交流伺服电动机转子初始位置的精确测定

交流伺服电动机转子初始位置的精确测定李　宁,刘启新,张丽华(南京工程学院,南京　210013) 摘要:以增量式光电脉冲编码器作为反馈元件的数字式交流伺服系统中,精确地测量电机转子的初始位置是一个重要的技术难题。

详细介绍了其基本原理和实现的方法。

给出了实际的测量结果。

关键词:交流伺服电动机/位置测量;数字系统中图分类号:TM383.4 文献标识码:A 文章编号:1000-100X (2003)02-0066-03The Precise Measurement of the Rotor of AC Servo MotorL I Ning ,L IU Qi 2xin ,ZHAN G Li 2hua(N anjing Institute of Technology ,N anjing 210013,China )Abstract :In the digital servo system applying increment photoelectricity pulse coder as feedback element ,precise measurement of initial position of motor rotor is an important problem ,its principle and realizing method are presented in this paper ,the measurement results are also given.K eyw ords :AC servo motor ;position measurement ;digital system1　概　述近年来,以稀土永磁正弦波伺服电机为控制对象的全数字交流伺服系统正逐渐取代了以直流伺服电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的模拟式交流伺服系统。

数字式交流伺服系统具有一系列新的功能,如:电子齿轮功能、自动辨识电机参数的功能、自动整定调节器控制参数功能、自动诊断故障的功能等等。

数字式交流伺服系统在数控机床,机器人等领域里已经获得了广泛的应用。

数字式交流伺服系统是制造业实现自动化和信息化的基础构件。

过去,在正弦波电机交流伺服系统中一般采用绝对式光电脉冲编码器或旋转变压器作为位置检测元件,其原因就在于绝对式光电脉冲编码器和旋转变压器都能够实时地测出转子的绝对位置。

只有测出了转子的绝对位置,系统才能计算出定子电流指令的相位,从而保证定子磁场和转子磁场正交。

但是,无论是绝对式光电脉冲编码器或是旋转变压器都有其缺陷。

绝对式光电脉冲编码器价格昂贵,分辨率远不如增量式光电脉冲编码器。

旋转变压器从本质上说是一种模拟式位置检测元件,需要复杂的数字轴角变换电路,而且其检测精度也远不及增量式光电脉冲编码器。

所以,近年来有人研究收稿日期:2002-08-12定稿日期:2002-11-12作者简介:李　宁(1962-),男,副教授,研究方向为交流伺服系统,步进电机控制,开关电源技术。

采用增量式光电脉冲编码器作为正弦波永磁同步电机的转子位置检测元件,国外已出现了这样的产品。

采用增量式光电脉冲编码器作为正弦波永磁同步电机的转子位置检测元件,必须要在系统刚上电时就测得电机转子的精确的初始位置,这是问题的关键所在。

从1997年以来,作者一直从事研制全数字交流伺服系统的工作,采用的是增量式光电脉冲编码器,目前已取得了阶段性成功。

本文主要介绍电机转子初始位置的精确测定问题。

2　正弦波永磁同步伺服系统控制原理永磁同步电机的驱动控制如图1所示。

图1　永磁同步电机的驱动控制现代全数字交流伺服系统以三相正弦波同步伺服电机为控制对象,从本质上说是一种自控变频式矢量控制系统。

定子电流为三相对称的正弦波,如式1所示:I a =I m sin θI b =I m sin (θ-23π)I c =I m sin (θ+23π)(1)66第37卷第2期2003年4月 电力电子技术Power Electronics Vol.37,No.2April ,2003式中　I m定子电流幅值θ定子电流的相位角定子电流产生的定子磁势如式(2)所示:F =32I m w exp [j (θ-π2)](2)式中　w定子绕组的有效匝数由此可以看出,如果能实时地测出电机转子的位置角,再将这一机械位置转角折算成电角度,通过控制,使得定子电流的相位角θ与转子的位置转角(电角度)相等,就可以保持定子磁势与转子磁势正交,从而形成电机的电磁转矩T 。

由以上分析可以看出,必须实时地测出电机转子的绝对位置角,这是正弦波电机的控制特点所决定的。

整个控制系统的结构如图2所示。

图2　正弦波永磁同步电机伺服系统控制框图在图2中,“位置测量环节”对光电编码器输出的脉冲进行计数,加上电机转子的初始位置,就可得到任意时刻的转子位置θ。

PT 是位置控制器,其输出信号是速度控制器ST 的给定信号。

电机定子绕组的电流经过3/2变换后,旋转θ角即可得定子电流在d 轴的分量和q 轴的分量。

L Q 和L D 分别是d 轴和q 轴的电流调节器。

在电机正常运行时,q 轴电流的给定值是速度调节器ST 的输出值,为了使定子电流矢量与转子磁场方向正交,将d 轴电流的给定值取为零。

但是,在测量电机转子初始位置的过程中,电流环的给定值与上述正常连续运行时的情况有所不同,详见下文。

L D 和L Q 的输出分别是d 轴和q 轴的电压分量的参考值,再旋转θ角,经过2/3变换,即可得定子a ,b ,c 三相电压的参考值u a ,u b ,u c ,在比较器C 中与三角波比较,就可得到三路SPWM 波,通过功放电路和主回路驱动电机运行。

