CN104753425B - 一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，用于以永磁同步电机和增量式圆光栅为主体的激光跟踪仪的精密伺服系统在启动环节对永磁同步电机进行零位找寻和补偿，该方法是利用安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器对永磁同步电机机械零点进行位置粗测，并利用增量式圆光栅对永磁同步电机机械零点进行位置精测，实现对永磁同步电机机械零点的在线找寻与补偿，进而实现对激光跟踪仪的精密跟踪控制。利用本发明，大大简化了永磁同步电机零点找寻过程，提高了零点补偿便利性，并保证了永磁同步电机在线找零过程的稳定性，提高了找寻永磁同步电机零点的准确性与可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及精密机电控制技术领域，尤其是一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法。
背景技术
激光跟踪仪具有测量范围大、精度高、动态性能好、实时现场测量等特点，在航空航天、轨道交通、船舶制造等高端智能制造业得到了广泛应用。它不仅可对空间静态目标进行高精度三维测量，而且还可对运动目标进行跟踪测量。
搭建高性能的精密伺服系统是激光跟踪仪实现跟踪和精密测量的基础。永磁同步电机作为精密伺服系统的执行机构，具有力矩系数大、过载能力强、可靠性高、控制灵活等优点，理论上符合激光跟踪仪较高的工作性能要求。但其实际工作性能还取决于控制策略及算法的优劣，矢量控制技术具有控制精度高、低频特性优良、转矩响应快等优点，该算法的实现要求三相电流经过坐标变换实现转矩电流和磁链电流正交控制，其中PARK变换的变换角的精度直接影响坐标变换的效果，进而影响控制算法的执行效果，直接导致永磁同步电机输出功率降低，输出力矩减小，控制精度降低。
故PARK变换的变换角的获取至关重要，由图1和图3可知，变换角主要由永磁同步电机的旋转角度θ和永磁同步电机零位补偿角γ构成，其中θ是变化量，由光栅传感器测得，γ是定值，需要进行找寻补偿。因为激光跟踪仪工作需要，选用增量式圆光栅作为位置传感器，因为增量式圆光栅提供的是相对位置而不是绝对位置，故无法通过一次标定获得永磁同步电机的机械零点位置，同时仅通过增量式圆光栅的光栅编码器很难直接获取永磁同步电机的机械零点的准确位置。
本发明借助安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器和安装在精密伺服系统中的增量式圆光栅传感器，对永磁同步电机进行线上零位找寻并将其转化为补偿角，进而实现对永磁同步电机的精密控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，以简化永磁同步电机零点找寻过程，提高零点补偿便利性，并保证永磁同步电机在线找零过程的稳定性，提高找寻永磁同步电机零点的准确性与可靠性。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，用于以永磁同步电机和增量式圆光栅为主体的激光跟踪仪的精密伺服系统在启动环节对永磁同步电机进行零位找寻和补偿，该方法是利用安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器对永磁同步电机机械零点进行位置粗测，并利用增量式圆光栅对永磁同步电机机械零点进行位置精测，实现对永磁同步电机机械零点的在线找寻与补偿，进而实现对激光跟踪仪的精密跟踪控制。
本发明提供的这种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，具体包括以下步骤：
步骤1：控制永磁同步电机进入启动模式，使永磁同步电机开环转动，捕捉永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点时的清零信号；
步骤2：在永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点后，设定零点找寻转速及偏差阈值，永磁同步电机开始进入零位找寻补偿过程；
步骤3：捕捉安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器在状态切换点时对应的霍尔状态突变信号，记录此时采集到的增量式圆光栅数值，根据状态切换点和电机位置的对应关系将增量式圆光栅的反馈值转换为零点补偿值；
步骤4：在接下来的状态切换点，检查零点补偿值是否准确，若连续n次切换点的零点补偿值均在设定的偏差阈值内，则完成永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿过程，进入闭环控制模式。
上述方案中，步骤1中所述控制永磁同步电机进入启动模式是采用恒压频比来控制永磁同步电机进入启动模式start＝0。
