永磁同步电机带霍尔及增量式编码器的伺服控制

蔡华祥;刘兴中;程静;唐杨

【摘 要】永磁同步电机的伺服控制,需要知道转子的准确位置,尤其是伺服定位控制.而为降低永磁同步电机伺服系统成本,考虑用带霍尔的增量式编码器作为永磁同步伺服系统的位置传感器.针对带霍尔的增量式编码器永磁同步伺服系统,介绍了位置传感器输出信号的处理电路,以及该伺服系统的初始粗定位方法及精确定位,并在该伺服电机上作了相应的测试实验,实验证明,该方法能使同步电机正常启动,并完成调速及定位功能.

【期刊名称】《现代机械》 【年(卷),期】2018(000)004 【总页数】4页(P67-70)

【关键词】永磁同步电机;霍尔;增量编码器;定位;伺服 【作 者】蔡华祥;刘兴中;程静;唐杨

【作者单位】贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550000;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550000;贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550000;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550000;贵州装备制造职业学院,贵州贵阳550008;贵州航天林泉电机有限公司,贵州贵阳550000;国家精密微特电机工程技术研究中心,贵州贵阳550000 【正文语种】中 文 【中图分类】TM351

0 引言

随着科学技术的不断进步，电力电子技术的快速发展，永磁同步电机因其高效率、高功率密度、低损耗等特点，逐渐被广泛应用于各种要求高响应、高精度、宽调速的高性能伺服控制系统，如机器人、转台、电动汽车以及数控机床等领域[1]。然而不同于直流电机的有刷换向，同步电机的运转需要实时提供转子位置，以便电机能进行正确的换向。同步电机的位置信号获取主要有两种方式：一种通过位置传感器获取实时位置信号；另一种是无位置控制，通过无位置控制算法，实时估计出一个转子位置，来保证电机换向[2]。前者主要应用于需要高精度定位的伺服控制场合，后者则主要应用于伺服调速系统。对于需要高精度伺服定位控制系统，选用的位置传感器有光栅尺、绝对式编码器、旋转变压器以及增量式编码器几种[3]。前三种位置传感器成本相对较高，且随定位精度的增加，成本呈指数增加。考虑到成本的因素，出现了带霍尔的增量式编码器，该方式通过霍尔进行初始定位，后期则利用编码器进行精确定位。基于此，本文将介绍一种永磁同步电机带霍尔及增量式编码器的伺服控制方法。 1 带霍尔增量式编码器原理介绍

霍尔传感器输出为三根信号线，分别为U、V、W。三个信号为相位互差120°电角度的方波信号，并在一个电角度周期内能组合为六个状态，每个状态为60°电角度。故霍尔传感器可以检测出同步电机一个电角度周期内的六个状态，可利用霍尔信号对电机转子位置进行初始粗定位。

带霍尔增量式编码器，顾名思义就是带霍尔传感器以及增量式编码器。有的文献也称之为复合式光电编码器。该传感器输出信号为6路脉冲信号，分别为U、V、W、A、B、Z信号。其中A相和B相的波形完全相同，但相位相差90度。若A相位超前B相位90度，则通常定义为电机正转，反之则电机反转。Z相信号为电机基

准定位信号，电机每转一圈，则发出一个Z信号。U、V、W为如前所述的方波信号[4]。 2 硬件电路设计

由于文中所用的伺服电机发出的A、B、Z、U、V、W六路信号均为差分信号，因此硬件设计时，需将六路信号转换为单端信号，选用的转换芯片为AM26C32。此外，由于编码器及AM26C32芯片输出信号均为5V信号，且所选的主控芯片DSP2812只能接收3.3V以内的信号，因此需要将AM26C32转换的位置信号转换为3.3V信号，选用转换芯片为74LVC245A，编码器信号处理电路如图1。 图1 位置信号处理电路

控制板选择TI的DSP芯片TMS320F281为控制系统主控芯片，该芯片含有丰富的IO接口电路以及AD采样电路，不需要再外扩太多的芯片就可以完成控制系统的搭建，转换后的编码器A、B、Z信号接到DSP的qep电路，U、V、W信号接到普通的IO口即可。利用DSP的AD口，可采集伺服系统的相电流信号，相电流则是通过电流传感器ACS724-10AB采集得到，并经过DSP的AD口转换为数字信号以便完成系统电流环功能。 控制板的功能主要包括：

1)接收电流、速度指令和位置指令； 2)完成位置环、速度环和电流环控制算法； 3)获取同步电机实时位置； 4)获取同步电机实时相电流； 5)输出PWM控制信号；

6)向上位机实时反馈电机状态，如位置、转速、电流等。

驱动板则是利用IPM来搭建，所选IPM模块为PM50CL60A，利用该模块，可将DSP svpwm模块送出的六路PWM信号转为相应的驱动信号。

3 控制系统软件设计 3.1 转子位置初始定位

位置传感器安装时，需要使霍尔传感器的U信号、编码器的Z信号与同步电机的A相绕组反电势由负到正过零点对齐，以确保传感器检测到零位为电机转子的实际零位。当编码器安装好后，转子为编码器检测到的相对位置基本就确定。 由于文中所选用的伺服电机为采购的电机，编码器已经安装好，且不便于拆卸，因此霍尔信号位置将不调整。但可通过软件同步霍尔传感器U信号与Z信号位置。当编码器发出Z信号以后，置一个标志位，在此标志位的前提下，当电机捕捉到U信号的上升沿，则记录下此时电机编码器所记录的位置脉冲个数，此脉冲即为U信号与Z信号之间的位置偏差，可作为编码器初始矫正因子，使得U信号与Z信号同步。

