1、62永鹼電機的轉(zhuǎn)子位直檢測勻定位中小型電機2003 .30(3)永磁電機的轉(zhuǎn)子位置檢測與定位陳榮1963年10月 生.1988年畢業(yè)干南京 航空航天大學(xué)自控系航 空電氣工程專業(yè)碩士 學(xué)位在讀博士生副教 授。研究方向為電力電 于及電代傳動。試驗與測試南京航空航天大學(xué)（南京市.210016）本文在簡述矢量控制原理的基礎(chǔ)上，通過分析汛有轉(zhuǎn)子位置檢測手 段的不足提出使用普通光電編碼盤實施永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置檢測及電機轉(zhuǎn) 子位置的初始定位方法并在實驗系統(tǒng)中使用可以滿足實際使用要求。永磁同步電機伺服位置檢測初始定位Rotor Position Detection and hicipientPosition

2、 Location of PMSMNanjing University of Aeronautics and Astionautics Chen Rbng . Yan YanggmngAbstract: This paper introduces a method of rotor position detection and incipient position location using ordinary photoelectrical coded disks . based on sinply defining the principle of vector control and a

3、nalyzing the sliortcoming of rotor position detection measure used nowadays The method has been put into use in experiment system and could meet lhe needs of practical use.Key wrds: PMSM Serxo R)sition detection Incipient position location© 1995-2006 Tsinghtui Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All

4、 rights reserved.62永鹼電機的轉(zhuǎn)子位直檢測勻定位中小型電機2003 .30(3)© 1995-2006 Tsinghtui Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.62永鹼電機的轉(zhuǎn)子位直檢測勻定位中小型電機2003 .30(3)1隨著交流伺服傳動技術(shù)的發(fā)展，特別是用于 實時處理的DSP芯片技術(shù)的出現(xiàn)使交流伺服傳 動系統(tǒng)中大量復(fù)雜的函數(shù)計算、坐標(biāo)變換、參數(shù)調(diào) 節(jié)等運算可以在極短的時間內(nèi)完成，從而可以滿 足交流伺服傳動系統(tǒng)的實時運算要求使交流伺 服傳動逐步走向前臺，以取代原己廣泛使用的直 流伺服傳動。而在交流

5、伺服傳動系統(tǒng)中由于永 磁同步電機的數(shù)學(xué)模型相對異步電機而言較為簡 單并且它的結(jié)構(gòu)簡單、單位體積的功率較大、低 速時轉(zhuǎn)子不發(fā)熱不影響伺服傳動精度、而且由于 其轉(zhuǎn)子有勵磁，即使在極低的頻率下也能運行故 其調(diào)速范圍較寬。正是由于永磁同步電機具有如 此多的優(yōu)點人們投入了大量的人力物力研究永 磁同步伺服驅(qū)動。在永磁伺服驅(qū)動系統(tǒng)中.電機轉(zhuǎn)子的位置檢 測與初始定位是系統(tǒng)構(gòu)成與運行的基本條件也 是矢量控制解耦的必要條件。只有永磁同步電機 的轉(zhuǎn)子位置能夠準(zhǔn)確知道才可以按照矢量控制 的一系列方程，將永磁同步電機等效變換成dq 坐標(biāo)系上的尊效模型系統(tǒng)才能按照類似他勵直 流電機的控制方法對永磁同步電機進行控制.從 而

6、可以達到他勵直流電機構(gòu)成的伺服傳動系統(tǒng)的 性能指標(biāo)要求。2目前用干永磁同步伺服驅(qū)動系統(tǒng)電機轉(zhuǎn)子 位置的檢測方法主要有:旋轉(zhuǎn)變壓器法、光電編碼 盤法（增量式和絕對式）、電機內(nèi)置位置傳感器法、 無位置傳感器位置檢測法（有高次諧波注入法、基 于觀測器的位置檢測法、基于電感信息的位置檢 測法等）這些方法中除旋轉(zhuǎn)變壓器法和絕對式光 電編碼盤包含了電機轉(zhuǎn)子的初始位置佶息.可以 用作電機的上電初始定位外其它方法都不能對 永磁同步電機進行初始定位有的方法需要多次 定位修正才能完成伺服系統(tǒng)定位,這在實際應(yīng)用系統(tǒng)中是沒有使用價值的。對于電機內(nèi)置位置傳 感器法這種方法對電機的設(shè)計要求較髙需要在 埋置電機定子繞組的同

