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永磁同步电机转子初始位置检测、增量式光电编码器对位调零思路解

发布时间:2019-06-04 03:11 来源:未知 编辑:admin

  主流的伺服电机位置反馈元件包括增量式编码器,绝对式编码器,旋转变压器等。永磁交流伺服驱动的矢量控制,需要位置反馈元件为伺服驱动器提供永磁电机的转子 D 轴的位置信息,当位置反馈元件与电机安装好后,在驱动器开始矢量控制前,就有必要通过位置反馈器件获得转子磁极轴线(D)轴与电机 A 相轴线之间的位置关系,这里以增量式光电编码器为例说明,编码器提供给控制器主控芯片位置增量和零位 Z 信号信息,通过这三组信号来完成电机的电机位置的判定。实际使用时增量式光电编码器还提供另外的 UVW 三组信号,用于电机启动时转子 D 轴初始位置的大致判定。编码器 U 信号的上升沿和 Z 触发信号的上升沿一般而言是对齐的,问题是:编码器装到电机转轴上时,相对于电机A 相轴线 度的某一个位置(电机有绕组定子装配好后)。如果不知道这个位置的角度,就不能用增量式光电编码器输出信号确定电机转子 D 轴的位置信息,也就无法完成电机的矢量控制,所以需要通过一定的调整方式获得这个位置信号,这种调整可以称作电角度相位初始化,也可以称作编码器零位调整或对齐。

  永磁电机由三相绕组线圈通电形成旋转磁场,带到装有转子磁钢的转子磁极旋转,三相绕组在形成各自的空间磁势矢量,这三个磁势合成一个旋转的磁势矢量:图 1 是电机绕组轴向截面排布简图,A 相线圈头 A 尾 X,B 相线圈头 B 尾 Y,C 相线圈头 C 尾 Z,接成星型,XYZ 接在一起,ABC 小圆圈里的“+”和“-”表示各相等效线圈电机电流的正方向(从头流进),当每相线圈通正方向电流时根据右手定则图示箭头分别A、B、C 三相线圈通正方向电流时候 A、B、 C 磁势(场)的方向,即 A、B、C 三相各自的轴线。

  假定当给 A 相流入(正方向)1A,电流由 B 和 C 相流出各自为-0.5A(负号表示和规定的正方向相反),如图 2 所示,沿截面逆时针展开AZBXCY 的线 度电角度区域内连续正电流方向,另外的 180 连续的负电流方向,而且对称分布。由图 2 根据右手定则成的磁势场方向为图 2 所示箭头方向,即合成的磁场在 A 相轴线上。

  当给 B、C 相通电时,电流从 B 相进 C 相出时如图 3,三相合成的磁场方向超前 A 相轴线 度电角度。

  常用的增量式光电编码器是一种带有简单磁极定位功能的增量式光电编码器,它有两组输出信息:一组信息为A、B、Z;另一组为 U、V、W,用于检测磁极位置,带有绝对信息的功能。其中 A、B 为基本信号,经过处理可以方便地判断电机转动的方向和速度;Z 脉冲每转一个,用于基准定位,U、V、W 三路脉冲彼此相位相差120 度电角度,每转的脉冲个数与电动机的极对数一致。使用 U、V、W 信号可以作为起始时粗测转子位置。待电机启动起来后,精确的角位置由 A、B 信号获得。

  采用增量式光电编码器作为位置检测元件的永磁同步电机,必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。因为在永磁电机驱动系统中,电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件,也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道,才可以按照矢量控制的一系列方程,将永磁同步电机等效变换成 dq 坐标系上的等效模型,系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制,从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。使用增量式光电编码器测量电机位置的驱动系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。

  这里一永磁同步电机为例说明,图 4 是一个最简单的电机定子绕组、磁钢和 HALL 位置关系图,转子磁极逆时针匀速旋转。在图示位置时刻定子线圈 A 相过零点,如果直流无刷电机因为 120 度导通,电流和反电势保持同相位时输出功率最大,U 相电压开关管延后30 度电角度导通,所以 HALL 安装位置要逆时针转过30 度电角度。直流无刷电机的 HALL 输出的三组信号编码输出反应的是电机位置信号,将 360 度电角度空间平均分成连续的 6 个空间,每个空间占 60 度电角度。

  1、将编码器的 U 相信号(编码器零点)与电机电角度的零点既 A 相反电势过零点位置对齐

  2、将编码器的 U 相信号(编码器零点)与电机电角度的零点既 AB 线反电势过零点位置对齐

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