CN1571266A - 采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法 - Google Patents
采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法，按以下步骤进行：(1)给系统上电，电机转子可处在任何位置；(2)给电机绕组预先加一直流电流，使转子转动一定角度后，并静止于某一预知的电角度位置，然后断开该直流电流；(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机；(4)转子的实时电角度位置可由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算给出，电机可以正常运行。(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。本发明的起动方法，步骤简单，易操作，且性能可靠。
Description
技术领域
本发明涉及永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法，具体地说是一种采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法。
背景技术
在永磁交流伺服电机控制系统中，必须有某种形式的转子实时位置信号反馈。其中，增量式编码器是最常用，并且价格相对比较便宜的转子位置信号反馈装置。但是，当增量式编码器在永磁交流伺服电机控制系统中应用时，有一个起动的问题。
永磁交流伺服电机控制系统在起动时，必须要检测到转子的绝对位置信号，或转子的绝对电角度位置信号，然后由控制系统计算出一个合适的电流值并施加给电机，才能使电机顺利起动。但是，增量式编码器的二路(A，B相)脉冲信号只能给出一个相对的位置信号，即所谓的增量式信号，该增量式信号提示编码器与其标志脉冲信号的相对位置。增量式编码器每转会发出一个标志脉冲信号(Z或index相)，这路标志信号通常被用作编码器的基准位置信号(或零位)。因此，转子的绝对位置就可以由编码器的相对位置信号加编码器的标志脉冲信号的绝对位置来获得。但是，由于编码器每转只发出一个标志脉冲信号，也就是说只有当编码器转过一定角度，并且出现了标志脉冲信号后，控制系统才开始获得转子的绝对位置。在此之前增量式编码器不能给出转子的位置信号，这就造成了电机难以起动的问题。当永磁无刷直流电机采用增量式编码器作为位置反馈时，也存在同样的起动问题。
为了解决增量式编码器起动难的问题，在市场上的永磁交流伺服电机控制系统中，有一些采用了比较昂贵的绝对式编码器或旋转变压器。也有一些伺服系统采用了非标准的增量式编码器。这种非标准的编码器是在标准的增量式编码器的基础上再增加三路整流信号(又称换向信号)。但这三路整流信号与电机的极数有关。不同极数的电机必须采用不同的非标准增量式编码器。所以这种非标准增量式编码器不仅价格贵，并且种类变化多。
发明内容
本发明要解决的是现有技术存在的上述问题，旨在提供一种采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和无刷直流电机的起动方法，利用转子位置与外加的直流电流的特定关系、或者转子位置与绕组电感的特定关系、或者转子位置与电机铁芯饱和度的特定关系，在电机起动前，在绕组上施加相应的电信号，检测并计算出与所述转子位置相关联的特性参数，从而得出转子的初始位置。
当永磁无刷直流电机采用增量式编码器作为位置反馈时，也存在同样的起动问题。本发明提出的技术也完全适用于永磁无刷直流电机。
解决上述问题采用的技术方案是：采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)给系统上电时，电机转子可处在任何位置；
(2)给电机绕组预先加一直流电流，使转子转动一定角度后，并静止于某一预知的电角度位置，然后断开该直流电流；
(3)根据转子的初始位置，即上一步预知的电角度位置，控制系统开始起动电机；
(4)转子的实时电角度位置可由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算给出，所以电机可以正常运行。
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
本方法对直流电流的具体通电方式没有限制。但当电机施加不同电流时，转子最后的静止位置是不同的。如当B、C二相通电时，且电流是由B相流向C相时，转子最后静止在90°电角度位置；又如当三相通电时，且电流是由A相流向B、C相并联电路时，转子最后静止在0°电角度位置。但无论以哪种方式通电，转子最后的位置都是确定的。在已知转子的初始位置后，控制系统就可以计算产生一个合适的电流值施加给电机，使电机顺利起动。因此，本发明的起动方法，采用相对简单的方法步骤，利用增量式编码器达到正常起动的目的，可大大降低控制系统的成本，并且起动和运行很可靠。所述的直流电流可以外加的，也可以来源于控制系统本身。
本发明的目的还可以采用以下技术方案来实现：采用增量式编码器的永磁交
流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)系统上电，此时电机转子可处在任何位置；
