CN103269198B - 一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法，其采用改进的高频电压注入法检测转子初始位置，明确了转子初始定位，方便施加定位电压矢量，避免发生电机转子反转现象；同时自动进行编码器零位补偿，并对补偿值进行存储方便日后直接调用，省去人工调零的麻烦；一旦需要校准或重新调零，只需按此方法运行一次，编码器便再次准确调零，过程简便，精确度高。本发明还公开了实现上述控制方法的控制系统，该系统通过转子定位模块在获取转子初始位置后，选取与该位置最相近的电压矢量进行施加，以避免在定位时发生转子来回振荡现象，仅在转子初始定位前注入高频电压信号，不会给系统运行带来相位滞后与时滞，更不会在运行中引入噪声。

Description

一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法及系统

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法及系统。

背景技术

随着科学技术的迅速发展，伺服控制系统在许多高科技领域得到非常广泛的应用，如机器人控制、数控机床、大规模集成电路制造、办公自动化、柔性制造系统、航空航天、雷达与各种军用武器跟随系统等。目前市场上伺服系统多使用永磁同步电机，而要实现高性能永磁同步伺服系统的高精度控制需要时刻获取转子位置信号。现有的永磁同步伺服电机转子位置检测的主要方法可分为机械位置传感器和无传感器检测两大类。其中机械传感器主要有旋转变压器法、光电编码器法（绝对式和增量式）。无传感器法主要有高次谐波注入法，基于反电势检测法等。不过这些方法各有其不足之处：

旋转变压器法输出与转子位置有关的电压信号，为得到转子位置需要进行解调，用到的专用解码器价格昂贵；绝对式光电编码器检测法能够输出多位二进制，多位二进制与转子位置一一对应，但是光电编码器码盘道数有限，定位精度收到很大影响。同时信号的并行传输，引线较多，增加系统复杂程度，降低系统可靠性。

增量式光电编码器检测法为当前市场采用率最高的方法，其具有定位精度高、算法应用成熟，成本低廉等特点。但该方法输出的不是转子绝对位置信号，因此在使用前需要人工调零。目前人工调零所采用的方法是向永磁同步电机施加特定电压矢量，将其定在固定位置后，通过观察编码器输出U相信号和Z脉冲信号进行多次调整。不仅步骤繁杂，需要额外工具，同时对操作人员也有一定技术要求。另外在不知道电机转子初始位置的情况下施加特定电压矢量，会发生转子反转的情况。这在一部分永磁同步电机中是不允许发生的。

反电势检测法虽不需增加额外设备，但其鲁棒性差，对电流检测设备精确性要求高，更致命的是在低速及零速运行下，无法准确获得电机转子位置。

严帅等在标题为永磁交流伺服系统及其先进控制策略研究（哈尔滨工业大学博士学位论文，pp.11-12，2009年4月）的文献指出了高频信号注入法的应用，解决了低速下转子位置检测的问题，但在检测信号时不仅对硬件设备要求高，同时在信号处理上多处用到带通滤波器及同步轴系高通滤波器，会引入一定的时滞及相位滞后，不能很好满足高精度SVPWM（空间矢量脉宽调制）的控制要求，同时注入的高频信号在运行中会引入较大噪声。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术问题，本发明提供了一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法及系统，无需进行编码器手动调零，即能精确检测转子位置。

一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：

（1）采集电机的三相定子电流，利用增量式编码器获取电机的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号，并对三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量；

（2）根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号进行编码器零位检测，得到编码器零位补偿量；

（3）根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及编码器零位补偿量，计算出电机的转子位置角和转速；

（4）对于首个控制周期，自主生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α1和β轴分量U_β1，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制；

对于第二个控制周期，根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；根据转子位置初测角生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α2和β轴分量U_β2，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制；

对于之后其他控制周期，根据电机的转子位置角和转速通过电机控制策略，生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α和β轴分量U_β，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制。

所述的步骤（2）中，通过以下方法进行编码器零位检测：

A1.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；

A2.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置初测角进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角；