7、時埋設(shè)檢測繞組不具有 通用性。無位置傳感器位置檢測法是目前人們熱 衷研究的問題，但是在永磁同步電機處于靜止或 者電機剛剛上電時在電機的定子繞組上沒有任 何能夠反映電機轉(zhuǎn)子位置信息的借號也就是說 這些方法都不能用于永磁同步電機轉(zhuǎn)子的初始定 位。而對于旋轉(zhuǎn)變壓器法從其工作原理可以知 道.其輸出信號中包含有電機轉(zhuǎn)子的位置信息.并 以it = kUmsin( o t + )的形式出現(xiàn)，式子中o是 旋轉(zhuǎn)變壓器法勵磁信號的角頻率，角就是電機 轉(zhuǎn)子的位置信息為了得到電機轉(zhuǎn)子位置信號這 就需要對其輸出信號進行解調(diào)，從而得出永磁同 步電機的轉(zhuǎn)子位置其解調(diào)方法比較復(fù)雜。對 于絕對式光電編碼盤法其碼盤輸出多位自然二

8、 進制碼輸出是電機轉(zhuǎn)子位置的單值函數(shù)輸出的 二進制碼和轉(zhuǎn)子的絕對位置一一對應(yīng)(注:不是連 續(xù)函數(shù))。但是由于碼盤的道數(shù)有限即輸出的 二進制碼位數(shù)較少因而定位精度不高且它所能 測量的位置角僅局限于360°范圍.不具有多轉(zhuǎn)檢 測能力。而且由于信號的并行傳輸，引線較多而 不便使用。下面我們將研究通用增量式光電編 碼盤在伺服系統(tǒng)中使用時永磁同步電機轉(zhuǎn)子位 置的檢測與定位方法。3目前，通用增量式光電編碼盤的技術(shù)很成熟, 價格比較低使用很廣泛。其輸出有A、B正交脈 沖兩路零脈沖Z路，及U、V、W三路互差120° 的脈沖。一般A、B端口每轉(zhuǎn)輸出10005000個 脈沖Z端口每轉(zhuǎn)輸出1個脈

9、沖,U、V、W端口每 轉(zhuǎn)輸出P個周期的矩型脈沖P為電機極對數(shù)。 使用它實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)子位置檢測的方法如下：假定它在旋轉(zhuǎn)過程中給定時間T(s)內(nèi)給出 脈沖數(shù)目為川，則電機轉(zhuǎn)速n(r/niin)可表示為：" =60 Xm/TXpe,Pe為光電編碼盤每轉(zhuǎn)輸出的脈 沖數(shù)。假定電機在靜止時轉(zhuǎn)子的初始位置角(電 角度)是。，電機的極對數(shù)為P,則從靜止開始經(jīng) 過時間丁后的電機轉(zhuǎn)子位置(機械角)與電機速 度”之間的關(guān)系為=0/ P + ( h X 7/60) X2i =o/P + 3l Xm/pe若用電角度表示，=o該角就是我們矢量控制時進行坐標(biāo)變換所需要的轉(zhuǎn)子位置角。其方程為磁鏈、電壓變換方程相同。在

