CN102938628B - 一种永磁同步电机转子初始位置定位的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机转子初始位置定位的方法，首先采用方波驱动的方式和霍尔元件检测的转子位置信息启动电机，随后进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位。本发明的转子初始位置定位方法可以实现电机从启动到运转的全自动，不需要外力或人工启动，同时方法简单，精确度高。

Description

一种永磁同步电机转子初始位置定位的方法

技术领域

本发明涉及一种永磁同步电机转子初始位置定位新方法，方法简单，精度高。

背景技术

永磁同步电机功率密度高，效率高，动态响应快，定位精确，这些优点使得永磁同步电机作为交流伺服电机在位置伺服控制系统中已经日益受到广泛的重视和应用。

在位置伺服控制系统中，永磁同步电机转子位置角是很重要的控制信息，没有位置角就难以确定定子绕组的控制状态，电机就可能发生速度振荡甚至失步，更谈不上实现高精度位置伺服控制。然而，由于转子存在永磁，磁极在转速为0时的位置是随机不确定的，除了旋转变压器和绝对式光电编码器等位置传感器能够确定转子初始位置角外，就是增量式光电编码盘这样高精度的位置传感器也不能判断转子静止时的位置角，因此永磁同步电机初始转子位置角的确定是十分关键的。

永磁同步电机转子初始位置角的确定通常使用脉冲电压注入法。定子绕组输入脉冲电压产生固定位置的定子电枢磁场，从而强迫转子永磁磁极与定子磁场对齐，实现整步。这类方法适用于空载或轻载情况下转子初始位置的校正。但是，对于增量码盘这样的位置传感器，测得的转子位置为相对位置，得不到其绝对位置。常用的方法是在驱动电机之前用手动的方法转动电机，使增量码盘找到零位脉冲信号，然后清零脉冲数，使增量码盘的零位对应电机的零位。这种使用手动转动电机的方法，依赖于人工协助，无法实现电机控制的全自动。因此，研究如何使用控制器而非手动的方法实现永磁同步电机转子初始位置定位以及如何提高定位精度具有重要的意义。

发明内容

有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明实施例提供一种简单而高精度的永磁同步电机转子初始位置定位方法，以解决现有技术的问题。

一种永磁同步电机转子初始位置定位方法，包括以下步骤：

一、使用方波驱动和霍尔元件反馈的转子位置信息启动电机：首先根据外部模拟量输入转速指令给定值以及转向要求确定转速指令ω_r，再利用转子位置传感器霍尔元件检测到的转子位置信号变化估算出转子实际转速ω，并得到转速误差信号Δω＝ω_r-ω；然后利用转速PI调节器计算电流参考指令值I_r；同时采样电流值I；接着计算电流误差信号ΔI＝I_r-I，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比；最后根据霍尔元件信号以及指令电流产生转矩的正负确定定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行；电机启动之后，电机侧的增量码盘找到零位脉冲信号后，记录下此时的脉冲数；随后清零脉冲数，使增量码盘的零位对应电机的零位；

二、进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位：在正弦波驱动控制器中，给定定子静止两相坐标系统中的电压指令信号的u_α为一恒定值、u_β为零，此时电机将自动旋转到某一极的边缘，并在此边缘上锁紧不动，即强迫转子永磁磁极与定子磁场对齐，实现整步；得到此时增量码盘的脉冲数M0，由此得到电机每个磁极转动范围内的脉冲数范围，然后将脉冲数转换成机械角度，得到电机每个磁极转动范围内的机械角度范围，完成了初始位置定位。

优选地，在所述进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位的步骤中，当得到转子位置传感器测得的码盘脉冲数时，转换成机械角度，根据转子初始位置定位得到的极对数定位即可确定此位置属于电机的哪一磁极范围内；然后将此机械角度减去此磁极范围内初始位置的机械角度，再乘以极对数，即得到此时转子位置的电角度，此电角度可用于永磁同步电机的矢量控制中，进行正弦波驱动。

本发明还提供了一种永磁同步电机伺服驱动系统，包括永磁同步电机、霍尔元件、增量码盘、制动器、旋转变压器和正弦波驱动控制器；其中，所述霍尔元件用于电机转子初始定位时检测电机的位置信息，所述码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息，所述制动器用于电机定位时的锁紧，所述旋转变压器用于检测所述伺服驱动系统的位置信息；其中，所述永磁同步电机的转子初始位置定位过程被配置为包括以下步骤：

一、采用方波驱动的方式和霍尔元件检测的转子位置信息启动电机；

二、进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位。

本发明的转子初始位置定位方法可以实现电机从启动到运转的全自动，不需要外力或人工启动，同时方法简单，精确度高，这种定位方法在电机控制中具有以下有益效果：

1.本发明方法简单，电机运行平稳；

2.电机转子初始位置定位精度高。

附图说明

图1是永磁同步电机的正弦波驱动结构框图。

图2是电机转子初始位置定位流程图。

图3是正弦波驱动中反馈的码盘脉冲值转换为电角度流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明的永磁同步电机伺服驱动系统结构框图，伺服驱动系统由永磁同步电机、霍尔元件，增量码盘，制动器，旋转变压器和正弦波驱动控制器组成。其中霍尔元件用于电机转子初始定位时检测电机的位置信息；码盘用于正弦波驱动时检测电机的位置信息和速度信息；制动器用于电机定位时的锁紧；旋转变压器用于检测伺服驱动系统的位置信息。

