CN108199632A - 一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法和电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及工业控制领域，公开了一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法和电子设备。本发明中，伺服驱动器的磁偏角自整定方法包括：伺服驱动器执行转矩控制，其中，向伺服电机的定子输入的电流为整定电流；检测伺服电机的转子的状态；当检测到转子出现转动时，根据检测到的第一转动方向和第一角度调整整定电流的合成矢量的角度，直至整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向和第一角度相符；根据整定电流的合成矢量的角度，计算出伺服电机的磁偏角。本发明实现磁偏角自整定时伺服电机仅转动微小角度，不会损坏设备、同时速度更快、效率更高、适用领域更广。

Description

一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法和电子设备

技术领域

本发明实施例涉及工业控制领域，特别涉及伺服驱动器的磁偏角自整定技术。

背景技术

伺服驱动器是用于精确控制伺服电机的转矩、速度和位置的设备。由于交流永磁同步电机具有高功率密度、低转矩脉动等优良特性，伺服系统中通常采用交流永磁同步电机作为执行电机。为实现对交流永磁同步电机输出转矩的线性控制，通常采用磁场定向控制(FOC)的方法对伺服电机的转矩实现精确控制，进而实现速度和位置控制。

磁场定向控制(FOC)方法是通过控制定子线圈产生的合成电流/电压矢量的角度和幅值来控制电机输出转矩的方向和大小，而合成矢量的角度取决于转子的位置。在伺服电机中，采用安装在电机末端与转子相连的编码器间接获得转子永磁体的当前位置。因此，在正式运行前，需要通过某种方法获得、检测出编码器的零点与转子永磁体N极或S极轴线之间的夹角，这一夹角称为磁偏角。如图1所示，在磁偏角未知的情况下，自动获取磁偏角的方法称为磁偏角自整定。通常的，使用绝对型编码器的伺服电机只需在正式运行前进行一次磁偏角自整定，使用增量型编码器的伺服电机需要在每次正式运行前进行一次磁偏角自整定。可见，无论采用哪种编码器，都会需要磁偏角自整定。

现有技术中的自整定方法1如下：采用固定方向的合成电流矢量强拉的方式，在给定子注入电流后，根据注入电流的合成矢量的角度驱动转子转动，根据转子转过的角度即可获得磁偏角。本发明人发现至少存在如下问题：a、需要较大电流才能使得转子转到特定位置，从而保证整定精度，因此震动剧烈，有损伤设备的风险。b、由于转子的初始位置未知，且合成电流矢量的角度为固定值，最大可能转动180°电角度，电机转动角度大，有些场合不允许，使得应用领域受限；c、由于可能转动的角度大，整定过程可能需要十几秒钟的时间，效率低。自整定方法2如下：采用电流注入的方式。该方法可实现转子不转动的情况下对磁偏角自整定，但本发明人发现至少存在如下问题a、电机需要带抱闸，否则转子在注入电流的影响下可能转动，无法完成自整定。b、受电机凸极效应的影响较大，对于凸极效应不明显的电机(大多数的伺服电机均为凸极效应不明显的表贴式永磁同步电机)，磁偏角自整定误差较大。

发明内容

本发明实施方式的目的在于提供一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法和电子设备，使得自整定时伺服电机仅转动微小角度，不会损坏设备、同时速度更快、效率更高、适用领域更广。

为解决上述技术问题，本发明的实施方式提供了一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法，包括：伺服驱动器执行转矩控制，其中，向所述伺服驱动器的定子输入的电流为整定电流；检测所述伺服电机的转子的状态；当检测到所述转子出现转动时，根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符；根据所述整定电流的合成矢量的角度，计算出所述伺服电机的磁偏角。

本发明的实施方式还提供了一种电子设备，包括：至少一个处理器；以及，与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法。

