CN1062391C - 交流伺服系统中电机转子初始位置的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的交流伺服系统电机转子初始位置检测方法，可以在控制电机转子转动编码器一线的情况下实现对电机转子初始位置的测量，克服了已有技术需开环旋转一周寻找初始零位的缺点。本发明装置以微处理器作为控制核心、以电流控制型逆变器作为功放单元、以增量式光电编码器为电机转子位置检测单元，组成对三相永磁伺服电机磁场正交矢量控制的数字化伺服系统。本发明适用于快速调速和精密定位系统，例如机器人、数控机床、纺织机械等。

Description

交流伺服系统中电机转子初始位置的检测方法及装置

本发明属于伺服系统技术，涉及交流伺服系统中交流永磁电机转子磁场初始位置的确定方法及其装置。

这里所说的交流伺服系统包括交流伺服驱动器和交流永磁电机(以下简称电机)两部分。交流伺服驱动器输出电流对电机定子供电，电机作为执行部件输出转矩。为了使电机输出转矩最大，并且与驱动器输出电流成正比，必须控制电机定子电流，使之产生的空间磁场方向在任何时刻都与电机转子磁场方向正交。驱动器对电机定子供电，定子空间磁场方向是根据给定电流相位而确定的，但是转子磁场的方向在系统初始上电时是随机的，并且由于停机、断电等多种原因，每次都要求迅速准确地确定电机转子磁极位置即转子磁场的方向。

为了确定电机转子磁场的方向，电机转子同轴上必须装有检测转子位置的位置检测器。按其检测输出方式，位置检测器可以分为绝对式和相对式两种。采用与电机同轴固定的绝对式位置检测器，例如旋转变压器，可以在任何时刻和状态，通过相关技术处理，直接获得电机转子磁场的绝对位置。但是这种以绝对式位置检测方法，没有数控机床定位所需要的位置检测A、B脉冲信号的直接输出，所以与数控(CNC)接口困难。目前通常采用带有A、B、Z三种脉冲直接输出的增量式光电编码器(简称编码器)作为电机转子位置检测器。

增量式光电编码器输出A、B、Z三种脉冲信号。当转轴顺时针旋转时，A脉冲信号超前B脉冲信号90度；逆时针方向旋转时B信号超前A信号90度。同时编码器每旋转一周在确认的某一固定位置输出一次Z脉冲信号(即为零位信号)。

增量式光电编码器与伺服电机同轴安装时，通常需要调整其在转轴上的安装位置，使之有Z脉冲输出时，即编码器的零位与电机转子N极重合，如图1-a所示。同时将A、B脉冲输入计数器作为位置检测。如果电机转子11从图1-a旋转到图1-b所示的位置，电机转子11转过的角度θ如下式：

在以上述增量式光电编码器构成伺服系统电机转子位置检测器时，必须要知道转子在零位时的计数器值No。但是当系统初始上电时，电机转子的位置是随机不定的，而伺服驱动器并不知道初始零位时的计数器值No，所以无法计算出转子位置，并对其进行正确控制。

现有技术找零位的方法是这样的：系统上电后，无论电机转子处于什么位置，伺服驱动器开环输出电流驱动电机转子顺时针或逆时针旋转，直到接收有Z脉冲输入为止(即找到零位)，记下此时计数器值No。只有在找到零位之后，电机转子位置θ角才能正确确定，伺服系统也才能进入闭环控制而正常运行。

但是交流伺服系统用于数控机床的进给运动驱动时，现有技术初始上电过程自动找零位的方法至少在下述两种情况下是不允许的。

(1)在全闭环数控机床中，如果其进给机构位于两端极限位置时，驱动器上电后驱动电机自由旋转找零位，可能会损坏光栅尺或机械限位机构。

(2)在数控机床工作时发生突然断电(例如电网临时停电)，此时刀具仍在加工工件中，如果驱动器再次上电后，驱动电机自由旋转找零位时可能会损坏刀具或工件。

显然，现有技术存在的问题有待解决，缺点有待克服。

本发明的目的是提供一种交流伺服系统中确定交流永磁电机转子磁场初始位置的检测方法，它克服了现有技术的缺点，可以快速、安全、准确地完成初始零位的检测定位；本发明的目的还在于提供一种适用于本发明方法的装置。

