磁旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電機位置測量中的應(yīng)用

1、磁旋轉(zhuǎn)編碼器在永磁同步電機位置測量中的應(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:為了檢測永磁同步電機磁極位置,在電機位置傳感器安裝之后要對其進行初始定位。根據(jù)電機反電動勢信號與電機位置角的關(guān)系,利用電機反電動勢過零信號來定位磁旋轉(zhuǎn)編碼器。根據(jù)這一方案,無需調(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角度與電機位置角的關(guān)系。測試結(jié)果還表明,根據(jù)磁旋轉(zhuǎn)編碼器輸出的絕對角度,在電機剛開始轉(zhuǎn)動時就能夠精確檢測出電機磁極的初始位置,其分辨率能夠滿足課題要求。關(guān)鍵詞:永磁同步電機;磁旋轉(zhuǎn)編碼器;轉(zhuǎn)子位置中圖分

2、類號:TM341文獻標(biāo)識碼: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與直流電機相比,永磁同步電機具有體積小、效率高、無需維護等優(yōu)點,成為未來汽車用電動轉(zhuǎn)向助力(EPS 電機的發(fā)展方向。對于EPS 系統(tǒng),電機輸出轉(zhuǎn)矩波動應(yīng)該限制在3%4%之內(nèi),由位置傳感器精度引起的轉(zhuǎn)矩波動應(yīng)限制在1%以內(nèi)1,這就要求電機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)計要求

6、。將AS5040磁旋轉(zhuǎn)編碼器應(yīng)用于永磁同步電機位置檢測時,需要解決兩個問題: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與電機實際位置角的對應(yīng)關(guān)系;二是獲得電機軸開始轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子磁極的精確位置。對于永磁同步電機來說,為得到電機軸開始轉(zhuǎn)動時轉(zhuǎn)子磁極的位置,通常采用昂貴的絕對編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器來達到這樣的要求。本文采用廉價的AS5040磁旋轉(zhuǎn)編碼器同樣能達到這一要求。1AS5040工作原理AS5040檢測轉(zhuǎn)軸角位置時,需在轉(zhuǎn)軸的端部安裝一個紐扣形磁鐵。AS5040與磁鐵的相對位置如圖1所示, 其工作原理是通過芯片內(nèi)部的圖1AS5040與磁鐵相對位置示意圖Fig.1Typical ar

7、rangement of AS5040and magnet6電氣傳動2008年第38卷第2期EL ECTRIC DRIV E 2008Vol.38No.2線性霍爾陣列檢測出磁鐵的磁場強度分布,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角度輸出功能。增量角度輸出信號分為A ,B 兩路,磁鐵相對AS5040旋轉(zhuǎn)一周,A ,B 通道各輸出256個周期脈沖,兩路信號相位相差1/2個脈沖,可以根據(jù)超前或滯后關(guān)系判斷轉(zhuǎn)動方向,通過4倍頻可以獲得10位的分辨率。AS5040將絕對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個絕對角度信號,通過SPI 通訊可

8、將其讀出。在絕對角度為0或1023時,IND EX 通道將輸出一個零位脈沖,可以利用此信號重置測量值,消除累積誤差。本文采用TI 公司的TMS320L F2407A 作為電機控制器,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絕對角度和增量角度信號。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位置角為0時對應(yīng)的編碼器絕對角度,根據(jù)這一信息可以使得電機位置角與編碼器的絕對角度一一對應(yīng)。圖2示出了AS5040,磁鐵磁極,電機轉(zhuǎn)子磁極,以及電機定子A 相軸線四者間的關(guān)系。定義轉(zhuǎn)子磁極與定子A 相軸線重合時電機位置角

9、為0,且逆時針方向為正向 。圖2傳感器與電機間位置關(guān)系Fig.2Relationship between and motor position圖2中,1為AS5040軸線與電機定子A 相軸線的交角,AS5040安裝到電機端蓋上后,1即被固定;2為磁鐵軸線與電機轉(zhuǎn)子d 軸(直軸的交角,當(dāng)磁鐵安裝到電機轉(zhuǎn)子軸上后,2即被固定;為電機定子A 相軸線與電機轉(zhuǎn)子d 軸的交角,即電機位置角;A x 為AS5040軸線與磁鐵軸線的交角,即AS5040絕對角度,可以通過其SSI 接口輸出,并由DSP 的SPI 讀取?？梢钥吹?電機位置角可以表示為=A x -(1+2(1由于A x 可以從AS5040讀出,為了

10、能求出電機位置角,還需要測出(1+2的值。為了測出(1+2,在電機位置角=0時,從AS5040讀出此時的絕對角度,設(shè)為A 0,根據(jù)式(1得到:1+2=A 0(2根據(jù)式(1、式(2電機位置角可以表示為=A x -A 0(3同樣在電機剛開始旋轉(zhuǎn)時的電機初始位置可由下式得到:0=A x1-(1+2=A x1-A 0(4式中:A x1為電機剛開始旋轉(zhuǎn)時從AS5040讀出的絕對角度值。從上面過程可以看到,一個必需的步驟是要在電機位置角=0的時刻,從AS5040讀出A 0。因為電機位置角與電機反電動勢相位有關(guān),考慮利用反電動勢信號捕捉電機位置角=0的時刻。圖3所示的電路引出了電機反電動勢信號。在圖3中,R

