磁旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電機(jī)位置測(cè)量中的應(yīng)用_圖文

1、磁旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電機(jī)位置測(cè)量中的應(yīng)用季學(xué)武1,何正義1,張雪峰2(1.清華大學(xué)汽車工程系,北京100084;2.北京航空航天大學(xué)汽車工程系,北京100083摘要:為了檢測(cè)永磁同步電機(jī)磁極位置,在電機(jī)位置傳感器安裝之后要對(duì)其進(jìn)行初始定位。根據(jù)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)與電機(jī)位置角的關(guān)系,利用電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零信號(hào)來(lái)定位磁旋轉(zhuǎn)編碼器。根據(jù)這一方案,無(wú)需調(diào)整編碼器的安裝位置即能夠確定磁旋轉(zhuǎn)編碼器所輸出的絕對(duì)角度與電機(jī)位置角的關(guān)系。測(cè)試結(jié)果還表明,根據(jù)磁旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的絕對(duì)角度,在電機(jī)剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就能夠精確檢測(cè)出電機(jī)磁極的初始位置,其分辨率能夠滿足課題要求。關(guān)鍵詞:永磁同步電機(jī);磁旋轉(zhuǎn)編碼器;轉(zhuǎn)子位置中圖分

2、類號(hào):TM341文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AMagnetic Rotary E ncoder and Its Application in PMSMJ I Xue 2wu 1,H E Zheng 2yi 1,ZHAN G Xue 2feng 2(1.De partment of A utomotive Engineering ,Tsinghua Uni versit y ,B ei j ing 100084,China;2.Department of A utomotive Engineering ,B ei hang Universit y ,B ei j ing 100083,China Abstrac

3、t :A magnetic rotary encoder used as PMSM angle sensor was introduced.A intended method based on back 2EMF information is used to decide the relationship between encoder output and rotor position was described in detail.The advantage of the proposed scheme is that there is no need to adjust the enco

4、der af 2ter installing and the installing process of the encoder as PMSM position sensor is simple.Moreover ,experi 2mental result illustrate that motor controller can get the accurate initial rotor position when motor begin to ro 2tate.The test result shows that using the magnetic rotary encoder ,h

5、igh resolution rotor position can be a 2chieved.K ey w ords :permanent magnet synchronous motor ;magnetic rotary encoder ;rotor position與直流電機(jī)相比,永磁同步電機(jī)具有體積小、效率高、無(wú)需維護(hù)等優(yōu)點(diǎn),成為未來(lái)汽車用電動(dòng)轉(zhuǎn)向助力(EPS 電機(jī)的發(fā)展方向。對(duì)于EPS 系統(tǒng),電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)應(yīng)該限制在3%4%之內(nèi),由位置傳感器精度引起的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)應(yīng)限制在1%以內(nèi)1,這就要求電機(jī)位置傳感器具有足夠的精度。AS5040磁旋轉(zhuǎn)編碼器能夠滿足高精度、高可靠性、低成本的設(shè)計(jì)要求

6、。將AS5040磁旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于永磁同步電機(jī)位置檢測(cè)時(shí),需要解決兩個(gè)問(wèn)題:一是磁旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置初始定位,即確定編碼器輸出的位置信號(hào)與電機(jī)實(shí)際位置角的對(duì)應(yīng)關(guān)系;二是獲得電機(jī)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的精確位置。對(duì)于永磁同步電機(jī)來(lái)說(shuō),為得到電機(jī)軸開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)子磁極的位置,通常采用昂貴的絕對(duì)編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來(lái)達(dá)到這樣的要求。本文采用廉價(jià)的AS5040磁旋轉(zhuǎn)編碼器同樣能達(dá)到這一要求。1AS5040工作原理AS5040檢測(cè)轉(zhuǎn)軸角位置時(shí),需在轉(zhuǎn)軸的端部安裝一個(gè)紐扣形磁鐵。AS5040與磁鐵的相對(duì)位置如圖1所示, 其工作原理是通過(guò)芯片內(nèi)部的圖1AS5040與磁鐵相對(duì)位置示意圖Fig.1Typical ar

7、rangement of AS5040and magnet6線性霍爾陣列檢測(cè)出磁鐵的磁場(chǎng)強(qiáng)度分布,從中分離出角度信息2。該磁旋轉(zhuǎn)編碼器具有增量角度輸出和絕對(duì)角度輸出功能。增量角度輸出信號(hào)分為A ,B 兩路,磁鐵相對(duì)AS5040旋轉(zhuǎn)一周,A ,B 通道各輸出256個(gè)周期脈沖,兩路信號(hào)相位相差1/2個(gè)脈沖,可以根據(jù)超前或滯后關(guān)系判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向,通過(guò)4倍頻可以獲得10位的分辨率。AS5040將絕對(duì)角度定義為磁鐵的磁極與霍爾陣列間的角度,磁鐵每旋轉(zhuǎn)一周,AS5040將輸出512個(gè)絕對(duì)角度信號(hào),通過(guò)SPI 通訊可將其讀出。在絕對(duì)角度為0或1023時(shí),IND EX 通道將輸出一個(gè)零位脈沖,可以利用此信號(hào)重置