本发明方法是控制伺服驱动器输出不同相位、不同幅值的电流，用以改变电机定子三相电流所产生的空间磁场的方向及大小，同时控制电机转子的转动，将其限制在±360/P度之内，这里的P为增量式光电编码器的总线数。如此逐步循环逼近，直到某给定相位的三相电流在电机中所产生的空间磁场的方向与电机转子磁场的方向重合，此时给定电流的相位角就是转子的初始角θ₀。

以下结合附图详细说明本发明方法的原理和步骤，本发明装置的特点及其实施例。

图1增量式光电编码器的工作原理

(a)有Z脉冲输出，编码器的零位与电机转子N极重合。

(b)电机转子转过θ角。

图2定子的空间矢量磁势与永磁转子磁场。

图3本发明电机转子初始位置角检测方法流程图。

图4采用本发明装置组成的交流伺服系统简图。

图5本发明装置原理图

图6三相逆变器中的一相(单相)原理图

先结合附图详细说明本发明方法的原理和步骤。本发明装置可以随时控制输出不同相位及不同幅值的三相正弦波电流。

式中1-三相电流幅值

α_n-定子产生合成磁势与A相轴之间的夹角。众所周知，此三相电流输入`磁交流伺服电机定子之后，将产生与给定电流幅值成正比的空间矢量磁势

其方向如图2所示。此矢量磁势与永磁转子磁场相互作用，从而驱动转子11转动。

在初始上电时转子初始位置角θ₀是随机不确定的。而本系统可以在极其微小地旋转转子的情况下测量到转子初始位置θ₀，这就是本发明方法的特点。具体地说，本方法是以逐次逼近法改变电机定子给定电流的相位角α_n，并且每次相位角改变后电流幅值1从零值逐渐增大，由之产生的磁势

也增加，它与电机转子之间的作用力也逐步增强。在增加定子电流的同时检测编码器位置反馈，如果测出编码器转动不超过一线，则继续增加电机给定电流的幅值I，直至增加到其产生的磁势牵动电机转子(顺时针或逆时针)转动的角度到达编码器一线，此时立即停止电机电流给定，并根据电机转子转动的方向判断下次(n+1)电流给定相位角α_n+1，具体可以归纳为以下四种情况：

在上式控制规律中，随着循环次数n的增加，电流给定角不断接近电机转子初始位置角θ₀。在新的电流相位角α_n+1给定的情况下，再次重复上述过程，每次电流幅值仍从零给定逐步增加，判断电机转向，直至逼近相位角α_n+1满足精度要求，此时电流给定相位角就是转子磁场的初始方向角θ₀。

电机转子初始位置角测量流程如附图3所示。其运行的主要步骤如下：

(1)系统主回路上电，使能打开。

(2)程序初始化过程，包括清除初始电流幅值单元I(即I=0)、置电机电流初始给定相位角α₀为零或360度、置电流循环递增幅度ΔI值；

(3)电机给定电流递增ΔI(即I_j+1=I_j+ΔI)并输出三相电流：i_A=I*Sin(α_n)；i_B=I*Sin(α_n-120°)；i_C=I*Sin(α_n-240°)；

