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(1.貴州航天林泉電機(jī)有限公司，貴州貴陽550000；2.國家精密微特電機(jī)工程技術(shù)研究中心，貴州貴陽550000；3.貴州裝備制造職業(yè)學(xué)院，貴州貴陽550008)

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，永磁同步電機(jī)因其高效率、高功率密度、低損耗等特點(diǎn)，逐漸被廣泛應(yīng)用于各種要求高響應(yīng)、高精度、寬調(diào)速的高性能伺服控制系統(tǒng)，如機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)、電動(dòng)汽車以及數(shù)控機(jī)床等領(lǐng)域[1]。然而不同于直流電機(jī)的有刷換向，同步電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)需要實(shí)時(shí)提供轉(zhuǎn)子位置，以便電機(jī)能進(jìn)行正確的換向。同步電機(jī)的位置信號(hào)獲取主要有兩種方式：一種通過位置傳感器獲取實(shí)時(shí)位置信號(hào)；另一種是無位置控制，通過無位置控制算法，實(shí)時(shí)估計(jì)出一個(gè)轉(zhuǎn)子位置，來保證電機(jī)換向[2]。前者主要應(yīng)用于需要高精度定位的伺服控制場(chǎng)合，后者則主要應(yīng)用于伺服調(diào)速系統(tǒng)。對(duì)于需要高精度伺服定位控制系統(tǒng)，選用的位置傳感器有光柵尺、絕對(duì)式編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器以及增量式編碼器幾種[3]。前三種位置傳感器成本相對(duì)較高，且隨定位精度的增加，成本呈指數(shù)增加?？紤]到成本的因素，出現(xiàn)了帶霍爾的增量式編碼器，該方式通過霍爾進(jìn)行初始定位，后期則利用編碼器進(jìn)行精確定位?；诖?，本文將介紹一種永磁同步電機(jī)帶霍爾及增量式編碼器的伺服控制方法。

1 帶霍爾增量式編碼器原理介紹

霍爾傳感器輸出為三根信號(hào)線，分別為U、V、W。三個(gè)信號(hào)為相位互差120°電角度的方波信號(hào)，并在一個(gè)電角度周期內(nèi)能組合為六個(gè)狀態(tài)，每個(gè)狀態(tài)為60°電角度。故霍爾傳感器可以檢測(cè)出同步電機(jī)一個(gè)電角度周期內(nèi)的六個(gè)狀態(tài)，可利用霍爾信號(hào)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行初始粗定位。

帶霍爾增量式編碼器，顧名思義就是帶霍爾傳感器以及增量式編碼器。有的文獻(xiàn)也稱之為復(fù)合式光電編碼器。該傳感器輸出信號(hào)為6路脈沖信號(hào)，分別為U、V、W、A、B、Z信號(hào)。其中A相和B相的波形完全相同，但相位相差90度。若A相位超前B相位90度，則通常定義為電機(jī)正轉(zhuǎn)，反之則電機(jī)反轉(zhuǎn)。Z相信號(hào)為電機(jī)基準(zhǔn)定位信號(hào)，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，則發(fā)出一個(gè)Z信號(hào)。U、V、W為如前所述的方波信號(hào)[4]。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由于文中所用的伺服電機(jī)發(fā)出的A、B、Z、U、V、W六路信號(hào)均為差分信號(hào)，因此硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需將六路信號(hào)轉(zhuǎn)換為單端信號(hào)，選用的轉(zhuǎn)換芯片為AM26C32。此外，由于編碼器及AM26C32芯片輸出信號(hào)均為5V信號(hào)，且所選的主控芯片DSP2812只能接收3.3V以內(nèi)的信號(hào)，因此需要將AM26C32轉(zhuǎn)換的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換為3.3V信號(hào)，選用轉(zhuǎn)換芯片為74LVC245A，編碼器信號(hào)處理電路如圖1。