上述方案中，步骤2中所述设定零点找寻转速及偏差阈值，由于在不同找寻转速下检测到的光栅值有一定的偏差，同时偏差阈值越小，则零点找寻越精确，所以针对不同的工况，设定对应的找寻转速和偏差阈值。
上述方案中，所述步骤3包括：霍尔位置传感器的输出信号将永磁同步电机每个周期分为六个60°电角度的区间0°～60°，60°～120°，120°～180°，180°～240°，240°～300°，300°～360°，在0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°这几个电角度位置，霍尔状态信号会发生跳变，且每次状态改变有且仅有一个电平信号发生变化，即只要捕捉到霍尔状态发生改变时，对应跳变电平信号的上升沿或下降沿，及该时刻下增量式圆光栅输出的位置信号，通过霍尔状态和位置的对应关系即可获得增量式圆光栅输出的位置信号与永磁同步电机机械零点的对应关系，即找到永磁同步电机的机械零点对应的增量式圆光栅角度值，然后将该角度值转换为永磁同步电机零点的补偿值。
上述方案中，步骤4中所述在接下来的状态切换点检查零点补偿值是否准确，是在第一次获取补偿值后，基于该补偿值去和经过下一个状态切换点时增量式圆光栅输出的位置信号进行比较，当连续n次偏差均在设定的偏差阈值范围内变化，n为大于1的自然数，则认为该补偿值是有效的，否则继续捕获下一个状态切换点的霍尔状态突变信号，更新补偿值，直到满足条件为止。优选地，所述n＝3。
(三)有益效果
本发明提供的这种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，针对目前国内研究的新型激光跟踪仪精密伺服系统的结构特点，实现了永磁同步电机机械零点的在线找寻与补偿，具有高效，简单，方便，实用等特点，同时通过多点校验，零点找寻转速调整，偏差阈值设定等功能提高了零点找寻的精度，灵活性及可靠性，确保永磁同步电机闭环控制算法的高效执行，大大简化了永磁同步电机零点找寻过程，提高了零点补偿便利性，并保证了永磁同步电机在线找零过程的稳定性，提高了找寻永磁同步电机零点的准确性与可靠性。
附图说明
图1是坐标变换的示意图；
图2是霍尔位置传感器的状态切换点与位置的对应关系；
图3是本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的示意图；
图4是本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法流程图；
图5是依照本发明实施例的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，用于以永磁同步电机和增量式圆光栅为主体的激光跟踪仪的精密伺服系统在启动环节对永磁同步电机进行零位找寻和补偿，该方法主要是利用安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器对永磁同步电机机械零点进行位置粗测，并利用增量式圆光栅对永磁同步电机机械零点进行位置精测，实现对永磁同步电机机械零点的在线找寻与补偿，进而实现对激光跟踪仪的精密跟踪控制。
增量式圆光栅输出的虽然是相对位置信号，但其存在机械零点，增量式圆光栅初步上电未经过增量式圆光栅机械零点时的位置信息是无意义的，故增量式圆光栅上电后首先需要转动一圈进行机械找零。
由图2和图3可知，霍尔位置传感器的输出信号将永磁同步电机每个周期分为六个60°电角度的区间，根据HA、HB、HC电平信号状态可以获得转子位于哪个区间。由图可知在0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°这几个电角度位置，霍尔状态信号会发生跳变，且每次状态改变有且仅有一个电平信号发生变化，即只要捕捉到霍尔状态发生改变时，对应跳变电平信号的上升沿或下降沿，及该时刻下圆光栅输出的位置信号，通过霍尔状态和位置的对应关系即可获得增量式圆光栅输出的位置信号与永磁同步电机机械零点的对应关系，即找到永磁同步电机的机械零点对应的圆光栅角度值，将其转换为永磁同步电机零点的补偿值修正到矢量控制中的坐标变换中即可实现永磁同步电机的精密控制。
但因为霍尔传感器存在安装及输出误差，同时其在状态切换位置的电平变化亦受到永磁同步电机开环转速及捕捉频率的影响，故其一次找寻补偿值可靠性不高，故本发明采用设置偏差阈值，多点校验的方法提高零点找寻的精度与可靠性，即在第一次获取补偿值后，基于该值去和经过下一个状态切换点时光栅输出的位置信号进行比较，当连续三次偏差均在设定的阈值范围内变化，则认为该补偿值是有效的，否则将补偿值更新为新值，直到满足条件位置。
硬件电路主要由基于FPGA的数据采集板和基于DSP的驱动控制板构成。其中FPGA除负责采集各路反馈信号以外，还负责捕捉霍尔传感器状态跳变时增量式圆光栅的位置信号，同时提供固定的时钟信号与驱动控制板进行通讯，将数据传送给DSP进行电机零位的在线找寻补偿及后续的驱动控制算法实现。
