[发明专利]交流伺服系统中电机转子初始位置的检测方法及装置

说明书

本发明属于伺服系统技术，涉及交流伺服系统中交流永磁电机转子磁场初始位置的确定方法及其装置。

这里所说的交流伺服系统包括交流伺服驱动器和交流永磁电机(以下简称电机)两部分。交流伺服驱动器输出电流对电机定子供电，电机作为执行部件输出转矩。为了使电机输出转矩最大，并且与驱动器输出电流成正比，必须控制电机定子电流，使之产生的空间磁场方向在任何时刻都与电机转子磁场方向正交。驱动器对电机定子供电，定子空间磁场方向是根据给定电流相位而确定的，但是转子磁场的方向在系统初始上电时是随机的，并且由于停机、断电等多种原因，每次都要求迅速准确地确定电机转子磁极位置即转子磁场的方向。

为了确定电机转子磁场的方向，电机转子同轴上必须装有检测转子位置的位置检测器。按其检测输出方式，位置检测器可以分为绝对式和相对式两种。采用与电机同轴固定的绝对式位置检测器，例如旋转变压器，可以在任何时刻和状态，通过相关技术处理，直接获得电机转子磁场的绝对位置。但是这种以绝对式位置检测方法，没有数控机床定位所需要的位置检测A、B脉冲信号的直接输出，所以与数控(CNC)接口困难。目前通常采用带有A、B、Z三种脉冲直接输出的增量式光电编码器(简称编码器)作为电机转子位置检测器。

增量式光电编码器输出A、B、Z三种脉冲信号。当转轴顺时针旋转时，A脉冲信号超前B脉冲信号90度；逆时针方向旋转时B信号超前A信号90度。同时编码器每旋转一周在确认的某一固定位置输出一次Z脉冲信号(即为零位信号)。

增量式光电编码器与伺服电机同轴安装时，通常需要调整其在转轴上的安装位置，使之有Z脉冲输出时，即编码器的零位与电机转子N极重合，如图1-a所示。同时将A、B脉冲输入计数器作为位置检测。如果电机转子11从图1-a旋转到图1-b所示的位置，电机转子11转过的角度θ如下式：

在以上述增量式光电编码器构成伺服系统电机转子位置检测器时，必须要知道转子在零位时的计数器值No。但是当系统初始上电时，电机转子的位置是随机不定的，而伺服驱动器并不知道初始零位时的计数器值No，所以无法计算出转子位置，并对其进行正确控制。

现有技术找零位的方法是这样的：系统上电后，无论电机转子处于什么位置，伺服驱动器开环输出电流驱动电机转子顺时针或逆时针旋转，直到接收有Z脉冲输入为止(即找到零位)，记下此时计数器值No。只有在找到零位之后，电机转子位置θ角才能正确确定，伺服系统也才能进入闭环控制而正常运行。

但是交流伺服系统用于数控机床的进给运动驱动时，现有技术初始上电过程自动找零位的方法至少在下述两种情况下是不允许的。

(1)在全闭环数控机床中，如果其进给机构位于两端极限位置时，驱动器上电后驱动电机自由旋转找零位，可能会损坏光栅尺或机械限位机构。

(2)在数控机床工作时发生突然断电(例如电网临时停电)，此时刀具仍在加工工件中，如果驱动器再次上电后，驱动电机自由旋转找零位时可能会损坏刀具或工件。

显然，现有技术存在的问题有待解决，缺点有待克服。

本发明的目的是提供一种交流伺服系统中确定交流永磁电机转子磁场初始位置的检测方法，它克服了现有技术的缺点，可以快速、安全、准确地完成初始零位的检测定位；本发明的目的还在于提供一种适用于本发明方法的装置。

本发明方法是控制伺服驱动器输出不同相位、不同幅值的电流，用以改变电机定子三相电流所产生的空间磁场的方向及大小，同时控制电机转子的转动，将其限制在±360/P度之内，这里的P为增量式光电编码器的总线数。如此逐步循环逼近，直到某给定相位的三相电流在电机中所产生的空间磁场的方向与电机转子磁场的方向重合，此时给定电流的相位角就是转子的初始角θ₀。

以下结合附图详细说明本发明方法的原理和步骤，本发明装置的特点及其实施例。

图1增量式光电编码器的工作原理

(a)有Z脉冲输出，编码器的零位与电机转子N极重合。

(b)电机转子转过θ角。

图2定子的空间矢量磁势与永磁转子磁场。

图3本发明电机转子初始位置角检测方法流程图。

图4采用本发明装置组成的交流伺服系统简图。

图5本发明装置原理图

图6三相逆变器中的一相(单相)原理图

先结合附图详细说明本发明方法的原理和步骤。本发明装置可以随时控制输出不同相位及不同幅值的三相正弦波电流。式中1-三相电流幅值