CN107666262A - 一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置及方法。该装置主要包括直流电源、永磁同步电机、测角设备、测角电路、上位机显示单元。检测方法利用永磁同步电机空间矢量特点，通过给定子通直流电源，得到转矩近似为零处推算出U₀向量对应位置即电机的其中一个极点的位置，并通过电流环进行验证，而后计算出其他五个极点的位置。星载二维指向机构特点是机构俯仰和方位的极限机械角度均不到25°，利用传统的方法无法直接找到主极点。本发明优点在于可以在转动机构机械角度受到限制的情况下，准确的找到电机的极点，提高永磁同步电机矢量控制中转矩的效率、控制精度和控制系统的稳定性。

Description

一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置及方法

技术领域

本发明涉及二维指向机构电机控制技术领域，特别是涉及一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置及方法，该方法同样也可以应用于其它的旋转结构形式，和其他对极的永磁同步电机的极点确认。

背景技术

目前二维指向机构已广泛应用于航天领域，用于扩大相机的观测视场。二维指向机构所用的永磁同步电机具有体积小，力矩大，转矩脉动小，精度高的特定，因此被广泛应用于航天领域。

电机控制系统中PWM技术，对比常用的SPWM和SVPWM技术，实践和理论证明后者在输出电压或电机线圈绕组中的电流都具有更低的高次谐波和更高的电压利用率等优点。为了充分发挥电机的转矩效率，电机的电气零位需要进行准确确认。

实际应用过程中，一种方法是采用在电机电枢中加入施加特定方向的电压矢量，将电机转子固定在电气零度的位置，再读取位置传感器的输出得到位置传感器的零位偏差；另一种方法可以通过无传感器控制方法获取转子的初始位置，再同时读取传感器的输出角度，计算得到传感器零位偏差，该方法受限域无传感器转子位置估算的精度，无法获得比较精确的传感器的零位偏差。详见相关文献贾洪平“基于高频注入法的永磁同步电动机转子初始位置检测研究”(中国电机工程学报)，胡任之“永磁同步电动机位置传感器零位偏差估计方法”(微电机)等。

专利“一种实现永磁同步电机机械零位在线找寻与补偿的方法”(CN104753425A)，该方法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侧，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。

专利“一种电机机械零点校准方法”(CN104767467A)，通过对电机的直轴分量注入电流，定子产生的磁场将电机转子吸附到初始电角度位置。然后使电机进入速度控制模式，通过得到的编码器的有效值进行分析得到电机零点。

上述现有的技术中针对电机零点的确认并未考虑到电机旋转角度受限后的情况，及如何通过有效的测试确认该极点的正确性。

本发明围绕星载角度受限的二维指向机构六对极永磁同步电机进行其极点确认，并通过二维指向机构在受限角度内的电流环的特性验证确认电机极点的准确性，最终提升电机的转矩效率。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置及方法。解决了转角受限六对极永磁同步电机的极点的确认。

本发明所采用的技术方案是:极点检测装置由稳压电源2，感应同步器前放盒3，大理石台4，扫描与指向控制电路箱5，数据采集及处理计算机6组成。其中：二维指向机构1为被测对象，其机构为二维正交轴系，轴端分别装有东西维永磁同步电机7、南北维永磁同步电机8、东西维感应同步器10和南北维感应同步器9；稳压电源2为28V电压输出，输出最大电流3A；用于给感应同步器前放盒和扫描与指向控制电路箱供电，同时也给电机供直流电；大理石台4平整度为0级以上；感应同步器前放盒3用于实时采集两维角度信息，角度采样频率50KHz，测角稳定度优于0.3角秒；二维指向机构1和扫描指向控制电路箱5共同组成二维指向机构控制系统，指向控制精度优于0.5角秒；数据采集和处理计算机6获取感应同步器的角度信息用于显示。

极点检测装置按如下方式进行布局：指向机构1放置于大理石台4上，感应同步器前放盒3放置于大理石台上，连接指向机构1与感应同步器前放盒3之间的电缆，连接感应同步器前放盒3和扫描与指向控制电路箱5之间的电缆，连接稳压电源2与指向机构1上被测电机的电缆，连接扫描与指向控制电路箱5与数据采集及处理计算机电缆。

极点检测装置实现的方法如下：

(1)二维指向机构永磁同步电机极点确认装置进行布局

(2)按照6个非零向量给定子绕组通以直流电，定子绕组按U₆₀开关状态110，则A和B相接正极，C相接负极。电源电压从0V逐步调整到电机额定电压15V。

(3)若上述状态下力矩为零的位置在转动范围内，上位机显示设备上读取测角装置获取的感应同步器的位置信息θ_60-1；然后手动波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-2；再次反方向波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-3。

