低成本永磁交流伺服系统设计

    韩安太¹，郭小华²

(1中国计量学院，浙江杭州310018；2杭州职业技术学院，浙江杭州310018)

    摘要：提出一种使用线性霍尔传感器作为龟机反馈元件的永磁同步电动机交流伺服控制系统。该系统采用线性霍尔传感器代替光电编码器和开关霍尔传感器，从线性霍尔传感器输出信号中得到转子位置和速度信息；在此基础上，给出一种直接在三相静止坐标系中产生相电流命令的磁场定向控制算法：将提出的交流伺服系统应用在工业缝纫机中，实现结果表明了所设计控制系统合理可行，具有较高性价比。

    关键词：线性霍尔传感器；伺服控制；磁场定向控制；永磁同步电动机

    中图分类号：TM383．4⁺2  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)12—0016—04

0前言

在基于永磁同步电动机的交流伺服系统中，一般采用磁场定向控制等方法^[1-2]来实现电机速度、位置的准确控制，这些控制方法要求实时采集转子位置、速度反馈信号，从而实现对电机定子电流大小、方向的控制。在现有交流伺服系统中，转子位置、速度的检测一般通过在电机本体上安装三个开关霍尔传感器和一定精度的增量式光电编码器来实现^[3-4]。

    使用开关霍尔传感器和增量式光电编码器作为反馈元件的交流伺服系统可保证较高控制精度，但是，多个反馈元件的使用增加了电机制造成本、制造工序和引线数，且降低了系统可靠性；另外，磁场定向控制方法本身涉及静止坐标系和旋转坐标系之间的矢量变换运算，这种运算需耗费较多存储和计算资源，间接增加了系统成本和实现难度，从而使得该类型交流伺服系统难以在一些要求高性能、低成本的场合(如工业缝纫机等)应用^[6]。

针对上述问题，从提高控制性能、减少实现成本角度出发，本文介绍一种使用线性霍尔传感器作为转子位置、速度反馈元件的新型永磁同步电动机交流伺服系统，详细给出了转子位置和速度的检测方法；在此基础上，利用文献结论，给出一种不需要进行坐标变换的磁场定向控制策略实现方法；在工业缝纫机主轴电机控制系统中的应用结果表明，所设计的交流伺服系统合理可行，具有较高性价比。

l转子位置、速度检测

    在现有基于开关霍尔传感器和增量式光电编码器的永磁同步电动机交流伺服系统中，开关霍尔传感器主要用来确定电机起动时转子的大概位置(精度为60^。电角度)，以便控制器可以将电流输人适当定子绕组，实现电机起动，同时，在电机运行过程中用于提供电流换向信号；光电编码器主要用于电机运行时转子位置检测，并实现转子速度计算。由于转子位置信息是磁场定向控制方法中进行坐标变换、速度控制、位置控制等运算时必需的输入信息，其采样精度对控制效果具有重要影响。

    为了降低系统成本且保证控制性能，本文提出一种基于线性霍尔传感器的新型交流伺服系统。该系统使用价格低廉的线性霍尔传感器代替永磁同步电动机上安装的增量式光电编码器和开关霍尔传感器，通过对线性霍尔传感器输出信号进行检测，实现电机起动、电流换向、转子位置和速度信息反馈。

    以单极对永磁同步电动机为例，将三个线性霍尔传感器以彼此相差120^。电角度的方式安装在定子上，由于永磁同步电动机气隙磁场波形是正弦波，当线性霍尔传感器处于正弦波气隙磁场中时，其输出电压信号u_h1、u_h2、u_h3与气隙磁场分布的波形相同，且幅值固定^[7]，即：

式中：K为气隙磁场基波霍尔电势幅值，K=K_hI_hB_m；K_h为霍尔传感器的霍尔电势系数，单位为V／(A.T)；I_h为霍尔传感器的励磁电流，单位为A；B_m为被敏感气隙磁场的磁感应强度峰值，单位为T；θ=ω_t，ω为转子角速度，单位为rad／s。

    由式(1)可知，转子位置的任何变化都会使线性霍尔传感器输出信号改变，因此，可以从线性霍尔传感器输出信号中获得转子位置、转速等信息，具体实现思路如图1所示。

    由图1可知，首先，将360^。电气角根据三相正弦波的正