專利名稱：采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始位置的確定方法
技術領域：
本發明涉及一種裝有增量式編碼器伺服系統起動時在60度電角度內精確 確定電機轉子初始位置的控制方法，屬于電機控制裝置制造技術領域。
背景技術：
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，需要對轉子位置進行精確測量。
通常經濟而有效的方法是在電機轉子上安裝增量式編碼器，用編碼器輸出 脈沖的數量來表征轉子位置的變化。但該方法中，控制器的控制計算機需要
先得到轉子的初始位置，再根據編碼器送來的A、 B脈沖才能確定轉子旋轉的
方向和已轉動的角度。在系統首次通電時，電機轉子的絕對位置是不確定的。 使用這類控制器在初始上電時，只能讓電機先旋轉起來，當控制器接受到編
碼器送來的z脈沖時，控制器才能確認轉子位置初始點，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，均準確定位于轉子磁極的特征位置，每個廠家對Z脈沖的標識 位置不同， 一般為第一相的90電角度之后，如第一相的150度電角度或180 度電角度。電機首次上電時，轉子可能需要轉過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。在此之前增量式編碼器 不能給出轉子的位置信號，這就造成了電機難以起動的問題。當永磁無刷直 流電機采用增量式編碼器作為位置反饋時，也存在同樣的起動問題。如不能 精確定位轉子磁極位置則在控制電機起動時會引起轉矩的波動也就是轉速不 穩，通常在低端交流伺服產品對起動的要求不高，而在高端伺服產品中要求 起動平穩。
目前采用增量式編碼器確定電機起動時磁極初始位置也有一些方法，如 普遍采用的利用霍爾信號U、 V、 W控制電機起動，直到編碼器的Z信號出 現才能精確確定磁極位置的方法，這樣在第一個Z信號出現前的控制算法是 依據霍爾信號估計磁極位置，從而影響伺服系統的起動性能；還有根據霍爾信號U、 V、 W的六個狀態內結合編碼器A、 B信號來進行磁極位置定位，霍 爾元件送出的U、 V、 W狀態信號，共有六個電平狀態，101、 100、 110、 010、 011、 001，將電機轉子位置的每360度電角度分為六個相等的區間，每個區 間為360+6=60度電角度，盡管較前一種有了較大改善，但是還不能更加精 確確定磁極位置，例如中國專利ZL 200410022610.8介紹了一種交流永磁同步 電機控制系統首次上電時轉子的定位方法，該專利通過增量式編碼器發出的 U、 V、 W信號狀態，確定電機轉子磁場矢量初始位于哪一個區間，此時，取 該區間的中點作為轉子磁場矢量位置，控制器以此作為轉子初始位置向定子 三相繞組輸出相應矢量方向的電流，確保電機達到額定轉矩。但是此專利只 是將發出狀態改變的U、 V、 W信號與定子三相繞組輸出相應矢量方向的電流 相對應，并沒有計算出轉子磁極的初始角度，這樣，在以后的運行過程中要 不停的重復上述過程，不停的采集U、 V、 W信號以獲得控制定子三相繞組輸 出相應矢量方向的電流的相關的數據，工作量大，占用大量的內存去處理這 一個事件。 發明內容本發明的目的是解決目前永磁電機利用增量式編碼器在起動時不能精確 確定磁極初始位置的問題，提供一種采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始 位置的確定方法。本發明采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始位置的確定方法，安裝帶 有霍爾信號U、 V、 W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖的 數量來表征轉子位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號U、 V、 W狀態信 號，共有六個電子狀態，101、 100、 110、 010、 011、 001，表征電機轉子電 角度位置的為六個等距區間，每個區間60度電角度；增量式編碼器的Z信號 標識在U相的a度電角度處，在初始上電電機運行后，轉子運轉了不大于60 度電角度，跨過了由霍爾信號U、 V、 W表征的電角度區間時，霍爾信號U、 V、 W狀態發生第一次躍變，所述霍爾信號U、 V、 W狀態的第一次躍變為第 1對 第P對磁極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或w下降沿，控制器根據所述霍爾信號U、 V、 w狀態的第一次躍變信息確 定發生霍爾信號U、 V、 w狀態的第一次躍變對應的轉子磁極與z信號位置的相對電角度，繼而獲得了霍爾信號U、 V、 W狀態的第一次躍變對應轉子磁極與z信號位置的相對A或B脈沖的數量，確定了磁極的初始位置。