(4)判断电机转子是否转动编码器一线，如果没有转动一线，则重复上述步骤(3)的过程；

(5)在上述(4)中如果电机转子转动编码器一线，则根据本次电机转子方向和前次转动方向，决定下次循环给定电机电流相位角，具体方法是：

①如果电机转子本次顺时针方向转动，并且前次也是顺时针方向转动，则α_n+1=α_n-180°/2^n-1；

②如果电机转子本次顺时针方向转动而前次为逆时针方向转动，则α_n+1=α_n-180°/2^n-1；

③如果电机转子本次逆时针方向转动，前次也是逆时针方向转动，则α_n+1=α_n+180°/2^n-1；

④如果电机本次逆时针方向转动而前次为顺时针方向转动，则α_n+1=α_n+180°/2ⁿ；

(6)判断循环逼近角是否满足精度要求，如果不满足要求，则清除电流幅值单元I，在新的电流相位角的情况下重复上述步骤(3)、(4)、(5)的进程；

(7)在上述步骤(3)中，如果电机给定电流幅值递增到电机额定电流，则退出循环过程，此时电机电流给定相位就是电机转子磁场的初始位置；

(8)在上述步骤(6)中，如果逼近角满足精度要求，则退出循环逼近过程，取此时电流给定相位角为电机转子磁场的初始位置角。

在表一中，举一实例说明电机转子初始位置θ₀=247.5度时程序循环递代的过程。

表一：

循环次数n	0	1	2	3	4
电机转动方向	+1	-1	+1	-1	0
逼近相位角an	360	180	270	225	247.5

其相位角α给定步骤如下：

(1)给定电流相位角α₀取360°，此时它将牵引电机顺时针方向转动一线。

(2)给定电流相位角α₁取180°，此时它将牵引电机逆时针方向转动一线，根据α₀、α₁相位角给定时电机的转动方向，由控制规律计算出下次α₂相位角为270°。

(3)给定电流相位角α₂取270°，此时它将牵引电机顺时针方向转动一线，根据α₁、α₂相位角给定时电机转动方向，由控制规律计算出下次相位角给定α₃=225°。

(4)给定电流相位角α₃取225°，此时它又将牵引电机逆时针方向转动一线，同理根据α₂、α₃相位角给定时电机转动方向，由控制规律计算出下次相位角给定α₄=247.5°。

(5)在α₄=247.5°相位角电流给定下，由于其产生的磁势方向与转子方向重合，将不能牵引电机转动，此时电流给定的相位角就是所需要测量的转子初始位置角θ₀。

为应用本发明方法，完成电机转子初始位置的检测定位，本发明提供了交流伺服系统电机转子初始位置的检测装置，该装置组成的整个系统包括正弦波永磁交流伺服电机(简称电机)、与所说电机同轴安装的增量式光电编码器(简称编码器)，以及特别设计的数字化交流伺服驱动器(简称驱动器)。图4是采用本发明装置组成的交流伺服系统简图。其中，编码器25与电机23同轴安装，驱动器21为电机提供三相正弦波电流i_A、i_B、i_C，编码器25向驱动器21输出A、B、Z三种脉冲。要说明的是，电机和与之同轴安装的编码器是组成全部系统的部件，并非本发明电机转子初始位置的检测装置本身的组成部分，而在说明本发明内容时是必然要提及的。

以下结合附图所示实施例详细说明本发明装置的结构特点。

本发明特别设计的数字化交流伺服驱动器的基本结构，以及用此驱动器组成的交流伺服系统如图5所示。永磁交流伺服电机23和增量式光电编码器25同轴安装，并且由编码器25向交流伺服驱动器21输出A、B、Z三种脉冲。特别设计的交流伺服驱动器21由以微处理器50为核心的数字化控制部分和包括三相逆变器功放单元55的主回路部分27以及控制电源29组成；控制电源29对装置供电，数字化控制部分中，由编码器25输出的Z脉冲直接送入微处理器50，编码器25输出相差90度的A、B脉冲信号经四倍频及监相电路59处理后(提高位置检测的分辨率)，转换成电机旋转方向信号Md及脉冲检测信号4f，再输入微处理器内部计数单元501之中，如此由编码器25，四倍频及监相电路59、微处理器50的计数单元501构成全系统的位置反馈环；微处理器50根据表征电机转子位置的检测信号4f及旋转方向信号Md，并通过初始定位程序单元58的控制，计算出电机相电流数字给定值i_da、i_db，再将这些电流数字给定值送入数模转换器D/A(A)56和D/A(B)57转换成模拟量电流给定值i_a、i_b而C相电流的给定是通过模拟运算放大器567实现的，i_C=-(i_a+i_b)，然后送入三相逆变器功放单元55，控制其输出电流i_A、i_B、i_C的大小，送入电机23驱动转子运动。

如图5所示交流伺服驱动器21中的主回路部分27，由顺序串联的三相交流220V全波整流电路51、软启动电路52、滤波电路53，过压泄放电路54和三相逆变器功放单元55组成。主回路部分27工作时三相交流220V经过全波整流电路51整流得到直流电流，再经软启动电路52限流及滤波电路53处理产生高压直流(例如310V)，然后再经过起过电压保护作用的过压泄放电路54后供给三相逆变器功放单元55，三相逆变器功放单元55根据给定控制电机三相电流i_a、i_b、i_c的大小，进行功率放大，然后输出实际三相电机电流i_A、i_B、i_C，驱动电机23。

