趙德堂, 張 懿, 魏海峰

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

永磁同步電機多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法*

趙德堂, 張 懿, 魏海峰

(江蘇科技大學 電子信息學院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

交流伺服電機廣泛應用于機器人控制、數(shù)控機床等對調(diào)速系統(tǒng)性能要求很高的領域。在高性能數(shù)控機床、機器人等領域應用的交流伺服電機幾乎都需要配置光電編碼器等位置反饋元件,其控制多采用矢量控制的方式。但是由于系統(tǒng)誤差和運行過程中的機械變形和裝配原因，電機控制性能往往難以滿足要求。為此，提出一種永磁同步電機(PMSM)多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法，并且重點比較了PMSM傳統(tǒng)矢量控制方法和PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法。通過分析比較，試驗結果展現(xiàn)出PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法可以很好地提高伺服系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度。

永磁同步電機； 多傳感器組合； 全閉環(huán)矢量控制

0 引 言

交流伺服電機廣泛應用于機器人控制、數(shù)控機床等對調(diào)速系統(tǒng)性能要求很高的領域。在高性能數(shù)控機床、機器人等領域應用的交流伺服電機幾乎都需要配置光電編碼器等位置反饋元件,其控制多采用矢量控制的方式。通過矢量控制的方法可以將交流伺服電機建模成勵磁繞組和電樞繞組與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的直流電機，從而將直流調(diào)速系統(tǒng)的理論應用到永磁同步交流伺服電機的控制中，進而獲得高性能的控制效果[1-3]。

在永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的轉(zhuǎn)子磁極定向矢量控制中，PMSM的動態(tài)性、控制精度、低速性對伺服系統(tǒng)具有重要的影響。目前，傳統(tǒng)的三閉環(huán)PMSM轉(zhuǎn)子磁極定向矢量控制方法利用電流傳感器檢測PMSM的三相電流，經(jīng)過Clark變換與Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標系(dq坐標系)上的等效電流id、iq，然后經(jīng)過給定量與反饋量通過調(diào)節(jié)器和反Park變換，最后再經(jīng)過SVPWM算法實現(xiàn)對PMSM的控制，同時在PMSM的輸出軸上裝有絕對編碼器來實現(xiàn)對PMSM的速度和位置反饋。但是由于系統(tǒng)誤差和運行過程中的機械變形和裝配原因，電機控制性能往往難以滿足要求。因此，如何更好地提高電機的控制性能，是現(xiàn)有技術有待解決的問題。針對這些問題，本文提出一種PMSM多傳感器組合使用的全閉環(huán)矢量控制方法，此方法可以很好地提高電機的控制性能[2]。

1 與PMSM傳統(tǒng)矢量控制比較

PMSM傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)中，通常采用電流傳感器、霍爾傳感器和絕對編碼器，如圖1所示。其中電流傳感器實現(xiàn)電流負反饋，霍爾傳感器實現(xiàn)PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測，絕對編碼器安裝在電機上，用來實現(xiàn)電機的速度和位置反饋。

圖1 PMSM傳統(tǒng)矢量控制框圖

PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的PMSM矢量控制系統(tǒng)的區(qū)別主要在于霍爾傳感器、增量式編碼器和絕對式編碼器的組合使用以及其安裝位置的不同。PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)采用電流傳感器、霍爾傳感器、相對編碼器和絕對編碼器，如圖2所示。其中電流傳感器實現(xiàn)電流負反饋，霍爾傳感器實現(xiàn)PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的粗測，判斷出轉(zhuǎn)子磁極的電角度區(qū)間，相對編碼器裝在電機上，主要是對電機的速度進行檢測，實現(xiàn)對電機速度的閉環(huán)控制；同時根據(jù)霍爾傳感器獲得的轉(zhuǎn)子磁極的電角度區(qū)間進行轉(zhuǎn)子磁極位置的精測?；魻杺鞲衅骱驮隽渴骄幋a器結合使用有利于加快對轉(zhuǎn)子磁極位置的搜索過程,并減小擺動范圍,具有較佳的起動性能。在諧波減速器的輸出軸上(負載端)裝有高精度的絕對編碼器實現(xiàn)對電機的位置控制(后端反饋)，可以減少裝配問題，以及在電機運行中由于機械變形對控制精度的影響，從而提高電機的控制性能。

