永磁同步电机伺服系统以及定位和偏差消除方法
【专利摘要】本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种基于混合增量式编码器的永磁同步电机的伺服系统以及定位和偏差消除方法。本发明的伺服系统主要包括初始搜索判断单元、电机运转方向判断单元、变步长搜索计算单元、霍尔事件与转子位置角映射单元、误差修正单元以及电流给定计算单元。通过本发明的定位和偏差消除方法可以迅速准确地确定永磁同步电机启动时的初始位置角，在电机运行过程中能够实现伺服电机每旋转60°电角度就平滑修正一次转子位置，大大提高了定位精度。
【专利说明】
永磁同步电机伺服系统以及定位和偏差消除方法
技术领域
[0001]本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种基于混合增量式编码器的永磁同步电机伺服系统以及定位和偏差消除方法。
【背景技术】
[0002]获得精确的转子位置是实现永磁同步电机高性能矢量控制的前提，目前大多数永磁同步电机伺服都是采用机械传感器来获取电机转子的位置信息，其中使用最多的就是光电编码器，按照脉冲的计数方式不同可分为绝对式、增量式和混合式，混合式增量式编码器结构简单、响应快、体积小、能够检测电机的初始位置，应用最为广泛;而绝对式光电脉冲编码器价格昂贵，分辨率远不如增量式光电脉冲编码器。
[0003]混合式增量式编码器虽然可以根据霍尔信号的组合状态大致估算出永磁同步电机转子位置在一个60°的电角度内，但是却无法得出确切的角度位置，因此只能进行电机转子初始位置的粗略检测，使用该方法进行启动会存在一个正负30°电角度的误差，且转子位置误差需要等到编码器Z脉冲(编码器码盘转动产生A、B和Z信号，A和B存在90°相位差，用以产生正交脉冲信号，测定位置增量;Z信号每转一周触发一个Z脉冲，用来做基准校准)出现时才能够消除。而Z脉冲需要电机旋转一圈才会出现，永磁同步伺服电机在位置控制模式下旋转的角度有时达不到一圈，而且在Z脉冲出现的时候，强制校正电机的角度，可能会造成电机的转子位置角度突变。
[0004]而且对于传统零位偏差校准(S卩Z位置校准)采用的方法是强迫定位校准法，即对电机施加一个固定方向的电流矢量，迫使电机转子旋转到零位置，如2015年8月12日公布的专利号为CN 104836506A的“一种永磁同步电机转子零位校正系统及方法”专利。该方法校准所需要的时间比较长，而且在整个校准过程中，转子转动幅度较大，造成机械冲击，并且由于永磁同步电机转子自身存在的摩擦，加上该方法进行零位校准时，在接近设计零位时电机的电磁转矩会很小，所以使用该方法会存在较大的误差。
[0005]因此，寻找确定永磁同步伺服电机的初始位置及转子位置误差校准的简便方法，是本领域技术人员致力研究的方向。
【发明内容】
[0006]鉴于上述问题，本发明提供一种简单方便的永磁同步电机快速定位和偏差消除的方法，该方法可以实现电机在转子转动较小幅度的情况下完成永磁同步电机初始位置的确定，以及转子偏差位置的快速平滑校正。
[0007]本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
[0008]提供一种永磁同步电机伺服系统，其特征在于，基于混合增量式编码器，所述混合增量式编码器的码盘转动时产生码盘脉冲信号以及霍尔信号，所述伺服系统包括:
[0009]初始搜索判断单元，根据所述霍尔信号判断出初始搜索角度和方向；
[0010]电机运转方向判断单元，根据所述码盘脉冲信号判断所述永磁同步电机的电机转动方向；
[0011]变步长搜索计算单元，与所述初始搜索判断单元以及所述电机运转方向判断单元连接，以根据所述初始搜索角度和方向以及所述电机转动方向，搜索出所述永磁同步电机的转子初始位置角，来定位所述永磁同步电机。