主回路部分27中三相逆变器功放单元55的一个实施例，三相逆变器功放单元中的某一相(例如A相)原理框图如图6所示。它包括以两只功率开关管(简称功率管)管T1 621和T4 642为核心组成逆变桥，该逆变桥中，还有相同结构的两个延时导通回路651、652，两个光电隔离器641、642和两个功率管驱动回路631、632，它们分成二组顺序串联，即顺序以延时导通回路651、光电隔离器641、功率管驱动回路631和功率管T1 621串联为一组，以延时导通回路652、光电隔离器642、功率管驱动回路632和功率管T4 622顺序串联为另一组，并且延时导通回路651输入端连接反相器60的输出端，反相器60的输入端与延时导通回路652的输入端并联于结点655，功率管T1和T4的输出端并联于结点625；结点655与比较运算放大器66的输出端相连，三角波发生器67和电流调节器68分别与比较运算放大器66的正输入端和负输入端相连接，电流调节器68的输入端连接电流减法器69的输出端，输出正弦波基准给定电流i_a的数模转换器D/A(A)56(图5)，以及输出反馈电流i_af的电机电流传感器61分别与电流减法器69的输入端相连接；电机电流传感器61的一端与所说的结点625相连接，该传感器61的另一端与电机23(图5)A相连接。当上述电路(三相逆变器功放单元的A相)工作时，电流调节器68采用比例积分调节(PI)，来自电机电流传感器61的反馈电流i_af和来自数模转换器D/A(A)56的正弦波基准给定电流ia同时输入电流减法器69，当反馈电流i_af小于给定电流i_a时，电流减法器69输出一信号i_a1进入电流调节器68，以后电流调节器68输出信号i_a2与三角波发生器67的输出信号tri一起送入比较运算放大器66，比较运算放大器66将输入信号处理后向逆变桥(结点655)输出信号i_a3，该信号i_a3使功率开关管T1的导通时间大于功率开关管T4的导通时间，并且迅速增加电机电流，迫使电机实际反馈电流i_af跟踪正弦波基准给定电流i_a，并且自动自适应将i_af控制在一定区域内。由此可见，三相逆变器功放单元输出的三相电流的大小实际上就是微处理器给定电流的线性放大。

这里要指出的是，电机正弦波电流的高品质动态控制，对于实现高性能伺服驱动是特别重要的，其性能的好坏将直接影响到系统的低速性能。本发明方法和装置解决了这一问题，这种方法可以降低电机定子绕组电流的高次谐波成份，减少电机发热，同时可以不考虑电机定子电压方程，简化数学模型，减轻数字化处理过程中微处理器CPU的繁重的数字运算负担，有助于提高数字化伺服系统的快速响应。

按照本发明方法，在本发明装置上，电机转子只在±360/P度范围内转动而实现初始转子磁场方向的确定，这里P为增量式光电编码器总线数，例如对常用2500线编码器，由机转子转动角度±0.144度。本发明方法克服了因初始寻找零位而开环旋转转子一周的缺点，不会发生损坏刀具、工件等危险。一般初始定位检测所需时间为10-20秒。本发明装置直接使用只含A、B、Z三种脉冲定位信号的增量式光电编码器作为电机转子位置检测和速度检测，同时也作为数控机床的轴向行程位置反馈，降低了系统成本，提高了系统可靠性，便于伺服系统与数控机术CNC之间联调。本发明装置适用于快速调速和精密定位系统，例如机器人、数控机床、纺织机械等。

Claims (5)

1．交流伺服系统电机转子初始位置的检测方法，其特征是控制伺服驱动器输出不同相位、不同幅值的电流，用以改变电机定子三相电流产生空间磁场的方向及大小，同时控制电机转子的转动，将电机转子的转动限制在±360/P度之内，P为增量式光电编码器的总线数，如此逐步循环逼近，直到某给定相位的三相电流在电机中所产生的空间磁场的方向与电机转子磁场的方向重合，这时给定电流的相位角就是电机转子的初始角θ₀。

2．如权利要求l所述的电机转子初始位置的检测方法，其特征是其运行采用如下步骤

(1)系统主回路上电，使能打开；

(2)程序初始化过程，包括清除初始电流幅值单元I(即I=0)，置电机电流初始给定相位角α₀为零或360度，置电流循环递增幅度ΔI值；

(3)电机给定电流递增ΔI(即I_j+1=I_j+ΔI)并输出三相电流：i_A=I*Sinα_n，i_B=I*Sin(α_n-120°)，i_C=I*Sin(α_n-240°)；