A3.根据转子初始位置角通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度；

A4.根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，计算出编码器零位补偿量。

所述的步骤A3中转子定位法的具体实现方式如下：首先，在三相静止坐标系中确定电机逆变器在各种开关组合下向电机输入的电压矢量；然后，确定转子初始位置角在三相静止坐标系中对应的位置矢量；最后，取该位置矢量沿坐标顺电机正旋转方向最接近的电压矢量为转子定位电压矢量。

所述的步骤A4中，根据以下公式计算编码器零位补偿量：

$N=M+\frac{{\mathrm{\θ}}_{e}Q}{360p}$

其中：N为编码器零位补偿量，θ_e为转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，p为电机的极对数，Q为编码器的栅格总数，M为从电机启动至编码器输出第一个转子Z脉冲信号的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

所述的步骤（3）中，根据以下算式计算电机的转子位置角和转速：

${\mathrm{\θ}}_r=\frac{360p(X+N)}{Q}$

${\mathrm{\ω}}_r=\frac{d{\mathrm{\θ}}_r}{\mathrm{dt}}$

其中：θ_r和ω_r分别为转子位置角和转速，t为时间，p为电机的极对数，Q为编码器的栅格总数，X为从编码器输出任一转子Z脉冲信号至当前时刻的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

所述的步骤（4）中，对于首个控制周期，自主生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α1和β轴分量U_β1；U_α1=U_β1=U_mcosω_ht，U_m和ω_h分别为预设的电压幅值和电压频率，t为时间。

所述的步骤（4）中，对于第二个控制周期，根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；根据转子位置初测角对电压指令在d-q旋转坐标系下的d轴分量U_d和q轴分量U_q进行Park反变换，得到电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α2和β轴分量U_β2；U_d=U_mcosω_ht，U_q=0，U_m和ω_h分别为预设的电压幅值和电压频率，t为时间。

优选地，所述的步骤（4）中，对于之后其他控制周期，根据电机的转子位置角和转速通过磁场定向控制策略，生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α和β轴分量U_β。该控制策略通过维持定子电流的励磁分量不变，控制电流的转矩分量，实现电机的线性力矩控制，具有良好动态特性，精确的速度控制；优化控制电流矢量，获得最低损耗下的最大力矩，使永磁同步电机在整个速率范围内获最高性能。

一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制系统，包括：

增量式编码器，用于采集电机的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号；

定子电流采集单元，用于采集电机三相定子电流，并对所述的三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量；

零位检测单元，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号进行编码器零位检测，得到编码器零位补偿量以及初始电压指令；

转子信息计算单元，用于根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及编码器零位补偿量，计算出电机的转子位置角和转速；

控制单元，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置角和转速，通过电机控制策略构造出控制电压指令；

调制单元，用于根据所述的初始电压指令或控制电压指令通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制。

其中，增量式编码器与零位检测单元和转子信息计算单元相连，定子电流采集单元与零位检测单元和控制单元相连，零位检测单元与转子信息计算单元、控制单元和调制单元相连，转子信息计算单元与控制单元相连，控制单元与调制单元相连；增量式编码器设于电机主轴上，定子电流采集单元与电机定子三相绕组相连接，调制单元通过驱动电路为电机逆变器提供PWM信号。

所述的零位检测单元，包括：

转子位置初步检测模块，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；

初始指令发生模块，用于自主生成初始电压指令或根据所述的转子位置初测角生成初始电压指令；

磁极位置辨识模块，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置初测角进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角；

转子定位模块，用于根据转子初始位置角通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度；

零位补偿模块，用于根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，计算出编码器零位补偿量。

其中，转子位置初步检测模块与定子电流采集单元、初始指令发生模块和磁极位置辨识模块相连，初始指令发生模块与调制单元相连，磁极位置辨识模块与转子定位模块相连，转子定位模块与零位补偿模块和控制单元相连，零位补偿模块与增量式编码器和转子信息计算单元相连。