本发明的实施方式还提供了一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法。

本发明实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：当向定子输入电流后，即对转子状态进行检测，一旦检测到转子出现转动趋势，则根据该转动趋势调整电流合成矢量的电角度，直至转子稳定在初始位置。由于调整电角度的速度相对于转子的物理转动速度要快，所以在调整的过程中，转子仅有微小转动，保护设备不受损伤。另外，由于电角度的调整速度快，可以减少整个自整定过程的时间，提高效率。再者，由于本方案不受电机的凸极效应的影响，所以适用于各类型的电机，其应用领域更为广泛。可见，本发明实施方式中伺服驱动器的磁偏角自整定方法使得伺服驱动器在自整定时不会损坏设备、同时速度更快、效率更高、适用领域更广。

作为进一步改进，在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符之后，以及在所述根据整定电流的合成矢量的角度计算出所述伺服电机的磁偏角前，还包括：增大所述整定电流的合成矢量的幅值，检测所述转子的第二转动方向和第二角度；在所述根据整定电流的合成矢量的角度，计算出所述伺服电机的磁偏角中，具体为：根据所述整定电流的合成矢量的角度和所述第二转动方向和所述第二角度，计算出所述伺服电机的磁偏角。进一步限定还可以叠加通过较大电流驱动转子转动的方法获得磁偏角，使得获得的磁偏角更为精准。

作为进一步改进，所述增大整定电流的合成矢量的幅值，具体为：将所述整定电流的合成矢量的幅值增大为两倍。

作为进一步改进，所述检测伺服电机的转子的状态，具体为：利用与所述转子相连的编码器检测转子的第二转动方向和第二角度。本发明实施方式利用编码器检测转子状态简单准确。

作为进一步改进，所述转子连接一编码器，在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符中，具体包括：利用闭环控制方法调整所述电流的合成矢量的角度；其中，所述闭环控制的目标量为所述伺服驱动器运行时读取到的所述编码器的初始值，所述闭环控制中的反馈量为每次调整所述整定电流的合成矢量的角度后读取到的所述编码器的当前值，所述闭环控制中控制器的输入量为所述目标量和所述反馈量的偏差值。本发明实施方式限定闭环控制的方法调整电流合成矢量的角度，使得调整速度更快。

作为进一步改进，所述闭环控制方法利用增量型PI控制器实现。

作为进一步改进，还包括：在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的转动方向和角度相符时，对调整(即闭环控制过程)的时间进行计时，当计时超过第一阈值时，停止调整，并判定为自整定失败。本发明实施方式中增加对自整定时间的监控，避免参数设置不当时造成的失控现象。

作为进一步改进，所述整定电流的初始幅值小于或等于第二阈值，所述第二阈值和所述伺服驱动器所控制的伺服电机的额定电流有关。限定整流电流的初始值较小，可以进一步避免转子的转动。

附图说明

一个或多个实施例通过与之对应的附图中的图片进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。

图1是根据本发明现有技术中伺服电机的磁偏角示意图；

图2是根据本发明第一实施方式中伺服驱动器的磁偏角自整定方法的流程图；

图3是根据本发明第一实施方式中使用的增量型PI控制器的闭环控制原理图；

图4是根据本发明第二实施方式中伺服驱动器的磁偏角自整定方法的流程图；

图5是根据本发明第三实施方式中伺服驱动器的磁偏角自整定方法的流程图；

图6是根据本发明第四实施方式中电子设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。然而，本领域的普通技术人员可以理解，在本发明各实施方式中，为了使读者更好地理解本申请而提出了许多技术细节。但是，即使没有这些技术细节和基于以下各实施方式的种种变化和修改，也可以实现本申请所要求保护的技术方案。

本发明的第一实施方式涉及一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法。伺服驱动器(servo driver)又称为“伺服控制器”、“伺服放大器”，是用来控制伺服电机的一种控制器，属于伺服系统的一部分，主要应用于高精度的定位系统。一般是通过位置、速度和转矩三种方式对伺服电机进行控制，实现高精度的传动系统定位。本实施方式中的磁偏角自整定方法可以应用于各种类型的伺服驱动器。本实施方式的流程如图2所示，具体如下：