8、測(cè)量值,消除累積誤差。本文采用TI 公司的TMS320L F2407A 作為電機(jī)控制器,該DSP 具有串行外設(shè)接口模塊(SPI 以及正交編碼器脈沖電路(Q EP ,能夠處理AS5040絕對(duì)角度和增量角度信號(hào)。2AS5040安裝位置初始定位磁旋轉(zhuǎn)編碼器安裝位置初始定位主要目的是獲得在電機(jī)位置角為0時(shí)對(duì)應(yīng)的編碼器絕對(duì)角度,根據(jù)這一信息可以使得電機(jī)位置角與編碼器的絕對(duì)角度一一對(duì)應(yīng)。圖2示出了AS5040,磁鐵磁極,電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極,以及電機(jī)定子A 相軸線四者間的關(guān)系。定義轉(zhuǎn)子磁極與定子A 相軸線重合時(shí)電機(jī)位置角為0,且逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎?。圖2傳感器與電機(jī)間位置關(guān)系Fig.2Relationship be

9、tween and motor position圖2中,1為AS5040軸線與電機(jī)定子A 相軸線的交角,AS5040安裝到電機(jī)端蓋上后,1即被固定;2為磁鐵軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子d 軸(直軸的交角,當(dāng)磁鐵安裝到電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上后,2即被固定;為電機(jī)定子A 相軸線與電機(jī)轉(zhuǎn)子d 軸的交角,即電機(jī)位置角;A x 為AS5040軸線與磁鐵軸線的交角,即AS5040絕對(duì)角度,可以通過(guò)其SSI 接口輸出,并由DSP 的SPI 讀取。可以看到,電機(jī)位置角可以表示為=A x -(1+2(1由于A x 可以從AS5040讀出,為了能求出電機(jī)位置角,還需要測(cè)出(1+2的值。為了測(cè)出(1+2,在電機(jī)位置角=0時(shí),從AS5040

10、讀出此時(shí)的絕對(duì)角度,設(shè)為A 0,根據(jù)式(1得到:1+2=A 0(2根據(jù)式(1、式(2電機(jī)位置角可以表示為=A x -A 0(3同樣在電機(jī)剛開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)的電機(jī)初始位置可由下式得到:0=A x1-(1+2=A x1-A 0(4式中:A x1為電機(jī)剛開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)從AS5040讀出的絕對(duì)角度值。從上面過(guò)程可以看到,一個(gè)必需的步驟是要在電機(jī)位置角=0的時(shí)刻,從AS5040讀出A 0。因?yàn)殡姍C(jī)位置角與電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)相位有關(guān),考慮利用反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)捕捉電機(jī)位置角=0的時(shí)刻。圖3所示的電路引出了電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)。在圖3中,R 是外接電阻,L A ,L B ,L C 是電機(jī)定子三相電感,R A ,R B ,R C 是電

11、機(jī)定子三相電阻。根據(jù)上面對(duì)電機(jī)位置的定義,若R 值取得很大,則定子內(nèi)阻壓降以及電感上的感應(yīng)電壓可以被忽略,電機(jī)A 相反電動(dòng)勢(shì)的表達(dá)式為3e A =f sin (p (5U A =e A(6式中:e A 為電機(jī)A 相反電動(dòng)勢(shì);f 為轉(zhuǎn)子磁通;p 為電機(jī)轉(zhuǎn)子極對(duì)數(shù);為電機(jī)磁極與定子A 相軸線間夾角,即電機(jī)位置角;=d /d t ;U A 的定義見(jiàn)圖3 。圖3A 相反電動(dòng)勢(shì)測(cè)量示意圖Fig.3Measurement circuit of phase back 2EMF從式(5可以看出,通過(guò)檢測(cè)A 相反電動(dòng)勢(shì)正向過(guò)零點(diǎn)即可表明電機(jī)位置角是否等于0。圖4是檢測(cè)A 相反電動(dòng)勢(shì)正向過(guò)零點(diǎn)的示意圖。為了獲得信

12、噪比較高的反電動(dòng)勢(shì)波形,需要利用另外一臺(tái)電機(jī)拖動(dòng)永磁同步電機(jī)以較高的速度作恒速旋轉(zhuǎn)。7季學(xué)武,等:磁旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電機(jī)位置測(cè)量中的應(yīng)用電氣傳動(dòng)2008年第38卷第2期 圖4反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)測(cè)試示意圖Fig.4Detecting of phase back 2EMF zero crossing point s當(dāng)A 相反電動(dòng)勢(shì)正向過(guò)零點(diǎn)時(shí),DSP 發(fā)生捕獲中斷。在中斷服務(wù)子程序中,通過(guò)SPI 讀入AS5040輸出的絕對(duì)角度信號(hào)A 0。盡管電機(jī)拖動(dòng)速度很高,由于在反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)處仍會(huì)有毛刺存在,實(shí)際捕獲過(guò)零點(diǎn)時(shí),過(guò)零比較器仍會(huì)有誤觸發(fā)。在過(guò)零比較器的前級(jí)串入一個(gè)低通濾波器,可解決這一問(wèn)題。由于電

