摘要：使用大減速比減速器的衛(wèi)星天線指向機(jī)構(gòu)難以從傳動(dòng)鏈末端反推獲得電機(jī)的精確位置信息。將永磁同步電機(jī)(PMSM)定子安裝開關(guān)HALL用于細(xì)分電角度空間，構(gòu)成一種位置傳感器是較好的解決方案。本文提出一種基于微步進(jìn)控制理論的開關(guān)HALL輸出信號(hào)與電機(jī)磁極位置定標(biāo)方法。該方法無(wú)需借用外部設(shè)備即可完成多開關(guān)HAI Jl_與電機(jī)控制用磁極位置電角度信號(hào)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，依照該方法建立的基于多開關(guān)HALL的PMSM矢量控制系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度高，在存在較大摩擦轉(zhuǎn)矩情況下轉(zhuǎn)速精度達(dá)±2％，具有驅(qū)動(dòng)效率高，易于數(shù)字實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：天線指向機(jī)構(gòu)；永磁同步；Hall；微步進(jìn)；空間矢量脈寬調(diào)制；數(shù)字信號(hào)處理器
0.引 言
PMSM的微步進(jìn)控制方法將PMSM模擬為一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，進(jìn)行位置開環(huán)控制，可以取得較好定位效果，但是驅(qū)動(dòng)功率恒定，驅(qū)動(dòng)效率無(wú)法保證；PMSM的無(wú)傳感器控制方法受到各國(guó)學(xué)者關(guān)注和大量研究，但是或者不適合低速應(yīng)用，或者要求電機(jī)具備某些特性比如較高凸極率，不適合普通PMSM應(yīng)用。
通過(guò)在電機(jī)定子安裝開關(guān)HALL，將開關(guān)信號(hào)與電機(jī)磁極位置信息進(jìn)行標(biāo)定，可以獲得足夠精度的位置信息，并可以構(gòu)成矢量控制系統(tǒng).也有學(xué)者結(jié)合稱其為“偽無(wú)傳感器”方法。但是安裝誤差、磁極偏差等系統(tǒng)誤差的存在將嚴(yán)重影響系統(tǒng)控制精度，增大輸出力矩誤差。本文提出一種基于微步進(jìn)控制理論的開關(guān)HAlll_輸出信號(hào)與電機(jī)磁極位置標(biāo)定方法，將空間電角度細(xì)分，驅(qū)動(dòng)PMSM步進(jìn)運(yùn)行，同時(shí)標(biāo)定HALL信號(hào)狀態(tài)。通過(guò)標(biāo)定，每種HALL信號(hào)狀態(tài)即代表電機(jī)磁極處于一定的空間電角度范圍內(nèi)，此時(shí)可以使用近似矢量控制或直接轉(zhuǎn)矩控制。通過(guò)一臺(tái)安裝9開關(guān)HALLPMSM進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該標(biāo)定方法精度較高，依據(jù)該方法獲得的電機(jī)位置信號(hào)精度足夠高性能驅(qū)動(dòng)使用，系統(tǒng)運(yùn)行良好。
PMSM的步進(jìn)控制是指使同步電動(dòng)機(jī)的氣隙磁動(dòng)勢(shì)由連續(xù)的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)變?yōu)殡x散的步進(jìn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子以一定步距角前進(jìn)的控制方法。文獻(xiàn)[3]首先提出一種電壓矢量劃分的步進(jìn)控制方案，此方案用于電子閥門控制中，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了迅速的轉(zhuǎn)速響應(yīng)。文獻(xiàn)[4]詳細(xì)敘述了使用6個(gè)主電壓矢量控制方法的模型構(gòu)建原理。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了轉(zhuǎn)速響應(yīng)的迅速性。文獻(xiàn)[5]介紹了一種定子繞組電流相位劃分的方法，使用bH種通電方式，每一種通電方式產(chǎn)生一種特定大小和方向的復(fù)位轉(zhuǎn)矩，力求將電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子鎖定在一個(gè)特定的位置上，所給出的實(shí)驗(yàn)證明12步進(jìn)方式的有效性；文獻(xiàn)[6]在使用bH種通電方式的基礎(chǔ)上應(yīng)用了矩角控制方法，改善了轉(zhuǎn)矩響應(yīng)特性；文獻(xiàn)[7]提出一種PwM死區(qū)開環(huán)補(bǔ)償方法，驅(qū)動(dòng)裝置中沒有電流、轉(zhuǎn)速、位置等閉環(huán)控制環(huán)節(jié)，步距均勻性得到改善，可達(dá)到32步一個(gè)循環(huán)，每轉(zhuǎn)128步，并給出實(shí)驗(yàn)證明方法的有效性，步進(jìn)角達(dá)到了．8125°。文獻(xiàn)[8]在12步進(jìn)方式基礎(chǔ)上使用模糊控制器，提高了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。
本文使用Ⅱ公司生產(chǎn)電機(jī)控制專用DsP芯片組建控制系統(tǒng)對(duì)PMsM進(jìn)行定位控制，應(yīng)用svPwM輸出方式輸出特定轉(zhuǎn)角的電壓矢量，實(shí)現(xiàn)360°電角度的65536劃分。理論上步距角達(dá)到19.8″，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明所述的控制方法具有較高定位控制精度。因?yàn)榧?xì)分?jǐn)?shù)可以更高，所以稱為微步進(jìn)控制方法。