[0012]优选的，上述的永磁同步电机伺服系统还包括霍尔事件与转子位置角映射单元，与所述变步长搜索计算单元连接，以根据所述转子初始位置角以及所述永磁同步电机转动过程中的霍尔事件，生成霍尔事件与转子位置角对应关系。
[0013]优选的，上述的永磁同步电机伺服系统还包括误差修正单元，与所述霍尔事件与转子位置角映射单元连接，根据所述霍尔事件与转子位置角对应关系修正所述转子的位置误差，以消除所述永磁同步电机的偏差。
[0014]优选的，上述的伺服系统还包括电流给定计算单元，与所述电机运转方向判断单元连接，以根据所述电机转动情况调整给定电流的大小。
[0015]本发明还提供一种永磁同步电机的定位方法，基于上述的伺服系统，所述永磁同步电机采用电流-速度-位置三环系统控制，其特征在于，所述方法包括:
[0016]步骤一，关闭所述三环系统的位置环和速度环，保留所述电流环；
[0017]步骤二，在所述电流给定计算单元中设置所述电流环的给定电流为脉冲方式，脉冲幅值递增变化；
[0018]步骤三，根据所述初始搜索角度和方向对所述永磁同步电机的转子位置角进行搜索，计算出所述转子初始位置角，以完成所述永磁同步电机的定位。
[0019]优选的，上述的定位方法，在所述步骤二中，所述给定电流包括转矩电流和励磁电流，给定所述转矩电流为零，所述励磁电流以脉冲幅值递增变化的脉冲方式施加。
[0020]优选的，上述的定位方法，所述脉冲幅值按0.2In、0.4In、0.8In、和1?的顺序递增；
[0021]其中，In为所述永磁同步电机的额定电流。
[0022]优选的，上述的定位方法，在所述步骤三中，计算所述转子初始位置角的步骤还包括:
[0023]步骤31，根据所述初始搜索角度和方向完成一次转子位置角搜索后，所述电流给定计算单元施加给定电流；
[0024]步骤32，当所述给定电流的作用时间结束后，所述电机运转方向判断单元判断电机转动方向；
[0025]步骤33，所述变步长搜索计算单元根据所述电机转动方向以及所述初始搜索角度和方向，判断当前变步长搜索角度和方向；
[0026]步骤34，重复步骤31和32，直到所述给定电流达到最大幅值且作用时间结束后，所述电机运转方向判断单元判断出电机转动方向为零，则所述变步长搜索计算单元计算出此时所述转子初始位置角，以完成所述永磁同步电机的定位。
[0027]优选的，上述的定位方法，在所述步骤33中，判断所述当前变步长搜索角度和方向的步骤包括:
[0028]若所述初始搜索方向与所述电机转动方向相反，保持所述初始搜索方向和初始搜索角度的步长不变；
[0029]若所述初始搜索方向与所述电机转动方向相同，改变所述初始搜索方向并将所述初始搜索角度的步长减半，以生成所述当前变步长搜索角度和方向。
[0030]本发明还提供一种永磁同步电机的偏差消除方法，包括上述的定位方法，其特征在于，所述偏差消除方法还包括:
[0031]步骤四，完成定位后，将所述永磁同步电机的控制系统切换到电流-速度-位置三环系统，启动所述永磁同步电机，当发生霍尔事件时，所述霍尔事件与转子位置角映射单元根据计算规则，生成包含偏差角度的所述霍尔事件与转子位置角对应关系；
[0032]步骤五，所述误差修正单元将所述偏差角度补偿到所述永磁同步电机的下一个霍尔事件中，以修正转子的位置误差，并等待下一个霍尔事件发生；
[0033]步骤六，重复步骤四和步骤五，直到所述偏差角度减小为零，以完成所述永磁同步电机的偏差消除。
[0034]优选的，上述的偏差消除方法中，每发生一次霍尔事件，所述永磁同步电机转动60°电角度。
[0035]优选的，上述的偏差消除方法，在所述步骤四中，生成所述偏差角度的计算规则为:
[0036]λ θρ= ( Δ 9*wi)/(60*Ts)