10、第i個采樣時間結(jié)束后，即第i個采樣值 為i = m + X P X /«/pt i Nz為第i個采樣周期的脈沖計數(shù)值將，代 入上面的方程，就可以求出該時刻電機電參量在 切坐標(biāo)系中的對應(yīng)數(shù)值，系統(tǒng)就可以通過適當(dāng)?shù)?調(diào)節(jié)器對指定量進行調(diào)節(jié)，如對則永磁同步 電機在id =0情況下的數(shù)學(xué)模型就是下面的一組 方程式Uq = Rsiq + LqP iq + ®"d = rLqiqTe = P did=PLnjifigTe= Jp(7)+/?( = ) + T1式中p一分算子的電勢r一機旋轉(zhuǎn)角速度d 機轉(zhuǎn)子勵磁磁鏈R 擦系數(shù)P機極對數(shù)Te.T 磁及負(fù)載轉(zhuǎn)矩，帶有d、q腳 標(biāo)的量

11、為dq坐標(biāo)系中的分量R,樞電阻由此可知此時的永磁同步電機和直流電機 完全相同直軸和交軸之間實現(xiàn)解耦.系統(tǒng)就可以 模仿直流電機的控制方法對永磁同步電機進行控 制。因此，從前面的分析可知，永磁同步電機在轉(zhuǎn) 子位置可知的情況下，借助于坐標(biāo)變換可以把它 轉(zhuǎn)換成等效直流電機來控制。然而，電機在剛通 © 1995-2006 Tsinghtui Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.64永礒電機的轉(zhuǎn)子位直檢測勻定位中小型電機2003 .30（3）電時或者電機在運行過程中捍電而后又來電時， 此時電機的轉(zhuǎn)子位置未知也就是說此時上述的 坐標(biāo)

12、變換方程失去了存在的基礎(chǔ)。如果仍然按照 上述方程對電機的電參量進行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換實際控 制的電壓電流將不能滿足電機的矢量控制要求 此時的伺服系統(tǒng)不是處干振蕩狀態(tài)就是電機過電 流。所以說為了使永磁同步電機伺服驅(qū)動系統(tǒng) 能夠取得優(yōu)異的控制性能將永磁同步電機變換 成等效直流電機來控制，必須完戒電機的初始定 位在電機還沒有旋轉(zhuǎn)時就能確切知道電機轉(zhuǎn)子 的初始位置。有文章介紹在電機上電時,給電機 一個初始狀態(tài)，也就是強制給電機三相繞組輸入 電流使電機在這個定子磁場作用之下將轉(zhuǎn)子移 到指定位置。顯然這種方法不能用于伺赧系統(tǒng)， 因為伺服系統(tǒng)不允許系統(tǒng)在沒有任何準(zhǔn)備的情況 下使電機旋轅。那么怎樣才能知道電機轉(zhuǎn)子的初始

13、位置呢？ 因為電機沒有旋轉(zhuǎn)起來時，電機端口沒有任何可 以反映轉(zhuǎn)子位置狀態(tài)的電信號，自然沒有辦法獲 得電機轉(zhuǎn)子的位置信息，那么，我們只有還從光電 編碼盤來想辦法獲得這個信息?，F(xiàn)在的通用型光 電編碼盤除輸出兩相相位相差90°的正交脈沖信 號A、B外還有一路零信號乙和三路彼此相差 120。的脈沖信號U、V、W.兩路正交信號可以用做 電機的轉(zhuǎn)速利轉(zhuǎn)向的判別這可以參考有關(guān)文獻。 Z信號用于電機速度測量過程中的誤差修正，以 避免累積誤差。那么U、V、W脈沖信號在電機旋 轉(zhuǎn)時.每轉(zhuǎn)變比P >660 （ P為極對數(shù)）.即電機轉(zhuǎn) 子的360°空間被分成了卩等分，每一等分相應(yīng)于 電信號的