1 步進(jìn)控制方式
1．1 旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)離散化為步進(jìn)磁場(chǎng)定子電壓矢量的電角度范圍為[O°，360°]，劃分為k份，稱k為細(xì)分?jǐn)?shù)k∈[1，+∞]。則按電角度計(jì)算的步進(jìn)角為：
設(shè)電機(jī)極對(duì)數(shù)為pm，則每轉(zhuǎn)細(xì)分的步進(jìn)數(shù)目為pmk，機(jī)械步進(jìn)角為：
理論上k可以無(wú)限大，則ae可以任意小，定子電壓矢量以任意小的ae步進(jìn)，牽引轉(zhuǎn)子以am步進(jìn)，最終定位于指定位置；需要高轉(zhuǎn)速時(shí)，定子電壓矢量可以m倍步進(jìn)角即mae旋轉(zhuǎn)，m可由轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出。
1．2步進(jìn)運(yùn)動(dòng)的矩角特性
PMSM穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，忽略定子電阻，并將鐵耗、雜散損耗記入電磁功率，有轉(zhuǎn)矩公式：
式中，Te為電磁轉(zhuǎn)矩；pn為電機(jī)極對(duì)數(shù)；職為轉(zhuǎn)子永磁磁鏈；is為電機(jī)定子電流矢量幅值；盧為電
流矢量與轉(zhuǎn)子直軸夾角；∞為電機(jī)電角速度；Ld為直軸電感；Lq為交軸電感。
一般表貼式PMsM磁路對(duì)稱，即有Ld=Lq。忽略由磁路不對(duì)稱性引起的磁阻轉(zhuǎn)矩，可得：
由式可知，如果保持電流矢量幅值is不變，改變電流矢量與轉(zhuǎn)子直軸夾角口，則電磁轉(zhuǎn)矩與矩
角θ正弦值成正比。使電壓矢量步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，改變矩角θ，即可增大或減小轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)定位或調(diào)速。
調(diào)速穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，若按電角度計(jì)算，電壓矢量旋轉(zhuǎn)一周，旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)在氣隙中也旋轉(zhuǎn)了2叮r的
電角度，所以旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)每秒鐘的轉(zhuǎn)速為：
n1=f/pn (5)
式中，f為定子電流的頻率。
定位控制時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩有：
T1=Tem=KUsinθ1 (6)
式中，T1為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，θ1為穩(wěn)態(tài)矩角。
控制時(shí)我們只需確定參考電壓矢量Uref的幅值U及其初始相位φi，并使其按照我們規(guī)定的方向
以m倍電步進(jìn)角mae步進(jìn)旋轉(zhuǎn)，即有：
φ=φi+mae (7)
可在矩角為θ1的情況下控制PMsM步進(jìn)運(yùn)行。
2 HAILL狀態(tài)標(biāo)定方法
2．1 HALL狀態(tài)獲取
將開關(guān)HAI上信號(hào)全部引出，經(jīng)去噪整形電路和調(diào)理電路后送入DsP。以9個(gè)HALL電機(jī)為例，
共將電角度空間劃分為18個(gè)區(qū)間，如圖1所示：
由圖可知這18個(gè)狀態(tài)為100001111～000001111等，其十進(jìn)制數(shù)值為15、30……496。
此二進(jìn)制數(shù)可作為位置信號(hào)進(jìn)行電機(jī)控制。
2．2轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)開關(guān)HALL個(gè)數(shù)與細(xì)分電角度空間關(guān)系如表所述：
根據(jù)表1所示，綜合考慮轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和安裝復(fù)雜度，選用9HAJL_永磁同步電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。
2．3磁極位置信息獲取方法在一個(gè)控制周期中，在獲得步進(jìn)角的情況下，必須將步進(jìn)角與上一次控制輸出電流給定相位角結(jié)合以獲得本次控制輸出。此時(shí)可以獲得給定的電機(jī)磁極位置。理想空載狀態(tài)下，由于磁拉力的作用，磁極參考給定位置θr_ref就是磁極的真實(shí)位置θr。在實(shí)際系統(tǒng)中，由于摩擦阻力等因素的影響，會(huì)有一個(gè)負(fù)載角θ1=θr_ref一θr存在，此時(shí)阻力矩為：
ψfissinθ為消除θ1的影響，假設(shè)阻力矩是雙方向平衡的，進(jìn)行以下步驟進(jìn)行調(diào)試：
①使電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)，當(dāng)HA LL_狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)停止電機(jī)運(yùn)行，記錄當(dāng)前θr_ref(1)；②使電機(jī)反轉(zhuǎn)，當(dāng)HALL狀態(tài)發(fā)生改變時(shí)停止電機(jī)運(yùn)行，記錄當(dāng)前θr_ref(2)；③此HALL狀態(tài)跳變處位置記為θr_reC=[θθr_ref(2)]／2。