圖1 位置信號(hào)處理電路

控制板選擇TI的DSP芯片TMS320F281為控制系統(tǒng)主控芯片，該芯片含有豐富的IO接口電路以及AD采樣電路，不需要再外擴(kuò)太多的芯片就可以完成控制系統(tǒng)的搭建，轉(zhuǎn)換后的編碼器A、B、Z信號(hào)接到DSP的qep電路，U、V、W信號(hào)接到普通的IO口即可。利用DSP的AD口，可采集伺服系統(tǒng)的相電流信號(hào)，相電流則是通過電流傳感器ACS724-10AB采集得到，并經(jīng)過DSP的AD口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)以便完成系統(tǒng)電流環(huán)功能。

控制板的功能主要包括：

1)接收電流、速度指令和位置指令；

2)完成位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)控制算法；

3)獲取同步電機(jī)實(shí)時(shí)位置；

4)獲取同步電機(jī)實(shí)時(shí)相電流；

5)輸出PWM控制信號(hào)；

6)向上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋電機(jī)狀態(tài)，如位置、轉(zhuǎn)速、電流等。

驅(qū)動(dòng)板則是利用IPM來搭建，所選IPM模塊為PM50CL60A，利用該模塊，可將DSP svpwm模塊送出的六路PWM信號(hào)轉(zhuǎn)為相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)子位置初始定位

位置傳感器安裝時(shí)，需要使霍爾傳感器的U信號(hào)、編碼器的Z信號(hào)與同步電機(jī)的A相繞組反電勢(shì)由負(fù)到正過零點(diǎn)對(duì)齊，以確保傳感器檢測(cè)到零位為電機(jī)轉(zhuǎn)子的實(shí)際零位。當(dāng)編碼器安裝好后，轉(zhuǎn)子為編碼器檢測(cè)到的相對(duì)位置基本就確定。

由于文中所選用的伺服電機(jī)為采購的電機(jī)，編碼器已經(jīng)安裝好，且不便于拆卸，因此霍爾信號(hào)位置將不調(diào)整。但可通過軟件同步霍爾傳感器U信號(hào)與Z信號(hào)位置。當(dāng)編碼器發(fā)出Z信號(hào)以后，置一個(gè)標(biāo)志位，在此標(biāo)志位的前提下，當(dāng)電機(jī)捕捉到U信號(hào)的上升沿，則記錄下此時(shí)電機(jī)編碼器所記錄的位置脈沖個(gè)數(shù)，此脈沖即為U信號(hào)與Z信號(hào)之間的位置偏差，可作為編碼器初始矯正因子，使得U信號(hào)與Z信號(hào)同步。

圖2 UVW信號(hào)與電角度及初始值關(guān)系

系統(tǒng)上電后，首先讀取UVW的三相信號(hào)，在一個(gè)電角度周期內(nèi)，霍爾UVW信號(hào)將呈現(xiàn)6個(gè)狀態(tài)，如圖2。當(dāng)檢測(cè)到霍爾信號(hào)落在的區(qū)間，則取其中間值作為同步電機(jī)的初始值，這使得電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置值最大誤差不大于30°電角度，該值不會(huì)影響同步電機(jī)初始運(yùn)轉(zhuǎn)[5]。

系統(tǒng)接收到相應(yīng)的指令后，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置通過qep電路計(jì)算的位置值與霍爾定位的初始位置值來確定。當(dāng)位置傳感器發(fā)出Z信號(hào)時(shí)，則電機(jī)轉(zhuǎn)子位置由qep電路計(jì)算的位置值以及U相信號(hào)與Z脈沖信號(hào)之間的矯正值確定。從而完成帶霍爾及增量式編碼器永磁同步電機(jī)的初始粗定位以及后期精準(zhǔn)換向。

3.2 控制算法設(shè)計(jì)

同步電機(jī)系統(tǒng)模型本身是一個(gè)非線性系統(tǒng)，且變量之間互相耦合，難以對(duì)其進(jìn)行精確的控制。將系統(tǒng)模型簡化，同步電機(jī)電壓方程如下：

