楊 杰,樊衛(wèi)華,朱孟韜,鄭 鑫,曹建新

(1.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225000)

一種永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)方法

楊 杰1,樊衛(wèi)華1,朱孟韜1,鄭 鑫2,曹建新2

(1.南京理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚(yáng)州 225000)

電梯曳引機(jī)控制需要實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子的機(jī)械角度，而常用的增量式編碼器在首次清零信號(hào)到來(lái)前不能提供準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)子位置信息，從而可能導(dǎo)致閉環(huán)控制失敗;因此，轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)成為曳引機(jī)控制中必須解決的問(wèn)題，傳統(tǒng)的檢測(cè)方法計(jì)算復(fù)雜，且定位過(guò)程中易造成轉(zhuǎn)子堵轉(zhuǎn)或攝動(dòng)，不利于電梯系統(tǒng)的舒適性;為此，提出了一種利用正弦波增量式編碼器的換向信號(hào)計(jì)算轉(zhuǎn)子初始位置的方法，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了編碼器換向信號(hào)的調(diào)理電路，研究了利用兩路換向信號(hào)解算轉(zhuǎn)子的初始位置信息的算法，并研發(fā)了相應(yīng)的軟件模塊;實(shí)現(xiàn)了當(dāng)轉(zhuǎn)子保持靜止時(shí)初始位置的高精度檢測(cè)，滿足電梯平穩(wěn)啟動(dòng)的需求;實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法不依賴電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，運(yùn)算量小，且具有較高的檢測(cè)精度和通用性。

永磁同步曳引機(jī);初始位置;啟動(dòng)

0 引言

永磁同步電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速性能好、效率高的特點(diǎn)，在電梯等特種設(shè)備中應(yīng)用廣泛。為降低系統(tǒng)成本，永磁同步電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)通常選用增量式編碼器來(lái)實(shí)時(shí)獲取轉(zhuǎn)子的位置信息，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。由于在初始時(shí)刻，轉(zhuǎn)子的初始位置是任意的，而增量式編碼器的脈沖計(jì)數(shù)總是從零開(kāi)始遞增(或遞減)，因此在首次清零脈沖到達(dá)前，不能向控制器提供精確的轉(zhuǎn)子位置信息[1]。這可能使得矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制方法失效，在垂直升降式電梯的曳引機(jī)控制系統(tǒng)等應(yīng)用中，將導(dǎo)致嚴(yán)重的事故。由于電梯這樣的特種設(shè)備不允許隨意轉(zhuǎn)動(dòng)曳引機(jī)，定位過(guò)程中轉(zhuǎn)子須嚴(yán)格靜止，且保持穩(wěn)定，否則也將引起嚴(yán)重后果，因此轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)是曳引機(jī)控制系統(tǒng)中必須解決的問(wèn)題。

使用絕對(duì)式編碼器固然可以解決上述問(wèn)題，但在相同的成本下，提供的測(cè)量精度卻遠(yuǎn)低于增量式編碼器，不利于提高系統(tǒng)的控制性能。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)轉(zhuǎn)子的初始位置檢測(cè)進(jìn)行了大量研究。文獻(xiàn)[2-3]提出了基于磁定位原理的攝動(dòng)定位方法。通過(guò)給電機(jī)定子施加電流矢量，利用增量式編碼器脈沖信號(hào)檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，根據(jù)轉(zhuǎn)動(dòng)方向與攝動(dòng)電流矢量的角度關(guān)系，不斷改變電流矢量的方向，縮小定位范圍，直至轉(zhuǎn)子穩(wěn)定不動(dòng)。這種方法算法較復(fù)雜，定位時(shí)間長(zhǎng)，且在定位過(guò)程中造成轉(zhuǎn)子攝動(dòng)，不利于提高電梯系統(tǒng)的舒適性。文獻(xiàn)[4-7]提出了脈沖電壓注入法。通過(guò)向定子繞組注入各方向的電壓脈沖，同時(shí)比較各方向電壓脈沖的電流響應(yīng)的最大值，之后不斷調(diào)整電壓脈沖的相位，使之逼近實(shí)際轉(zhuǎn)子位置?？稍诒чl閉合狀態(tài)下進(jìn)行，但檢測(cè)效果依賴電流采樣精度，且會(huì)造成電機(jī)在啟動(dòng)前堵轉(zhuǎn)。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文利用在電梯曳引機(jī)控制系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用的增量式正弦波編碼器提供的sin/cos正余弦換向信號(hào)，提出了一種轉(zhuǎn)子初始角度檢測(cè)方法。通過(guò)設(shè)計(jì)信號(hào)調(diào)理電路和軟件濾波算法，將兩路相位互差90度的換向信號(hào)在功能上近似處理為單圈絕對(duì)位置編碼器，在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)提供轉(zhuǎn)子初始位置信息。