3　电机转子初始位置测量的原理在控制系统刚刚通电,电机尚未运行时,系统即开始测量转子初始位置。

此过程中只需电流环投入工作,根据伺服系统的工作要求,在寻找初始位置的过程中,只允许转子有很微小的抖动,并且很快回归原位。

具体工作过程可由图3简单说明。

图3　测量初始位置在初始定位的过程中,只有位置环和电流环在工作,速度环处于开环状态。

开始时,根据电流调节器L D 的给定值,电流环控制主回路产生定子电流矢量I 1,I 1的方向是任意取定的,设I 1相对于转子的角度为γ1,由于转子的初始位置是待测的未知量,所以γ1也是未知的。

只要γ1不为零,即只要I 1没有与转子位置重合,转子在I 1的作用下,一定会发生转动,转动一开始,光电脉冲编码器发出脉冲,控制系统接收到了光电脉冲编码器的脉冲,即知道I 1未与转子重合,于是立即取消电流调节器L D 的给定值,从而取消了电流矢量I 1,电机转子在位置控制器PT 的控制下迅速消除由I 1的作用而产生的位置偏差,使转子重新回到原位,由此完成了寻找转子初始位置的第一次循环过程,转子只发生了一次微小的抖动,寻找转子初始位置的工作还需要继续运行。

根据光电脉冲编码器刚发出的脉冲信号所体现出的方向信息,系统可以确认转子在I 1的哪一侧,从而向着减小I 1与转子夹角的方向改变定子电流矢量的相位,使得I 1变为I 2,开始了第二次寻找初始位置的循环过程,I 2与转子的夹角是γ2,如果γ2仍不为零,还将继续循环过程,向着减小夹角的方向发出电流矢量I 3,I 4……,直到定子电流矢量与转子重合,此时转子不再抖动,光电脉冲编码器亦不再有脉冲发出。

这时,定子电流矢量的相位角等于转子的初始位置角。

简单地说,测量转子初始位置的过程就是定子电流矢量渐近地靠近转子,直至与其重合的过程。

此过程初始,定子电流矢量的相位角是任意取定的,但最终定子电流矢量将趋向转子的位置。

如前所述,正弦波电机在连续运行时,为了得到最大的电磁转矩,定子电流矢量与转子是正交的,而在初始定位的过程中,二者要趋于重合。

在这一点上,初始定位过程和连续运行过程确实有很大的不同。

对于电流环来说,在连续正常运行时,d 轴的给76交流伺服电动机转子初始位置的精确测定定值应该为零,以保证定子电流矢量和转子趋于正交;而q 轴电流的给定值由速度调节器的输出值提供,以此控制转矩的大小。

与连续运行时情况不同,在初始定位的过程中,不断地在d 轴电流的给定端加上“扰动信号”,其大小应该保证定子电流矢量的作用强度,在“扰动信号”的作用下,转子离开原来的位置,在位置控制器的作用下,又回到原来的位置。

控制初始定位过程的电路结构如图4。

图4　控制初始定位的电路原理框图4　实验结果及分析以上介绍了在正弦波电机伺服系统中,精确检测电机转子初始位置的基本原理和实现方法,这一原理和方法已经应用于所研究开发的数字式交流伺服系统中,取得了令人满意的效果。

表1给出的是部分检测实验结果。

采用上述转子初始定位技术研制成功了交流伺服系统样机,并进行了一系列性能测试。

选用的永磁同步伺服电机型号是130NMA4,其主要性能参数是:额定转矩4.0N ・m ;额定转速2000r/min ;额定电流3.5A ;转动惯量0.717×10-3kg ・m 2。

实验结果如图5所示。

图5　电机起动时的A 、B 相电流波形表1　转子初始位置的检测实验数据序号预先调整好的转子位置定子电流矢量的开始相位定子电流矢量的最终相位1045°0.05°215°30°15.10°330°45°30.15°445°30°44.80°560°45°59.95°690°45°89.90°790°120°90.15°5　结束语全数字交流伺服系统是近年来出现的高科技产品,有着广泛的应用范围。

过去这类产品主要来自国外几家大公司,但现在已有国内的单位推出了自己的产品,更多的单位在从事这方面的研发。

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