趙德堂, 張 懿, 魏海峰

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

永磁同步電機(jī)多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法*

趙德堂, 張 懿, 魏海峰

(江蘇科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003)

交流伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制、數(shù)控機(jī)床等對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能要求很高的領(lǐng)域。在高性能數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用的交流伺服電機(jī)幾乎都需要配置光電編碼器等位置反饋元件,其控制多采用矢量控制的方式。但是由于系統(tǒng)誤差和運(yùn)行過程中的機(jī)械變形和裝配原因，電機(jī)控制性能往往難以滿足要求。為此，提出一種永磁同步電機(jī)(PMSM)多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法，并且重點(diǎn)比較了PMSM傳統(tǒng)矢量控制方法和PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法。通過分析比較，試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)出PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法可以很好地提高伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度。

永磁同步電機(jī)； 多傳感器組合； 全閉環(huán)矢量控制

0 引 言

交流伺服電機(jī)廣泛應(yīng)用于機(jī)器人控制、數(shù)控機(jī)床等對(duì)調(diào)速系統(tǒng)性能要求很高的領(lǐng)域。在高性能數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等領(lǐng)域應(yīng)用的交流伺服電機(jī)幾乎都需要配置光電編碼器等位置反饋元件,其控制多采用矢量控制的方式。通過矢量控制的方法可以將交流伺服電機(jī)建模成勵(lì)磁繞組和電樞繞組與轉(zhuǎn)子同步旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)，從而將直流調(diào)速系統(tǒng)的理論應(yīng)用到永磁同步交流伺服電機(jī)的控制中，進(jìn)而獲得高性能的控制效果[1-3]。

在永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)的轉(zhuǎn)子磁極定向矢量控制中，PMSM的動(dòng)態(tài)性、控制精度、低速性對(duì)伺服系統(tǒng)具有重要的影響。目前，傳統(tǒng)的三閉環(huán)PMSM轉(zhuǎn)子磁極定向矢量控制方法利用電流傳感器檢測(cè)PMSM的三相電流，經(jīng)過Clark變換與Park變換，得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系(dq坐標(biāo)系)上的等效電流id、iq，然后經(jīng)過給定量與反饋量通過調(diào)節(jié)器和反Park變換，最后再經(jīng)過SVPWM算法實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的控制，同時(shí)在PMSM的輸出軸上裝有絕對(duì)編碼器來實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的速度和位置反饋。但是由于系統(tǒng)誤差和運(yùn)行過程中的機(jī)械變形和裝配原因，電機(jī)控制性能往往難以滿足要求。因此，如何更好地提高電機(jī)的控制性能，是現(xiàn)有技術(shù)有待解決的問題。針對(duì)這些問題，本文提出一種PMSM多傳感器組合使用的全閉環(huán)矢量控制方法，此方法可以很好地提高電機(jī)的控制性能[2]。

1 與PMSM傳統(tǒng)矢量控制比較

PMSM傳統(tǒng)矢量控制系統(tǒng)中，通常采用電流傳感器、霍爾傳感器和絕對(duì)編碼器，如圖1所示。其中電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)PMSM轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)，絕對(duì)編碼器安裝在電機(jī)上，用來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和位置反饋。

圖1 PMSM傳統(tǒng)矢量控制框圖

PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的PMSM矢量控制系統(tǒng)的區(qū)別主要在于霍爾傳感器、增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器的組合使用以及其安裝位置的不同。PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制系統(tǒng)采用電流傳感器、霍爾傳感器、相對(duì)編碼器和絕對(duì)編碼器，如圖2所示。其中電流傳感器實(shí)現(xiàn)電流負(fù)反饋，霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)PMSM轉(zhuǎn)子初始位置的粗測(cè)，判斷出轉(zhuǎn)子磁極的電角度區(qū)間，相對(duì)編碼器裝在電機(jī)上，主要是對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的閉環(huán)控制；同時(shí)根據(jù)霍爾傳感器獲得的轉(zhuǎn)子磁極的電角度區(qū)間進(jìn)行轉(zhuǎn)子磁極位置的精測(cè)?；魻杺鞲衅骱驮隽渴骄幋a器結(jié)合使用有利于加快對(duì)轉(zhuǎn)子磁極位置的搜索過程,并減小擺動(dòng)范圍,具有較佳的起動(dòng)性能。在諧波減速器的輸出軸上(負(fù)載端)裝有高精度的絕對(duì)編碼器實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的位置控制(后端反饋)，可以減少裝配問題，以及在電機(jī)運(yùn)行中由于機(jī)械變形對(duì)控制精度的影響，從而提高電機(jī)的控制性能。