步骤201，伺服驱动器执行转矩控制。

具体的说，伺服驱动器具有多种工作模式，本实施方式中的伺服驱动器运行于转矩控制模式，即进行电流控制，运行时向伺服驱动器的定子输入的电流为整定电流，整定电流的初始值可以和伺服驱动器所控制的伺服电机的额定电流有关，比如整定电流可以设为小于额定电流的20％，更优的是可以小于10％，可以使得电机转动角度尽量小，整定电流的合成电流矢量的初始角度可以在0至360度中任意设置，如设置为90度或60度。

另外，在本步骤中为便于后续的计算还可以初始化各种参数。具体包括：磁偏角初始值(磁偏角自整定过程开始的一个初始值，理论上0-360°中的任意位置都可以，实际使用中一般可以设置为0)、自整定控制器(本实施方式中可以采用增量型PI控制器)所用的Kp(比例增益系数)、Ti(积分时间常数)参数值。

步骤202，检测伺服驱动器的转子的状态。

具体的说，一旦定子被注入电流，该电流合成矢量的角度会影响转子的角度，本实施方式中可以利用与转子相连的编码器获得转子的状态，如是否发生转动，转动角度是多少。由于转子的初始位置未知，所以步骤201所加的整定电流的合成矢量的角度一般和转子的初始位置不重合。

步骤203，当检测到转子出现转动时，根据检测到的第一转动方向和第一角度调整整定电流的合成矢量的角度，直至整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向和第一角度相符。

具体的说，“整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向和第一角度相符”，指的是两者重合(差值为0)或相差的角度小于预设值(如3度)。

继续说明，本步骤中可以利用闭环控制方法调整电流的合成矢量的角度。其中，以闭环控制中的控制器为增量型PI控制器为例进行说明，如图3所示，闭环控制的目标量(即AngleRef)为伺服驱动器运行时读取到的编码器的初始值，闭环控制中的反馈量(即AngleFbk)为每次调整整定电流的合成矢量的角度后读取到的编码器的当前值，闭环控制中控制器的输入量(即AngleErr(e_k))为目标量和反馈量的差值，同时图3中反馈支路上的K代表一个系数，有的时候需要将输出量乘以一个系数以后当做反馈量进行闭环控制。实际应用中，除了采用增量型PI控制器外，还可以采用其它控制器，如绝对型PI控制器、PID控制器等，在此不做限定。其中增量型PI闭环控制器的计算如下式(1)和(2)：

u_k＝u_k-1+Δu_k； (2)

其中：u_k为本周期的输出；u_k-1为上周期的输出；Δu_k为本周期的增量输出；T为采样周期。

更具体的说，磁偏角自整定功能开始运行后，首先读取编码器当前值，根据读取到的编码器的数值，即机械角度(第一方向和第一角度)，利用公式“电角度＝机械角度*电极极对数”计算出电角度当前值(实际应用中，如果采用的是绝对值型编码器读出来是一个0-360的角度值，对于增量型编码器，读出来是0，同时编码器中读取到的角度数是矢量值，包含了方向参数)，使用该电角度作为磁偏角自整定闭环控制中的参考角度(即上面提到的增量型PI控制器的目标量)。在磁偏角自整定的周期性闭环控制过程中，周期性读取编码器的反馈值，然后利用上述公式转换为当前周期的反馈角度(即上面提到的增量型PI控制器的反馈量)。

需要继续说明的是，本实施方式中增量型PI控制器的输入量为电流闭环中使用的所述参考角度与所述反馈角度的偏差值，即：AngleErr＝AngleRef–AngleFbk。实际应用中，该偏差值会在不断调整的过程中趋近于零，所以可以将“整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向和第一角度相符”的判定条件设为输入量收敛至预设值，这个预设值可以是0，也可以是0附近的一个经验范围给定值。

在调整过程中，使用增量型PI控制器，闭环寻找磁偏角，由于增量型PI控制器的输出是逐渐变化，不会因为初始误差过大直接输出一个较大值，对系统造成冲击，进而减小对设备的损害。

步骤204，根据整定电流的合成矢量的角度，计算出伺服电机的磁偏角。

具体的说，PI控制器的输出为需要整定出的磁偏角，该磁偏角会修正电流闭环使用的电角度，即：

Angle＝AngleRef+EncOffset； (3)