假设所用永磁同步电机为N对极，增量码盘为M线，倍频数为k。电机转子初始位置定位包括两个步骤，第一，采用方波驱动的方式和霍尔元件检测的转子位置信息启动电机；第二，电机极对数定位。

电机转子初始位置定位具体流程图如图2所示：首先，将电机使用方波驱动的方式启动起来，此时使用的转子位置传感器为霍尔元件。

方波驱动流程如下：根据外部模拟量输入转速指令给定值以及转向要求确定转速指令ω_r，再利用转子位置传感器霍尔元件检测到的转子位置信号变化估算出转子实际转速ω，并得到转速误差信号Δω＝ω_r-ω；然后利用转速PI调节器计算电流参考指令值I_r；同时采样电流值I；接着计算电流误差信号ΔI＝I_r-I，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比；最后根据霍尔元件信号以及指令电流产生转矩的正负确定定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行。

电机启动起来之后，电机侧的码盘找到零位脉冲信号(Z脉冲信号)后，记录下此时的脉冲数。清零脉冲数，使码盘的零位对应电机的零位，此时，增量码盘可以当作绝对位置传感器使用。然后进入正弦波驱动，对电机极对数进行定位。

在传统的电机极对数定位中，采用闭环控制的方法，即给定q轴电流i_q为一恒定值，d轴电流i_d为0，电角度θ_e为-90°。通过电流传感器反馈的电流信号，计算出q轴和d轴的电流误差，通过电流环电流调节器，使电机旋转到某一极边缘，锁紧不动。

在本发明中，提出了更加简单和可靠的开环控制的方法。根据定子电压在转子dq0坐标系统中的方程和反Park变换矩阵，如下式所示，由给定q轴电流i_q为一恒定值，d轴电流i_d为0，电角度θ为-90°可以推导出给定电压指令信号U_α为一恒定值，U_β为0。

由i_q＝N，i_d＝0，θ＝-90°，电机角速度ω＝0，经由下式可得u_d＝0，u_q＝(Rs+p×L_q)×N。Rs，p，L_q均为常数。可知，u_d为0，u_q为一恒定常数，设为N₁。

将u_d，u_q经反Park变换可得到定子两相坐标系中的电压指令信号u_α，u_β。可得，u_α＝u_q＝N₁，u_β＝0。

$T_{\mathrm{Park}}^{-1}=\left(\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{\θ}& -\sin \mathrm{\θ}& 0\\ \sin \mathrm{\θ}& \cos \mathrm{\θ}& 0\\ 0& 0& 1\end{array}\right)$

在本发明中，使用开环控制的方法：在驱动控制器中，给定定子静止两相坐标系统中的电压指令信号的u_α为一恒定值、u_β为0，此时电机将自动旋转到某一极的边缘，并在此边缘上锁紧不动，得到此时增量码盘的脉冲数M0，由此我们可以得到电机每个磁极转动范围内的脉冲数范围，即电机第1对极边缘对应脉冲数为M0，第2对极边缘对应脉冲数为M1＝M0+(M×k)/N，第3对极边缘对应脉冲数为M2＝M0+2×(M×k)/N，以此类推。然后将脉冲数转换成机械角度，得到电机每个磁极转动范围内的机械角度，完成了电机转子极对数定位。

在永磁同步电机的正弦波驱动过程中，当得到转子位置传感器测得的码盘脉冲数时，转换成机械角度，根据转子初始位置定位得到的极对数定位即可确定此位置属于电机的哪一磁极范围内，如图3所示。然后将此机械角度减去此磁极范围内初始位置的机械角度，再乘以极对数N，即得到此时转子位置的电角度，此电角度可用于永磁同步电机的矢量控制中，作为永磁同步电机正弦波驱动的位置反馈信息，进行正弦波驱动。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (1)

1.一种永磁同步电机转子初始位置定位方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、使用方波驱动和霍尔元件反馈的转子位置信息启动电机：首先根据外部模拟量输入转速指令给定值以及转向要求确定转速指令ω_r，再利用转子位置传感器霍尔元件检测到的转子位置信号变化估算出转子实际转速ω，并得到转速误差信号Δω＝ω_r-ω；然后利用转速PI调节器计算电流参考指令值I_r；同时采样电流值I；接着计算电流误差信号ΔI＝I_r-I，利用电流PI调节确定功率开关器件导通的占空比；最后根据霍尔元件信号以及指令电流产生转矩的正负确定定子绕组控制逻辑，输出相应的PWM波形，使得转子按照控制的要求运行；电机启动之后，电机侧的增量码盘找到零位脉冲信号后，记录下此时的脉冲数；随后清零脉冲数，使增量码盘的零位对应电机的零位；

二、进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位：在正弦波驱动控制器中，给定定子静止两相坐标系统中的电压指令信号的u_α为一恒定值、u_β为零，此时电机将自动旋转到某一极的边缘，并在此边缘上锁紧不动，即强迫转子永磁磁极与定子磁场对齐，实现整步；得到此时增量码盘的脉冲数M0，由此得到电机每个磁极转动范围内的脉冲数范围，然后将脉冲数转换成机械角度，得到电机每个磁极转动范围内的机械角度范围，完成了初始位置定位；

在所述进入正弦波驱动并对电机极对数进行定位的步骤中，当得到转子位置传感器测得的码盘脉冲数时，转换成机械角度，根据转子初始位置定位得到的极对数定位即可确定此位置属于电机的哪一磁极范围内；然后将此机械角度减去此磁极范围内初始位置的机械角度，再乘以极对数，即得到此时转子位置的电角度，此电角度可用于永磁同步电机的矢量控制中，进行正弦波驱动。