一種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

楊 杰,樊衛華,朱孟韜,鄭 鑫,曹建新

(1.南京理工大學自動化學院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚州 225000)

一種永磁同步電機轉子初始位置檢測方法

楊 杰1,樊衛華1,朱孟韜1,鄭 鑫2,曹建新2

(1.南京理工大學自動化學院, 南京 210094; 2.江蘇通用電梯有限公司, 江蘇 揚州 225000)

電梯曳引機控制需要實時獲取轉子的機械角度，而常用的增量式編碼器在首次清零信號到來前不能提供準確的轉子位置信息，從而可能導致閉環控制失敗;因此，轉子的初始位置檢測成為曳引機控制中必須解決的問題，傳統的檢測方法計算復雜，且定位過程中易造成轉子堵轉或攝動，不利于電梯系統的舒適性;為此，提出了一種利用正弦波增量式編碼器的換向信號計算轉子初始位置的方法，設計并實現了編碼器換向信號的調理電路，研究了利用兩路換向信號解算轉子的初始位置信息的算法，并研發了相應的軟件模塊;實現了當轉子保持靜止時初始位置的高精度檢測，滿足電梯平穩啟動的需求;實驗結果表明，該方法不依賴電機的數學模型，運算量小，且具有較高的檢測精度和通用性。

永磁同步曳引機;初始位置;啟動

0 引言

永磁同步電機具有結構簡單、調速性能好、效率高的特點，在電梯等特種設備中應用廣泛。為降低系統成本，永磁同步電機調速系統通常選用增量式編碼器來實時獲取轉子的位置信息，實現閉環控制。由于在初始時刻，轉子的初始位置是任意的，而增量式編碼器的脈沖計數總是從零開始遞增(或遞減)，因此在首次清零脈沖到達前，不能向控制器提供精確的轉子位置信息[1]。這可能使得矢量控制、直接轉矩控制方法失效，在垂直升降式電梯的曳引機控制系統等應用中，將導致嚴重的事故。由于電梯這樣的特種設備不允許隨意轉動曳引機，定位過程中轉子須嚴格靜止，且保持穩定，否則也將引起嚴重后果，因此轉子的初始位置檢測是曳引機控制系統中必須解決的問題。

使用絕對式編碼器固然可以解決上述問題，但在相同的成本下，提供的測量精度卻遠低于增量式編碼器，不利于提高系統的控制性能。近年來，許多學者對轉子的初始位置檢測進行了大量研究。文獻[2-3]提出了基于磁定位原理的攝動定位方法。通過給電機定子施加電流矢量，利用增量式編碼器脈沖信號檢測電機的轉動方向，根據轉動方向與攝動電流矢量的角度關系，不斷改變電流矢量的方向，縮小定位范圍，直至轉子穩定不動。這種方法算法較復雜，定位時間長，且在定位過程中造成轉子攝動，不利于提高電梯系統的舒適性。文獻[4-7]提出了脈沖電壓注入法。通過向定子繞組注入各方向的電壓脈沖，同時比較各方向電壓脈沖的電流響應的最大值，之后不斷調整電壓脈沖的相位，使之逼近實際轉子位置?？稍诒чl閉合狀態下進行，但檢測效果依賴電流采樣精度，且會造成電機在啟動前堵轉。

針對上述問題，本文利用在電梯曳引機控制系統中廣泛應用的增量式正弦波編碼器提供的sin/cos正余弦換向信號，提出了一種轉子初始角度檢測方法。通過設計信號調理電路和軟件濾波算法，將兩路相位互差90度的換向信號在功能上近似處理為單圈絕對位置編碼器，在電機啟動時提供轉子初始位置信息。

本文內容安排如下：第1章介紹了基于換向信號的定位原理；第2章給出了信號調理電路的設計；第3章詳細介紹了定位方法并給出了軟件流程；第4章給出了調試結果；最后總結了本文工作。