13、機(jī)空載恒速旋轉(zhuǎn),動(dòng)勢(shì)是頻率正比于轉(zhuǎn)速的正弦波,濾波器引起的延遲可以被精確地補(bǔ)償。轉(zhuǎn)子磁極對(duì)數(shù)為p 時(shí),每機(jī)械周期A 相反電動(dòng)勢(shì)將出現(xiàn)p 個(gè)正向過(guò)零點(diǎn),A 0可取AS5040輸出的絕對(duì)角度信號(hào)中最大者。整個(gè)初始定位過(guò)程無(wú)需手工調(diào)整傳感器與電機(jī)的相對(duì)位置,同時(shí)在安裝時(shí)對(duì)傳感器的安裝位置角未作任何要求,從而加快了傳感器的安裝速度。3電機(jī)轉(zhuǎn)子初始位置的確定雖然AS5040能夠輸出絕對(duì)角度信號(hào),但每轉(zhuǎn)只能輸出512個(gè)絕對(duì)角度信號(hào);另外,需要通過(guò)串行通訊才能獲取絕對(duì)角度信號(hào)。在汽車較為惡劣的電磁環(huán)境中,串行通訊降低了信號(hào)傳輸過(guò)程中的可靠性;同時(shí),由于串行信號(hào)的傳輸延遲,在電機(jī)轉(zhuǎn)速較高時(shí),不能實(shí)時(shí)獲取角度信

14、號(hào)。根據(jù)AS5040可以同時(shí)輸出增量角度和絕對(duì)角度的特點(diǎn),只將絕對(duì)角度信號(hào)用于電機(jī)初始位置的確定,電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中的位置角由增量角度信號(hào)決定,從而能夠得到分辨率為10位的電機(jī)位置信號(hào)。當(dāng)電機(jī)控制器上電時(shí),在DSP 的初始化程序中啟動(dòng)SPI ,從AS5040的SSI 讀取AS5040的絕對(duì)角度,記為A X1,根據(jù)式(4,電機(jī)初始位置角的計(jì)算如下:0=A x1-A 0A x1-A 00A x1-A 0+1023A x1-A 0<0(7從上面的過(guò)程可以看到,只需在電機(jī)剛開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),通過(guò)SPI 讀入一次AS5040的絕對(duì)角度信號(hào),利用這個(gè)信號(hào)即可獲得電機(jī)初始位置角,測(cè)量誤差為±0.35

15、°。4電機(jī)位置角的測(cè)量從電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)到第一個(gè)INDEX 信號(hào)出現(xiàn)之前,電機(jī)位置角根據(jù)增量信號(hào)的脈沖個(gè)數(shù)以0為起始位置作增減。當(dāng)AS5040的IND EX 信號(hào)出現(xiàn)時(shí),對(duì)應(yīng)的AS5040絕對(duì)角度為0或者1023。為了消除累積誤差,需要利用INDEX 信號(hào)重置電機(jī)位置角,根據(jù)式(3,重置后的電機(jī)位置角為(1023-A 0。這一過(guò)程可由DSP 的正交編碼器脈沖電路(Q EP 完成。Q EP 模塊能夠?qū)/B 增量脈沖信號(hào)4倍頻,同時(shí)能夠根據(jù)兩路信號(hào)的相位關(guān)系提取轉(zhuǎn)向信息,簡(jiǎn)化了外圍電路。5試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極為3對(duì)極,電機(jī)反電動(dòng)勢(shì) 為正弦波。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,電機(jī)由另一直流電機(jī)拖動(dòng),轉(zhuǎn)速為630r/min 。試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示,電機(jī)位置角通過(guò)D/A 輸出,反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)根據(jù)圖3取出?？梢钥吹?反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)與實(shí)測(cè)電機(jī)位置角的零點(diǎn)符合得很好。圖5反電動(dòng)勢(shì)與實(shí)測(cè)電機(jī)位置角的關(guān)系Fig.5Relationship between back 2EMF and motor position6結(jié)論目前已將AS5040應(yīng)用在汽車電動(dòng)助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的永磁同步電機(jī)上。運(yùn)行試驗(yàn)表明本文的方案能夠?qū)崿F(xiàn)精確的轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè),同時(shí)能夠獲得較高分辨率的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。參考文獻(xiàn)1Liu Guang ,Kurnia A ,DeLarminat R ,et al .Position SensorError An