2 PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方案

PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法，包括以下步驟：

(1) 通過負載端的絕對編碼器獲得電機轉(zhuǎn)子當前所在絕對編碼器的機械位置；

圖2 PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制框圖

(2) 根據(jù)設定電機轉(zhuǎn)子要到達絕對編碼器的機械位置和電機轉(zhuǎn)子當前所在絕對編碼器的機械位置，進行位置環(huán)PI計算，獲得電機的設定速度值；

(3) 通過電機輸出軸端的霍爾傳感器和增量式編碼器獲得當前轉(zhuǎn)速和當前轉(zhuǎn)子磁極位置；

(4) 根據(jù)設定電機轉(zhuǎn)速和當前電機轉(zhuǎn)速，進行速度環(huán)PI計算，獲得旋轉(zhuǎn)坐標系交軸設定電流值；

(5) 通過電流傳感器獲得PMSM的當前三相電流值ia、ib、ic；

(6) 將所測得當前三相電流ia、ib、ic經(jīng)過Clark和Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標系下的直軸電流id和交軸電流iq；

(7) 分別獲得當前旋轉(zhuǎn)坐標系的直軸電流與旋轉(zhuǎn)坐標系下的直軸電流設定值之間的差值，以及當前旋轉(zhuǎn)坐標系的交軸電流與旋轉(zhuǎn)坐標系下的交軸電流值之間的差值，并將兩個差值輸入電流環(huán)，經(jīng)過電流環(huán)PI計算，獲得旋轉(zhuǎn)坐標系下的直軸電壓ud和交軸電壓uq；

(8) 將旋轉(zhuǎn)坐標系下的直軸電壓ud、交軸電壓uq經(jīng)過反Park變換得到兩相靜止坐標系上的正交電壓值uα、uβ，將獲得的正交電壓值uα和uβ經(jīng)過反Clark變換獲得PMSM三相設定值；

(9) 經(jīng)過SVPWM算法控制三相全橋逆變器的導通來實現(xiàn)對PMSM的控制。

本伺服系統(tǒng)通過多傳感器組合使用，并運用轉(zhuǎn)子磁極矢量控制方法實現(xiàn)對PMSM的控制,如圖3所示。在未知轉(zhuǎn)子初始位置情況下，直接起動PMSM，會出現(xiàn)電機無法起動、不能帶重載起動，或者起動過程中會產(chǎn)生過流和抖動等所不期望的現(xiàn)象。如果隨意選擇磁場角度θ作為初始值進行控制可能導致電機的力矩非常小或者為零，還有可能使電機按照相反的方向轉(zhuǎn)動，這在某些場合會導致嚴重的后果。因此，為了更好地控制PMSM，應該確定轉(zhuǎn)子的初始位置后再起動，同時在伺服系統(tǒng)中由于裝配問題和電機在運行過程中由于機械變形，往往導致電機的控制性能不理想[4-5]。

圖3 一種PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法流程圖

矢量控制永磁同步交流伺服電機初始磁極位置搜索流程圖，如圖4所示。首先通過霍爾位置傳感器進行位置粗測[6]。矢量控制中關心的是初始電角度，根據(jù)HU、HW、HV的排列確定每60°電角度一個區(qū)間。具體使用時，通過I/O端口一次讀入3個信號，根據(jù)其排列可確定當前所在電角度的區(qū)間。再采用二分法對磁極位置進行精確搜索[7]。選擇適當?shù)碾妷?電流向量激勵電機，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動；采用增量式編碼器測量微動的增量；獲得轉(zhuǎn)子相對于定子的絕對位置關系。