本发明的有益效果在于：

（1）本发明采用改进的高频电压注入法检测转子初始位置，明确了转子初始定位，方便施加定向矢量，避免发生电机转子反转现象；

（2）本发明转子定位模块在获取转子初始位置后，选取与该位置最相近的电压矢量进行施加，以避免在定位时发生转子来回振荡现象；

（3）本发明自动进行编码器零位补偿，并对补偿值进行存储方便日后直接调用，省去人工调零的麻烦；日后一旦需要校准或重新调零，只需利用此装置运行一次，编码器便再次准确调零，过程简便，精确度高。

（4）本发明仅在转子初始定位前注入高频电压信号，不会给系统运行带来相位滞后与时滞，更加不会在运行中引入噪声。

附图说明

图1为本发明永磁同步电机及其控制系统的结构示意图。

图2为转子位置初步检测模块的结构原理示意图。

图3为磁极位置辨识模块的结构原理示意图。

图4为转子定位模块进行转子定位的矢量原理图。

图5为编码器自动进行零位补偿的原理图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其工作原理进行详细说明。

本实施方式的控制对象为永磁同步电机系统，其包括直流电压源，三相逆变器和永磁同步电机；由直流电压源进行供电，直流电压源输出端并联一个稳压电容后通过三相逆变器，将直流电变为交流电并与永磁同步电机定子输入端相连。三相逆变器由功率开关管与续流二极管组成，有些功率开关管内含有续流二极管，则可以省略独立的续流二极管而使用内置的续流二极管。

如图1所示，一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制系统，包括：增量式编码器、定子电流采集单元、零位检测单元、转子信息计算单元、控制单元和调制单元；其中：

增量式编码器用于采集电机的转子位置增量脉冲信号θ_i和转子Z脉冲信号z，其安装于电机主轴上；本实施方式增量式编码器采用日本多摩川公司型号为TS6014N135的增量式光电编码器。

定子电流采集单元用于采集电机三相定子电流i_a～i_c，并对三相定子电流i_a～i_c进行Clarke变换得到三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β；定子电流采集单元由霍尔电流传感器等构建；Clarke变换的变换矩阵如下：

$T_{\mathrm{abc}/\mathrm{\α\β}}=\sqrt{\frac{3}{2}}\left[\begin{array}{ccc}1& -\frac{1}{2}& -\frac{1}{2}\\ 0& \frac{\sqrt{3}}{2}& \frac{\sqrt{3}}{2}\end{array}\right]$

零位检测单元用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β以及转子位置增量脉冲信号θ_i和转子Z脉冲信号z进行编码器零位检测，得到编码器零位补偿量N以及初始电压指令；本实施方式中，零位检测单元采用DSP，DSP上加载有转子位置初步检测模块、初始指令发生模块、磁极位置辨识模块、转子定位模块和零位补偿模块；其中：

转子位置初步检测模块用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β，提取出电机的转子位置初测角θ₀，具体实现方式如图2所示；

永磁同步电机在任意两相的d'q'坐标系下的定子电压方程和磁链方程分别为：

$\left\{\begin{array}{c}{u}_d^{\′}=R{i}_d^{\′}+p{\mathrm{\ψ}}_d^{\′}-{\mathrm{\ω}}^{\′}{\mathrm{\ψ}}_q^{\′}\\ u_q^{\′}=R{i}_q^{\′}+p{\mathrm{\ψ}}_q^{\′}+{\mathrm{\ω}}^{\′}{\mathrm{\ψ}}_d^{\′}\end{array}\right.$

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_d^{\′}=[L_{s0}+L_{s2}\cos (2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\θ}}^{\′})]i_d^{\′}+L_{s2}\sin (2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\θ}}^{\′})i_q^{\′}+{\mathrm{\ψ}}_f\cos (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′})\\ {\mathrm{\ψ}}_q^{\′}=L_{s2}\sin (2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\θ}}^{\′})i_d^{\′}+[L_{s0}-L_{s2}\cos (2\mathrm{\θ}-2{\mathrm{\θ}}^{\′})]i_q^{\′}+{\mathrm{\ψ}}_f\sin (\mathrm{\θ}-{\mathrm{\θ}}^{\′})\end{array}\right.$

