全数字交流伺服系统中永磁同步电机转子初始位置搜索算法

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1、全数字交流伺服系统中永磁同步电机转子初始位置搜索算法2009年12月9日　　方茂成，王平(中国科学院电I研究所，北京100190)     摘要：在使用增量式光电编码器测量永磁同步电机转子位置的伺服系统中，电机起动的瞬间普遍存在无法精确测量电机转子位置的问题。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度，而日会对电机的起动性能造成影响。详细论述了用二分搜索算法确定永磁同步电机转了初始位置的方法，并给出了试验结果。　　关键词：永磁同步电机；磁场定向控制；二分搜索法中国分类号：TM35I 文献标识码：A文章编号：167

2、3_6540(2009)11一0027一03    0 引 言     近年来，由于水磁材料及相关技术的重大突破，永磁同步电机的性能得到了迅速提高，目前永磁同步电机已经广泛应用于交流伺服系统中。在现代交流伺服系统中，基于坐标变换、转子磁场定向控制理论及电机专用数字信号处理器(DsP)构成的全数字交流伺服系统，使得交流电机获得了可与直流电机相媲美的性能。　　永磁同步电机控制系统精确检测永磁同步电机转子位置，是实现转子磁场定向控制系统的基础。目前在电机转子位置检测中使用较多的有旋转变压器、绝对式光电编码器和增量式光

3、电编码器，其中前两者可以实地检测出电机转子的绝对位置，后者获得的是电机转子的相对位置。从性价比方面考虑，增量式光电编码器是在交流伺服系统中较好的选择。存使用增量式光电编码器的场合，电机起动后根据光电编码器的正交编码信号与z信号，可以方便地获得电机转子的实时位置信息，但是如何在上电瞬间精确地得到转子的位置，是一个难点，也是一个值得探讨的问题。　　1 永磁同步电机数学模型      对于凸极式永磁同步电机，当假设磁路不饱和，电机的电流为对称的三相正弦波电流，忽略摩擦、磁滞和涡流损耗影响时，图一所示为永磁同步电机空间

4、矢量图，ωr为电机转速，θ为电机转子d轴与定子A相之间的夹角，β为永磁体等效磁链与定子电流矢量is之间的夹角，可得如下表达式：　　2二分搜索算法     带有霍尔位置传感器增量光电式编码器，上电后其u、V、w相输出对应电机转子初始位置所处扇区，因此可以结合矢量控制方法设计通过定子磁场摆动的转子磁极搜索方法，完成转子初始位置检测。通常采用如下两个步骤：　　(1)初始位置粗测，根据霍尔位置传感器的输出判定转子磁极所在的电角度区间；(2)二分搜索法精确定位，采用二分搜索法完成对转子位置的精确定位。　　2．1初始位置粗

5、测、    霍尔位器传感器输出u、V、w三相信号和电角度的关系如图2所示，这三个信号是互差120°电角度，宽度为180°电角度的方波信号。在360°电角度范围内，该三相信号输出6种不同的状态，每个状态宽度为60°。例如当(u、v、w)=(1、O、1)时，可判断当前电机转子处于第0扇区，即电角度范围为0～60°。　　2．2二分搜索法精确定位     通过霍尔位置传感器得到电机转子所处扇区以后，可采用二分搜索法完成对转子磁极位置的精确搜索：　　(1)给定子输入特定方向的电流矢量，使转子产生微小转动；(2)记录增量式

6、光电编码器产生的微小增量；(3)获得转子相对于定子的绝对位置关系。　　永磁同步交流伺服电机运行是通过转子磁场和定子磁场严格同步实现的，其力矩表达式如式(3)、(4)所示，可根据测量得到转子位置信息，通过修正定子电流矢量从而改变定子磁场的方向，并使定子磁场位置最终定位于转子磁场方向，这一过程就获得了关于转子磁极位置的足够信息。　　定位过程中定子磁场可能出现左右摆动的现象，摆动的幅度将越来越小，当左右摆动的范嗣小于预先设定的闽值时，可以认为初始转子磁极位置搜索基本结束。　　下面结合图3～5简要说明转子磁极位置的确定

7、过程：图3中，A轴为静止坐标系坐标轴，αβ轴为二相静止坐标系，IS为定子电流矢量，θ1为定子电流矢量与A轴之间的夹角(电角度)，ψf和A轴的夹角即转子磁场的空间电角度θ0未知    当通过霍尔位置传感器确定的转子磁极所在区间为[θ1，θh]时，设转子初始磁场位置角θ1=(θ1+θ2)／2，按照θ1给电机一电流矢量IS产生特定方向的定子磁场，记录电机当前转子的初始位置机。　　在电流矢量IS的作用下，电机产生微小转动，记录此时转子位置φ1，汁算φ1、φ0的差值：　　△φ1=φ1．一φ0 (5)如果△φ1>O，电机顺

8、时针旋转，说明当前，IS产生的定子磁场牵 引着转子顺时针方向旋转，则θ处于[θ1，θh]之间，如图3所示；如果△θ1