[0037]其中，Δθρ为需要补偿的偏差角度；
[0038]ΔΘ为霍尔事件发生时的总偏差；
[0039]Wi为发生霍尔事件时所述永磁同步电机的转速；
[0040]Ts为所述永磁同步电机的转子位置角的计算周期。
[0041]上述技术方案具有如下优点或有益效果:本发明通过软件方案的设计，可以实现对永磁同步电机启动初始角检测和转子位置误差的快速平滑校正，本发明的方法简单快捷、无需增加额外成本，定位准确度高，转子转动动作小。
【附图说明】
[0042]通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明及其特征、夕卜形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未可以按照比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0043]图1是永磁同步电机伺服系统的示意图；
[0044]图2是永磁同步电机电流闭环控制的结构框图；
[0045]图3是励磁电流脉冲给定示意图；
[0046]图4是搜索角度计算与脉冲电流给定关系图；
[0047]图5是转子位置角存在误差情况下的q7轴坐标系与理论dq坐标系之间关系图；
[0048]图6是霍尔事件对应转子位置校正前后对比示意图；
[0049]图7是转子位置误差平滑补偿示意图；
[°05°]图8是电流矢量搜索示意图；
[0051 ]图9是HALLl、HALL2及HALL3型号组合与搜索初始角度的关系。
【具体实施方式】
[0052]本发明的永磁同步电机的伺服系统包括初始搜索判断单元、电机运转方向判断单元、变步长搜索计算单元、霍尔事件与转子位置角映射单元、误差修正单元以及电流给定计算单元。
[0053]本发明的永磁同步电机的定位和偏差消除方法具体实现方法如下:
[0054]在永磁同步伺服电机控制系统中采用电流闭环控制方式，采用电流闭环控制方式可以提高电机的机械特性。在电流环闭环中转矩电流iq给定设置为O;励磁电流id给定以脉冲的方式进行施加，脉冲幅值按0.21?、0.41?、0.8111、和111的递增顺序变化，111为电机的额定电流，脉冲的幅值增大的条件为在某搜索角度下，施加当前幅值的脉冲，电机不发生转动。
[0055]变步长搜索的初始角度根据混合增量式编码器的霍尔信号(UVW信号)组合状态判断。UVW信号用来给转子做初始定位，这三个信号脉冲互差120°电角度，因此在一个电角度周期内UVW三个信号的输出组成6个状态(扇区)，每个扇区60°电角度。例如优选的，本发明的变步长搜索的初始角度可选择UVW所确定扇区的后边沿;初始搜索方向为顺时针方向(即向着所确定扇区的前边沿变化)；搜索的初始角度设为15° ;
[0056]在完成一次转子位置角搜索后，将该位置角度提供给帕克变换(PARK)和逆帕克变换(IPARK)计算模块，并给d轴施加给定电流脉冲，脉冲作用时间t;当脉冲的作用时间到后，根据混合编码器码盘读数变化，判断电机转动方向，结合电机之前施加的转子位置角度和搜索方向、搜索步长调整得到当前转子位置角度的搜索方向及搜索步长。确定原则为:如果搜索方向与电机的转动方向为相反，则保持搜索方向不变，搜索步长不变，计算下一个转子位置搜索角度;如果搜索方向与电机的转动方向相同，则说明搜索步长过大，应将搜索步长减半，并改变搜索方向，计算下一个转子位置搜索角度;得到新的转子位置角度后重复上述步骤施d轴脉冲给定电流，判断码盘读数变化；
[0057]当d轴施加给定脉冲幅值达到最大值，且脉冲电流作用时间到后，码盘读数仍然未变化，则认为转子初始位置定位结束。在完成电机转子初始位置定位后启动电机，当发生第一次霍尔事件时，根据当前霍尔事件对应的理论转子位置角和计算所得到的当前位置角来计算编码器的安装误差角度，并校正其他霍尔事件与转子位置角度对应关系，由于电机启动后转动位置较小，此时认为计算所得到的位置角为准确角度。