(2)测量绕组电感，再根据绕组电感与转子位置的对应关系，换算出转子初始位置；
(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机；
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
本方案是基于转子的初始位置与绕组电感的变化之间的特定关系。根据电磁理论，对于凸极式或者内嵌式永磁电机，其绕组电感是转子位置的偶次正弦函数，因此，通过检测绕组电感的大小，就可以判断转子的位置，但还无法确定转子的极性。进一步分析电感值的大小以确定铁芯的饱和度，再由铁芯的饱和度来确定转子的极性，从而精确得出转子的初始位置。电感大小可通过对绕组施加一高频小信号电压，如频率为几kHz的信号，然后测量流经绕组的电流大小，通过公式(A)就可以计算出此时绕组的电感值。
U＝2πfLi ............(A)
式中U是电压，f是频率，i是电流，L是电感。
因为施加的是高频信号，此时绕组的电阻可以忽略不计。高频小信号电压可由控制系统本身产生，可以是空间静止信号，也可以是空间旋转信号。
本发明的目的还可以采用以下技术方案来实现：采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)给系统上电，此时电机转子可处在任何位置；
(2)以两相并联然后与剩余的一相串联的方式依次给三相绕组施加一对方向相反，但大小相等，宽度相同的电压脉冲，所述的脉冲之间有一定时间间隔，分别检测每个脉冲期间的电流峰值(I)，或者电流上升斜率(di/dt) 以作为判据(X)；根据判据(X)的大小确定转子的初始位置；
(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机；
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
本方案是基于转子的初始位置与铁芯饱和度之间的特定关系。从磁化曲线可知，当电机绕组施加一电流后，电机铁芯饱和将产生变化，如果施加的电流产生的磁通方向与永磁转子磁通方向一致，则铁芯饱和度升高，电感变小。反之，如果施加的电流产生的磁通方向与永磁转子磁通方向相反，则铁芯饱和度降低，电感变大。利用这一特性，我们就可以对绕组施加一对方向相反，但大小相等的电压脉冲，分别检测每个脉冲期间的电流峰值，或者电流上升斜率以作为判据，根据这对判据的大小关系，可以判断出转子在180°的一个扇形区域内的大致位置。重复以上步骤， 给不同相的绕组加电压脉冲，则转子位置范围将进一步缩小至两个180°的扇形区域的重叠部分，即120°的一个扇形区域内。当给三相绕组施加电压脉冲后，最后转子位置可精确到±30°的范围内。而这一精确度足可以达到起动要求。精度与前述的非标准增量式编码器的精度一致。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明通过施加直流电流确定转子初始位置实施方式的示意图，其中：
图1a是通直流电之前，转子的初始随机位置图；
图1b是二相通电时，转子的最后静止位置图；
图1c是三相通电时，转子的最后静止位置图。
图2a是本发明通过测量铁芯饱和度确定转子初始位置实施方式时铁芯的磁化曲线。
图2b是图2a实施例中的电流峰值图。
图3a是图2a实施例中施加一对电压脉冲，且Ia+＞Ia-时的转子位置区域图。
图3b是图2a实施例中施加一对电压脉冲，且Ia+＜Ia-时的转子位置区域图。
具体实施方式
图1所示是本发明通过施加直流电流确定转子初始位置和一种实施方式。具体方法如下：
(1)在给系统上电，此时电机转子是随机的，它可能处在任何位置，如图1a所示。
(2)给B、C二相通直流电流，且电流是由B相流向C相，转子在该直流电流的作用下转过一个角度，最后静止在90°电角度位置，如图1b所示，然后断开该直流电流。
(3)根据转子的初始位置，即上一步预知的电角度位置，控制系统开始起动电机。
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
在上述第(2)步骤中，当电机施加不同方式的直流电流时，转子最后的静止位置是不同的。如给B、A二相通直流电流，且电流是由B相流向A相，转子在该直流电流的作用下转过一个角度，最后静止在150°电角度位置。又如当三相通电时，且电流是由A相流向B、C相并联电路时，转子最后静止在0°电角度位置，如图1c所示。表一列举了不同的通电方式与转子初始位置之间的关系，这种方式适用于Y形和三角形接法的电机。
表一：常用的通电方式与转子静止位置的关系
| 通电方式 | 电机A相电流 | 电机B相电流 | 电机C相电流 | 转子最后静止位置(电角度) |
| 1 | +Idc | -Idc | 0 | -30° |
| 2 | +Idc | 0 | -Idc | 30° |
| 3 | -Idc | +Idc | 0 | 150° |
| 4 | 0 | +Idc | -Idc | 90° |
| 5 | -Idc | 0 | +Idc | 210° |
| 6 | 0 | -Idc | +Idc | -90° |