1 基于sin/cos信號的定位原理

本文以電梯控制領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，A、B每轉輸出N個周期的正弦波，N為編碼器線數；R為參考點信號，每轉輸出一個脈沖；C、D信號為換向信號，這兩個信號原理與A、B相同，但每轉僅輸出一個完整的正弦波信號，一般用于矢量控制中磁通位置的檢測。

首先，介紹基于C、D換向信號的轉子初始角度定位原理[8]。如圖1所示，C相和D相在轉子單圈行程內，只輸出一個完整的正弦波形，其信號幅值只與曳引機的轉子機械角度相對應，且C相超前D相90度機械角度。

圖1 編碼器C相和D相的理想輸出波形

設t時刻，轉子的絕對機械角度為η(t)，信號C的電壓為VC(t)，信號D的電壓為VD(t)，信號C和信號D的正弦電壓信號的幅值為E，則：

(1)

由式(1)可得:

(2)

式(2)表明：原理上可通過同時采樣C、D兩路電壓信號，獲取轉子的絕對機械角度。

實際上，曳引機矢量控制算法需要獲取轉子的實時電角度γ(t)。而電角度γ(t)與機械角度η(t)之間的關系如(3)所述：

γ(t)=np*(η(t)-σ)

(3)

其中:np為電機極對數，σ為編碼器安裝時的誤差角。因編碼器和電機同軸相連，故誤差角σ為常值，且可在調試階段由轉子磁定位法求得。

獲得電角度γ(t)后即可進行定子三相電流的坐標變換，驅動轉子旋轉。

下面介紹如何將上述原理應用于實際系統檢測。首先給出信號調理電路。

2 硬件電路設計

由于編碼器ERN1387的所有信號均以差分形式輸出，而大多數微處理器(MCU)通常不能直接接受差分輸入信號。為了從C、D兩相的輸出信號中解析出轉子的位置信息，需要設計專門的信號調理電路。

該信號調理電路首先利用去差分電路將差分信號轉化為單端信號?？紤]多數MCU內置的ADC模塊輸入范圍為：0～3V，不能接受負電壓，故設計偏置電路將正弦信號轉化為正值信號；再經由比例電路將信號調整至ADC模塊的輸入量程內；考慮曳引機控制系統工作環境比較惡劣，常有強電磁干擾，故在電路中設計穩壓濾波電路去除高頻噪聲，改善信號采樣的質量。

下面以C相為例，介紹信號調理電路的硬件設計。

圖2 去差分電路原理圖

圖2為去差分電路原理圖。C+、C-信號間通過接入一個120Ω電阻進行阻抗匹配，然后信號經過RC低通濾波器，去除高頻噪聲干擾；經過由運算放大器LM358構成的比例電路將差分信號放大，最后在2.5V偏置電壓的作用下變為單端正值信號，送入后續電路進行幅值調整和穩壓濾波。

圖3 幅值調整和穩壓濾波電路原理圖

為了提高單端信號的抗干擾能力，將其送入反向電壓跟隨器，而后再經過反向比例器，通過調節滑動變阻器的阻值，使其輸出電壓范圍為0～3V，滿足DSP芯片的ADC模塊對輸入信號的要求。針對電壓采樣中可能遇到的信號毛刺以及強電磁干擾導致的電壓采樣輸出的瞬間峰值過高等問題，在信號末端增加3V穩壓二極管和一階RC低通濾波器，以保證信號質量。

3 初始角度檢測的軟件實現

以在曳引機控制中常用的TI公司浮點型DSP處理器——TMS320F28335為例，介紹初始位置檢測算法模塊的設計與實現。

本文設計的初始角度檢測算法包括AD采樣、信號濾波、幅值調整、角度解算和脈沖疊加，具體流程如圖4所示。

圖4 軟件運行流程

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

實際工況下，雖然信號調理電路可以濾除部分噪聲，但殘余噪聲仍對系統性能有不小的影響，故在軟件中采用均值濾波，對信號進一步進行處理。具體處理方法為：

首先，對C相、D相的輸出電壓采樣10輪，每輪采樣3次，求均值后存入數據隊列；

然后，去除數據隊列中的最值后再次求均值，盡可能減小噪聲干擾。

由于調理電路輸出的兩路電壓信號可能存在峰峰值不等的情況，解算角度前必須在調試階段進行幅值調整，將兩路正值信號轉化為幅值相等，僅存在相位差的標準正余弦信號。具體做法如下，記錄C相、D相信號的峰值和谷值Vcmax，Vcmin，Vdmax，Vdmin，記t時刻C、D相電壓采樣值為Ec(t)和Ed(t)，則經過如式(4)幅值調整后，可解算出機械角度值。