14、一個周期。U、V、W所組戍的狀態(tài)信號 在一個周期內(nèi)分別為：101、100、110、010、011、001 , 它們各對應(yīng)電信號一個周期內(nèi)的60°區(qū)間對應(yīng)機 械角為60°/P.則在電機初始上電時，由U、V、W 的狀態(tài)就可以判定電機轉(zhuǎn)子所處空間位置的相應(yīng) 區(qū)間,參見圖1 o但是，這里僅能給出電機轉(zhuǎn)子所在區(qū)間至于 它在某區(qū)間的什么位置還不能確切知道。伺服驅(qū) 動系統(tǒng)在開始運行時首先要咬合電機的轉(zhuǎn)子也 就是通常所說的伺服使能則此時電機定子所形 成的空間磁場位置應(yīng)該和轉(zhuǎn)子d軸重合。那么， 我們可以在U、v、w所告知的區(qū)間內(nèi)反復(fù)測試電 機的轉(zhuǎn)子磁場（為分析方便.假定電機極對數(shù)p= Do比

15、如說剛上電時U、V、W所給出的狀態(tài)是: 101 .表示電機轉(zhuǎn)子在圖2所示區(qū)域，則A相、C相 電流應(yīng)具有圖示方向才可以將電機轉(zhuǎn)子咬合至 于B相電流是何方向以及A、C相電流的大小就 需要系統(tǒng)確定。根據(jù)概率理論在足夠多的實驗 次數(shù)情況下電機轉(zhuǎn)子初始位置應(yīng)該均勻分布在 101所表示的60°區(qū)間，對于某次上電時電機轉(zhuǎn)子 究竟在那個位置還需要檢測。假定電機轉(zhuǎn)子的初 始位置位于圖示區(qū)間的中心線上則按照 =30° 給電機的三相繞組加入電流按照電機合成磁場 要求為使電機咬合轉(zhuǎn)子必須給電機加入電流 ia = -= / . /a = 0 .根據(jù)三相電流合成矢量的計算方法可得：圖2電機轉(zhuǎn)于空間位直

16、即此時三相電流合成矢量位于101所表示區(qū) 域的中心線上如果電機轉(zhuǎn)子也在此處，則電機即 處于咬合狀態(tài)光碼盤的輸出端A或者B無輸出 脈沖信號。如果電機轉(zhuǎn)子位置不在此處，則有兩 種可能一種可能就是使電機正向（逆時針）旋轉(zhuǎn), 第二種可能就是使電機反向旋轉(zhuǎn)就可以由光碼 盤的輸出端A、B測出電機是在正向還是反向旋 轉(zhuǎn)。如果電機處于正向旋轉(zhuǎn)狀態(tài)那說明電機轉(zhuǎn) 子位于電機A相繞組軸線及101所表示區(qū)域的中 心線之間，那么就按照=150°給電機的三相繞組 加入電流，電機三相定子電流的綜合矢量即位于=15°的位置同樣此時仍有三種可能狀態(tài)下面 的操作類推總可以在一個很小的區(qū)間內(nèi)使電機 的轉(zhuǎn)子處于傲

17、振狀態(tài)。每次測試區(qū)間減小二分 之一。由于電機初始通電時電機均處于輕載狀態(tài) （或空載）因此在給電機加上定位力矩卩時，有 方程式中 Tf 機及軸聯(lián)負(fù)載的摩擦力矩J 一轉(zhuǎn)動慣量則電機在定位力矩作用下就要跟隨定子磁場而旋 轉(zhuǎn)。速度將按前述方程加速上升。然而，我們的 定位是不允許電機旋轉(zhuǎn)的則電機一旦開始旋轉(zhuǎn), 控制系統(tǒng)便檢測到電機反饋而來的脈沖及脈沖所 指示的轉(zhuǎn)向此時說明電機轉(zhuǎn)子不在定子磁場所 指示的方向則系統(tǒng)按照上述方法修正 角，送 出電機電流。每次測試其 角均做相應(yīng)修正, 則經(jīng)過多次試探后,系統(tǒng)對角的修正將在極小 的范圍內(nèi)進行，電機轉(zhuǎn)子處于微振狀態(tài),定位完 成。為防止電機旋轉(zhuǎn)，角的修正速度要合適太