上述两式中，u_d'，u_q'为在任意两相d'q'坐标系下的定子dq轴向电压；Ψ_d'，Ψ_q'为在任意两相d'q'坐标系下的电机内dq轴磁链；i_d'，i_q'为在任意两相d'q'坐标系下的定子dq轴电流；Ψ_f为转子永磁体磁链；p为微分算子，L_s0为自感系数平均值，L_s2为自感系数2次谐波幅值，θ'为d'轴和静止两相坐标系中的α轴（即A相的相轴）之间的夹角；θ为转子永磁体与α轴的夹角，也即d轴与α轴的夹角。当向电机定子α，β轴注入高频电压信号u_α1=u_β1=U_mcosω_ht后，得到定子三相静止坐标系下的电流i_a，i_b，经过Clarke变换后，得到α，β两相静止坐标系下的电流i_α，i_β：

$\left[\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{\α}}\\ i_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\frac{U_m}{(L_{s0}^2-L_{s2}^2){\mathrm{\ω}}_h}\left[\begin{array}{c}{L}_{s0}-\sqrt{2}{L}_{s2}\cos (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\\ L_{s0}-\sqrt{2}{L}_{s2}\sin (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\end{array}\right]\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t$

将上述两个电流分别与sinω_ht做乘积运算，并将运算后所得到的两个信号通过滤波器滤去高频分量后，得到幅值大小受转子位置调制的两个α，β两相静止坐标系下的幅值信号I_α、I_β：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α}}\\ I_{\mathrm{\β}}\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}\mathrm{LPE}\left(i_{\mathrm{\α}}\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\\ \mathrm{LPE}\left(i_{\mathrm{\β}}\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t\right)\end{array}\right]=\frac{U_m}{2(L_{s0}^2-L_{s2}^2){\mathrm{\ω}}_h}\left[\begin{array}{c}{L}_{s0}-\sqrt{2}{L}_{s2}\cos (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\\ L_{s0}-\sqrt{2}{L}_{s2}\sin (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\end{array}\right]$

再将上述幅值信号分别减去直流偏置分量后，并定义 $k=\frac{\sqrt{2}{U}_m{L}_{s2}}{2(L_{s0}^2-L_{s2}^2){\mathrm{\ω}}_h},$ 可以得到：

$\left[\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{\α\θ}}\\ I_{\mathrm{\β\θ}}\end{array}\right]=k\left[\begin{array}{c}-\cos (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\\ -\sin (2\mathrm{\θ}-\mathrm{\π}/4)\end{array}\right]$

最后，通过将得到的两个电流信号幅值除以k后得到I_αθ/k,I_βθ/k。在假设电角度θ位于0～π之间的条件下，根据上述两个信号值的大小，求解反函数得到的结果即为初测转子位置信号θ₀。

初始指令发生模块用于自主生成初始电压指令或根据转子位置初测角θ₀生成初始电压指令；对于首个控制周期，初始指令发生模块自主生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量u_α1和β轴分量u_β1，u_α1=u_β1=U_mcosω_ht，U_m和ω_h分别为预设的电压幅值和电压频率；对于第二个控制周期，初始指令发生模块根据转子位置初测角θ₀对电压指令在d-q旋转坐标系下的d轴分量u_d和q轴分量u_q进行Park反变换，得到电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量u_α2和β轴分量u_β2；u_d=U_mcosω_ht，u_q=0；本实施方式中，U_m=40V，ω_h=400Hz。

Park反变换的变换矩阵如下：

$T_{\mathrm{dq}/\mathrm{\α\β}}=\left[\begin{array}{cc}\cos {\mathrm{\θ}}_0& -\sin {\mathrm{\θ}}_0\\ \sin {\mathrm{\θ}}_0& \cos {\mathrm{\θ}}_0\end{array}\right]$

