低成本永磁交流伺服系統(tǒng)設計

    韓安太¹，郭小華²

(1中國計量學院，浙江杭州310018；2杭州職業(yè)技術(shù)學院，浙江杭州310018)

    摘要：提出一種使用線性霍爾傳感器作為龜機反饋元件的永磁同步電動機交流伺服控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用線性霍爾傳感器代替光電編碼器和開關霍爾傳感器，從線性霍爾傳感器輸出信號中得到轉(zhuǎn)子位置和速度信息；在此基礎上，給出一種直接在三相靜止坐標系中產(chǎn)生相電流命令的磁場定向控制算法：將提出的交流伺服系統(tǒng)應用在工業(yè)縫紉機中，實現(xiàn)結(jié)果表明了所設計控制系統(tǒng)合理可行，具有較高性價比。

    關鍵詞：線性霍爾傳感器；伺服控制；磁場定向控制；永磁同步電動機

    中圖分類號：TM383．4⁺2  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)12—0016—04

0前言

在基于永磁同步電動機的交流伺服系統(tǒng)中，一般采用磁場定向控制等方法^[1-2]來實現(xiàn)電機速度、位置的準確控制，這些控制方法要求實時采集轉(zhuǎn)子位置、速度反饋信號，從而實現(xiàn)對電機定子電流大小、方向的控制。在現(xiàn)有交流伺服系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置、速度的檢測一般通過在電機本體上安裝三個開關霍爾傳感器和一定精度的增量式光電編碼器來實現(xiàn)^[3-4]。

    使用開關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，多個反饋元件的使用增加了電機制造成本、制造工序和引線數(shù)，且降低了系統(tǒng)可靠性；另外，磁場定向控制方法本身涉及靜止坐標系和旋轉(zhuǎn)坐標系之間的矢量變換運算，這種運算需耗費較多存儲和計算資源，間接增加了系統(tǒng)成本和實現(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、低成本的場合(如工業(yè)縫紉機等)應用^[6]。

針對上述問題，從提高控制性能、減少實現(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機交流伺服系統(tǒng)，詳細給出了轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測方法；在此基礎上，利用文獻結(jié)論，給出一種不需要進行坐標變換的磁場定向控制策略實現(xiàn)方法；在工業(yè)縫紉機主軸電機控制系統(tǒng)中的應用結(jié)果表明，所設計的交流伺服系統(tǒng)合理可行，具有較高性價比。

l轉(zhuǎn)子位置、速度檢測

    在現(xiàn)有基于開關霍爾傳感器和增量式光電編碼器的永磁同步電動機交流伺服系統(tǒng)中，開關霍爾傳感器主要用來確定電機起動時轉(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定子繞組，實現(xiàn)電機起動，同時，在電機運行過程中用于提供電流換向信號；光電編碼器主要用于電機運行時轉(zhuǎn)子位置檢測，并實現(xiàn)轉(zhuǎn)子速度計算。由于轉(zhuǎn)子位置信息是磁場定向控制方法中進行坐標變換、速度控制、位置控制等運算時必需的輸入信息，其采樣精度對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)使用價格低廉的線性霍爾傳感器代替永磁同步電動機上安裝的增量式光電編碼器和開關霍爾傳感器，通過對線性霍爾傳感器輸出信號進行檢測，實現(xiàn)電機起動、電流換向、轉(zhuǎn)子位置和速度信息反饋。

    以單極對永磁同步電動機為例，將三個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，由于永磁同步電動機氣隙磁場波形是正弦波，當線性霍爾傳感器處于正弦波氣隙磁場中時，其輸出電壓信號u_h1、u_h2、u_h3與氣隙磁場分布的波形相同，且幅值固定^[7]，即：

式中：K為氣隙磁場基波霍爾電勢幅值，K=K_hI_hB_m；K_h為霍爾傳感器的霍爾電勢系數(shù)，單位為V／(A.T)；I_h為霍爾傳感器的勵磁電流，單位為A；B_m為被敏感氣隙磁場的磁感應強度峰值，單位為T；θ=ω_t，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使線性霍爾傳感器輸出信號改變，因此，可以從線性霍爾傳感器輸出信號中獲得轉(zhuǎn)子位置、轉(zhuǎn)速等信息，具體實現(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