(1)

其中Uq,Ud分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電壓分量；iq,id分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸電樞電流；Rs為電樞繞組電阻；ψq,ψd分別為dq坐標(biāo)下定子磁鏈分量；φ是轉(zhuǎn)子磁鋼在定子繞組上的耦合磁鏈；Lq,Ld分別為dq坐標(biāo)下的q軸、d軸等效電樞電感分量[6]。

對(duì)于q軸和d軸電樞電流iq,id則是利用AD采樣回來的相電流iA,iB,iC通過Clark變換、Park變換而來[7]。通過Clark變換和Park變換將電機(jī)三相交流電信號(hào)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的兩相直流信號(hào)，從而可以將同步電機(jī)當(dāng)作直流電機(jī)一樣控制。Clark變換公式如下：

(2)

Park變換公式如下：

(3)

同步電機(jī)運(yùn)動(dòng)學(xué)方程如下：

(4)

Te-T1=Jωe

表貼式同步電機(jī)中，由于Lq≈Ld，進(jìn)而有如下關(guān)系：

(5)

因此，對(duì)于表貼式同步電機(jī)而言，通常采用id=0的控制方式。通過控制直軸電流iq就可以間接地控制同步電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而控制同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

電流環(huán)控制器采用的是積分限幅PI控制器，盡管電流環(huán)是兩個(gè)控制回路id和iq，但兩環(huán)可以采樣相同的控制器[8]?？刂破鹘Y(jié)構(gòu)如下：

(6)

速度環(huán)采用的控制算法同樣為帶積分限幅的PI控制器。電機(jī)反饋速度通過固定時(shí)間內(nèi)的位置脈沖來計(jì)算，計(jì)算公式如下：

(7)

式中，t為兩次讀取位置信號(hào)的頻率，ΔM為兩次讀取位置脈沖之間的位置脈沖差值。

速度環(huán)積分限幅PI控制器：

(8)

位置環(huán)采用的是帶輸出限幅的比例控制器：

Gp(s)=Kpe(t)

(9)

DSP控制程序框圖如圖3。

圖3 系統(tǒng)控制程序框圖

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本次實(shí)驗(yàn)所選用的電機(jī)為國內(nèi)某公司的永磁同步伺服電機(jī)，電機(jī)上帶有旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置傳感器，電機(jī)主要參數(shù)如表1。

表1電機(jī)主要參數(shù)

系統(tǒng)性能試驗(yàn)包括兩個(gè)部分：調(diào)速性能試驗(yàn)和位置定位試驗(yàn)。調(diào)速時(shí)，分別給定轉(zhuǎn)速為100 r/min和1000 r/min，如圖4(a)所示，可以看到電機(jī)能正常啟動(dòng)并能迅速定位到系統(tǒng)所接收到的速度指令。位置定位試驗(yàn)通過上位機(jī)發(fā)送位置指令200°，如圖4(b)所示，可以看到電機(jī)能迅速、精準(zhǔn)地定位到所給定的參考位置。

圖4

5 結(jié)論

本文研究了永磁同步電機(jī)帶霍爾及增量式編碼器的伺服控制方法。通過利用霍爾信號(hào)對(duì)同步電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行初始粗定位，使得同步電機(jī)能夠完成正常啟動(dòng)。同步電機(jī)啟動(dòng)并捕捉到編碼器Z脈沖信號(hào)后，再利用增量式編碼器信號(hào)所提供的位置信號(hào)作為系統(tǒng)反饋，從而實(shí)現(xiàn)精定位。針對(duì)所選用的帶霍爾及增量式編碼器的同步電機(jī)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制器。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果來看，該伺服系統(tǒng)能正常啟動(dòng)，并完成調(diào)速及定位功能，這表明該方法具備一定的實(shí)效性及工程使用價(jià)值。