專利名稱：交流永磁同步電機控制系統(tǒng)首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及交流永磁同步電機控制系統(tǒng)的一種轉(zhuǎn)子定位方法，具體為交流永磁同步電機控制系統(tǒng)首次上電時的一種轉(zhuǎn)子的定位方法。
(二)技術(shù)背景對交流永磁同步電機進行伺服控制時，控制器控制定子三相電流合成磁場的矢量方向。為了有效控制定子磁場矢量，需要對轉(zhuǎn)子位置進行精確測量。通常經(jīng)濟而有效的方法是在電機轉(zhuǎn)子上安裝增量式編碼器，用編碼器輸出脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化。但該方法中，控制器的控制計算機需要先得到轉(zhuǎn)子的初始位置，再根據(jù)編碼器送來的A、B脈沖才能確定轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向和已轉(zhuǎn)動的角度。在系統(tǒng)首次通電時，電機轉(zhuǎn)子的絕對位置是不確定的。使用這類控制器在初始上電時，只能讓電機先旋轉(zhuǎn)起來，當(dāng)控制器接受到編碼器送來的Z脈沖時，控制器才能確認轉(zhuǎn)子位置初始點，也就是說才能開始對定子磁場矢量開始進行控制。在電機制造時，編碼器的Z脈沖，即編碼器的零位脈沖，均準確定位于轉(zhuǎn)子磁極的特征位置，如磁極中心線或磁場由N到S的交換點。電機首次上電時，轉(zhuǎn)子可能需要轉(zhuǎn)過360度的機械角度才能尋找到零點，接受到編碼器的Z脈沖，開始正常的控制。這降低了系統(tǒng)的工作效率，并且某些工作場合下如軍用雷達、火炮等裝備，不允許轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過如此大的角度電機才進入正常工作。
此問題早在業(yè)內(nèi)引起重視。如中國專利96106988“交流伺服系統(tǒng)中電機轉(zhuǎn)子初始位置的檢測方法及裝置”，該發(fā)明可以在控制電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動編碼器一線的情況下實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)子初始位置的測量，克服了已有技術(shù)需開環(huán)旋轉(zhuǎn)一周尋找初始零位的缺點。但是該發(fā)明采用湊試法，通過將施加電流從小到大改變并且測量電機運轉(zhuǎn)趨勢來逐點尋找轉(zhuǎn)子的零位，定位時間長，運算復(fù)雜，系統(tǒng)復(fù)雜，并且在電機被堵轉(zhuǎn)等極端情況下會發(fā)生錯誤定位。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于設(shè)計一種系統(tǒng)首次上電時實現(xiàn)轉(zhuǎn)子快速定位的簡單有效的方法，以使系統(tǒng)初始上電時即可以輸出額定轉(zhuǎn)矩進行正常啟動。
本發(fā)明的交流永磁同步電機控制系統(tǒng)首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法，在電機轉(zhuǎn)子上安裝普通增量式編碼器，用普通編碼器輸出A、B脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化，同時在電機制造時預(yù)先安裝轉(zhuǎn)子磁極位置的感應(yīng)霍爾元件并配備普通增量式編碼器?；蛘甙惭b配套帶有U、V、W信號的特種增量式編碼器，其安裝方法與轉(zhuǎn)子磁極位置的感應(yīng)霍爾元件的安裝相同。霍爾元件或此類增量式編碼器送出的U、V、W狀態(tài)信號，共有六個電平狀態(tài)，101、100、110、010、011、001，將電機轉(zhuǎn)子位置的每360度電角度分為六個相等的區(qū)間，每個區(qū)間為360÷6＝60°電角度。在初始上電時刻，通過增量式編碼器發(fā)出的U、V、W信號狀態(tài)，確定電機轉(zhuǎn)子磁場矢量初始位于哪一個區(qū)間，此時，取該區(qū)間的中點作為轉(zhuǎn)子磁場矢量位置，控制器以此作為轉(zhuǎn)子初始位置向定子三相繞組輸出相應(yīng)矢量方向的電流，確保電機達到額定轉(zhuǎn)矩。