[0058]电机正常运行后根据每次霍尔事件发生时，以修正后霍尔事件对应的转子位置角度校正程序中计算得到的位置角度，为防止转子位置突变，在计算出误差角度后将其平滑地补偿到下一个60°电角度内。由于在一个60°电角度内电机的转速变化很小，所以以霍尔事件发生时的角速度作为电机在下一个60°电角度内的速度，计算出在每个转子角度计算周期内的位置补偿大小，电机每转60°电角度，该转子位置补偿角度更新一次。
[°°59] 位置补偿的计算公式Δ θρ= ( Δ 0*Wi)/(60*TS)
[0000]校正后的转子位置θ =当前计算位置+Δ θρ
[0061]W1为电机发生霍尔事件是的电机转速，TS为电机位置角的计算周期，ΔΘ为霍尔事件发生时的总的误差，A θρ为每个位置角计算周期的补偿值。
[0062]下面结合具体实施例对本发明的永磁同步电机的伺服系统以及定位和偏差消除方法作详细说明。
[0063]实施例一:
[0064]本发明的永磁同步电机的伺服系统，基于混合增量式编码器，混合增量式编码器的码盘转动时产生码盘脉冲信号以及霍尔信号，参照图1，本发明的伺服系统包括:
[0065]初始搜索判断单元，根据霍尔信号判断出初始搜索角度和方向；电机运转方向判断单元，根据码盘脉冲信号判断电机转动方向；变步长搜索计算单元，与初始搜索判断单元以及电机运转方向判断单元连接，以根据初始搜索角度和方向以及电机转动方向，搜索出永磁同步电机的转子初始位置角，从而定位永磁同步电机;霍尔事件与转子位置角映射单元，与变步长搜索计算单元连接，以根据转子初始位置角生成霍尔事件与转子位置角对应关系;误差修正单元，与霍尔事件与转子位置角映射单元连接，根据霍尔事件与转子位置角对应关系修正转子的位置误差，来消除永磁同步电机的偏差。
[0066]优选的，本发明的伺服系统还包括电流给定计算单元，与电机运转方向判断单元连接，以根据电机转动情况调整给定电流的大小。
[0067]实施例二:
[0068]参照图2?图9，本发明的永磁同步电机的定位和偏差消除方法【具体实施方式】为:
[0069]本实施例采用内置式永磁同步电机(IPMSM)，利用电流-速度-位置三环系统控制，在定位转子初始位置的过程中优选采用电流闭环的控制结构，也即关闭三环系统的位置环和速度环，仅保留电流环，具体的控制结构框图如图2所示。图2中的id递增给定表即为图3所示的励磁电流(id)脉冲给定方式，id*为当前给定的一个励磁电流，iq*为当前给定的一个转矩电流;d轴电流调节器和q轴电流调节器分别为励磁电流id所在的d轴和转矩电流iq所在的q轴的电流调节器。Clark变换将三相绕组上的电压回路方程式简化成两相绕组上的电压回路方程式，从三相定子A-B-C坐标系变换为两相定子α-β坐标系;但Clark变换后，转矩依然依靠转子通量，因此再进行Park变换，变换后的坐标系以转子相同的速度旋转，且d轴与转子磁通位置相同，则转矩表达式仅与误差角度Θ有关。这样就将三相电流iA、iB、ic投影等效到d、q轴上。PffM调制为脉冲宽度调制，利用微处理器的数字输出对模拟电路进行控制。
[0070]转子定位过程中设定电流环iq给定为O，id按规定如图3所示脉冲方式进行给定。由于初始定位过程中搜索角度与实际转子位置存在一个误差角度Θ，如图5所示，所以定子电流在q轴方向上存在转矩分量V q，从而使电机产生转动。