如图4所示，图4是本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法流程图，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：控制永磁同步电机进入启动模式，使永磁同步电机开环转动，捕捉永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点时的清零信号；
在本步骤中，控制永磁同步电机进入启动模式是采用恒压频比来控制永磁同步电机进入启动模式，此启动模式start＝0。
步骤2：在永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点后，设定零点找寻转速及偏差阈值，永磁同步电机开始进入零位找寻补偿过程；
在本步骤中，设定零点找寻转速及偏差阈值，由于在不同找寻转速下检测到的光栅值有一定的偏差，同时偏差阈值越小，则零点找寻越精确，所以针对不同的工况，设定对应的找寻转速和偏差阈值。
步骤3：捕捉安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器在状态切换点时对应的霍尔状态突变信号，记录此时采集到的增量式圆光栅数值，根据状态切换点和电机位置的对应关系将增量式圆光栅的反馈值转换为零点补偿值；
在本步骤中，霍尔位置传感器的输出信号将永磁同步电机每个周期分为六个60°电角度的区间0°～60°，60°～120°，120°～180°，180°～240°，240°～300°，300°～360°，在0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°这几个电角度位置，霍尔状态信号会发生跳变，且每次状态改变有且仅有一个电平信号发生变化，即只要捕捉到霍尔状态发生改变时，对应跳变电平信号的上升沿或下降沿，及该时刻下增量式圆光栅输出的位置信号，通过霍尔状态和位置的对应关系即可获得增量式圆光栅输出的位置信号与永磁同步电机机械零点的对应关系，即找到永磁同步电机的机械零点对应的增量式圆光栅角度值，然后将该角度值转换为永磁同步电机零点的补偿值。
步骤4：在接下来的状态切换点，检查零点补偿值是否准确，若连续n次切换点的零点补偿值均在设定的偏差阈值内，则完成永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿过程，进入闭环控制模式；
在本步骤中，在接下来的状态切换点检查零点补偿值是否准确，是在第一次获取补偿值后，基于该补偿值去和经过下一个状态切换点时增量式圆光栅输出的位置信号进行比较，当连续n次偏差均在设定的偏差阈值范围内变化，n为大于1的自然数，优选地n＝3，则认为该补偿值是有效的，否则继续捕获下一个状态切换点的霍尔状态突变信号，更新补偿值，直到满足条件为止。
如图5所示，图5是依照本发明实施例的基于DSP实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的控制算法的流程图，DSP根据设定的频率触发中断进入控制子程序，具体包括以下步骤：
步骤1：关中断并保护现场；
步骤2：读取相电流、光栅、霍尔位置、过零信号等数据；
步骤3：根据电机工作状态标志位‘Start’判断电机所处工作状态；
当Start＝0，说明电机未完成启动过程，进入步骤4；
当Start＝1，说明电机已完成启动过程，处于正常工作状态，跳到步骤11；
步骤4：进入电机启动模式：
根据读取的过零信号判断光栅是否经过机械零点。若过零信号为0则电机未经过光栅的机械零点，则跳到步骤10；若过零信号为1则电机已经经过光栅的机械零点，则跳到步骤5；
步骤5：根据两次中断中的霍尔位置状态是否发生变化判断电机是否经过霍尔状态切换点。若两次中断中的霍尔位置状态未发生变化，则跳到步骤10，否则跳到步骤6；
步骤6：根据霍尔位置状态信息及当前的光栅信号计算出电机的机械零点补偿值，进入步骤7；
步骤7：根据有效补偿次数计数值flag判断是否进行偏差计算，若flag＝0，则说明是第一次获得零点补偿值，令flag加1并将零点补偿值赋给基准补偿值Cmpb，进入步骤10；若flag>0，则说明之前已经获得过零点补偿值，则进入步骤8；
步骤8：将零点补偿值与基准补偿值做差的绝对值与偏差阈值比较，判断当前的零点补偿值是否在偏差阈值范围内，若不在则对及准补偿值Cmpb和有效补偿次数flag进行清零，并进入步骤10，否则令flag加1并进入步骤9；
步骤9：判断flag是否等于3，若flag小于3，则说明有效补偿次数未满足要求次数，则进入步骤10；若flag等于3，说明零点补偿值经验证有效可靠，电机启动模式结束，将电机状态标志位赋1，跳到步骤11；
步骤10：进入恒压频比控制模式，根据预设的零点找寻转速计算恒压频比控制相关参数，使电机按照设定的零点找寻转速进行开环转动，跳到步骤16；
步骤11：进入闭环控制模式，首先判断是否需要更新控制参数，若需要则进行各环PID参数更新，若不需要则直接进入步骤12；
步骤12：进行位置、转速计算数据保存，以便下个控制周期进行累计误差计算，进入步骤13；
步骤13：根据中断次数判断是否进入位置环，若满足条件，则执行位置环APC控制策略，否则直接进入步骤14；