磁极位置辨识模块用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β以及转子位置初测角θ₀进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角θ，具体实现方式如图3所示；

当转子位置初步检测模块提取到转子初始位置初测值θ₀后，初始指令发生模块根据θ₀以及给定的适当电压幅值U_m及电压频率ω_h，仅向永磁同步电机d'轴（A轴沿正方向旋转θ₀后所处的位置）注入初始电压指令，即u_d'=U_mcosω_ht，u_q'=0，检测并转换得到两相同步旋转坐标系下d'轴电流i_d'：

$i_d^{\′}=\frac{U_m}{(L_{s0}+L_{s2}){\mathrm{\ω}}_h}\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t=I_d^{\′}\sin {\mathrm{\ω}}_{h}t$

当ω_ht=π/2时，u_d'(π/2)=0，i_d'(π/2)=U_m/(L_s0+L_s2)ω_h=I₁，记录此时d'轴电流幅值|I₁|；当ω_ht=3π/2时，u_d'(π/2)=0，i_d'(π/2)=-U_m/(L_s0+L_s2)ω_h=-I₂，记录此时d'轴电流幅值|I₂|。若转子磁极方向在之前用到查表法时所假设的区间内，当ω_ht=π/2时，定子电流产生的磁势与d轴正方向一致，磁路饱和，定子d轴电感L_s0+L_s2变小，|I₁|较大；当ω_ht=3π/2时，定子电流产生的磁势与d轴正方向相反，磁路退饱和，L_s0+L_s2变大，|I₂|较小，因此|I₁|>|I₂|；若转子磁极方向不在假设区间内，即实际转子位置在与初测位置相反的位置。当ω_ht=π/2时，定子电流产生的磁势与d轴方向相反，磁路退饱和，定子d轴电感L_s0+L_s2变大，|I₁|较小；当ω_ht=3π/2时，|I₂|较大。因此有|I₁|<|I₂|。表明d轴真实的正方向与假设相反，θ₀要再加上电角度π。

分别记录下ω_ht=π/2和ω_ht=3π/2两个时刻d轴电流，经过滤波器滤波后，对两个电流幅值|I₁|，|I₂|进行大小比较，便获得了转子磁极位置的辨识结果θ。

转子定位模块用于根据转子初始位置角θ通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度θ_e；转子定位法的具体实现方式如图4所示；首先，在三相静止坐标系中确定电机逆变器在各种开关组合下向电机输入的电压矢量；图中带有ABC三个字母的实线矢量表示电机三相静止坐标系的三条坐标轴，带有字母d的一条实线矢量表示转子磁极N极所处位置（即转子初始位置角θ对应的位置矢量），另外12条带有编号的虚线矢量表示三相逆变器功率开关在不同导通与关断组合下所能向永磁同步电机定子端输入的电压矢量，其中字母的下标中“+”表示逆变器该相的上管导通，该相施加的电压矢量与该相轴正方向同；字母的下标中“-”表示逆变器该相的下管导通，该相施加的电压矢量与该相轴正方向相反；没有某相字母则表示该相不施加电压；最终施加到定子端的电压矢量为施加到各相电压矢量的矢量和。当转子定位模块获得转子初始位置θ后，取转子初始位置角θ在三相静止坐标系中对应的位置矢量沿坐标顺电机正旋转方向最接近的电压矢量为转子定位电压矢量。

零位补偿模块用于根据转子位置增量脉冲信号θ_i、转子Z脉冲信号z以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度θ_e，计算出编码器零位补偿量N。图5为零位补偿模块实现自动零位补偿的原理图；正常情况下，进行人工调零后，码盘上Z脉冲信号的栅格与转子d轴重合，编码器光敏元件，光电接收管与定子A轴重合。在电机运行中，转子N极转动到与定子A轴恰好重合时，编码器输出Z脉冲信号。控制器利用捕获的Z脉冲信号进行一周计数的清零：一方面是明确绝对位置，另一方面是消除累积误差。而对应到本实施方式中，如图5所示，编码器任意安装后，固定的光敏元件与定子A轴有一固定角度差，码盘上Z脉冲信号栅格也与转子d轴有一固定角度差。图中d轴所在位置为控制器施加转子定位电压矢量完成转子定位后的转子位置，该电角度可以通过定位电压矢量编号n换算得到，并且定义将该电角度换转成的对应编码器输出脉冲计数量为K，具体换算公式为：θ_e为转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，p为电机的极对数，Q为编码器的栅格总数；本实施方式中，p=4，Q=2500。

