；

若伺服电动机转子反向运动超过允许偏差角度δ值，将电角度假定值α’加上角度修正量θ后作为新的电角度假定值α’；

返回步骤2；

【步骤5】将电角度假定值α’作为电角度实际值α。

进一步，本发明的微动寻相方法还包括

【步骤6】判断和校正三相交流伺服电动机三相绕组接线的相序，包括

驱动器连续产生使电角度α旋转变化的矢量电流驱动伺服电动机转子运动，判断伺服电动机转子的运动方向及旋转角度与矢量电流的旋转方向及旋转角度是否一致；

若伺服电动机转子的运动方向及旋转角度与矢量电流的旋转方向及旋转角度一致，结束寻相；否则

更改软件设置或更改硬接线，将驱动器的三相输出端的任意两相互换，重新设定电角度假定值α’为其初始值α’₀，重新设定角度修正量θ为其初始值θ₀，返回步骤2。

进一步，本发明的上述微动寻相方法：

其中的步骤1寻相参数定义和初始化，还包括

定义角度修正量θ的停止值θ_s，停止值θ_s设定为[5.625°，45°]范围内的任意一个值；

定义角度修正量θ的调整系数k，调整系数k设定为[0.2，2]范围内的任意一个值；

其中的步骤3确定角度修正量θ，包括

若角度修正量θ值的二分之一大于等于停止值θ_s，使用二分方法，将角度修正量θ值的二分之一作为新的角度修正量θ值；否则

使用偏移加权步进方法，按公式 $\mathrm{\θ}=k\frac{I_{\max }}{I^{\′}}$ 确定角度修正量θ，公式中：

I_max是寻相电流的最大值，

I’是转子运动电角度达到允许偏差角度δ时寻相电流的大小，

k是角度修正量θ的调整系数。

本发明的上述微动寻相方法，其中的三相伺服电动机可以是旋转电动机。

本发明的上述微动寻相方法，其中的三相伺服电动机可以是直线电动机，其中所述的三相伺服电动机转子相当于直线电动机的动子。

本发明的用于三相交流伺服电动机的微动寻相方法与现有寻相方法比较，具有如下有益效果：

1.寻相过程中电动机运动行程小，只是微动，不会对伺服系统造成大的扰动。

2.寻相速度快。寻相前期采用大跨度的二分方法，迅速缩小转子磁极的所在范围，三次微动就可将转子磁极角度判定在45°范围内。影响寻相速度的主要因素是电动机的机械运动时间，但由于电动机只是微动，所以本方法的寻相速度很快。

3.寻相精度高。寻相后期采用偏移加权步进方法细分定位，转子磁极的假定角度α₀越接近其实际角度α，产生微动所需的电流I’越大，则按步骤3中的公式计算出的角度修正量θ越小，减小超调量，可以在实际角度α值的周围精细搜索直到找到正确的转子磁极角度。因此采用偏移加权步进方法即可以提高寻相的准确性，又可以有效减少角度调整的次数，缩短寻相时间。

4.通用性强。本方法不需要在电机中设置测量转子磁极位置的霍尔元件；另外本方法不但适用于旋转电动机，也适用于直线电动机。

具体实施方式

以下结合本发明的较佳实施例进一步说明上述微动寻相方法的具体应用。

实施例1

本实施例采用Elmo APM SB02ADK-9型旋转三相交流伺服电动机和HN-10/400型伺服驱动器实现本发明的微动寻相方法，实验时伺服电动机空载。

首先按照本发明寻相方法的步骤1进行寻相参数初始化设置：

设定转子磁极电角度α的假定值α₀为0°；

设定电角度α的允许偏差角度δ为2°；

设定角度修正量θ的初始值为180°；

设定寻相电流的最大值I_max为三相交流伺服电动机的最大持续电流4A；

设定角度修正量θ的停止值θ₀为22.5°。

设定角度修正量θ的调整系数k为0.75；

然后进行寻相，按步骤2，驱动器产生矢量方向为α₀＝0°，以步长0.004A和步距0.2ms逐渐增加的寻相电流，直至转子产生偏差角度δ为2°的微动；按步骤3，使用二分方法将角度修正量θ从其初始值θ₀＝180°减半为90°；按步骤4，转子第一次微动方向为反向，说明转子磁极电角度假定值α₀＝0°滞后于转子磁极电角度实际值α，据此判断电角度实际值α在0°～+180°范围内，因此将磁极电角度假定值α₀修正为α₀+θ＝0°+90°＝90°。重复上述步骤，驱动器产生矢量方向为α₀＝90°逐渐增加的寻相电流，直至转子产生偏差角度δ为2°的微动；将角度修正量θ从90°减半为45°；转子第二次微动方向仍为反向，说明转子磁极电角度假定值α₀＝90°仍滞后于转子磁极电角度实际值α，据此判断电角度实际值α在90°～180°范围内，因此将磁极电角度假定值α₀修正为α₀+θ＝90°+45°＝135°。重复上述步骤，驱动器产生矢量方向为α₀＝135°逐渐增加的寻相电流，直至转子产生偏差角度δ为2°的微动；将角度修正量θ从45°减半为22.5°；转子第三次微动方向为正向，说明转子磁极电角度假定值α₀＝135°超前于转子磁极电角度实际值α，据此判断电角度实际值α在90°～135°范围内，因此将磁极电角度假定值α₀修正为α₀-θ＝135°-22.5°＝112.5°。

