CN102969969A - 一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于工业自动化控制技术领域，特别涉及一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法。在向永磁同步伺服电机线圈内通入程序控制的寻相电流引起永磁同步伺服电机转子微动最后被吸引在固定位置的过程中，解算出永磁同步伺服电机转子的相位角；寻相过程采用速度闭环控制，使用以零速为控制目标的速度调节器接收速度反馈，并输出调节电流，调节电流与寻相电流夹角的互余锐角为寻相电流相位的修正值，经过多次循环后使寻相电流逼近在永磁同步伺服电机相位的d轴上而锁定转子，从而得到确定的永磁同步伺服电机转子相位角。本发明方法可以省去永磁同步伺服电机的相位传感器，节省了成本，并且寻相动作位移小，不对负载产生冲击，算法简单，容易实现。
Description
技术领域
本发明属于工业自动化控制技术领域，特别涉及一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法。
背景技术
永磁同步伺服电机因其具有较高的能量密度、接近线性的出力特性和较少的维护成本等特点被广泛用于数控机床、机械人手臂等需要精密运动控制的场合，而为了充分发挥其功能特点，需要在上电时知晓电机转子的磁极位置（或称“相位”），因此，需要对电机转子的磁极位置进行检测。现有的检测方法是在电机上安装专用传感器，直接对电机转子的磁极位置进行测量和记录，或者是采用直流法或高频注入法来寻找、估算上电时的初始相位。所谓直流法是指在专门的寻相动作中，向电机通入恒定大小、方向的电流，使转子受电流磁场作用被吸引在已知相位上；高频注入法是根据某种顺序向电机线圈注入高频电压信号，由于铁芯非线性饱和特性以及铁芯材料与空气磁导率的差异，当转子处于不同位置时所注入的电压将产生幅值不同的电流，对此电流信号进行解调、滤波和观测器估算后可获得转子相位信息。
采用专用传感器直接测量记录的方法最直观，但是系统成本较高，不能满足永磁同步伺服电机使用成本的要求；直流法寻相的特点是实现简单，但是在寻相时电机转子可能产生较大位移，容易对负载产生冲击；高频注入法的特点是寻相时间短，转子位移小，但是其算法实现复杂，要求电机必须具有凸极性，适应性不强。因此需要研究一种新的寻相方法，既能满足寻相位移小和精度高的要求，还能保证实现简单，成本低，适应性强。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种低成本的永磁同步伺服电机的自动寻相方法，寻相动作位移小，不对负载产生冲击，而且算法简单、容易实现。
为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，在向永磁同步伺服电机线圈内通入程序控制的寻相电流引起永磁同步伺服电机转子微动最后被吸引在固定位置的过程中，解算出永磁同步伺服电机转子的相位角，整个寻相过程采用速度闭环控制，使用以零速为控制目标的速度调节器接收速度反馈，并输出调节电流，调节电流与寻相电流夹角的互余锐角为寻相电流相位的修正值，经过多次循环使寻相电流逼近在永磁同步伺服电机相位的d轴上并以电磁吸力锁定永磁同步伺服电机转子，从而得到确定的永磁同步伺服电机转子相位角，包括：
步骤A，向永磁同步伺服电机内通入寻相电流指令I，并设定寻相电流指令I的初始相位角为α0；
步骤B，以零速为控制目标的速度调节器产生q轴调节电流指令Iq，并与寻相电流指令I共同输入反正弦累加器，求得两个电流值之商的反正弦角度值α及其累计量∑α，其中α=sin-1(Iq/I)；
步骤C，电流调节器接收反正弦角度值α的累积量∑α与寻相电流指令I的初始相位角α0之和，即∑α+α0，以及寻相电流指令I，作为电流给定的矢量角度和矢量模长，产生新一拍电流指令，并由PWM发生/功率级发出，施加于永磁同步伺服电机之上，驱使永磁同步伺服电机连同其轴上的反馈元件旋转；
步骤D，反馈元件反馈的位置信息经一次微分后变成速度反馈信息，输入速度调节器；
步骤E，判断步骤D中的速度反馈信息是否为零并保持0.5秒以上，如果是，则寻相过程结束，永磁同步伺服电机转子d轴的相位角为∑α+α0；如果不是，则执行步骤F；
步骤F，将寻相电流I的相位角修正为α0+∑α，然后转至步骤B，继续寻相动作。
为便于计算，本发明的上述方法中，所述的寻相电流指令I的初始相位角α0为零。
进一步地，本发明的上述方法中，所述的速度调节器可通过比例－积分－微分的方式实现。
进一步地，本发明的上述方法中，所述的永磁同步伺服电机包括但不限于永磁同步式电主轴、永磁同步式力矩电机、永磁同步式直线电机以及永磁同步式旋转电机。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明方法省去了记录磁极位置的组件，节省了成本，并且本发明方法寻相步骤少，寻相动作快，计算简单，精度高，实现了小位移、小冲击的自动寻相，不仅适用于永磁同步式旋转电机，也适用于永磁同步式直线电机、永磁同步式电主轴以及永磁同步式力矩电机等永磁同步电机。
附图说明
图1是本发明方法的控制系统框图。
图2是本发明实施例中寻相电流指令I向永磁同步伺服电机转子d轴的逼近过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