图5中的Z表示编码器码盘上Z脉冲栅格与转子轴所处的相对位置。Z'为当转子d轴（以此表示转子磁极N极）正好与定子A轴重合时，编码器Z脉冲栅格跟随着转子转动所到达的位置。编码器进行自动零位补偿，即要求实现在此时刻输出Z脉冲信号，对应到编码器计数值则要求此时计数值恰好为0。以此达到转子磁极N极转动到与定子A轴重合时计数值为0，起到类似编码器输出Z脉冲的效果。对应的补偿数值为图中光敏元件与Z'间角度所对应的脉冲计数值N。即计数值在原值基础上需要加上零位补偿值N，当转子磁极与A轴重合时，计数值达到常规人工调零下计数值对应的零值，相当于此时出现了Z脉冲信号，控制单元可以在此时进行清零工作。具体实现方法如下：当转子定位完成后，图5中的电角度θ_e已知，换算成对应的脉冲计数值K；电机在编码器脉冲计数值清零后起动运行，过程中零位补偿模块记录从电机起动到编码器输出Z脉冲信号间所发出的增量脉冲信号并计数，得到计数值M；编码器零位补偿值N等于M加上K：

$N=M+K=M+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{e}Q}{360p}$

其中：M为从电机启动至编码器输出第一个转子Z脉冲信号的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

转子信息计算单元用于根据转子位置增量脉冲信号θ_i、转子Z脉冲信号以及编码器零位补偿量N，通过以下算式计算出电机的转子位置角θ_r和转速ω_r；

${\mathrm{\&theta;}}_r=\frac{360p(X+N)}{Q}$

${\mathrm{\&omega;}}_r=\frac{d{\mathrm{\&theta;}}_r}{\mathrm{dt}}$

其中：X为从编码器输出任一转子Z脉冲信号至当前时刻的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

若增量式光电编码器的栅格总数为Q，在未分频情况下，控制器对脉冲进行由-Q/2～Q/2间的计数。捕捉到Z脉冲信号时，计数器置零，开始计数。其对应真实的转子位置应为目前计数值X基础上再加上N，当计数值X达到Q/2-N时，跳到-Q/2-N开始赠计数，计数值X等于-N时则对应转子磁极N极与定子A轴重合。

控制单元用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量i_α、i_β以及转子位置角θ_r和转速ω_r，通过磁场定向控制策略（即i_d ^*=0）构造出控制电压指令u_α～u_β；控制单元利用θ_r对两相静止坐标系下电流值i_α、i_β作Park变换，并将得到的i_d、i_q、ω_r与给定量作比较后输入到调节器。调节器经过处理输出控制电压信号u_α～u_β到调制单元，调制单元根据初始电压指令或控制电压指令U_α～U_β通过SVPWM技术构造产生PWM脉冲信号控制三相逆变器功率开关的导通或关闭，由此施加控制电压矢量到电机定子端，达到电机的高精度控制。本实施方式中，转子信息计算单元、控制单元和调制单元均通过在DSP平台下编程实现。

本实施方式实现转子初始位置检测与编码器自动零位补偿的的具体步骤如下：

（1）控制器取定适当电压幅值U_m及电压频率ω_h，向定子两相静止坐标轴α,β轴注入高频电压信号，u_α1=u_β1=U_mcosω_ht。调制单元根据初始指令发生模块输出的电压信号u_α1、u_β1，采用空间矢量脉宽调制方法输出PWM触发脉冲控制三相逆变器输出三相电压矢量，输入到电机定子端。