18、快轉(zhuǎn)子來不及反應(yīng)太慢電機將會旋轉(zhuǎn)，故測試時 間需要反復(fù)調(diào)整才可以完成電機的初始定位。在測試過程中由于給電機施加的電流矢量 與電機轉(zhuǎn)子的d軸不重合電機肯定是要旋轉(zhuǎn) 的。但是只要電機的光電編碼盤有脈沖輸出電 機的三相繞組電流就會改變使電機定子形成的 空間矢量跳變一定角度再測試電機的運行狀態(tài) 然后再改變電機電流空間矢量的位置再測試電 機的運行狀態(tài)，如此反復(fù)進行，故電機只能旋轉(zhuǎn)幾 個脈沖對應(yīng)的角度，而不會出現(xiàn)連續(xù)運行狀態(tài)。 由于光電編碼盤每轉(zhuǎn)所輸出的脈沖達幾千個如 果倍頻則達上萬個脈沖，因此電機旋轉(zhuǎn)輸出幾個 脈沖它所產(chǎn)生的角位移是很小的在數(shù)控機床機 械傳動的間隱里完全可以淹沒這種微振位移。4電機出廠時

19、將光電編碼盤安裝在電機軸的 非負(fù)載側(cè)并進行調(diào)零操作使得電機旋轉(zhuǎn)時光 電編碼盤所輸出的u、v、w信號和電機轉(zhuǎn)子位置 角的對應(yīng)關(guān)系如下表（表中角度為電角度）：1 UWV狀態(tài)101100110010Oil001角度r0-6060-120120-180180-240240-300300360從表1可知由于使用u、v、w信號實施電機 轉(zhuǎn)子的初始定位則控制系統(tǒng)在運行時，將按照上 表所示關(guān)系來控制電機的三相電流因此實際使 用時要考慮電機的接線。比如說在電機接線時電機的B相和C相 接反電機轉(zhuǎn)子的初始位置在圖2所示位置U、 V、W信號指示電機位置在060區(qū)間則系統(tǒng)按 照前述方法對電機轉(zhuǎn)子進行定位給電機加入電 流

20、匚=ic = I、h=0、根據(jù)三相電流合成矢量的 計算方法可得/ =+譏何+ %嚴(yán)）=劃尸'即此時電機定子電流合成矢量位于30°位 置或者說位于300°360°區(qū)間，由圖可知，電機 根本無法定位。但是系統(tǒng)仍然按照原定方法定 位,電機電流的綜合矢量將位于101所表示的60° 區(qū)間故此時電機的定位力矩將使電機旋轉(zhuǎn)起來, 當(dāng)電機越過電機A相繞組軸線之后.電機的定位 電流給定將發(fā)生變化其綜合矢量便移至011所 對應(yīng)的區(qū)間如此繼續(xù)電機便旋轉(zhuǎn)起來。經(jīng)過分 析在電機的三相繞組接線錯誤的情況下如果給 電機加入電流ia = - =/./»= 0 ,其三相

21、電流矢 量所處空間位置見下表。i.= ic = 1 ,ib =0)按線噸序ABCAGJBACBCACBACAB空問矢量位歿”303309090210150但對于表中前第二和第三兩種狀態(tài)，實際運 行中會出現(xiàn)這種情況，如電機轉(zhuǎn)子仍在圖2所示 區(qū)間電機三相接線為BAC .則逆變器初始定位時 電機將逆時針旋轉(zhuǎn)并在0°60°及60°120°區(qū)間 的臨界分界線上停止下來。如果此時要使電機旋 轉(zhuǎn)按照力=0給電機定子送去三相電流.并以電 機轉(zhuǎn)子位置角對電機實施矢量控制，則電機在定 子電流的綜合磁鏈作用下旋轉(zhuǎn)但是由于相位錯 誤肴望電機正轉(zhuǎn)時電機的旋轉(zhuǎn)磁場卻是反向的 則電機