(4)上述得到的三组数据取平均得到θ₆₀即为U₆₀向量的力矩为零的机械位置，则计算可以得到U₀的机械角度的位置为θ₆₀-10度，进而得到其他极点对应的机械角度为U₀向量对应机械角度加减60度。

(5)若上述状态下，力矩为零的位置不在转动范围内，则按U₀、U₆₀、U₁₂₀、U₁₈₀、U₂₄₀、U₃₀₀的基本空间矢量顺序进行通电，直至找到在转动范围内有力矩为零的点。

(6)上述方式确定好电机极点后，通过电流环进行极点验证，如图8，给定Q轴命令正负2000码即60mA电流，周期1秒，指向机构在电机周期作用的力下速度呈三角波，最大速度91码，力矩效率最高。表明上述受限角度的电机极点的确认方法有效。

通过U₀、U₆₀、U₁₂₀、U₁₈₀、U₂₄₀、U₃₀₀的基本空间矢量进行通电，找到两维机构转动范围内的力矩近似为零的位置，然后通过计算得到U₀的极点位置，进而得到其他5个极点位置。

如图3为SVPWM逆变器，逆变器的功率管的开关状态和顺序组合，以及开关的导通时间的调制，可以使电压空间矢量轨迹成近似圆形运行，达到减少谐波和电压高效率输出的目的。

图3中M1～M6为6个功率开关器件，每个功率开关器件有2种状态，且上下桥臂互补，定义开关状态“1”为上桥臂导通，下桥臂截止；“0”为上桥臂截止，下桥臂导通。对应开关状态如下表所示：

序号	开关状态	开关代码
			1	M1 M4 M6	100
2	M1 M3 M6	110
			2	M2 M3 M6	010
4	M2 M3 M5	011
			5	M2 M4 M5	001
6	M1 M4 M5	101
			7	M1 M3 M5	111
8	M2 M4 M6	000

根据功率器件的上述八种开关状态，得到定子绕组UA，UB，UC的八组相电压值，每组相电压值可得到合成电压矢量和相位角。八种状态对应八个矢量，称为基本电压空间矢量，根据电压矢量的幅值和相位角的特点命名如下：

O₀₀₀、U₀、U₆₀、U₁₂₀、U₁₈₀、U₂₄₀、U₃₀₀O₁₁₁其中开关状态000和111时，电机绕组无电流回路，称为零矢量。图5为八个基本电压空间矢量的大小和相位，图中非零的6个矢量幅值相同，相邻的矢量间隔60度，沿逆时针方向依次加大，两个零矢量位于中心。随着功率器件工作状态的切换，电压空间矢量的幅值不变，而每次相位旋转π/3，直到一个周期结束。在每个周期中6个电压空间矢量共转过2π弧度，形成一个封闭的正六边形如图3。

当逆变器的功率器件单独输出某一基本空间矢量时，电机的定子磁链矢量平行于该向量方向移动，最终稳定在力矩近似为零的位置。按基本空间矢量顺序进行逆时针通电，电机的定子磁链矢量平行与下一个向量方向移动。

基于该特性，与现有的技术相比，本发明的有益效果是

(1)无需搭建三相电压型逆变电路，而是把永磁同步电机的定子三相绕组连接到直流电源上，通过改变三相绕组与电源的连接形式模拟逆变器功率开关管的开关状态和顺序组合实现基本电压空间矢量的目的，使得电机极点的确认简化，无需专门的电机控制系统参与。

(2)在转动机构机械角度受到限制的情况下，通过SVPWM基本电压空间矢量特点，确认其中某一向量的位置。通过该位置计算出U₀向量的位置，进而推算出其他极点的位置。解决了在转动机构角度受限情况下电机电气零点的准确获取，提高永磁同步电机矢量控制中转矩的效率，为提高电机控制精度和控制系统的稳定性提供了必要的条件。

附图说明

图1是二维指向机构永磁同步电机极点确认装置布局图。

图2是二维指向机构示意图。

图3是永磁同步电机三相电压型逆变电路图。

图4是SVPWM技术基本电压空间矢量图。

图5是基本电压矢量的正六边形轨迹图。

图6是110开关状态时定子绕组的电路原理图。

图7是110开关状态时合成的基本电压空间矢量图。

图8是电流环跟随曲线图。

具体实施方式

由于现有的技术中针对电机零点的确认并未考虑到电机旋转角度受限后的情况，及如何通过有效的测试确认该极点的正确性。

本发明解决了上述问题，并围绕星载角度受限的二维指向机构六对极永磁同步电机进行其极点确认，验证确认电机极点的准确性。

下面结合附图和具体的实例对本发明作进一步说明。

图1所示本发明的实现装置布局图，由稳压电源2，感应同步器前放盒3，大理石台4，扫描与指向控制电路箱5，数据采集及处理计算机6组成。

方法的理论基础为永磁同步电机SVPWM控制技术，按照6个非零向量给定子绕组通以直流电。以U₆₀开关状态110为例，则A和B相接正极，C相接负极。电源电压从0V逐步调整到电机额定电压，防止在该状态下力矩为零的位置不在转动范围内，由电压接入过大，而导致机构发生碰撞。假定在该范围内能够二维指向机构能够找到力矩近似为零的位置。