如图1所示，本发明的闭环控制模块包括：电流指令模块1、速度调节器2、反正弦累加器3、电流调节器4、PWM发生/功率级5、永磁同步伺服电机6、反馈元件7和微分环节8。本发明方法的寻相过程包括：
步骤一，电流指令模块1发出寻相电流I，该寻相电流I的相位角为零；
步骤二，以零速为控制目标的速度调节器2产生q轴的调节电流指令Iq，并与寻相电流指令I共同输入反正弦累加器3，求得两个电流值之商的反正弦角度值α及其累计量∑α，其中α=sin-1(Iq/I)；
步骤三，电流调节器4接收反正弦角度值α的累积量∑α以及寻相电流指令I，作为电流给定的矢量角度和矢量模长，产生新一拍的电流指令，并由PWM发生/功率级5发出，施加于永磁同步伺服电机6之上，驱使永磁同步伺服电机6连同其轴上的反馈元件7旋转；
步骤四，反馈元件7反馈的位置信息经微分环节8一次微分后变成速度反馈信息，输入速度调节器2；
步骤五，判断步骤四中的速度反馈信息是否为零并保持0.5秒以上，如果是，则寻相过程结束，永磁同步伺服电机转子d轴的相位角为步骤二中所求得的反正弦角度值α的累计量∑α；如果不是，则执行步骤六；
步骤六，将寻相电流I的相位角修正为∑α，然后转至步骤二，继续寻相动作。
图2解释了本发明实施例寻相电流I的相位角不断向电机转子d轴的实际相位角逼近的过程。如图2中位置9所示，寻相电流I的初始相位角为零，在第一个循环中速度调节器2产生q轴调节电流Iq1，它与寻相电流I的夹角的互余锐角为α1，在第一个循环中，未能使速度反馈信息保持为零速，因此需将寻相电流I的相位角修正为 α1至位置10，然后进入第二个循环；在第二个循环中，速度调节器2产生的q轴调节电流Iq2与位置10中寻相电流I的夹角的互余锐角为α2，速度反馈信息仍然未能达到并保持零速，因此需将寻相电流I的相位角修正为 α1+α2至位置11，然后进入第三次循环；在第三次循环中，速度调节器2产生的q轴调节电流Iq3与位置11中寻相电流I的夹角的互余锐角为α3，在本次循环中，速度反馈信息达到并保持零速超过0.5秒，若将寻相电流I修正为α1+α2+α3至位置12，则寻相电流I与电机转子的d轴重合，因此，电机转子d轴的相位角为α1+α2+α3。
综上所述，本发明方法在永磁同步伺服电机上电初始转子相位未知时，通过向永磁同步伺服电机线圈内注入目标相位在d轴上的电流，实际相位与目标相位的偏差引起转子旋转，使用累加反正弦计算修正目标相位，使目标相位迅速收敛于实际相位的d轴上，整个过程引起的转子位移很小，并且运算简单，无需配置记录磁极位置的组件，节省了成本，通用性强。
尽管上文对本发明进行了详细说明，但是本发明不限于此，本领域技术人员可以根据本发明的原理进行各种修改。因此，凡按照本发明原理所作的修改，都应当理解为落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，在向永磁同步伺服电机线圈内通入程序控制的寻相电流引起永磁同步伺服电机转子微动最后被吸引在固定位置的过程中，解算出永磁同步伺服电机转子的相位角，其特征在于：整个寻相过程采用速度闭环控制，使用以零速为控制目标的速度调节器接收速度反馈，并输出调节电流，调节电流与寻相电流夹角的互余锐角为寻相电流相位的修正值，经过多次循环使寻相电流逼近在永磁同步伺服电机相位的d轴上并以电磁吸力锁定永磁同步伺服电机转子，从而得到确定的永磁同步伺服电机转子相位角，包括：
步骤A，向永磁同步伺服电机内通入寻相电流指令I，并设定寻相电流指令I的初始相位角为α0；
步骤B，以零速为控制目标的速度调节器产生q轴调节电流指令Iq，并与寻相电流指令I共同输入反正弦累加器，求得两个电流值之商的反正弦角度值α及其累计量∑α，其中α=sin-1(Iq/I)；
步骤C，电流调节器接收反正弦角度值α的累积量∑α与寻相电流指令I的初始相位角α0之和，即∑α+α0，以及寻相电流指令I，作为电流给定的矢量角度和矢量模长，产生新一拍电流指令，并由PWM发生/功率级发出，施加于永磁同步伺服电机之上，驱使永磁同步伺服电机连同其轴上的反馈元件旋转；
步骤D，反馈元件反馈的位置信息经一次微分后变成速度反馈信息，输入速度调节器；
步骤E，判断步骤D中的速度反馈信息是否为零并保持0.5秒以上，如果是，则寻相过程结束，永磁同步伺服电机转子d轴的相位角为∑α+α0；如果不是，则执行步骤F；
步骤F，将寻相电流I的相位角修正为α0+∑α，然后转至步骤B，继续寻相动作。
2.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，其特征在于：所述的寻相电流指令I的初始相位角α0为零。
3.根据权利要求1或2所述的一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，其特征在于：所述的速度调节器可通过比例－积分－微分的方式实现。
4.根据权利要求1或2所述的一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，其特征在于：所述的永磁同步伺服电机可以是永磁同步式电主轴，也可以是永磁同步式力矩电机，或者是永磁同步式直线电机，或者为永磁同步式旋转电机。
5.根据权利要求3所述的一种用于永磁同步伺服电机的自动寻相方法，其特征在于：所述的永磁同步伺服电机可以是永磁同步式电主轴，也可以是永磁同步式力矩电机，或者是永磁同步式直线电机，或者为永磁同步式旋转电机。
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