| 7 | +Idc | -Idc/2 | -Idc/2 | 0° |
| 8 | -Idc/2 | +Idc | -Idc/2 | 120° |
| 9 | -Idc/2 | -Idc/2 | +Idc | 240° |
| 10 | -Idc | +Idc/2 | +Idc/2 | 180° |
| 11 | +Idc/2 | -Idc | +Idc/2 | -60° |
| 12 | +Idc/2 | +Idc/2 | -Idc | 60° |
但无论以哪种方式通电，转子最后的位置都是确定的。在已知转子的初始位置后，控制系统就可以计算产生一个合适的电流值施加给电机，使电机顺利起动。所述的直流电流可以来源于控制系统本身。本实施例的精度与前述的非标准增量式编码器的精度一致。
本发明还可以通过另一种实施方式来实现，与前一实施方式不同之处在于所述的第(2)步骤通过测量绕组电感来确定转子的初始位置。根据电磁理论，对于凸极式或者内嵌式永磁电机，其绕组电感是转子位置的偶次正弦函数，因此，通过检测绕组电感的大小，就可以判断转子的位置，但还无法确定转子的极性。进一步分析电感值的大小以确定铁芯的饱和度，再由铁芯的饱和度来确定转子的极性，从而精确得出转子的初始位置。具体的方法是：对绕组施加一高频小信号电压，如频率为几kHz的信号，然后测量流经绕组的电流大小，通过公式(A)就可以计算出此时绕组的电感值：
U＝2πfLi ............(A)
式中U是电压，f是频率，i是电流，L是电感。
因为施加的是高频信号，此时绕组的电阻可以忽略不计。高频小信号电压可由控制系统本身产生，可以是空间静止信号，也可以是空间旋转信号。
本发明还可以通过另一种实施方式来实现，与第一种实施方式不同之处在于所述的第(2)步骤通过测量铁芯的饱和度来确定转子的初始位置。其工作原理是，当电机绕组加一电流后，电机铁芯的饱和度将产生变化，如图2a所示。假设绕组加电流前铁芯工作点为A，加电流I之后，工作点将变为B或C。如果，电流I方向与永磁转子磁通方向一致，则铁芯将工作于点B，饱和度升高，电感变小。而若此电流产生的磁通方向与永磁转子磁通方向相反，铁芯将工作于点C，饱和度降低，电感变大。因此，如果给绕组加一电压脉冲，即脉冲电流，如果此电流产生的磁通方向与永磁转子的磁通方向一致(即点B)，饱和度升高，电感变小，电流值将大于其反方向电压脉冲产生的电流，如图2b所示。
基于上述原理，可以给B、C相并联后串联A相绕组的方式加一对方向相反，但大小一致的电压脉冲，如图3所示。检测电流峰值i，或者电流上升斜率di/dt以作为判据X。如果产生的正方向电流峰值Ia+，或者电流上升斜率d(ia+)/dt大于反方向电流峰值Ia-，或者电流上升斜率d(ia-)/dt，此时，可以判断转子位于与A相绕组成-90°～+90°的范围内，如图3a扇形所示的范围。反之，如果正方向电流峰值Ia+，或者电流上升斜率d(ia+)/dt小于反方向电流峰值Ia-，或者电流上升斜率d(ia-)/dt，可以判断转子位于与A相绕组成+90°～+270°的范围内，如图3b扇形所示的范围内。此时，转子位置精度为±90°。当电流正反方向电流相等时，转子位于扇形的边界，无论如何判断，转子位置精度都为±90°。重复以上步骤，给A、B相并联后串联C相绕组的方式加电压脉冲，然后，再给A、C相并联后串联B相绕组的方式加电压脉冲，得到六个判据，如表二所示。
表二通电方式和相应的判据
| 绕组极性 | 绕组极性 | A相电流 | B相电流 | C相电流 | 峰值大小判据X | 斜率大小判据X | |
| 1 | A(+) | B，C(-) | +Idc | -Idc/2 | -Idc/2 | Ia+ | d(ia+)/dt |
| 2 | A(-) | B，C(+) | -Idc | +Idc/2 | +Idc/2 | Ia- | d(ia-)/dt |
| 3 | B(+) | A，C(-) | -Idc/2 | +Idc | -Idc/2 | Ib+ | d(ib+)/dt |
| 4 | B(-) | A，C(+) | +Idc/2 | -Idc | +Idc/2 | Ib- | d(ib-)/dt |
| 5 | C(+) | A，B(-) | -Idc/2 | -Idc/2 | +Idc | Ic+ | d(ic+)/dt |
| 6 | C(-) | A，B(+) | +Idc/2 | +Idc/2 | -Idc | Ic- | d(ic-)/dt |
当获得六个判据后，可以由表三来确定转子位置，精度为±30°。本实施例的精度与前述的非标准增量式编码器的精度一致。例如，如果X(a+)＞X(a-)，X(b+)＜X(b-)，X(c+)＜X(c-)，则转子位置为-30°～30°。这种方法可适用任何永磁电机。
表三电流判据和转子位置
| A相电流判据 | B相电流判据 | C相电流判据 | 转子位置 | |
| 1 | X(a+)＞X(a-) | X(b+)＜X(b-) | X(c+)＜X(c-) | -30°～30° |
| 2 | X(a+)＞X(a-) | X(b+)＞X(b-) | X(c+)＜X(c-) | 30°～90° |
| 3 | X(a+)＜X(a-) | X(b+)＞X(b-) | X(c+)＜X(c-) | 90°～150° |