本文內(nèi)容安排如下：第1章介紹了基于換向信號(hào)的定位原理；第2章給出了信號(hào)調(diào)理電路的設(shè)計(jì)；第3章詳細(xì)介紹了定位方法并給出了軟件流程；第4章給出了調(diào)試結(jié)果；最后總結(jié)了本文工作。

1 基于sin/cos信號(hào)的定位原理

本文以電梯控制領(lǐng)域常用的正弦波增量式編碼器海德漢ERN1387為例，該編碼器的接口信號(hào)包括：A、B、R、C、D，其中A、B為幅值相等，相位相差90度的正弦增量信號(hào)，A、B每轉(zhuǎn)輸出N個(gè)周期的正弦波，N為編碼器線數(shù)；R為參考點(diǎn)信號(hào)，每轉(zhuǎn)輸出一個(gè)脈沖；C、D信號(hào)為換向信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)原理與A、B相同，但每轉(zhuǎn)僅輸出一個(gè)完整的正弦波信號(hào)，一般用于矢量控制中磁通位置的檢測(cè)。

首先，介紹基于C、D換向信號(hào)的轉(zhuǎn)子初始角度定位原理[8]。如圖1所示，C相和D相在轉(zhuǎn)子單圈行程內(nèi)，只輸出一個(gè)完整的正弦波形，其信號(hào)幅值只與曳引機(jī)的轉(zhuǎn)子機(jī)械角度相對(duì)應(yīng)，且C相超前D相90度機(jī)械角度。

圖1 編碼器C相和D相的理想輸出波形

設(shè)t時(shí)刻，轉(zhuǎn)子的絕對(duì)機(jī)械角度為η(t)，信號(hào)C的電壓為VC(t)，信號(hào)D的電壓為VD(t)，信號(hào)C和信號(hào)D的正弦電壓信號(hào)的幅值為E，則：

(1)

由式(1)可得:

(2)

式(2)表明：原理上可通過(guò)同時(shí)采樣C、D兩路電壓信號(hào)，獲取轉(zhuǎn)子的絕對(duì)機(jī)械角度。

實(shí)際上，曳引機(jī)矢量控制算法需要獲取轉(zhuǎn)子的實(shí)時(shí)電角度γ(t)。而電角度γ(t)與機(jī)械角度η(t)之間的關(guān)系如(3)所述：

γ(t)=np*(η(t)-σ)

(3)

其中:np為電機(jī)極對(duì)數(shù)，σ為編碼器安裝時(shí)的誤差角。因編碼器和電機(jī)同軸相連，故誤差角σ為常值，且可在調(diào)試階段由轉(zhuǎn)子磁定位法求得。

獲得電角度γ(t)后即可進(jìn)行定子三相電流的坐標(biāo)變換，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

下面介紹如何將上述原理應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)檢測(cè)。首先給出信號(hào)調(diào)理電路。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

由于編碼器ERN1387的所有信號(hào)均以差分形式輸出，而大多數(shù)微處理器(MCU)通常不能直接接受差分輸入信號(hào)。為了從C、D兩相的輸出信號(hào)中解析出轉(zhuǎn)子的位置信息，需要設(shè)計(jì)專門的信號(hào)調(diào)理電路。

該信號(hào)調(diào)理電路首先利用去差分電路將差分信號(hào)轉(zhuǎn)化為單端信號(hào)?？紤]多數(shù)MCU內(nèi)置的ADC模塊輸入范圍為：0～3V，不能接受負(fù)電壓，故設(shè)計(jì)偏置電路將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為正值信號(hào)；再經(jīng)由比例電路將信號(hào)調(diào)整至ADC模塊的輸入量程內(nèi)；考慮曳引機(jī)控制系統(tǒng)工作環(huán)境比較惡劣，常有強(qiáng)電磁干擾，故在電路中設(shè)計(jì)穩(wěn)壓濾波電路去除高頻噪聲，改善信號(hào)采樣的質(zhì)量。

下面以C相為例，介紹信號(hào)調(diào)理電路的硬件設(shè)計(jì)。

圖2 去差分電路原理圖

圖2為去差分電路原理圖。C+、C-信號(hào)間通過(guò)接入一個(gè)120Ω電阻進(jìn)行阻抗匹配，然后信號(hào)經(jīng)過(guò)RC低通濾波器，去除高頻噪聲干擾；經(jīng)過(guò)由運(yùn)算放大器LM358構(gòu)成的比例電路將差分信號(hào)放大，最后在2.5V偏置電壓的作用下變?yōu)閱味苏敌盘?hào)，送入后續(xù)電路進(jìn)行幅值調(diào)整和穩(wěn)壓濾波。