继续寻相过程，驱动器产生矢量方向为α₀＝112.5°逐渐增加的寻相电流，当寻相电流值达到I’＝1.27A时，转子产生偏差角度δ为2°的正向微动，因为此时角度修正量θ已达到其停止值θ₀＝22.5°，不再使用二分方法，而改用偏移加权步进方法，按步骤3中的公式计算角度修正量θ：

$\mathrm{\θ}=k\frac{I_{\max }}{I^{\′}}=0.75\×\frac{4}{1.27}=2.4$

转子微动方向为正向，说明转子磁极电角度假定值α₀＝112.5°超前于转子磁极电角度实际值α，因此将磁极电角度假定值α₀修正为α₀-θ＝-112.5°-2.4°＝110.1°。重复上述步骤，驱动器产生矢量方向为α₀＝110.1°逐渐增加的寻相电流，寻相电流值增加到最大值I_max＝4A，转子运动仍未超过允许偏差角度δ值2°，终止偏移加权步进方法寻相，以电角度α＝110.1°作为最终寻相结果。

整个寻相过程耗时0.7秒，寻相误差不超过2°，寻相过程数据见表1。

表1：允许偏差角度δ＝2°的寻相过程数据

最后按照步骤6，使驱动器连续产生电角度旋转变化的矢量电流以驱动伺服电动机旋转，并通过伺服电动机反馈的编码脉冲记数检验伺服电动机的转子转动方向及旋转角度与矢量电流的旋转方向及旋转角度是否一致(矢量电流的旋转角度应等于实际转子转动角度乘以交流伺服电动机的极对数)，检验结果为一致，说明驱动器的U、V、W端与交流伺服电动机的三相绕组接线正确，说明三相相序正确，结束寻相。如果检验结果为不一致，则说明驱动器的U、V、W端与交流伺服电动机的三相绕组接线相序接反了，这时驱动器通过寻相得到的电角度α₀是不正确的，只是为检验相序提供一个初始电角度，此时必须通过更改软件设置(当然也可以通过改变硬接线)将驱动器的U、V、W三相输出的任意两相互相换位，然后再重新做一次微动寻相，就能够得到正确的电角度α₀了。

实施例2

本实施例将上述实施例1初始化设置中的允许偏差角度δ值设定为1°，其它参数初始化设置不变，再次进行寻相，过程与实施例1类似，不再赘述。最终寻相结果α＝109.3°，整个寻相过程耗时1.2秒，寻相误差不超过1°，过程数据见表2。

表2：允许偏差角度δ＝1°的寻相过程数据

从表2中数据可看出，由于寻相精度提高到δ＝1°，偏移加权步进方法的寻相次数有所增加，相比寻相精度δ＝2°的实施例1增加了2次，寻相时间也有所延长，但依然很快速地得出更加精确的寻相结果。

上述实施例中，设定寻相电流以步长0.004A和步距0.2ms逐渐增加，即寻相电流的增加速率为0.004/0.2＝0.02A/ms。一般而言，寻相电流的步长可在[0.0005I_max，0.005I_max]的范围内选择，视允许偏差角度δ的大小而定，允许偏差角度δ越小，寻相电流的步长宜越小；寻相电流的步距可在[0.1ms，1ms]的范围内选择，寻相电流的增加速率为步长除以步距。寻相电流增加速率大小的选择取决于伺服电动机的机械惯性时间常数，如果在寻相时伺服电动机还带有负载，则取决于整个伺服系统的机械惯性时间常数，机械惯性时间常数越大，寻相电流的增加速率应越小，否则电动机的机械运动滞后于寻相电流的变化，不但不能提高寻相速度，反而对寻相过程产生不利影响，甚至造成寻相失败。

本发明微动寻相方法的上述实施例虽然是以旋转电动机做出的，但该方法完全适用于直线电动机，因为在直线电动机中只是将旋转电动机转子的旋转运动变为动子部分的平移运动，而电流矢量和磁场方向的表示与旋转电机相同，仍以电角度表示，动子部分的磁极位置也以电角度表示，所以本发明的微动寻相方法可以不加修改地运用于直线电动机的微动寻相。