22、轉(zhuǎn)子在電樞磁場作用下與電樞磁場做相向 運動,經(jīng)過旋轉(zhuǎn)一定角度后電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場 同向，電磁力矩為零，電機停止。為使分析具有一般性假定電機轉(zhuǎn)子位置位 于101所表示的區(qū)間（實際分析與電機轉(zhuǎn)子初始 位置無關(guān)）電機轉(zhuǎn)子軸線與電機A相繞組軸線 的夾角為，a、b、c三相電流分別為ia = /cos© 1995-2006 Tsinghiui Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All riglns reserved.中小塑電機)2003 .30永敏電機的轉(zhuǎn)于位直檢測與定位65ib = /cos( 120 )過電流而損壞器件。© 1995-2006 Tsin

23、ghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.中小塑電機)2003 .30永敏電機的轉(zhuǎn)于位直檢測與定位65© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.中小塑電機)2003 .30永敏電機的轉(zhuǎn)于位直檢測與定位65ic = /cos( + 120 )© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All rights reserved.中小塑電機)2003 .

24、30永敏電機的轉(zhuǎn)于位直檢測與定位65按照前述計算方法，可得，在三相接線變化 時.其三相電流矢量所處空間位置見下表。3(U V VV=101)接線順序ABCA(BBACBC(BACB空間矢量理360-120-.120 +180 +180表2是表3的一種特殊情況。經(jīng)過分析，其 它u、v、w情況下結(jié)果類似。前述電機轉(zhuǎn)子位置檢測及初始定位方法在永 磁何服系統(tǒng)中投入使用從實驗運行情況看，電機 轉(zhuǎn)子在任何位置永磁伺服系統(tǒng)都能準(zhǔn)確定位.定 位時間很短最多大約經(jīng)過十多次的定位試探電 機轉(zhuǎn)子就能咬合。運行中還利用光電編碼盤的Z 信號對電機反饋脈沖進行修正消除電機轉(zhuǎn)子旋 轉(zhuǎn)過程中由于干擾而出現(xiàn)脈沖丟失所引起的累積

25、 誤差。然后再進行錯誤接線實驗其故障運行時 所出現(xiàn)的現(xiàn)象與前述相同說明分析正確。但要 注意，在表2后三種狀態(tài)下.如要使電機運轉(zhuǎn).系 統(tǒng)的電流環(huán)必須要有完善的保護措施以免出現(xiàn)1伍小杰等同步電機轉(zhuǎn)于位直檢測的一種方法及實 現(xiàn).電氣傳動.2001(1) :2223.2許 強等新型全數(shù)字交流伺眼系統(tǒng).徼電機，1997 (1) :1419.3吳 凱等一種基干電感測量的永磁同步伺服系統(tǒng)位 置檢測新方法西安交大學(xué)報，1998：2225.4郭慶鼎等永磁同步電機的位直和速度檢測方法沈 陽工大學(xué)報996(3) :712.5周風(fēng)余等高精度伺服系統(tǒng)位直檢測單元的設(shè)計電 氣傳動.2000(3) :33 37.6貴獻國辱

26、電機轅子位亶檢測方案評述徽電機，1999 (6) :44 47.7 Mau hew J. Corley and Robert D Lorenz Rotor sition and velocily Estimation for a Salient R)le PMSM at Standstill and High Speeds IEEE ON IA .1998 .VOL. 34 NO 4.8 Zhu. gc , Akhcif O, Kadd)uri A Desccint L A Speed Tracking Cbntiol of a PMSM wilh State and Load Torque Ob- server. IEEE. IE .Vol. 47 ,NO. 2 ,2000.9 Oitlund S. Brokeiiper, M Sensoriess Rotor R)sition Detection from Tero to Ruled Sccd for an Intcgnited PMSM Drive IEEE. IA .Vol. 32 .NO. 5 1996.收稿日期：2002d卜16© 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co. Ltd. All ri