2 PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方案

PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法，包括以下步驟：

(1) 通過負(fù)載端的絕對(duì)編碼器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在絕對(duì)編碼器的機(jī)械位置；

圖2 PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制框圖

(2) 根據(jù)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)子要到達(dá)絕對(duì)編碼器的機(jī)械位置和電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前所在絕對(duì)編碼器的機(jī)械位置，進(jìn)行位置環(huán)PI計(jì)算，獲得電機(jī)的設(shè)定速度值；

(3) 通過電機(jī)輸出軸端的霍爾傳感器和增量式編碼器獲得當(dāng)前轉(zhuǎn)速和當(dāng)前轉(zhuǎn)子磁極位置；

(4) 根據(jù)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速和當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)行速度環(huán)PI計(jì)算，獲得旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系交軸設(shè)定電流值；

(5) 通過電流傳感器獲得PMSM的當(dāng)前三相電流值ia、ib、ic；

(6) 將所測(cè)得當(dāng)前三相電流ia、ib、ic經(jīng)過Clark和Park變換得到旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電流id和交軸電流iq；

(7) 分別獲得當(dāng)前旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直軸電流與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電流設(shè)定值之間的差值，以及當(dāng)前旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的交軸電流與旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的交軸電流值之間的差值，并將兩個(gè)差值輸入電流環(huán)，經(jīng)過電流環(huán)PI計(jì)算，獲得旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電壓ud和交軸電壓uq；

(8) 將旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直軸電壓ud、交軸電壓uq經(jīng)過反Park變換得到兩相靜止坐標(biāo)系上的正交電壓值uα、uβ，將獲得的正交電壓值uα和uβ經(jīng)過反Clark變換獲得PMSM三相設(shè)定值；

(9) 經(jīng)過SVPWM算法控制三相全橋逆變器的導(dǎo)通來實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的控制。

本伺服系統(tǒng)通過多傳感器組合使用，并運(yùn)用轉(zhuǎn)子磁極矢量控制方法實(shí)現(xiàn)對(duì)PMSM的控制,如圖3所示。在未知轉(zhuǎn)子初始位置情況下，直接起動(dòng)PMSM，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)無法起動(dòng)、不能帶重載起動(dòng)，或者起動(dòng)過程中會(huì)產(chǎn)生過流和抖動(dòng)等所不期望的現(xiàn)象。如果隨意選擇磁場(chǎng)角度θ作為初始值進(jìn)行控制可能導(dǎo)致電機(jī)的力矩非常小或者為零，還有可能使電機(jī)按照相反的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，這在某些場(chǎng)合會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的后果。因此，為了更好地控制PMSM，應(yīng)該確定轉(zhuǎn)子的初始位置后再起動(dòng)，同時(shí)在伺服系統(tǒng)中由于裝配問題和電機(jī)在運(yùn)行過程中由于機(jī)械變形，往往導(dǎo)致電機(jī)的控制性能不理想[4-5]。

圖3 一種PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法流程圖

矢量控制永磁同步交流伺服電機(jī)初始磁極位置搜索流程圖，如圖4所示。首先通過霍爾位置傳感器進(jìn)行位置粗測(cè)[6]。矢量控制中關(guān)心的是初始電角度，根據(jù)HU、HW、HV的排列確定每60°電角度一個(gè)區(qū)間。具體使用時(shí)，通過I/O端口一次讀入3個(gè)信號(hào)，根據(jù)其排列可確定當(dāng)前所在電角度的區(qū)間。再采用二分法對(duì)磁極位置進(jìn)行精確搜索[7]。選擇適當(dāng)?shù)碾妷?電流向量激勵(lì)電機(jī)，使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生微動(dòng)；采用增量式編碼器測(cè)量微動(dòng)的增量；獲得轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的絕對(duì)位置關(guān)系。

圖4 矢量控制永磁同步交流伺服電機(jī)初始磁極位置搜索流程圖

圖5 控制框圖

3 試驗(yàn)平臺(tái)

PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制驅(qū)動(dòng)模塊框圖如圖5所示。

由圖5可知驅(qū)動(dòng)模塊主要由電源轉(zhuǎn)換電路、CAN驅(qū)動(dòng)電路、USB-RS232轉(zhuǎn)換電路、RS232-TTL驅(qū)動(dòng)電路、RS422-TTL驅(qū)動(dòng)電路、三相全橋逆變電路、三相電流檢測(cè)電路等功能電路組成。電源變換電路主要實(shí)現(xiàn)DC-DC電源變換，實(shí)現(xiàn)+12、+10、+5、+3.3、+1.5 V電源輸出，滿足驅(qū)動(dòng)模塊中各個(gè)功能芯片不同電壓等級(jí)的供電要求。驅(qū)動(dòng)電路主要采用TJA1040T實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊與其他CAN網(wǎng)絡(luò)之間的接入。USB-RS232轉(zhuǎn)換電路主要采用FT232R來實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)控制程序的燒寫與在線參數(shù)調(diào)節(jié)。RS232-TTL驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)主控芯片TTL電平與RS232接口轉(zhuǎn)換。RS422-TTL驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)主控芯片TTL電平與RS422接口轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)模塊與絕對(duì)值碼盤DS70的信息通信。三相全橋逆變電路是將直流電壓信號(hào)逆變成交流信號(hào)，通過芯片產(chǎn)生的PWM波控制開通和關(guān)斷來實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。三相電流檢測(cè)電路是檢測(cè)逆變后的交流電流信號(hào)強(qiáng)弱，用于電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)和過流保護(hù)。

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

PMSM反電勢(shì)曲線如圖6所示，是平滑的正弦波。圖7、圖8分別為PMSM傳統(tǒng)矢量控制從絕對(duì)碼盤值0 qc處走到絕對(duì)碼盤的1 000 qc處運(yùn)動(dòng)軌跡曲線和PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制從絕對(duì)碼盤值0 qc處走到絕對(duì)碼盤的1 000 qc處運(yùn)動(dòng)軌跡。通過兩者運(yùn)動(dòng)軌跡曲線可知，PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制有更好的快速性和控制精度。

圖6 永磁同步電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)波形圖

圖7 PMSM傳統(tǒng)矢量控制運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

圖8 PMSM多傳感器組合使用全閉環(huán)矢量控制運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

5 結(jié) 語

本文詳細(xì)介紹一種PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法及其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。搭建了PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制試驗(yàn)平臺(tái)，并且重點(diǎn)比較了PMSM傳統(tǒng)矢量控制方法與PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法。通過分析比較，試驗(yàn)結(jié)果展現(xiàn)出PMSM多傳感器組合全閉環(huán)矢量控制方法可以很好地提高伺服系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)、穩(wěn)態(tài)精度。

[1] 葉偉,張曉光,孫力.基于線性霍爾傳感器的高速永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].伺服控制,2010(3): 41-44.

[2] 李堅(jiān).基于DSP的三閉環(huán)交流永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安: 電子科技大學(xué),2012.

[3] 陳伯時(shí).電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)[M].北京: 機(jī)械工業(yè)出版社,2000.

[4] 王萌,楊家強(qiáng),張翔,等.一種表貼式永磁同步電機(jī)電流矢量閉環(huán)I/f控制方法[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2015,35(10): 2513-2521.

[5] 楊立永,陳為奇.永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)研究[D].北京: 北方工業(yè)大學(xué),2012.

[6] 徐永向,鄒繼明,趙猛,等.基于單霍爾傳感器的PMSM位置檢測(cè)方法[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2008,40(11): 1769-1772.

[7] 王高林,楊榮峰,于泳,等.內(nèi)置式永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置估計(jì)方法[J].電機(jī)與控制學(xué)報(bào),2010,14(6): 56-60.

引領(lǐng)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì) 報(bào)道經(jīng)典實(shí)用案例 反映行業(yè)最新動(dòng)態(tài)

Multi-Sensor Combination Full Closed-Loop Vector Control Method of Permanent Magnet Synchronous Motor*

ZHAODetang1,ZHANGYi1,WEIHaifeng1

(School of Electrical and Information, Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003, China)

AC servo motor was widely used in robot control, numerical control machine tools for high speed control system performance requirements, the high performance CNC machine, robot in areas such as almost all of the application of ac servo motor need to configure the position feedback components such as photoelectric encoder, its control method with the method of vector control.But because the system error and cause mechanical deformation and assembly in the process of operation, and motor control performance was often difficult to meet the requirements.A kind of permanent magnet synchronous motor multi-sensor combination full closed-loop vector control method was put forward and analyzed.And focusing on the traditional permanent magnet synchronous motor vector control method and the permanent magnet synchronous motor multi-sensor combination full closed-loop vector control method.Through analysis and comparison of the experimental results showed a multi-sensor combination full closed-loop vector control method could well improve the servo system of dynamic and steady-state accuracy.

permanent magnet synchronous motor (PMSM); multi-sensor combination; full closed-loop vector control

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61503161);江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項(xiàng)目(BY2016073-01);江蘇省普通高校專業(yè)學(xué)位研究生實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目(YSJ15S-09)

趙德堂(1990—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。 張 懿(1982—)，女，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。 魏海峰(1981—)，男，博士研究生，副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制。

TM 301.2

A

1673-6540(2017)03- 0006- 05

2016 -07 -27