本發明的優點是在60度電角度內確定磁極的初始位置，誤差在士30度 電角度之內，而且確定初始位置之后，不用再采集U、 V、 W霍爾信號就可以 輕松利用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖控制電機的運行。
圖1是是三相多極電機的線電壓u-v、 v-w和w-v的電壓波形、增量式 編碼器U、 V、 w信號躍變時與增量式編碼器輸出z信號間的位置關系圖。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始位置的確定方法，安裝帶有霍爾信號u、V、 W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、 B脈沖的數量來表征轉子 位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號U、 V、 W狀態信號，共有六個電 子狀態，101、 100、 110、 010、 011、 001，表征電機轉子電角度位置的為六 個等距區間，每個區間60度電角度；增量式編碼器的Z信號標識在U相的a 度電角度處，在初始上電電機運行后，轉子運轉了不大于60度電角度，跨過 了由霍爾信號U、 V、 W表征的電角度區間時，霍爾信號U、 V、 W狀態發生 第一次躍變，所述霍爾信號U、 V、 W狀態的第一次躍變為第1對 第P對磁 極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或W下降沿，控制器根據所述霍爾信號U、 V、 w狀態的第一次躍變信息確定發生霍爾信號 U、 V、 w狀態的第一次躍變對應的轉子磁極與z信號位置的相對電角度，繼 而獲得了霍爾信號u、 V、 w狀態的第一次躍變對應轉子磁極與z信號位置的相對A或B脈沖的數量，確定了磁極的初始位置。在電機轉子上安裝普通增量式編碼器，用其輸出的A、 B脈沖的數量來表 征轉子位置的變化。同時在電機制造時預先安裝轉子磁極位置的感應霍爾元 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l所示，霍爾元件或編碼器送出的U、 V、 W狀態信號，共有六 個電平狀態，101、 100、 110、 010、 011、 001，表征電機轉子電角度位置的 為六個等距區間，每個區間為360+6=60度電角度。Z信號標識在U相的a度電角度處，U、 V、 W的躍變信號與Z信號位 置之間的相對關系是確定的，因為在一對轉子磁極下霍爾信號U、 V、 W信號 發生的六次躍變位置是固定的:U上升沿事件發生在U-V電壓30度電角度處， U下降沿事件滯后其180度電角度，發生在U-V電壓210度電角度處；V上 升沿事件發生在U-V電壓150度電角度，V下降沿事件滯后其180度電角度， 發生在U-V電壓330度電角度處；W下降沿事件發生在U-V電壓90度電角 度，U上升沿事件滯后其180度電角度，發生在U-V電壓270度電角度處； 因此，標識在U相的a度電角度處的Z信號位置與霍爾信號U、 V、 W信號 發生的六次躍變位置是確定的。如設定a =180度電角度，則在第一對磁極下的U上升沿超前Z信號150 度電角度，U下降沿滯后Z信號30度電角度，V上升沿超前Z信號30度電 角度，V下降沿滯后Z信號150度電角度，W上升沿滯后Z信號90度電角度， W下降沿超前Z信號90度電角度。根據電機結構及電氣的對稱關系，第二對 磁極下的相應的U、V、W的六次躍變相對于第一對磁極下的滯后360電角度， 以此類推，可得出P對磁極下的U、 V、 W的躍變與Z信號的位置關系，用 電角度表示。本實施方式所用增量式編碼器為L線，因為我們U、 V、 W的上升沿和 下降沿都應用了，即此時增量式編碼器為四倍頻，則本實施方式的增量式編 碼器輸出的A或B脈沖數為4L，電機轉子一周的機械角度360對應的電角度 360P，則每個A或B的脈沖對應的電角度為360P/4L。電機起動，轉子跨越了不同電角度區間時，即轉過一個不大于60度的電 角度時，必然要越過U、 V、 W狀態的一次躍變。而只要轉子越過了U、 V、 W狀態的一次變化沿，U、 V、 W狀態發生第一次變化，控制器立即根據U、 V、 W狀態的變化計算出發生躍變的位置相對于Z信號的電角度，然后根據 每度電角度與A或B脈沖數量的對應關系計算出A或B脈沖數，即獲得了電 機起動時的初始位置，根據編碼器送出的A、 B脈沖信號進行轉子準確定位， 電機即由初始上電運行進入正常精確定位運行。控制電機平穩起動。轉子精確定位前轉過的機械角度不大于60度的P分之一。轉子磁極的初始位置被確定后，在沒有轉過一周檢測到Z信號的情況下，Z信號的位置也已經被計算確定，在后續的轉子運轉過程中一直被使用，而不