（2）检测电机定子端电流i_a～i_c，转子位置初步检测模块获取经过Clarke变换后的i_α，i_β，并进行电流幅值获取与角度信息解调等处理，获得转子初始位置初测值θ₀。

（3）停止向电机注入步骤（1）中的高频电压信号。初始指令发生模块根据步骤（2）检测得到的转子初始位置初测值θ₀以及给定的电压幅值U_m及电压频率ω_h，改为仅向永磁同步电机d'轴（A轴沿正方向旋转θ₀所处的位置）注入高频电压信号，即u_d=U_mcosω_ht，u_q=0。输入到SVPWM模块中的u_α2，u_β2为利用θ₀对上述u_d，u_q进行Park逆变换所得值。

（4）检测电机定子端电流i_a～i_c，磁极位置辨识模块获取经过Clarke变换后的i_α，i_β，此时转子位置初步检测模块不再进行电流信号的获取。磁极位置辨识模块将得到的i_α，i_β再进行Park变换后得到两相同步旋转坐标系下的d轴电流i_d。记录ω_ht=π/2和ω_ht=3π/2两个时刻下的d'轴电流幅值|I₁|和|I₂|。通过比较两个电流幅值的大小，对转子磁极位置进行辨识，确定转子初始位置θ是等于θ₀还是等于θ₀+π。

（5）停止向电机注入高频电压，即初始指令发生模块不再向调制单元输入初始电压指令。转子定位模块利用磁极位置辨识模块输出的转子初始位置信号θ判定转子所在区间，并输出应施加转子定位电压矢量的电角度θ_e至控制单元和零位补偿模块。

（6）控制单元根据转子定位模块发出的转子定位电压信号向调制单元发出信号，输出PWM触发脉冲信号控制三相逆变器功率开关管的导通与闭合，向电机定子端施加定位电压矢量，使转子定位到特定位置。定位电压矢量施加时间持续3～4s，以确保转子已固定在特定位置。在定位电压施加足够时间后，零位补偿模块对编码器脉冲计数器的计数值进行强制清零。

（7）利用i_d ^*=0的磁场定向控制理论使电机在施加与转子永磁体磁场垂直的电磁场下起动，并结合增量式光电编码器输出增量脉冲信号使电机稳定运行。同时编码器零位补偿模块对输出的增量脉冲进行计数，并检测是否有编码器Z脉冲信号发出。

（8）当检测到编码器输出首个Z脉冲信号时，控制单元不再输出控制信号，电机定子端不再有电压输入。同时，编码器零位补偿模块记录下此时的脉冲计数值M，结合转子定位电压矢量的电角度可以完成编码器零位自动补偿，日后使用中通过转子相关信号获取单元结合编码器零位自补偿值N后得到的编码器增量脉冲计数值与Z脉冲信号即能获得与常规人工调零下相同的位置检测结果。

采用本实施方式通过两次高频电压注入获取转子初始位置，在非高精度硬件检测设备条件下，利用软件实现，算法简单；根据转子初始位进行转子定位，不引起电机转子的反转与来回震荡；编码器自学习过程实现任意安装下编码器的自动零位补偿，省去人工调零位的繁杂步骤，原系统基础上增加编码器零位自补偿模块，按需启动，不增加系统额外设备与复杂程度，提高系统稳定性与可维护性。

Claims (8)

1.一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制方法，包括如下步骤：

(1)采集电机的三相定子电流，利用增量式编码器获取电机的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号，并对三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量；

(2)根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号进行编码器零位检测，得到编码器零位补偿量，具体过程如下：

A1.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；

A2.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置初测角进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角；

A3.根据转子初始位置角通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度；

A4.根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，计算出编码器零位补偿量；

(3)根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及编码器零位补偿量，计算出电机的转子位置角和转速；

(4)对于首个控制周期，自主生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α1和β轴分量U_β1，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制；