因為已確定了轉(zhuǎn)子矢量所在的區(qū)間，而該區(qū)間的電角度為60度，所以當(dāng)取其中點作為轉(zhuǎn)子矢量的初始位置，其誤差最大只有30度電角度。對于正弦波矩角特性的電機，定子通入一定的電流，由于30度電角度的初始定位誤差帶來的初始啟動力矩誤差為(1-Sin60°)×100％＝13.4％，控制器一般都具有20％以上的過載能力，因此在最大誤差30度的情況下，系統(tǒng)初始上電時仍可以輸出額定轉(zhuǎn)矩進行正常啟動。對于梯形波矩角特性的電機，由初始定位誤差帶來的初始啟動力矩誤差基本為零。
在初始上電電機運行后，轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)了一定角度(最大為60度電角度)跨過了電角度區(qū)間時，U、V、W狀態(tài)即發(fā)生第一次變化，控制器即可立即根據(jù)U、V、W狀態(tài)的變化對轉(zhuǎn)子進行準確定位，并繼而根據(jù)編碼器送出的A、B脈沖信號進行運行中的轉(zhuǎn)子準確定位，從而開始正式運行。
本發(fā)明的交流永磁同步電機控制系統(tǒng)首次上電時轉(zhuǎn)子定位方法的優(yōu)點為1、只需加裝可發(fā)出U、V、W信號霍爾元件或增量式編碼器即可解決交流永磁同步電機控制系統(tǒng)在初次上電不能精確測量轉(zhuǎn)子位置的問題，暫時進行粗略定位以便立即開始正常驅(qū)動運行；2、利用本方法初定位的定位誤差最大不超過±30度，保證在控制器過載能力范圍內(nèi)正常啟動運行；3、系統(tǒng)正常運行后，每經(jīng)過60度電角度的運轉(zhuǎn)，系統(tǒng)就可以對轉(zhuǎn)子的位置進行校核，避免在運行過程中，由于編碼器脈沖誤碼或計算機飛程帶來的定位錯誤。


圖1為U、V、W信號表征電機轉(zhuǎn)子電角度位置的示意圖以及轉(zhuǎn)子定位后根據(jù)U、V、W信號狀態(tài)及變化沿控制器向三相繞組輸出的三相電流波形圖。
具體實施方式
在電機轉(zhuǎn)子上安裝普通增量式編碼器，用其輸出的A、B脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化。同時在電機制造時預(yù)先安裝轉(zhuǎn)子磁極位置的感應(yīng)霍爾元件并配備普通增量式編碼器，或者安裝配套帶有U、V、W信號的特種增量式編碼器。如圖1所示，霍爾元件或編碼器送出的U、V、W狀態(tài)信號，共有六個電平狀態(tài)，101、100、110、010、011、001，表征電機轉(zhuǎn)子電角度位置的為六個等距區(qū)間，每個區(qū)間為360÷6＝60°電角度。在初始上電時刻，通過增量式編碼器發(fā)出的U、V、W信號狀態(tài)，即確定電機轉(zhuǎn)子磁場矢量初始位置所處的區(qū)間，取該區(qū)間的中點作為轉(zhuǎn)子磁場矢量位置，控制器以此作為轉(zhuǎn)子初始位置向定子三相繞組輸出電流。
轉(zhuǎn)子跨越了不同電角度區(qū)間時，即轉(zhuǎn)過一個不大于60度的電角度時，必然要越過U、V、W狀態(tài)的一次變化沿。而只要轉(zhuǎn)子越過了U、V、W狀態(tài)的一次變化沿，U、V、W狀態(tài)發(fā)生第一次變化，控制器立即根據(jù)U、V、W狀態(tài)的變化對轉(zhuǎn)子進行準確定位，即可對轉(zhuǎn)子精確定位，并繼而根據(jù)編碼器送出的A、B脈沖信號進行轉(zhuǎn)子準確定位，電機即由初始上電運行進入正常精確定位運行。
對于1對極的電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電氣角度與機械角度相等，對于N對極的電機，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電氣角度等于機械角度的N倍。因此采用本方法進行轉(zhuǎn)子上電定位時，對于N對極的電機，轉(zhuǎn)子精確定位前轉(zhuǎn)過的機械角度不大于60度的N分之一。