再用不停地檢測U、 V、 W的信號就可以通過增量式編碼器輸出的A、 B脈沖 控制電機的正常運轉。
本發明綜合利用霍爾信號U、 V、 W的狀態和信號躍變產生的事件、編碼 器信號A、 B、 Z中Z信號與U、 V、 W信號躍變點間的位置關系、Z信號與 反電動勢的位置關系、多極電機U、 V、 W相位的對稱關系，對于多極電機， 在U、 V、 W任一信號躍變時即可精確獲得與Z信號對稱的轉子磁極位置； 對于兩極電機，在U、 V、 W任一信號躍變時即可精確獲得轉子磁極位置。因 為U、 V、 W信號在360度電角度內共產生六次躍變，所以，本發明可以實現 在60度電角度內精確確定轉子磁極位置。
本發明只需要三個霍爾信號的一次躍變事件，就可以對轉子磁極進行精 確定位，避免了在控制電動機起動時且在未獲得Z信號之前，時刻檢測霍爾 信號U、 V、 W狀態信息的CPU的大量工作。
現在給出一個具體的實施例，以6極(3對極，P-3)永磁電機為例說明本 發明方法(參見圖l)，光電編碼器線數I^2400， a480度電角度
將A、 B信號4倍頻后360度機械角度的線數為4L=4X2400=9600線。
則每個A或B信號的脈沖對應的電角度為360P/4L=(360X 3)/9600=0.1125 度電角度。
如電機運行后檢測霍爾信號U、 V、 W發生在第一次躍變事件為第一對磁 極下的U下降沿事件，因此事件位置與Z信號位置的相對電角度為30度電角 度，因此對應的A或B脈沖數為30/0.1125=367線。
獲得了此脈沖數即可以通過增量式編碼器輸出的A或B脈沖控制電機運 轉，達到了沒有獲得Z信號的時候而有獲得Z信號后一樣的控制效果。
如檢測霍爾信號U、 V、 W的第一次躍變事件為其它磁極下的事件，根據 前面所述的各事件與Z信號位置的相對關系可輕松獲得發生躍變事件位置， 即轉子磁極的初始位置。
權利要求
1、采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始位置的確定方法，安裝帶有霍爾信號U、V、W的增量式編碼器，用增量式編碼器輸出的A、B脈沖的數量來表征轉子位置的變化；增量式編碼器送出的霍爾信號U、V、W狀態信號，共有六個電子狀態，101、100、110、010、011、001，表征電機轉子電角度位置的為六個等距區間，每個區間60度電角度；增量式編碼器的Z信號標識在U相的α度電角度處，其特征在于在初始上電電機運行后，轉子運轉了不大于60度電角度，跨過了由霍爾信號U、V、W表征的電角度區間時，霍爾信號U、V、W狀態發生第一次躍變，所述霍爾信號U、V、W狀態的第一次躍變為第1對～第P對磁極下的U上升沿、U下降沿、V上升沿、V下降沿、W上升沿或W下降沿，控制器根據所述霍爾信號U、V、W狀態的第一次躍變信息確定發生霍爾信號U、V、W狀態的第一次躍變對應的轉子磁極與Z信號位置的相對電角度，繼而獲得了霍爾信號U、V、W狀態的第一次躍變對應轉子磁極與Z信號位置的相對A或B脈沖的數量，確定了磁極的初始位置。
全文摘要
采用增量式編碼器的永磁電機磁極初始位置的確定方法，涉及一種裝有增量式編碼器伺服系統起動時在60度電角度內精確確定電機轉子初始位置的控制方法，目的是為解決目前永磁電機利用增量式編碼器在起動時不能精確確定磁極初始位置的問題。本發明在轉子運行不到60度電角度內采集霍爾信號U、V、W的一次躍變信息，利用系統增量式編碼器的反饋信息和電機反電動勢相位間的關系以及多極電機的結構和電氣上的對稱關系實現磁極的精確定位，將上述霍爾信號U、V、W發生躍變事件位置與Z信號位置之間的電角度換算成對應增量式編碼器的線數關系，以通過增量式編碼器輸出的A、B脈沖數控制電機運行。在要求起動平穩的交流伺服產品中起到了很大的作用。
文檔編號H02P6/00GK101409523SQ20081020958
公開日2009年4月15日 申請日期2008年12月1日 優先權日2008年12月1日
發明者嚴偉燦, 衛愛平, 康爾良 申請人:哈爾濱理工大學