低成本永磁交流伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)
韓安太1，郭小華2
(1中國(guó)計(jì)量學(xué)院，浙江杭州310018；2杭州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江杭州310018)
摘要：提出一種使用線性霍爾傳感器作為龜機(jī)反饋元件的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用線性霍爾傳感器代替光電編碼器和開(kāi)關(guān)霍爾傳感器，從線性霍爾傳感器輸出信號(hào)中得到轉(zhuǎn)子位置和速度信息；在此基礎(chǔ)上，給出一種直接在三相靜止坐標(biāo)系中產(chǎn)生相電流命令的磁場(chǎng)定向控制算法：將提出的交流伺服系統(tǒng)應(yīng)用在工業(yè)縫紉機(jī)中，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明了所設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)合理可行，具有較高性價(jià)比。
關(guān)鍵詞：線性霍爾傳感器；伺服控制；磁場(chǎng)定向控制；永磁同步電動(dòng)機(jī)
中圖分類號(hào)：TM383．4+2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004—7018(2008)12—0016—04
0前言
在基于永磁同步電動(dòng)機(jī)的交流伺服系統(tǒng)中，一般采用磁場(chǎng)定向控制等方法[1-2]來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、位置的準(zhǔn)確控制，這些控制方法要求實(shí)時(shí)采集轉(zhuǎn)子位置、速度反饋信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)定子電流大小、方向的控制。在現(xiàn)有交流伺服系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置、速度的檢測(cè)一般通過(guò)在電機(jī)本體上安裝三個(gè)開(kāi)關(guān)霍爾傳感器和一定精度的增量式光電編碼器來(lái)實(shí)現(xiàn)[3-4]。
使用開(kāi)關(guān)霍爾傳感器和增量式光電編碼器作為反饋元件的交流伺服系統(tǒng)可保證較高控制精度，但是，多個(gè)反饋元件的使用增加了電機(jī)制造成本、制造工序和引線數(shù)，且降低了系統(tǒng)可靠性；另外，磁場(chǎng)定向控制方法本身涉及靜止坐標(biāo)系和旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系之間的矢量變換運(yùn)算，這種運(yùn)算需耗費(fèi)較多存儲(chǔ)和計(jì)算資源，間接增加了系統(tǒng)成本和實(shí)現(xiàn)難度，從而使得該類型交流伺服系統(tǒng)難以在一些要求高性能、低成本的場(chǎng)合(如工業(yè)縫紉機(jī)等)應(yīng)用[6]。
針對(duì)上述問(wèn)題，從提高控制性能、減少實(shí)現(xiàn)成本角度出發(fā)，本文介紹一種使用線性霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置、速度反饋元件的新型永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)，詳細(xì)給出了轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測(cè)方法；在此基礎(chǔ)上，利用文獻(xiàn)結(jié)論，給出一種不需要進(jìn)行坐標(biāo)變換的磁場(chǎng)定向控制策略實(shí)現(xiàn)方法；在工業(yè)縫紉機(jī)主軸電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的交流伺服系統(tǒng)合理可行，具有較高性價(jià)比。
l轉(zhuǎn)子位置、速度檢測(cè)
在現(xiàn)有基于開(kāi)關(guān)霍爾傳感器和增量式光電編碼器的永磁同步電動(dòng)機(jī)交流伺服系統(tǒng)中，開(kāi)關(guān)霍爾傳感器主要用來(lái)確定電機(jī)起動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子的大概位置(精度為60。電角度)，以便控制器可以將電流輸人適當(dāng)定子繞組，實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)，同時(shí)，在電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中用于提供電流換向信號(hào)；光電編碼器主要用于電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)，并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度計(jì)算。由于轉(zhuǎn)子位置信息是磁場(chǎng)定向控制方法中進(jìn)行坐標(biāo)變換、速度控制、位置控制等運(yùn)算時(shí)必需的輸入信息，其采樣精度對(duì)控制效果具有重要影響。
為了降低系統(tǒng)成本且保證控制性能，本文提出一種基于線性霍爾傳感器的新型交流伺服系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用價(jià)格低廉的線性霍爾傳感器代替永磁同步電動(dòng)機(jī)上安裝的增量式光電編碼器和開(kāi)關(guān)霍爾傳感器，通過(guò)對(duì)線性霍爾傳感器輸出信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)起動(dòng)、電流換向、轉(zhuǎn)子位置和速度信息反饋。
以單極對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)為例，將三個(gè)線性霍爾傳感器以彼此相差120。電角度的方式安裝在定子上，由于永磁同步電動(dòng)機(jī)氣隙磁場(chǎng)波形是正弦波，當(dāng)線性霍爾傳感器處于正弦波氣隙磁場(chǎng)中時(shí)，其輸出電壓信號(hào)uh1、uh2、uh3與氣隙磁場(chǎng)分布的波形相同，且幅值固定[7]，即：
式中：K為氣隙磁場(chǎng)基波霍爾電勢(shì)幅值，K=KhIhBm；Kh為霍爾傳感器的霍爾電勢(shì)系數(shù)，單位為V／(A.T)；Ih為霍爾傳感器的勵(lì)磁電流，單位為A；Bm為被敏感氣隙磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度峰值，單位為T；θ=ωt，ω為轉(zhuǎn)子角速度，單位為rad／s。
由式(1)可知，轉(zhuǎn)子位置的任何變化都會(huì)使線性霍爾傳感器輸出信號(hào)改變，因此，可以從線性霍爾傳感器輸出信號(hào)中獲得轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速等信息，具體實(shí)現(xiàn)思路如圖1所示。
由圖1可知，首先，將360 。電氣角根據(jù)三相正弦波的正 |