圖4 矢量控制永磁同步交流伺服電機初始磁極位置搜索流程圖

圖5 控制框圖

3 試驗平臺

PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制驅(qū)動模塊框圖如圖5所示。

由圖5可知驅(qū)動模塊主要由電源轉(zhuǎn)換電路、CAN驅(qū)動電路、USB-RS232轉(zhuǎn)換電路、RS232-TTL驅(qū)動電路、RS422-TTL驅(qū)動電路、三相全橋逆變電路、三相電流檢測電路等功能電路組成。電源變換電路主要實現(xiàn)DC-DC電源變換，實現(xiàn)+12、+10、+5、+3.3、+1.5 V電源輸出，滿足驅(qū)動模塊中各個功能芯片不同電壓等級的供電要求。驅(qū)動電路主要采用TJA1040T實現(xiàn)驅(qū)動模塊與其他CAN網(wǎng)絡之間的接入。USB-RS232轉(zhuǎn)換電路主要采用FT232R來實現(xiàn)驅(qū)動控制程序的燒寫與在線參數(shù)調(diào)節(jié)。RS232-TTL驅(qū)動電路實現(xiàn)主控芯片TTL電平與RS232接口轉(zhuǎn)換。RS422-TTL驅(qū)動電路實現(xiàn)主控芯片TTL電平與RS422接口轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)驅(qū)動模塊與絕對值碼盤DS70的信息通信。三相全橋逆變電路是將直流電壓信號逆變成交流信號，通過芯片產(chǎn)生的PWM波控制開通和關斷來實現(xiàn)對交流電機的驅(qū)動控制。三相電流檢測電路是檢測逆變后的交流電流信號強弱，用于電機參數(shù)的自適應調(diào)節(jié)和過流保護。

4 試驗結果及分析

PMSM反電勢曲線如圖6所示，是平滑的正弦波。圖7、圖8分別為PMSM傳統(tǒng)矢量控制從絕對碼盤值0 qc處走到絕對碼盤的1 000 qc處運動軌跡曲線和PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制從絕對碼盤值0 qc處走到絕對碼盤的1 000 qc處運動軌跡。通過兩者運動軌跡曲線可知，PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制有更好的快速性和控制精度。

圖6 永磁同步電機反電動勢波形圖

圖7 PMSM傳統(tǒng)矢量控制運動軌跡曲線

圖8 PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制運動軌跡曲線

5 結 語

本文詳細介紹一種PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法及其應用優(yōu)勢。搭建了PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制試驗平臺，并且重點比較了PMSM傳統(tǒng)矢量控制方法與PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法。通過分析比較，試驗結果展現(xiàn)出PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法可以很好地提高伺服系統(tǒng)的動態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度。

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引領技術發(fā)展趨勢 報道經(jīng)典實用案例 反映行業(yè)最新動態(tài)

Multi-Sensor Combination Full Closed-Loop Vector Control Method of Permanent Magnet Synchronous Motor*

ZHAODetang1,ZHANGYi1,WEIHaifeng1

(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

AC servo motor was widely used in robot control, numerical control machine tools for high speed control system performance requirements, the high performance CNC machine, robot in areas such as almost all of the application of ac servo motor need to configure the position feedback components such as photoelectric encoder, its control method with the method of vector control.But because the system error and cause mechanical deformation and assembly in the process of operation, and motor control performance was often difficult to meet the requirements.A kind of permanent magnet synchronous motor multi-sensor combination full closed-loop vector control method was put forward and analyzed.And focusing on the traditional permanent magnet synchronous motor vector control method and the permanent magnet synchronous motor multi-sensor combination full closed-loop vector control method.Through analysis and comparison of the experimental results showed a multi-sensor combination full closed-loop vector control method could well improve the servo system of dynamic and steady-state accuracy.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); multi-sensor combination; full closed-loop vector control

國家自然科學基金項目(61503161);江蘇省產(chǎn)學研前瞻性聯(lián)合研究項目(BY2016073-01);江蘇省普通高校專業(yè)學位研究生實踐創(chuàng)新計劃項目(YSJ15S-09)

趙德堂(1990—)，男，碩士研究生，研究方向為電機控制。 張 懿(1982—)，女，博士研究生，副教授，研究方向為電機控制。 魏海峰(1981—)，男，博士研究生，副教授，研究方向為電機控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0006- 05

2016 -07 -27