其中，Angle：电流闭环中使用的电角度值，AngleRef：电流闭环中使用的所述参考角度，EncOffset：需要整定的磁偏角。也就是说，根据式(3)即可计算出伺服电机的磁偏角。

本实施方式相对于现有技术而言，主要区别及其效果在于：当向定子输入电流后，即对转子状态进行检测，一旦检测到转子出现转动趋势，则根据该转动趋势调整电流合成矢量的电角度，直至转子稳定在初始位置。由于调整电角度的速度相对于转子的物理转动速度要快，所以在调整的过程中，转子仅有微小转动，进而减小电机振动，保护设备不受损伤。另外，由于电角度的调整速度快，可以减少整个自整定过程的时间，提高效率。再者，由于本方案不受电机的凸极效应的影响，所以适用于各类型的电机，其应用领域更为广泛。另外，本实施方式利用PI控制器进行闭环控制，由于增量型PI控制器的输出是逐渐变化，不会因为初始误差过大直接输出一个较大值，对系统造成冲击，减小对设备的损害。可见，本实施方式中伺服驱动器的磁偏角自整定方法使得伺服驱动器在自整定时不会损坏设备、同时速度更快、效率更高、适用领域更广。

本发明的第二实施方式涉及一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法。第二实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：本发明第二实施方式中，新增了一个调整步骤，是在调整整定电流合成矢量的角度直至整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向和第一角度相符之后，增大整定电流的合成矢量的幅值再进行的微调，使得调整的结果更为精确。

本实施方式中的伺服驱动器的磁偏角自整定方法的流程图如图4所示，具体如下：

本实施方式中的步骤401至403、405与第一实施方式中的步骤201至203相类似，在此不再赘述。

步骤404，增大整定电流的合成矢量的幅值，检测转子的第二转动方向和第二角度。

具体的说，本步骤中增大整定电流的合成矢量的幅值，具体为：可以将整定电流的合成矢量的幅值增大为初始值的两倍。

步骤405，根据整定电流的合成矢量的角度和第二转动方向和第二角度，计算出伺服驱动器的磁偏角。

具体的说，本步骤需要根据步骤403中得到的整定电流的合成矢量的角度和第二转动方向和第二角度，计算出伺服电机的磁偏角。

举例来说，本步骤将电流闭环使用的电流给定值(即目标量)加大一倍进行电流闭环，之后可以使用步骤403中得到的最后磁偏角(即EncOffset)叠加到电流闭环使用的电角度中，即使用电角度Angle进行电流闭环；使能后，该过程保持2s(也可以设置为其他时长，本实施方式中设置为2s主要考虑到让转子彻底稳定)，根据本发明人的实验测试，一般需要1s，所以该过程持续2s，保证转子稳定；时长到达后，校零结束。

可见，本实施方式进一步限定还可以叠加通过电流驱动转子转动的方法获得磁偏角，使得获得的磁偏角更为精准。

本发明的第三实施方式涉及一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法。第三实施方式是在第一实施方式的基础上做了进一步改进，主要改进之处在于：对闭环调整合成矢量角度的过程计时，如果直到超时，整定电流的合成矢量的角度与转子的第一转动方向第一角度还是无法相符，可以设置为强制结束调整，避免因参数不合适造成自整定失控，无限等待下去。

具体的说，本实施方式中的伺服驱动器的磁偏角自整定方法还包括：在根据检测到的第一转动方向和第一角度调整整定电流的合成矢量的角度，直至整定电流的合成矢量的角度与转子的转动方向和角度相符时，对调整的时间进行计时，当计时超过第一阈值时，停止调整，并判定为自整定失败。