| 4 | X(a+)＜X(a-) | X(b+)＞X(b-) | X(c+)＞X(c-) | 150°～210° |
| 5 | X(a+)＜X(a-) | X(b+)＜X(b-) | X(c+)＞X(c-) | 210°～270° |
| 6 | X(a+)＞X(a-) | X(b+)＜X(b-) | X(c+)＞X(c-) | 270°～330° |
本发明不局限于上述实施方式，不论方法或者步骤上作任何变化，只要利用本发明的构思，通过判断出转子初始位置的任何一种采用增量式编码器的永磁交流伺服电机和永磁无刷直流电机的起动方法，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1、采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)给系统上电，此时电机转子可处在任何位置；
(2)给电机绕组预先加一直流电流，使转子转动一定角度后，并静止于某一预知的电角度位置，然后断开该直流电流；
(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机；
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
2、如权利要求1所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于给电机绕组预先加一直流电流是通过任意二相通电实现的。
3、如权利要求1所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于给电机绕组预先加一直流电流是通过三相同时通电实现的。
4、如权利要求1～3任何一项所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于所述的直流电流来源于控制系统本身。
5、采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)给系统上电，此时电机转子可处在任何位置；
(2)测量绕组电感，再根据绕组电感与转子位置的对应关系，换算出转子初始位置；
(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机；
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
6、如权利要求5所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于所述的第(2)步可按以下步骤进行：
(2.1)先在绕组上加一高频小信号电压，然后测量流经该绕组的电流，由公式(A)计算出绕组的电感；
U＝2πfLi ………………(A)
式中U是电压，f是频率，i是电流，L是电感。
(2.2)根据绕组电感是转子位置的偶次正弦函数关系，换算出转子的无极性初始位置；
(2.3)根据绕组电感值的大小确定铁芯的饱和度，再由铁芯的饱和度来确定转子的极性，从而精确得出转子的初始位置。
7、如权利要求6所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于所述的高频小信号电压来源于控制系统本身。
8、采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于按以下步骤进行：
(1)给系统上电，此时电机转子可处在任何位置；
(2)以两相并联然后与剩余的一相串联的方式依次给三相绕组施加一对方向相反，但大小相等的电压脉冲，所述的脉冲之间有一定时间间隔，分别检测每个脉冲期间的电流峰值(i)，或者电流上升斜率(di/dt)以作为判据(X)；
根据判据(X)的大小确定转子的初始位置；
(3)根据转子的初始位置，控制系统开始起动电机
(4)由增量式编码器给出的相对位置信号和转子初始位置计算出转子位置，电机进入正常运行状态；
(5)当电机转过一定角度后，增量式编码器发出一个标志脉冲信号，控制系统以该标志脉冲信号为零位继续运行。
9、如权利要求6所述的采用增量式编码器的永磁交流伺服电机的起动方法，其特征在于所述的第(2)步按以下步骤进行：
(2.1)以B、C相并联然后与A相串联的方式给绕组施加一对向相反，但大小相等的电压脉冲，分别检测每个脉冲期间的电流峰值(i)，或者电流上升斜率(di/dt)以作为判据(X)；根据判据(X)的大小确定转子在误差为±90°范围内的初始位置；
(2.2)以A、C相并联然后与B相串联的方式给绕组施加一对向相反，但大小相等的电压脉冲，分别检测每个脉冲期间的电流峰值(i)，或者电流上升斜率(di/dt)以作为判据(X)；根据判据(X)的大小确定转子在误差为±60°范围内的初始位置；
(2.3)以A、B相并联然后与C相串联的方式给绕组施加一对向相反，但大小相等的电压脉冲，分别检测每个脉冲期间的电流峰值(i)，或者电流上升斜率(di/dt)以作为判据(X)；根据判据(X)的大小确定转子在误差为±30°范围内的初始位置。
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