图2 UVW信号与电角度及初始值关系

系统上电后，首先读取UVW的三相信号，在一个电角度周期内，霍尔UVW信号将呈现6个状态，如图2。当检测到霍尔信号落在的区间，则取其中间值作为同步电机的初始值，这使得电机转子初始位置值最大误差不大于30°电角度，该值不会影响同步电机初始运转[5]。

系统接收到相应的指令后，同步电机的转子位置通过qep电路计算的位置值与霍尔定位的初始位置值来确定。当位置传感器发出Z信号时，则电机转子位置由qep电路计算的位置值以及U相信号与Z脉冲信号之间的矫正值确定。从而完成带霍尔及增量式编码器永磁同步电机的初始粗定位以及后期精准换向。 3.2 控制算法设计

同步电机系统模型本身是一个非线性系统，且变量之间互相耦合，难以对其进行精确的控制。将系统模型简化，同步电机电压方程如下：

(1)

其中Uq,Ud分别为dq坐标下的q轴、d轴电枢电压分量；iq,id分别为dq坐标下的q轴、d轴电枢电流；Rs为电枢绕组电阻；ψq,ψd分别为dq坐标下定子磁链分量；φ是转子磁钢在定子绕组上的耦合磁链；Lq,Ld分别为dq坐标下的q轴、d轴等效电枢电感分量[6]。

对于q轴和d轴电枢电流iq,id则是利用AD采样回来的相电流iA,iB,iC通过Clark变换、Park变换而来[7]。通过Clark变换和Park变换将电机三相交流电信号转换为旋转坐标系下的两相直流信号，从而可以将同步电机当作直流电机一样控制。Clark变换公式如下： (2)

Park变换公式如下： (3)

同步电机运动学方程如下： (4)

Te-T1=Jωe

表贴式同步电机中，由于Lq≈Ld，进而有如下关系： (5)

因此，对于表贴式同步电机而言，通常采用id=0的控制方式。通过控制直轴电流iq就可以间接地控制同步电机电磁转矩，进而控制同步电机的转速。

电流环控制器采用的是积分限幅PI控制器，尽管电流环是两个控制回路id和iq，

但两环可以采样相同的控制器[8]。控制器结构如下： (6)

速度环采用的控制算法同样为带积分限幅的PI控制器。电机反馈速度通过固定时间内的位置脉冲来计算，计算公式如下： (7)

式中，t为两次读取位置信号的频率，ΔM为两次读取位置脉冲之间的位置脉冲差值。

速度环积分限幅PI控制器： (8)

位置环采用的是带输出限幅的比例控制器： Gp(s)=Kpe(t) (9)

DSP控制程序框图如图3。 图3 系统控制程序框图 4 实验验证

本次实验所选用的电机为国内某公司的永磁同步伺服电机，电机上带有旋转变压器作为位置传感器，电机主要参数如表1。

表1电机主要参数转动惯量/(kg·cm2)转矩常数/(N·m/A)反电势/(V/krpm)电感/mH电阻/Ω极对数位置传感器0.10.0875.40.90.334带霍尔增量式编码器2500ppr

系统性能试验包括两个部分：调速性能试验和位置定位试验。调速时，分别给定转

速为100 r/min和1000 r/min，如图4(a)所示，可以看到电机能正常启动并能迅速定位到系统所接收到的速度指令。位置定位试验通过上位机发送位置指令200°，如图4(b)所示，可以看到电机能迅速、精准地定位到所给定的参考位置。 图4 5 结论

本文研究了永磁同步电机带霍尔及增量式编码器的伺服控制方法。通过利用霍尔信号对同步电机转子进行初始粗定位，使得同步电机能够完成正常启动。同步电机启动并捕捉到编码器Z脉冲信号后，再利用增量式编码器信号所提供的位置信号作为系统反馈，从而实现精定位。针对所选用的带霍尔及增量式编码器的同步电机，设计了相应的控制器。从实验结果来看，该伺服系统能正常启动，并完成调速及定位功能，这表明该方法具备一定的实效性及工程使用价值。 参考文献

【相关文献】

[1] 于凯平，郭宏，吴海洋.采用DSP和FPGA多电机速度伺服驱动控制平台[J].电机与控制学报，2011，15(9)：39-43.

[2] 周长城.基于信号注入的同步电机转子位置检测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013. [3] 肖涛.伺服系统的高精度位置检测[D].武汉：华中科技大学，2012.

[4] 张惠媛，邓兴民.交流伺服系统中复合式光电编码器的解码[J].测控技术，2016，35：268-271. [5] 陈荣.基于增量式光电编码盘的永磁同步电机转子位置初始定位[J].电机与控制应用，2007，34(3)：32-34.

[6] 廖豪恺.高性能交流同步电机控制器研制[D].成都：成都理工大学，2015.

[7] 周林波.基于DSP对永磁同步电机直接转矩控制技术的研究[D].武汉：武汉科技大学，2010. [8] 覃甫军.永磁同步电机伺服控制设计与仿真验证[D].成都：电子科技大学，2012.