圖3 幅值調(diào)整和穩(wěn)壓濾波電路原理圖

為了提高單端信號(hào)的抗干擾能力，將其送入反向電壓跟隨器，而后再經(jīng)過(guò)反向比例器，通過(guò)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器的阻值，使其輸出電壓范圍為0～3V，滿足DSP芯片的ADC模塊對(duì)輸入信號(hào)的要求。針對(duì)電壓采樣中可能遇到的信號(hào)毛刺以及強(qiáng)電磁干擾導(dǎo)致的電壓采樣輸出的瞬間峰值過(guò)高等問(wèn)題，在信號(hào)末端增加3V穩(wěn)壓二極管和一階RC低通濾波器，以保證信號(hào)質(zhì)量。

3 初始角度檢測(cè)的軟件實(shí)現(xiàn)

以在曳引機(jī)控制中常用的TI公司浮點(diǎn)型DSP處理器——TMS320F28335為例，介紹初始位置檢測(cè)算法模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

本文設(shè)計(jì)的初始角度檢測(cè)算法包括AD采樣、信號(hào)濾波、幅值調(diào)整、角度解算和脈沖疊加，具體流程如圖4所示。

圖4 軟件運(yùn)行流程

由式(2)，同時(shí)采樣某一時(shí)刻的C、D信號(hào)可解算出此刻的轉(zhuǎn)子位置信息，這要求DSPADC模塊中的采樣保持器應(yīng)滿足同時(shí)采樣兩路AD信號(hào)的要求[9]。

實(shí)際工況下，雖然信號(hào)調(diào)理電路可以濾除部分噪聲，但殘余噪聲仍對(duì)系統(tǒng)性能有不小的影響，故在軟件中采用均值濾波，對(duì)信號(hào)進(jìn)一步進(jìn)行處理。具體處理方法為：

首先，對(duì)C相、D相的輸出電壓采樣10輪，每輪采樣3次，求均值后存入數(shù)據(jù)隊(duì)列；

然后，去除數(shù)據(jù)隊(duì)列中的最值后再次求均值，盡可能減小噪聲干擾。

由于調(diào)理電路輸出的兩路電壓信號(hào)可能存在峰峰值不等的情況，解算角度前必須在調(diào)試階段進(jìn)行幅值調(diào)整，將兩路正值信號(hào)轉(zhuǎn)化為幅值相等，僅存在相位差的標(biāo)準(zhǔn)正余弦信號(hào)。具體做法如下，記錄C相、D相信號(hào)的峰值和谷值Vcmax，Vcmin，Vdmax，Vdmin，記t時(shí)刻C、D相電壓采樣值為Ec(t)和Ed(t)，則經(jīng)過(guò)如式(4)幅值調(diào)整后，可解算出機(jī)械角度值。

η(t)=

(4)

由式(4)計(jì)算得出的轉(zhuǎn)子機(jī)械角是基于ADC采樣結(jié)果的，而在實(shí)際工況下，系統(tǒng)常伴隨著強(qiáng)電磁干擾。若在編碼器首次清零前的行程內(nèi)，持續(xù)采樣C、D相電壓幅值獲取轉(zhuǎn)子機(jī)械角度以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，則在外部因素的限制下難以保證η的解算精度。而連續(xù)波動(dòng)的角度誤差勢(shì)必造成電機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生波動(dòng)，影響系統(tǒng)的控制效果[10]。特別是針對(duì)極對(duì)數(shù)np較多的電機(jī)，在機(jī)械角度向電角度的轉(zhuǎn)化中，較大的np值會(huì)增益電角度誤差，進(jìn)一步削弱控制效果。

故本文采用只解算一次初始角度值的方法來(lái)避免誤差的波動(dòng)，在電機(jī)運(yùn)行前求出轉(zhuǎn)子初始角度值，對(duì)應(yīng)編碼器的最大脈沖計(jì)數(shù)值，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的計(jì)數(shù)脈沖初值，在首次清零信號(hào)到來(lái)前疊加至處理器的正交編碼模塊的脈沖計(jì)數(shù)中，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定的轉(zhuǎn)子位置信息，以保證電機(jī)平穩(wěn)安全地運(yùn)行。

4 調(diào)試結(jié)果

本系統(tǒng)采用電流、轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制策略對(duì)曳引機(jī)進(jìn)行控制。在進(jìn)行轉(zhuǎn)子初始角度檢測(cè)前，首先應(yīng)測(cè)試調(diào)理電路輸出的sin/cos信號(hào)波形，利用示波器觀察其是否已經(jīng)正值化。圖5為C相信號(hào)輸出?？梢钥吹?，信號(hào)已經(jīng)完全正值化，但在噪聲干擾下的存在明顯的毛刺。