[0071]SI，当电机控制系统上电后，首先根据所检测到的霍尔信号组合状态，由图9确定出变步长搜索的初始角度(图9是根据具体混合编码器型号设定的HALL(霍尔)1、HALL(霍尔)2及HALL(霍尔)3型号组合与搜索初始角度的关系)，设定电流环iq给定为0，id以脉冲方式给定，脉冲初始幅值设置为0.2In，脉冲作用时间设置为10ms，脉冲给定示意图如图3所示。本发明优选将变步长搜索的初始角度设置为UVW所确定扇区的后边沿;初始搜索方向为顺时针方向(即向着所确定扇区的前边沿变化);搜索的初始角度设为15° ο例如是第一次进行变步长搜索，则将位置角初始搜索步长设置为15°，搜索方向为顺时针方向，如图8所示，以第I分区为例，即从60°向0°方向变化。
[0072]S2，读取电机码盘读数变化情况，并根据上次的搜索方向及搜索角度步长确定当前的搜索方向及搜索角度步长。设定电机读数增大时，电机为逆时针旋转，减小时，为顺时针旋转。如果变步长搜索方向与电机的旋转方向相同，就将搜索步长减半，搜索方向改变；否则按照原有的步长和方向继续搜索;在得到搜索角度后，施加SI中所述的脉冲给定电流，搜索角度计算与脉冲给定电流施加的顺序如图4所示。
[0073]S3，如果在5个转子位置计算周期内码盘读数未发生变化(本实施例中搜索5次后无限接近转子位置)，在脉冲作用时间到后将励磁电流id的给定脉冲幅值按照预定顺序设为下一个值，当id的设定值已经达到了额定电流1?后，则表明电机定位已精确，电机的转子初始位置定位结束，将控制结构切换到正常的电流-速度-位置三闭环的控制结构，否则重复步骤S2，S3。
[0074]S4，电机初始位置定位结束后，启动电机，并等待霍尔事件的发生，当第一次霍尔事件发生时，计算此时程序中计算得到的转子位置角与霍尔事件对应的转子位置之间的误差，并使用该误差角度对霍尔事件对应转子位置角度的关系进行修正，修正后的霍尔位置如图6所示。
[0075]S5，电机正常工作后，每发生一次霍尔事件时，即表明电机运行了60°电角度，检测计算位置角与修正后的霍尔事件对应位置角之间的误差，并根据当前电机的转速以及转子位置角的计算周期计算在每个计算周期内转子位置角的补偿值，实现转子位置的平滑补偿，补偿后的转子角度如图7所示，Q1为经校正后准确的转子位置角，θ2为当前程序中计算所得到的角度，A Θ为当前的转子位置误差角度。
[0076]综上所述，本发明公布了一种基于混合增量式编码器的永磁同步电机伺服系统的简单方便快速精确的定位方法。通过该方法可以迅速准确地确定永磁同步电机启动时的初始位置角，且在电机运行过程中能够实现伺服电机每旋转60°电角度就平滑修正一次转子位置，大大提高了定位精度。本发明的方法简单快捷、无需增加额外成本，定位准确度高，转子转动动作小。
[0077]本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现所述变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本发明的实质内容，在此不予赘述。
[0078]以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种永磁同步电机伺服系统，其特征在于，基于混合增量式编码器，所述混合增量式编码器的码盘转动时产生码盘脉冲信号以及霍尔信号，所述永磁同步电机伺服系统包括: 初始搜索判断单元，根据所述霍尔信号判断出初始搜索角度和方向； 电机运转方向判断单元，根据所述码盘脉冲信号判断所述永磁同步电机的电机转动方向； 变步长搜索计算单元，与所述初始搜索判断单元以及所述电机运转方向判断单元连接，以根据所述初始搜索角度和方向以及所述电机转动方向，搜索出所述永磁同步电机的转子初始位置角，来定位所述永磁同步电机。2.如权利要求1所述的永磁同步电机伺服系统，其特征在于，还包括霍尔事件与转子位置角映射单元，与所述变步长搜索计算单元连接，以根据所述转子初始位置角以及所述永磁同步电机转动过程中的霍尔事件，生成霍尔事件与转子位置角对应关系。3.