本申请发明人想说明的是：第一阈值一般设置为2-3s，这个时间是考虑磁偏角整定的正常收敛时间一般需要1000-1500个采样周期，该方法中使用的采样周期与电流环(即步骤203中的电流闭环反馈系统)周期同步，例如50us，因此，正常情况下，100ms的时间即可完成整定过程，因此在没有发生故障或者参数设置偏离不大的情况下，2-3s的时间是合理的，也是用户能够接受的时长。当角度偏差(即AngleErr)小于预设电角度阈值时，且持续一段时间(一般1s)后，认为电角度自整定成功。这个判据需要配合时间条件，即如果持续运行3s后，角度误差还是没有达到阈值以内时，认为自整定失败，否则可能因为参数不当等原因造成自整定失控，无限等待下去。

可见，本发明实施方式中增加调整时间的监控，避免出现错误造成的自整定失控。

值得一提的是，本实施方式还可以和第二实施方式组合使用，组合后具体的示意图可以如图5所示，在此不再赘述。

上面各种方法的步骤划分，只是为了描述清楚，实现时可以合并为一个步骤或者对某些步骤进行拆分，分解为多个步骤，只要包括相同的逻辑关系，都在本专利的保护范围内；对算法中或者流程中添加无关紧要的修改或者引入无关紧要的设计，但不改变其算法和流程的核心设计都在该专利的保护范围内。

本发明第四实施方式涉及一种电子设备，如图6所示，包括：至少一个处理器；以及，与至少一个处理器通信连接的存储器；其中，存储器存储有可被至少一个处理器执行的指令，指令被至少一个处理器执行，以使至少一个处理器能够执行如第一实施方式至第三实施方式中任意一个伺服驱动器的磁偏角自整定方法。

具体的说，存储器和处理器采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器和存储器的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。

处理器负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器可以被用于存储处理器在执行操作时所使用的数据。

本发明第五实施方式涉及一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序。计算机程序被处理器执行时实现上述方法实施例。

即，本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一个设备(可以是单片机，芯片等)或处理器(processor)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，包括：

伺服驱动器执行转矩控制，其中，向所述伺服电机的定子输入的电流为整定电流；

检测所述伺服电机的转子的状态；

当检测到所述转子出现转动时，根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符；

根据所述整定电流的合成矢量的角度，计算出所述伺服电机的磁偏角。

2.根据权利要求1所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符之后，以及在所述根据整定电流的合成矢量的角度计算出所述伺服电机的磁偏角前，还包括：

增大所述整定电流的合成矢量的幅值，检测所述转子的第二转动方向和第二角度；

在所述根据整定电流的合成矢量的角度，计算出所述伺服电机的磁偏角中，具体为：

根据所述整定电流的合成矢量的角度和所述第二转动方向和所述第二角度，计算出所述伺服电机的磁偏角。

3.根据权利要求2所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，所述增大整定电流的合成矢量的幅值，具体为：将所述整定电流的合成矢量的幅值增大为两倍。

4.根据权利要求2所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，所述检测伺服电机的转子的状态，具体为：利用与所述转子相连的编码器检测转子的所述第二转动方向和所述第二角度。

5.根据权利要求1所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，所述转子连接一编码器，在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的第一转动方向和第一角度相符中，具体包括：

利用闭环控制方法调整所述电流的合成矢量的角度；

其中，所述闭环控制的目标量为所述伺服驱动器运行时读取到的所述编码器的初始值，所述闭环控制中的反馈量为每次调整所述整定电流的合成矢量的角度后读取到的所述编码器的当前值，所述闭环控制中控制器的输入量为所述目标量和所述反馈量的偏差值。

6.根据权利要求5所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，所述闭环控制中的控制器为增量型PI控制器。

7.根据权利要求1所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，还包括：在所述根据检测到的第一转动方向和第一角度调整所述整定电流的合成矢量的角度，直至所述整定电流的合成矢量的角度与所述转子的转动方向和角度相符时，对调整的时间进行计时，当计时超过第一阈值时，停止调整，并判定为自整定失败。

8.根据权利要求1所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法，其特征在于，所述整定电流的初始幅值小于或等于第二阈值，所述第二阈值和所述伺服驱动器所控制的伺服电机的额定电流有关。

9.一种电子设备，其特征在于，包括：

至少一个处理器；以及，

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如权利要求1至8中任一所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法。

10.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至8中任一项所述的伺服驱动器的磁偏角自整定方法。