步骤14：根据中断次数判断是否进入速度环，若满足条件，则执行速度环PI控制策略，否则直接进入步骤15；
步骤15：进行采样电流规格化处理，Clark、Park坐标变换，执行转矩电流和磁链电流PI控制策略，Park逆变换，SVPWM调制一系列电流环闭环控制策略，使电机实现平稳闭环控制，跳到步骤16；
步骤16：清除中断标志位，开中断，恢复现场并退出中断程序。
本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，主要用于以永磁同步电机和增量式圆光栅为主体的激光跟踪仪精密伺服系统在启动环节进行电机的零位找寻，并将其以固定圆光栅反馈值的形式补偿进跟踪控制算法中，从而实现激光跟踪仪的精密跟踪控制，具有高效，简单，方便，实用等特点，同时通过多点校验，零点找寻转速调整，偏差阈值设定等功能提高了零点找寻的精度，灵活性及可靠性，确保永磁同步电机闭环控制算法的高效执行。
本发明提供的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，亦可用于其它精密机电控制系统。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，用于以永磁同步电机和增量式圆光栅为主体的激光跟踪仪的精密伺服系统在启动环节对永磁同步电机进行零位找寻和补偿，该方法是利用安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器对永磁同步电机机械零点进行位置粗测，并利用增量式圆光栅对永磁同步电机机械零点进行位置精测，实现对永磁同步电机机械零点的在线找寻与补偿，进而实现对激光跟踪仪的精密跟踪控制，该方法具体包括以下步骤：
步骤1：控制永磁同步电机进入启动模式，使永磁同步电机开环转动，捕捉永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点时的清零信号；
步骤2：在永磁同步电机经过增量式圆光栅的机械零点后，设定零点找寻转速及偏差阈值，永磁同步电机开始进入零位找寻补偿过程；
步骤3：捕捉安装在永磁同步电机上的霍尔位置传感器在状态切换点时对应的霍尔状态突变信号，记录此时采集到的增量式圆光栅数值，根据状态切换点和电机位置的对应关系将增量式圆光栅的反馈值转换为零点补偿值；
步骤4：在接下来的状态切换点，检查零点补偿值是否准确，若连续n次切换点的零点补偿值均在设定的偏差阈值内，则完成永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿过程，进入闭环控制模式。
2.根据权利要求1所述的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，步骤1中所述控制永磁同步电机进入启动模式是采用恒压频比来控制永磁同步电机进入启动模式start＝0。
3.根据权利要求1所述的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，步骤2中所述设定零点找寻转速及偏差阈值，由于在不同找寻转速下检测到的光栅值有一定的偏差，同时偏差阈值越小，则零点找寻越精确，所以针对不同的工况，设定对应的找寻转速和偏差阈值。
4.根据权利要求1所述的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，所述步骤3包括：
霍尔位置传感器的输出信号将永磁同步电机每个周期分为六个60°电角度的区间0°～60°，60°～120°，120°～180°，180°～240°，240°～300°，300°～360°，在0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°这几个电角度位置，霍尔状态信号会发生跳变，且每次状态改变有且仅有一个电平信号发生变化，即只要捕捉到霍尔状态发生改变时，对应跳变电平信号的上升沿或下降沿，及该时刻下增量式圆光栅输出的位置信号，通过霍尔状态和位置的对应关系即可获得增量式圆光栅输出的位置信号与永磁同步电机机械零点的对应关系，即找到永磁同步电机的机械零点对应的增量式圆光栅角度值，然后将该角度值转换为永磁同步电机零点的补偿值。
5.根据权利要求1所述的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，步骤4中所述在接下来的状态切换点检查零点补偿值是否准确，是在第一次获取补偿值后，基于该补偿值去和经过下一个状态切换点时增量式圆光栅输出的位置信号进行比较，当连续n次偏差均在设定的偏差阈值范围内变化，n为大于1的自然数，则认为该补偿值是有效的，否则继续捕获下一个状态切换点的霍尔状态突变信号，更新补偿值，直到满足条件为止。
6.根据权利要求1或5所述的实现永磁同步电机机械零点在线找寻与补偿的方法，所述n＝3。
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