如权利要求2所述的永磁同步电机伺服系统，其特征在于，还包括误差修正单元，与所述霍尔事件与转子位置角映射单元连接，根据所述霍尔事件与转子位置角对应关系修正所述转子的位置误差，以消除所述永磁同步电机的偏差。4.如权利要求1所述的永磁同步电机伺服系统，其特征在于，还包括电流给定计算单元，与所述电机运转方向判断单元连接，以根据所述电机转动情况调整给定电流的大小。5.—种永磁同步电机的定位方法，基于权利要求1-4所述的永磁同步电机伺服系统，所述永磁同步电机采用电流-速度-位置三环系统控制，其特征在于，所述定位方法包括: 步骤一，关闭所述三环系统的位置环和速度环，保留所述电流环； 步骤二，在所述电流给定计算单元中设置所述电流环的给定电流为脉冲方式，脉冲幅值递增变化； 步骤三，根据所述初始搜索角度和方向对所述永磁同步电机的转子位置角进行搜索，计算出所述转子初始位置角，以完成所述永磁同步电机的定位。6.如权利要求5所述的定位方法，其特征在于，在所述步骤二中，所述给定电流包括转矩电流和励磁电流，给定所述转矩电流为零，所述励磁电流以脉冲幅值递增变化的脉冲方式施加。7.如权利要求6所述的定位方法，其特征在于，所述脉冲幅值按0.21?、0.41?、0.81?、和1?的顺序递增； 其中，In为所述永磁同步电机的额定电流。8.如权利要求6所述的定位方法，其特征在于，在所述步骤三中，计算所述转子初始位置角的步骤还包括: 步骤31，根据所述初始搜索角度和方向完成一次转子位置角搜索后，所述电流给定计算单元施加给定电流； 步骤32，当所述给定电流的作用时间结束后，所述电机运转方向判断单元判断电机转动方向； 步骤33，所述变步长搜索计算单元根据所述电机转动方向以及所述初始搜索角度和方向，判断当前变步长搜索角度和方向； 步骤34，重复步骤31和32，直到所述给定电流达到最大幅值且作用时间结束后，所述电机运转方向判断单元判断出电机转动方向为零，则所述变步长搜索计算单元计算出此时所述转子初始位置角，以完成所述永磁同步电机的定位。9.如权利要求8所述的定位方法，其特征在于，在所述步骤33中，判断所述当前变步长搜索角度和方向的步骤包括: 若所述初始搜索方向与所述电机转动方向相反，保持所述初始搜索方向和初始搜索角度的步长不变； 若所述初始搜索方向与所述电机转动方向相同，改变所述初始搜索方向并将所述初始搜索角度的步长减半，以生成所述当前变步长搜索角度和方向。10.—种永磁同步电机的偏差消除方法，其特征在于，包括权利要求5-9所述的定位方法，所述偏差消除方法还包括: 步骤四，完成定位后，将所述永磁同步电机的控制系统切换到电流-速度-位置三环系统，启动所述永磁同步电机，当发生霍尔事件时，所述霍尔事件与转子位置角映射单元根据计算规则，生成包含偏差角度的所述霍尔事件与转子位置角对应关系； 步骤五，所述误差修正单元将所述偏差角度补偿到所述永磁同步电机的下一个霍尔事件中，以修正转子的位置误差，并等待下一个霍尔事件发生； 步骤六，重复步骤四和步骤五，直到所述偏差角度减小为零，以完成所述永磁同步电机的偏差消除。11.如权利要求10所述的偏差消除方法，其特征在于，每发生一次霍尔事件，所述永磁同步电机转动60°电角度。12.如权利要求10所述的偏差消除方法，其特征在于，在所述步骤四中，生成所述偏差角度的计算规则为:Δ θρ = ( Δ 0*wi)/(60*TS) 其中，A θρ为需要补偿的偏差角度； A Θ为霍尔事件发生时的总偏差； Wi为发生霍尔事件时所述永磁同步电机的转速； Ts为所述永磁同步电机的转子位置角的计算周期。
【文档编号】H02K11/215GK105871162SQ201610228545
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】夏银龙, 李勇
【申请人】上海信耀电子有限公司