11、 是外接電阻,L A ,L B ,L C 是電機定子三相電感,R A ,R B ,R C 是電機定子三相電阻。根據(jù)上面對電機位置的定義,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A 相反電動勢的表達式為3e A =f sin (p (5U A =e A(6式中:e A 為電機A 相反電動勢;f 為轉(zhuǎn)子磁通;p 為電機轉(zhuǎn)子極對數(shù);為電機磁極與定子A 相軸線間夾角,即電機位置角;=d /d t ;U A 的定義見圖3 。圖3A 相反電動勢測量示意圖Fig.3Measurement circuit of phase back 2EMF從式(5可以看出,通過檢測A 相反電動勢

12、正向過零點即可表明電機位置角是否等于0。圖4是檢測A 相反電動勢正向過零點的示意圖。為了獲得信噪比較高的反電動勢波形,需要利用另外一臺電機拖動永磁同步電機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位置測量中的應(yīng)用電氣傳動2008年第38卷第2期 圖4反電動勢過零點測試示意圖Fig.4Detecting of phase back 2EMF zero crossing point s當(dāng)A 相反電動勢正向過零點時,DSP 發(fā)生捕獲中斷。在中斷服務(wù)子程序中,通過SPI 讀入AS5040輸出的絕對角度信號A 0。盡管電機拖動速度很高,由于在反電動勢過零點處仍會有毛刺存在,實際捕獲

13、過零點時,過零比較器仍會有誤觸發(fā)。在過零比較器的前級串入一個低通濾波器,可解決這一問題。由于電機空載恒速旋轉(zhuǎn),動勢是頻率正比于轉(zhuǎn)速的正弦波,濾波器引起的延遲可以被精確地補償。轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)為p 時,每機械周期A 相反電動勢將出現(xiàn)p 個正向過零點,A 0可取AS5040輸出的絕對角度信號中最大者。整個初始定位過程無需手工調(diào)整傳感器與電機的相對位置,同時在安裝時對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電機轉(zhuǎn)子初始位置的確定雖然AS5040能夠輸出絕對角度信號,但每轉(zhuǎn)只能輸出512個絕對角度信號;另外,需要通過串行通訊才能獲取絕對角度信號。在汽車較為惡劣的電磁環(huán)境中,串行通訊降

14、低了信號傳輸過程中的可靠性;同時,由于串行信號的傳輸延遲,在電機轉(zhuǎn)速較高時,不能實時獲取角度信號。根據(jù)AS5040可以同時輸出增量角度和絕對角度的特點,只將絕對角度信號用于電機初始位置的確定,電機在運行過程中的位置角由增量角度信號決定,從而能夠得到分辨率為10位的電機位置信號。當(dāng)電機控制器上電時,在DSP 的初始化程序中啟動SPI ,從AS5040的SSI 讀取AS5040的絕對角度,記為A X1,根據(jù)式(4,電機初始位置角的計算如下:0=A x1-A 0A x1-A 00A x1-A 0+1023A x1-A 00(7從上面的過程可以看到,只需在電機剛開始轉(zhuǎn)動時,通過SPI 讀入一次AS50

15、40的絕對角度信號,利用這個信號即可獲得電機初始位置角,測量誤差為0.35。4電機位置角的測量從電機開始轉(zhuǎn)動到第一個INDEX 信號出現(xiàn)之前,電機位置角根據(jù)增量信號的脈沖個數(shù)以0為起始位置作增減。當(dāng)AS5040的IND EX 信號出現(xiàn)時,對應(yīng)的AS5040絕對角度為0或者1023。為了消除累積誤差,需要利用INDEX 信號重置電機位置角,根據(jù)式(3,重置后的電機位置角為(1023-A 0。這一過程可由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4倍頻,同時能夠根據(jù)兩路信號的相位關(guān)系提取轉(zhuǎn)向信息,簡化了外圍電路。5試驗結(jié)果試驗電機轉(zhuǎn)子磁極為3對極,電機反

16、電動勢 為正弦波。實驗過程中,電機由另一直流電機拖動,轉(zhuǎn)速為630r/min 。試驗結(jié)果如圖5所示,電機位置角通過D/A 輸出,反電動勢信號根據(jù)圖3取出。可以看到,反電動勢的過零點與實測電機位置角的零點符合得很好。圖5反電動勢與實測電機位置角的關(guān)系Fig.5Relationship between back 2EMF and motor position6結(jié)論目前已將AS5040應(yīng)用在汽車電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的永磁同步電機上。運行試驗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,同時能夠獲得較高分辨率的轉(zhuǎn)子位置信號。參考文獻1Liu Guang ,Kurnia A ,DeLarminat R ,et al .Position SensorError Analysis for EPS Motor Drive J .Proceeding