(4)判断电机转子是否转动编码器一线，如果没有转动一线，则重复上述步骤(3)的过程；

(5)在上述第(4)步骤中，如果电机转子转动编码器一线，则根据本次电机转子转动方向和前次转动方向，决定下次循环给定电机电流相位角，具体方法是：

①如果电机转子本次顺时针方向转动，并且前次也是顺时针方向转动，则α_n+1=α_n-180°／2^n-1；

②如果电机转子本次顺时针方向转动而前次为逆时针方向转动，则α_n+1=α_n-18O°/2ⁿ；

③如果电机转子本次逆时针方向转动，前次也是逆时针方向转动，则α_n+1=α_n+l80°/2^n-1；

④如果电机转子本次逆时针方向转动，而前次为顺时针方向转动，则α_n+1=α_n+180°/2ⁿ；

(6)判断循环逼近角是否满足精度要求，如果不满足要求，则清除电流幅值单元I，在新的电流相位角的情况下重复上述步骤(3)、(4)、(5)的过程；

(7)在上述步骤(3)中，如果电机给定电流幅值递增到电机额定电流，则退出循环过程，这时电机电流给定相位就是电机转子磁场的初始位置；

(8)在上述步骤(6)中，如果逼近角满足精度要求，则退出循环逼近过程，取这时电流给定相位角为电机转子磁场的初始位置角。

3．一种用于交流伺服系统电机转子初始位置的检测装置，包括微处理器(50)，同轴安装的永磁交流伺服电机(23)和增量式光电编码器(25)，并且由所说的编码器(25)向交流伺服驱动器(21)输出A、B、Z三种脉冲，其特征是交流伺服驱动器(21)由以微处理器(50)为核心的数字化控制部分和包括三相逆变器功放单元(55)的主回路部分(27)以及控制电源(29)组成，数字化控制部分中，由编码器(25)输出的Z脉冲直接送入微处理器(50)，编码器(25)输出相差90度的A、B脉冲信号经四倍频及监相电路(59)处理后，转换成电机旋转方向信号Md及脉冲检测信号4f，再输入微处理器内部计数单元(501)之中，微处理器〔50〕根据表征电机转子位置的检测信号4f及旋转方向信号Md，并通过初始定位程序单元〔58〕的控制，计算出电机三相电流数字给定值i_da、i_db，再将这些电流数字给定值送入A相和B相数模转换器D/A(A)(56)和D/A(B)(57)转换成模拟量电流给定值i_a、i_b，而C相电流的给定是通过模拟运算放大器(567)实现的，然后i_a、i_b、i_c送入三相逆变器功放单元(55)，控制其输出电流i_A、i_B、i_C的大小，送入电机(23)，驱动转子运动。

4．如权利要求3所述的电机转子初始位置的检测装置，其特征是其中的主回路部分(27)，由顺序串联的三相交流220V全波整流电路(51)、软启动电路(52)、滤波电路(53)、过压泄放电路(54)和三相逆变器功放单元(55)组成。

5．如权利要求3或4所述的电机转子初始位置的检测装置，其特征是其中的三相逆变器功放单元(55)中某一相如A相的结构是这样的，它以两只功率开关管T1(621)和T4(622)为核心组成逆变桥，该逆变桥中还有相同结构的两个延时导通回路(651)、(652)，两个光电隔离器(641)、(642)，和两个功率管驱动回路(631)、(632)，它们分成两组顺序串联，即顺序以延时导通回路(651)、光电隔离器(641)、功率管驱动回路(631)和功率管T1(621)串联为一组；以延时导通回路(652)、光电隔离器(642)、功率管驱动回路(632)、功率管T4〔622〕顺序串联为另一组，并且延时导通回路(651)的输入端连接反相器(60)的输出端，反相器(60)的输入端与延时导通回路(652)的输入端并联于结点(655)，功率管T1和T4的输出端并联于结点(625)，结点(655)与比较运算放大器(66)的输出端相连，三角波发生器(67)和电流调节器(68)分别与比较运算放大器(66)的正输入端和负输入端相连接，电流调节器(68)的输入端连接电流减法器(69)的输出端，输出正弦波基准给定电流i_a的数模转换器D/A(A)(56)，以及输出反馈电流i_af的电机电流传感器(61)分别与电流减法器(69)的输入端相连接；电机电流传感器(61)的一端与说的结点625相连接，该传感器(61)的另一端与电机(23)的A相连接。

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