圖5 實(shí)際輸出波形

其次應(yīng)觀測(cè)ADC模塊的采樣結(jié)果，驗(yàn)證濾波算法的可行性。將解算角度的代碼插入定時(shí)器的中斷響應(yīng)函數(shù)中，觀察ADC模塊的轉(zhuǎn)換結(jié)果，如圖6所示，信號(hào)毛刺已被濾除，兩路波形的相位正確，但峰峰值不等。分別記錄兩路波形的峰值和谷值，用作幅值調(diào)整。依據(jù)式(4)對(duì)ADC的采樣結(jié)果進(jìn)行幅值調(diào)整，將轉(zhuǎn)子手動(dòng)清零后，驅(qū)動(dòng)曳引機(jī)運(yùn)行，分別記錄正交編碼器采集的角度值和C、D相解算的角度值，如圖7所示，兩種角度值貼合緊密，圖8表征了二者間的誤差，可以看到由C、D相解算的轉(zhuǎn)子機(jī)械角具有較好的精度，滿足曳引機(jī)的啟動(dòng)要求，但由于濾波方法的限制，誤差角度值在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在持續(xù)地波動(dòng)，驗(yàn)證了前文所述的單次計(jì)算初始角度后采用疊加脈沖的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)的必要性。

圖6 濾波后的兩路信號(hào)波形

圖7 角度對(duì)比結(jié)果

圖8 誤差角度值

最后，采用單次計(jì)算初始角度并疊加脈沖的方式驅(qū)動(dòng)電機(jī)連續(xù)運(yùn)行，驗(yàn)證本文提出的方法。速度給定如圖9所示，利用C、D相解算的初始角度在轉(zhuǎn)速閉環(huán)模式下啟動(dòng)電機(jī)，如圖10所示，在系統(tǒng)運(yùn)行零時(shí)刻，由sin/cos信號(hào)換算的脈沖計(jì)數(shù)初值正確地疊加到了脈沖計(jì)數(shù)寄存器的計(jì)數(shù)值上，角度變化平緩無(wú)波動(dòng)，速度閉環(huán)的加速過(guò)程穩(wěn)定平滑，電機(jī)運(yùn)行情況良好。

圖9 給定速度曲線

圖10 速度閉環(huán)運(yùn)行結(jié)果

5 總結(jié)

本文針對(duì)永磁同步曳引機(jī)的轉(zhuǎn)子初始角度檢測(cè)問(wèn)題，提出了一種利用正弦增量式編碼器的換向信號(hào)的檢測(cè)方法，分析了換向信號(hào)的定位原理，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了信號(hào)調(diào)理電路和軟件濾波方法，在電機(jī)啟動(dòng)前檢測(cè)出轉(zhuǎn)子的初始角度，并利用疊加計(jì)數(shù)脈沖的方法在增量式編碼器首次清零前為系統(tǒng)提供轉(zhuǎn)子位置信息。調(diào)試結(jié)果表明：初始角度檢測(cè)準(zhǔn)確、電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。本文提出的轉(zhuǎn)子初始角度檢測(cè)方法是可行的，且該方法不依賴電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，檢測(cè)時(shí)轉(zhuǎn)子保持靜止，具有很高的通用性。

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A Positioning Method of Initial Rotor Position of PMSM

Yang Jie1,Fan Weihua1,Zhu Mengtao1,Zheng Xin2,Cao Jianxin2

(1.School of Automation, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China;2.Jiangsu General Elevator Limited Company, Yangzhou 225000, China)

The control of Hoisting machine needs the mechanical angle of the rotor, but the incremental encoder usually cannot provide accurate location information before its clear signal comes. So, the initial position detection of the rotor becomes a problem that must be solved in the control of the traction machine. The traditional method is complicated and the rotor locked or perturbed during the positioning process, which is not conducive to improving the comfort of the elevator system. To deal with this problem, a positioning method of initial rotor position based on the commutation signal of sinusoidal incremental encoder is presented. What’s more, Signal conditioning circuitry and software filtering algorithm are developed in this paper. By sampling the two commutation signals, the initial position of the rotor can be obtained with high accuracy. During the process of positioning, the rotor remains stationary, and the detection accuracy meets the requirements of the motor smooth starting. The experimental results show that the detection method does not rely on the mathematical model of the motor, and has high universality.

PMSM; initial rotor position; motor starting

2016-09-29；

2016-11-11。

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61673219)；江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(SBA2015030440)；江蘇省政策引導(dǎo)類計(jì)劃(產(chǎn)學(xué)研合作)——前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2016004-07)；江蘇省“六大人才高峰”項(xiàng)目(XNYQC-CXTD-001)。

楊 杰(1991-)，男，安徽安慶人，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)方向的研究。

1671-4598(2017)03-0033-03

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.03.010

TP3

A