上述的U、V、W信號除用于系統(tǒng)首次上電作為轉(zhuǎn)子定位外，在系統(tǒng)進入精確定位并正常運行時，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度，U、V、W信號中必然有一個信號的狀態(tài)會發(fā)生一次變化，根據(jù)該跳變及另兩個信號的狀態(tài)可對轉(zhuǎn)子所處的電角度作精確定位。因此由U、V、W狀態(tài)的每一次變化沿可對轉(zhuǎn)子位置進行重新精確定位，系統(tǒng)可以對轉(zhuǎn)子的位置進行校核，避免在這60度電角度的運行過程中由于編碼器脈沖丟失或增加等誤碼或計算機飛程帶來的錯誤，如圖1所示，保證控制器對應(yīng)轉(zhuǎn)子位置向三相繞組輸出的相應(yīng)的三相電流波形。
權(quán)利要求
1一種交流永磁同步電機控制首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法，在電機轉(zhuǎn)子上安裝普通編碼器，用普通編碼器輸出A、B脈沖的數(shù)量來表征轉(zhuǎn)子位置的變化；其特征為同時在電機制造時預(yù)先安裝轉(zhuǎn)子磁極位置的感應(yīng)霍爾元件并配備標(biāo)準的增量式編碼器，或者安裝配套帶有U、V、W信號的增量式編碼器；霍爾元件或編碼器送出的U、V、W狀態(tài)信號，共有六個電平狀態(tài)，101、100、110、010、011、001，表征電機轉(zhuǎn)子電角度位置的為六個等距區(qū)間，每個區(qū)間60度電角度；在初始上電時刻，通過增量式編碼器發(fā)出的U、V、W信號狀態(tài)，確定電機轉(zhuǎn)子磁場矢量初始位置所處的區(qū)間，取該區(qū)間的中點作為轉(zhuǎn)子磁場矢量位置，控制器以此作為轉(zhuǎn)子初始位置向定子三相繞組輸出電流；轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)跨過了電角度區(qū)間時，U、V、W狀態(tài)發(fā)生第一次變化，控制器立即根據(jù)U、V、W狀態(tài)的變化對轉(zhuǎn)子進行準確定位，并繼而根據(jù)編碼器送出的A、B脈沖信號進行轉(zhuǎn)子準確定位，開始正式運行。
2根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流永磁同步電機控制首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法，其特征為在系統(tǒng)進入精確定位并正常運行時，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60度電角度，U、V、W信號中有一個信號的狀態(tài)會發(fā)生一次變化，根據(jù)該跳變及另兩個信號的狀態(tài)對轉(zhuǎn)子所處的電角度作精確定位，系統(tǒng)對轉(zhuǎn)子的位置進行校核。
3根據(jù)權(quán)利要求1所述的交流永磁同步電機控制首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法，其特征為對于N對極的電機，轉(zhuǎn)子精確定位前轉(zhuǎn)過的機械角度不大于60度的N分之一。
全文摘要
本發(fā)明的交流永磁同步電機控制系統(tǒng)首次上電時轉(zhuǎn)子的定位方法，在轉(zhuǎn)子上安裝普通編碼器，同時預(yù)裝可發(fā)U、V、W信號的霍爾元件或增量式編碼器。U、V、W信號將轉(zhuǎn)子位置電角度分為六個60°電角度的區(qū)間，在初始上電時，通過U、V、W信號狀態(tài)，確定轉(zhuǎn)子磁場矢量區(qū)間，取該區(qū)間的中點作為轉(zhuǎn)子磁場矢量位置，控制器向定子三相繞組輸出電流。其誤差最大只有30度電角度。轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)跨過區(qū)間時U、V、W狀態(tài)發(fā)生第一次變化，即可立即對轉(zhuǎn)子進行準確定位，開始正式運行。裝置方法簡單有效，保證在控制器過載能力范圍內(nèi)正常啟動運行；系統(tǒng)正常運行后，每經(jīng)過60度電角度，系統(tǒng)均對轉(zhuǎn)子的位置校核，避免在運行過程中的定位錯誤。
文檔編號H02P6/20GK1581670SQ200410022610
公開日2005年2月16日 申請日期2004年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月18日
發(fā)明者呂虹 申請人:桂林星辰電力電子有限公司