一种永磁同步电机带载起动的转子定位方法_精品文档.pdf
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第46卷2013年第4期4月MICROMOTORSVol.46No.4Apr.2013收稿日期:
2012-06-11作者简介:
檀盼龙(1988),男,硕士研究生,研究方向为交流伺服电机控制。
高强(1968),男,硕士,教授,研究方向为过程控制系统技术、智能控制理论及应用。
一种永磁同步电机带载起动的转子定位方法檀盼龙1,2,高强1,2(1.天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室,天津300384;2.天津理工大学自动化学院,天津300384)摘要:
在使用增量式光电编码器的交流伺服系统中,准确测定转子的初始位置是永磁同步电机控制的重点和难点之一。
在系统上电时首先根据增量式光电编码器的霍尔传感器信号确定转子所处扇区,然后控制三相逆变器输出的三相电流的矢量和超前转子所在扇区中心线,将电机在最大允许电流下起动,在转子经过编码器Z信号点的时实现转子位置的精确确定,完成转子定位过程。
实验结果表明该方法可在电机带载的情况下实现转子定位,且转子定位过程中无震动、无反转,定位速度快。
关键词:
交流伺服;转子定位;增量式光电编码器,永磁同步电机中图分类号:
TM351;TM341文献标志码:
A文章编号:
1001-6848(2013)04-0057-04AMethodofPMSMRotorPositioningWithLoadStartingTANPanlong1,2,GAOQiang1,2(1.KeyLaboratoryfortheControlTheoryApplicationsofComplicatedSystemsinTianjin,Tianjin300384,China;2.TianjinUniversityofScienceTechnology,Tianjin300384,China)Abstract:
TogettherotorspreciseinitialpositionofPMSMisakeyanddifficultpointforACservosystemswithincrementalopticalencodersThenumberofsectorwhichtherotorwasincanbedeterminedbyHallsensorsignalswhensystemwaspoweredupforthefirsttimeThenstartedthemotorwithmaximumallowedcurrentthroughcontrollingoutputvectorofthree-phaseinverteraheadofthecenterlineofthesectorTheprecisepositionofrotorwasdeterminedwhenthecontrollergottheZsignalofencoderResultsshowthattheprecisepositionofrotorisdeterminedeasilywiththismethodwhenconnectedtoloadAndtherearenovi-bration,noreverseduringthepositioningprocessItisalsotime-savingKeywords:
ACservo;rotorpositioning;incrementalopticalencoders;PMSM0引言近年来,随着数字控制技术和稀土技术的发展,以永磁同步电机为控制对象的高精度、高性能的全数字交流伺服系统逐步取代了以直流电机为控制对象的直流伺服系统和采用模拟控制技术的交流伺服系统,并已广泛应用于现代制造业,特别是航空、高密轻工等领域1-4。
为了实现磁场定向和变量耦合,保证系统的正常运行和位置的准确测定,需要精确检测电机转子的位置5。
目前位置检测的各种方法从原理上可以分为电磁式、光电式、磁敏式等。
其中使用较多有绝对式光电编码器、增量式光电编码器6和旋转变压器等实现方式7-10。
但是不论绝对式光电编码器还是旋转变压器都有其缺陷,文献7中所用的绝对式光电编码器价格昂贵,精度远比增量式光电编码器要低;文献8中所提的旋转变压器则需要复杂的数字轴角变换电路,而且其精度也远不及增量式光电编码器。
在使用增量式光电编码器的交流伺服系统中,准确测定转子的初始位置是永磁同步电机控制难点之一。
针对该问题,国内浙江大学、南京航天航空大学等单位开展过研究,得出了许多重要结论,但仍有可改进空间。
如文献11中所提出的基于方法需要经过多次修正才能完成转子定位,在工程上不实用,同时其能完成定位的条件是电机无负载,没有太大实用价值。
文献12中所使用的方法在电机起动时可能引起电机反转,不能满足一些特殊场合要求。
46卷1矢量控制原理永磁同步电机的驱动控制原理13-14如图1所示。
图1矢量控制原理图直流电源Vdc经过三相全桥变流器变换成三相交流电输入到永磁同步电机,三相交流电的A、B、C三相空间角度相差为,其中B相超前A相,C相滞后A相,所形成的矢量坐标系如图2所示。
为了便于计算,将坐标系经过Clark变换转换为常用的正交坐标系,规定A相与正交坐标系的轴重合,超前轴90的方向为轴。
Clark变换方程:
ii=槡23112120槡32槡32iaibic
(1)在永磁同步电机的转子上,通常设定永磁体的N极方向为d轴,超前d轴90的方向为q轴。
这个dq坐标系随转子的转动而转动,又称动坐标系,如图2所示。
图2d-q坐标系经过Park变换可以将定子电流等效到旋转坐标系上,Park变换如下:
idiq=cossinsincosii
(2)式中,为d轴和轴的夹角。
三相永磁同步电机的转矩方程是Tm=1.5p(didq)=1.5pfid(LdLq)idiq(3)式中,id、iq是有定子三相不动坐标系ABC的电流矢量和经过Clark和Park变换得到的在dq坐标系上的投影。
d、q为定子磁链在d、q轴的分量;f为转子磁钢在定子上的耦合磁链,他只是在d轴上存在;p为转子的磁极对数;Ld、Lq为永磁同步电动机的d、q轴的主电感。
对于表贴式永磁同步电机来说,f是一个固定值,Ld=Lq,则转矩方程可化简为:
Tm=1.5pfid=1.5pfissin(4)式中,is是ABC三相电流的矢量和Is的幅值,是Is和d轴的夹角,即电机电磁转矩只与电机定子电流在dq坐标系的d轴上的电流分量成正比。
空间矢量控制的原理就是控制定子输入电流,使得输入电流矢量与q轴重合,以获得最大输出转矩。
2转子初始定位方法转子定位过程如图3所示。
图3转子定位流程图2.1转子所在扇区确定增量式光电编码器实现转子定位时,位置信号检测包括正交编码器信号和霍尔传感器信号。
正交编码器输出A、B和Z信号,用于反映转子在运动中的位置变化方向和速度。
霍尔传感器在安装时三相信号分别相差,产生各自导通的U、V、W信号,通过该三相信号的有效状态将电动机的电角度平均分为六个扇区,系统上电时根据U、V、W信号即可判断电机转子所处的区域。
霍尔传感器对转854期檀盼龙等:
一种永磁同步电机带载起动的转子定位方法子的初定位误差范围是(30,30)。
如图4所示。
图4霍尔传感器初始定位原理图根据增量式光电编码器的特点,在系统上电时,通过霍尔传感器的UVW信号反馈就能判断出电机转子所处的扇区。
2.2控制逆变器电流输出根据光电编码器输出的UVW信号确定转子所处的扇区n(n(1,2,3,4,5,6),即转子所处的区域为(n1)60,n*60),控制逆变器输出超前转子所处扇区中心线90的矢量电流Is。
Is与超前轴(n+1)60。
经过矢量控制算法计算出逆变器ABC三相需要输出的等效电流,电机在最大允许电流下起动。
2.3转子的精确定位在系统上电时系统编码器的UVW信号只能确定出转子所处的扇区而不能对转子实行准确定位,转子的精确定位要在电机起动以后由编码器的Z信号辅助实现。
在光电编码器给出Z信号时,控制器根据预设的Z信号点安装位置对转子位置进行修正,得到转子位置的精确信息。
假设在系统上电以后检测得到转子的位置位于第一扇区即电角度范围是(0,60),且编码器Z信号点位置与电机的A相重合,由此计算出三相电源输出的ABC三相电流的矢量和Is的方向是1=120。
因为转子d轴位于第一扇区则转子d轴实际位置与三相电源矢量和Is的夹角范围为(60,120)。
由式(4)及(60,120)得T=1.5pfissin槡32Tm,T()m(5)式中,Tm是=90时is产生的电磁力矩。
最小电磁转矩T=槡32Tm。
I=2槡3IN=1.16IN(6)式中,IN为电机额定电流。
即启动时控制电源输出最小电流为额定电流的1.16倍时即可使输出达到额定转矩,实现系统在带载的状态下启动。
在转动最多一周的时经过Z信号点,将转子位置修正为与轴重合,转子偏转角度=0,实现转子的精确定位,转子位置初始化完成。
3Z信号的作用3.1Z信号对转子定位影响矢量控制中要确定转子的精确位置的前提是Z信号和电源A相是重合的或者其夹角已知,以上讨论也是基于此。
但是由于存在安装误差,总是使编码器的Z信号和A相轴线不重合,且夹角处于未知状态。
Z信号的位置不确定,在使用Z信号进行位置校正后必然使实际位置信号产生误差。
所以要在硬件上对编码器的安装提出要求,在软件上要对安装误差进行补偿,如果不重合,设Z和A相轴线偏差角度角,定位时在软件中把Z对应的脉冲数量加上角对应的脉冲数,从而消除Z信号和A相轴线夹角在转子定位中的影响。
3.2Z信号安装误差的测定Z信号与A相夹角的方法可以在电机空载的情况下测定。
在空载状态下系统上电,根据矢量控制方法输出超前A相90的电流is,使转子在固定方向作用力情况下将d轴旋转至与A相重合,转子精确位置可确定,系统可以正常启动。
在第一次经过Z信号时记录的脉冲数即为Z信号和A相的角度差,根据编码器的分辨率和电机的极对数可计算出Z信号和A相之间的机械角度和电角度。
例如,第一次经过Z信号时脉冲计数器的计数为100,编码器分辨率为2500PPR/r,经过四倍频进DSP为10000PPR/r,电机的极对数为2,则Z信号与A相机械角度为3.6,电角度为7.2。
4实验结果及分析实验原理图如图5所示。
9546卷图5实验原理图实验选用的电机对象主要参数为:
额定转矩4.0Nm,额定转速为2000r/min,额定电流为2A,极对数为2,转动惯量为0.717x103kgm2。
使用的光电编码器分辨率为2500PPR/r,带UVW信号反馈,Z信号点与电机A相重合。
在实验过程中,电机设置转动方向为正向时的起动情况如下表所示。
表1表示在转子在1号扇区偏离中心不同角度下的起动情况。
转子在不同扇区时的起动情况与转子位于1号扇区时的起动情况类似,仅在精确定位前转子所经过的角度不同。
表1转子位于1号扇区时起动情况转子偏离中心角度定位前转动角度电流效率起动情况实验结果3036096.6%正转正常起动1534586.6%正转正常起动0330100%正转正常起动1531586.6%正转正常起动3030096.6%正转正常起动转子在不同扇区时的起动情况如表2所示。
表2不同扇区时转子起动情况转子所处扇区定位前转最大动角度最小电流效率起动情况
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