对于第二个控制周期，根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；根据转子位置初测角生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α2和β轴分量U_β2，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制；

对于之后其他控制周期，根据电机的转子位置角和转速通过电机控制策略，生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α和β轴分量U_β，进而通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制。

2.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤A3中转子定位法的具体实现方式如下：首先，在三相静止坐标系中确定电机逆变器在各种开关组合下向电机输入的电压矢量；然后，确定转子初始位置角在三相静止坐标系中对应的位置矢量；最后，取该位置矢量沿坐标顺电机正旋转方向最接近的电压矢量为转子定位电压矢量。

3.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤A4中，根据以下公式计算编码器零位补偿量：

$N=M+\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{e}Q}{360p}$

其中：N为编码器零位补偿量，θ_e为转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，p为电机的极对数，Q为编码器的栅格总数，M为从电机启动至编码器输出第一个转子Z脉冲信号的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

4.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤(3)中，根据以下算式计算电机的转子位置角和转速：

${\mathrm{\&theta;}}_r=\frac{360p(X+N)}{Q}$

${\mathrm{\&omega;}}_r=\frac{{\mathrm{d\&theta;}}_r}{\mathrm{dt}}$

其中：θ_r和ω_r分别为转子位置角和转速，t为时间，p为电机的极对数，Q为编码器的栅格总数，N为编码器零位补偿量，X为从编码器输出任一转子Z脉冲信号至当前时刻的时间段内转子位置增量脉冲信号出现的脉冲总计数。

5.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，对于首个控制周期，自主生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α1和β轴分量U_β1；U_α1＝U_β1＝U_mcosω_ht，U_m和ω_h分别为预设的电压幅值和电压频率，t为时间。

6.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，对于第二个控制周期，根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；根据转子位置初测角对电压指令在d-q旋转坐标系下的d轴分量U_d和q轴分量U_q进行Park反变换，得到电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α2和β轴分量U_β2；U_d＝U_mcosω_ht，U_q＝0，U_m和ω_h分别为预设的电压幅值和电压频率，t为时间。

7.根据权利要求1所述的永磁同步电机控制方法，其特征在于：所述的步骤(4)中，对于之后其他控制周期，根据电机的转子位置角和转速通过磁场定向控制策略，生成电压指令在α-β静止坐标系下的α轴分量U_α和β轴分量U_β。

8.一种基于编码器自动调零的永磁同步电机控制系统，其特征在于，包括：

增量式编码器，用于采集电机的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号；

定子电流采集单元，用于采集电机三相定子电流，并对所述的三相定子电流进行Clarke变换得到三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量；

零位检测单元，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置增量脉冲信号和转子Z脉冲信号进行编码器零位检测，得到编码器零位补偿量以及初始电压指令；

转子信息计算单元，用于根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及编码器零位补偿量，计算出电机的转子位置角和转速；

控制单元，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置角和转速，通过电机控制策略构造出控制电压指令；

调制单元，用于根据所述的初始电压指令或控制电压指令通过SVPWM技术构造得到一组PWM信号以对电机逆变器进行控制；

所述的零位检测单元，包括：

转子位置初步检测模块，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；

初始指令发生模块，用于自主生成初始电压指令或根据所述的转子位置初测角生成初始电压指令；

磁极位置辨识模块，用于根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置初测角进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角；

转子定位模块，用于根据转子初始位置角通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度；

零位补偿模块，用于根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，计算出编码器零位补偿量；

所述的零位补偿模块通过以下方法计算编码器零位补偿量：

A1.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量，提取出电机的转子位置初测角；

A2.根据三相定子电流在α-β静止坐标系下的分量以及所述的转子位置初测角进行磁极位置辨识，生成转子初始位置角；

A3.根据转子初始位置角通过转子定位法，确定转子定位电压矢量及其在三相静止坐标系下的电角度；

A4.根据转子位置增量脉冲信号、转子Z脉冲信号以及转子定位电压矢量在三相静止坐标系下的电角度，计算出编码器零位补偿量。