Claims (7)

1.一种微动寻相方法，通过伺服控制系统的驱动器在三相交流伺服电动机的绕组施加寻相电流，测量所述三相交流伺服电动机转子的微小运动从而确定所述三相交流伺服电动机转子的磁极相对于所述三相交流伺服电动机定子的电角度α，其特征是所述微动寻相方法包括

【步骤1】寻相参数定义和初始化，包括

定义所述电角度α的假定值α’及其初始值α’₀，所述假定值α’的初始值α’₀设定为[-180°，180°]范围内的任意一个值；

定义所述电角度α的允许偏差角度δ，所述允许偏差角度δ设定为[0.5°，5°]范围内的任意一个值；

定义所述电角度α的角度修正量θ及其初始值θ₀，所述角度修正量θ的初始值θ₀设定为180°；

定义所述寻相电流的最大值I_max，所述寻相电流的最大值I_max设定为不超过所述三相交流伺服电动机最大持续电流1.5倍的任意一个正数值；

【步骤2】对所述三相交流伺服电动机施加寻相电流，包括

所述驱动器控制产生对应于所述电角度假定值α₀并逐步增大的三相寻相电流矢量施加于所述三相交流伺服电动机三相绕组，直至所述三相交流伺服电动机转子运动超过所述允许偏差角度δ值，或所述寻相电流达到所述最大值I_max，停止施加寻相电流；

若所述寻相电流值已达到所述最大值I_max且所述三相交流伺服电动机转子运动仍未超过所述允许偏差角度δ值，转向步骤5；

【步骤3】确定所述角度修正量θ，包括

重新确定所述角度修正量θ的值，使所述角度修正量θ的值比其原值递减，但始终保持所述角度修正量θ的值大于0；

【步骤4】修正所述电角度假定值α₀，包括

若所述三相交流伺服电动机转子正向运动超过所述允许偏差角度δ值，将所述电角度假定值α’减去所述角度修正量θ后作为新的电角度假定值α’；

若所述三相交流伺服电动机转子反向运动超过所述允许偏差角度δ值，将所述电角度假定值α’加上所述角度修正量θ后作为新的电角度假定值α’；

返回所述步骤2；

【步骤5】将所述电角度假定值α’作为所述电角度实际值α。

2.根据权利要求1的微动寻相方法，其特征是所述微动寻相方法还包括：

【步骤6】判断和校正所述三相交流伺服电动机三相绕组接线的相序，包括

所述驱动器连续产生使所述电角度α旋转变化的矢量电流驱动所述三相交流伺服电动机转子运动，判断所述三相交流伺服电动机转子的运动方向及旋转角度与所述矢量电流的旋转方向及旋转角度是否一致；

若所述三相交流伺服电动机转子的运动方向及旋转角度与所述矢量电流的旋转方向及旋转角度一致，结束寻相；否则

更改软件设置或更改硬接线，将所述驱动器的三相输出端的任意两相互换，重新设定所述电角度假定值α’为其初始值α’₀，重新设定所述角度修正量θ为其初始值θ₀，返回所述步骤2。

3.根据权利要求1或2的微动寻相方法，其特征是

其中所述的步骤1寻相参数定义和初始化，还包括

定义所述角度修正量θ的停止值θ_s，所述停止值θ_s设定为[5.625°，45°]范围内的任意一个值；

定义所述角度修正量θ的调整系数k，所述调整系数k设定为[0.2，2]范围内的任意一个值；

其中所述的步骤3确定所述角度修正量θ，包括

若所述角度修正量θ值的二分之一大于等于所述停止值θ_s，使用二分方法，将所述角度修正量θ值的二分之一作为新的角度修正量θ值；否则使用偏移加权步进方法，按公式确定所述角度修正量θ值，

所述公式中：

I_max是所述寻相电流的最大值，

I’是所述转子运动电角度达到所述允许偏差角度δ时寻相电流的大小，

k是所述角度修正量θ的调整系数。

4.根据权利要求1或2的微动寻相方法，其特征是其中所述的三相交流伺服电动机是旋转电动机。

5.根据权利要求1或2的微动寻相方法，其特征是其中所述的三相交流伺服电动机是直线电动机，其中所述的三相交流伺服电动机转子相当于所述直线电动机的动子。

6.根据权利要求3的微动寻相方法，其特征是其中所述的三相交流伺服电动机是旋转电动机。

7.根据权利要求3的微动寻相方法，其特征是其中所述的三相交流伺服电动机是直线电动机，其中所述的三相交流伺服电动机转子相当于所述直线电动机的动子。