η(t)=

(4)

由式(4)計算得出的轉子機械角是基于ADC采樣結果的，而在實際工況下，系統常伴隨著強電磁干擾。若在編碼器首次清零前的行程內，持續采樣C、D相電壓幅值獲取轉子機械角度以驅動電機，則在外部因素的限制下難以保證η的解算精度。而連續波動的角度誤差勢必造成電機輸出的電磁轉矩產生波動，影響系統的控制效果[10]。特別是針對極對數np較多的電機，在機械角度向電角度的轉化中，較大的np值會增益電角度誤差，進一步削弱控制效果。

故本文采用只解算一次初始角度值的方法來避免誤差的波動，在電機運行前求出轉子初始角度值，對應編碼器的最大脈沖計數值，將其轉化為相應的計數脈沖初值，在首次清零信號到來前疊加至處理器的正交編碼模塊的脈沖計數中，為系統提供穩定的轉子位置信息，以保證電機平穩安全地運行。

4 調試結果

本系統采用電流、轉速雙閉環的控制策略對曳引機進行控制。在進行轉子初始角度檢測前，首先應測試調理電路輸出的sin/cos信號波形，利用示波器觀察其是否已經正值化。圖5為C相信號輸出?？梢钥吹?，信號已經完全正值化，但在噪聲干擾下的存在明顯的毛刺。

圖5 實際輸出波形

其次應觀測ADC模塊的采樣結果，驗證濾波算法的可行性。將解算角度的代碼插入定時器的中斷響應函數中，觀察ADC模塊的轉換結果，如圖6所示，信號毛刺已被濾除，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，用作幅值調整。依據式(4)對ADC的采樣結果進行幅值調整，將轉子手動清零后，驅動曳引機運行，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相解算的轉子機械角具有較好的精度，滿足曳引機的啟動要求，但由于濾波方法的限制，誤差角度值在電機運轉過程中存在持續地波動，驗證了前文所述的單次計算初始角度后采用疊加脈沖的方式驅動電機的必要性。

圖6 濾波后的兩路信號波形

圖7 角度對比結果

圖8 誤差角度值

最后，采用單次計算初始角度并疊加脈沖的方式驅動電機連續運行，驗證本文提出的方法。速度給定如圖9所示，利用C、D相解算的初始角度在轉速閉環模式下啟動電機，如圖10所示，在系統運行零時刻，由sin/cos信號換算的脈沖計數初值正確地疊加到了脈沖計數寄存器的計數值上，角度變化平緩無波動，速度閉環的加速過程穩定平滑，電機運行情況良好。

圖9 給定速度曲線

圖10 速度閉環運行結果

5 總結

本文針對永磁同步曳引機的轉子初始角度檢測問題，提出了一種利用正弦增量式編碼器的換向信號的檢測方法，分析了換向信號的定位原理，設計并實現了信號調理電路和軟件濾波方法，在電機啟動前檢測出轉子的初始角度，并利用疊加計數脈沖的方法在增量式編碼器首次清零前為系統提供轉子位置信息。調試結果表明：初始角度檢測準確、電機運行穩定可靠。本文提出的轉子初始角度檢測方法是可行的，且該方法不依賴電機的數學模型，檢測時轉子保持靜止，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。

國家自然科學基金項目(61673219)；江蘇省科技成果轉化項目(SBA2015030440)；江蘇省政策引導類計劃(產學研合作)——前瞻性聯合研究項目(BY2016004-07)；江蘇省“六大人才高峰”項目(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的軟硬件設計方向的研究。

1671-4598(2017)03-0033-03

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

TP3

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