电路如图6所示：

U_AO＝U_A-U_O＝Ud-R*Ud/(R+R/2)＝Ud/3；

U_BO＝U_B-U_O＝Ud-R*Ud/(R+R/2)＝Ud/3；

U_CO＝U_C-U_O＝0-R*Ud/(R+R/2)＝-2Ud/3；

对应的向量合成图如图7所示，矢量合成后的向量的幅值为Ud，向量的方向为U₆₀方向。上位机显示设备上读取测角装置获取的感应同步器的位置信息θ_60-1；然后手动波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-2；再次反方向波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-3。极点的精度要求小于5角分，实际实现过程中精度达到2角分内，上述得到的三组数据取平均得到θ₆₀即为U₆₀向量的力矩为零的机械位置。根据图4，由于永磁同步电机为6对极，电气角度的60度对应机械角度10度。可以得到U₀的机械角度的位置为θ₆₀-10度，进而得到其他极点对应的机械角度为U₀向量对应机械角度加减60度。

若在受限角度范围内能够找到转矩为零处的向量为其他非零向量，可按上述原理类推，汇总结论如下表所示:

注：上表中，n为正整数。

按照上述内容即可完成受限角度的电机的极点的确认。电机按上述顺序通电过程中，感应同步器的角度应逐步增大。

通过上述方式确定好电机极点后，通过电流环进行极点验证，如图8，给定Q轴命令正负2000码即60mA电流，周期1秒，指向机构在电机周期作用的力下速度呈三角波，最大速度91码，力矩效率最高。表明上述受限角度的电机极点的确认方法有效。

Claims (2)

1.一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置，由稳压电源(2)，感应同步器前放盒(3)，大理石台(4)，扫描与指向控制电路箱(5)，数据采集及处理计算机(6)组成，二维指向机构(1)为被测对象，其机构为二维正交轴系，轴端分别装有东西维永磁同步电机(7)、南北维永磁同步电机(8)、东西维感应同步器(10)和南北维感应同步器(9)；特征在于：

所述的稳压电源(2)为28V电压输出，输出最大电流3A；用于给感应同步器前放盒和扫描与指向控制电路箱供电，同时也给电机供直流电；

所述的大理石台(4)平整度为0级以上；

所述的感应同步器前放盒(3)用于实时采集两维角度信息，角度采样频率50KHz，测角稳定度优于0.3角秒；

二维指向机构(1)和扫描指向控制电路箱(5)共同组成二维指向机构控制系统，系统指向控制精度优于0.5角秒；数据采集和处理计算机(6)获取感应同步器的角度信息用于显示；

指向机构(1)放置于大理石台(4)上，感应同步器前放盒(3)放置于大理石台上，连接指向机构(1)与感应同步器前放盒(3)之间的电缆，连接感应同步器前放盒(3)和扫描与指向控制电路箱(5)之间的电缆，连接稳压电源(2)与指向机构(1)上被测电机的电缆，连接扫描与指向控制电路箱(5)与数据采集及处理计算机电缆。

2.一种基于权利要求1所述的一种星载二维指向机构永磁同步电机极点检测装置的六对极永磁同步电机极点确认方法，其特征在于步骤如下：

1)二维指向机构永磁同步电机极点确认装置布局完成；

2)按照6个非零向量给定子绕组通以直流电，定子绕组按U₆₀开关状态110，即A和B相接正极，C相接负极。电源电压从0V逐步调整到电机额定电压15V；

3)若上述状态下力矩为零的位置在转动范围内，上位机显示设备上读取测角装置获取的感应同步器的位置信息θ_60-1；然后手动波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-2；再次反方向波动机构让其偏离当前位置后，自由摆动后再次稳定后记录位置信息θ_60-3。

4)上述得到的三组数据取平均得到θ₆₀即为U₆₀向量的力矩为零的机械位置，则计算可以得到U₀的机械角度的位置为θ₆₀-10度，进而得到其他极点对应的机械角度为U₀向量对应机械角度加减60度；

5)若上述状态下，力矩为零的位置不在转动范围内，则按U₀、U₆₀、U₁₂₀、U₁₈₀、U₂₄₀、U₃₀₀的基本空间矢量顺序进行通电，直至找到在转动范围内有力矩为零的点；

6)上述方式确定好电机极点后，通过电流环进行极点验证，给定Q轴命令正负2000码即60mA电流，周期1秒，指向机构在电机周期作用的力下速度呈三角波，力矩效率最高；表明上述受限角度的电机极点的确认方法有效。