④由于HALL傳感器安裝難免有誤差的存在，所以可以對(duì)每處HALL狀態(tài)跳變處位置進(jìn)行標(biāo)定。
如果忽略此誤差，則可以進(jìn)行一次標(biāo)定，其余取個(gè)對(duì)稱電角度位置即可。
本控制系統(tǒng)主要由穩(wěn)恒直流電源電路、系統(tǒng)給定電路、數(shù)碼顯示電路、主控單元芯片、隔離驅(qū)動(dòng)電路、MOsFET功率電路、HALL電流檢測(cè)電路、角位置檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路、過(guò)壓過(guò)流檢測(cè)電路和精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu)組成。系統(tǒng)給定電路提供角位置給定信號(hào)；數(shù)碼顯示電路顯示目前系統(tǒng)控制信息；HA LL電流檢測(cè)電路采樣M0sFET功率電路輸出電流，經(jīng)濾波和電平轉(zhuǎn)換生成O V一3 V電流檢測(cè)信號(hào)，送入DSP兩個(gè)12位AD轉(zhuǎn)換單元；9路開關(guān)HALL生成9路信號(hào)，經(jīng)濾波整形電路送入DsP芯片作為位置信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。
2．4系統(tǒng)參數(shù)
實(shí)驗(yàn)使用電機(jī)參數(shù)如表2所示。
2．5步進(jìn)65536細(xì)分控制
將細(xì)分?jǐn)?shù)k=65 536。如圖3所示，曲線1為相電流波形。本系統(tǒng)采用的是sVPwM調(diào)制方式，在低速時(shí)可以呈現(xiàn)比較好的正弦性，而在高速時(shí)電流波形將成為馬鞍形。因?yàn)閟VPWM調(diào)制本質(zhì)是一種調(diào)制波為三相對(duì)稱的馬鞍形渡的、規(guī)則采樣的一種變型sPwM。其馬鞍形調(diào)制波由對(duì)稱正弦波中注入了三次諧波零序分量產(chǎn)生。由于細(xì)分?jǐn)?shù)很高，電機(jī)相電流波形難以看出有鋸齒狀，這也保證了電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)。曲線2為一路HALL信號(hào)，間距均勻，表明轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。
2．6 HALL狀態(tài)變化
如圖4所示為電機(jī)運(yùn)行產(chǎn)生的HALL信號(hào)狀態(tài)變化。曲線1為電機(jī)相電流，曲線2為HALL狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)DA輸出。可見一個(gè)電角度周期內(nèi)狀態(tài)有18個(gè)不同數(shù)字，與3節(jié)分析一致。經(jīng)3．節(jié)所述步驟進(jìn)行標(biāo)定，以狀態(tài)10000011l為例，在細(xì)分狀況下標(biāo)定范圍為4500～8140，對(duì)應(yīng)電角度空間為24 7°～44 7°，相比如圖1所示的理論上的電角度位置有4．7°的偏差。偏差的來(lái)源是安裝誤差，磁極偏差等誤差源綜合作用的結(jié)果。重復(fù)標(biāo)定以完成18個(gè)HALL狀態(tài)的全部標(biāo)定。
2．7標(biāo)定的HALL信號(hào)用于矢量控制
當(dāng)DsP獲得一個(gè)電機(jī)位置HALL狀態(tài)θr_rec時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子位置所在電角度空間即被確定。如果忽略偏差，在此電角度空間內(nèi)認(rèn)為轉(zhuǎn)子位置為中間值θr_m:
可以簡(jiǎn)化控制過(guò)程。此時(shí)控制電流矢量相位給定為超前θr_m90度電角度，即為簡(jiǎn)化的矢量控制。 
 
圖5所示為PMsM矢量控制轉(zhuǎn)速響應(yīng)。曲線為相電流響應(yīng)曲線，曲線2為HALL狀態(tài)信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出。由相電流曲線看出應(yīng)用開關(guān)HAI JIl信號(hào)細(xì)分電角度空間為18份，則有18個(gè)電壓矢量，使得電機(jī)電流亦被細(xì)分為18份。根據(jù)表1已知，此對(duì)輸出力矩****轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)只有l(wèi) 5％。由曲線2可見標(biāo)定的HAIll_信號(hào)輸出均勻，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。經(jīng)實(shí)際測(cè)量，在電機(jī)具有較大軸承預(yù)緊力而具有大摩擦力矩特性情況下，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度達(dá)到±2％。轉(zhuǎn)速穩(wěn)定度完全滿足伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
3.結(jié)論
本文提出的一種基于微步進(jìn)控制方法的永磁同步電動(dòng)機(jī)HALL信號(hào)標(biāo)定方法，是把步進(jìn)控制方式、HALL信號(hào)與轉(zhuǎn)子電角度信息相結(jié)合的簡(jiǎn)單有效的標(biāo)定方法，標(biāo)定后的HALL信號(hào)可直接用于矢量控制。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所述的標(biāo)定方法準(zhǔn)確性，依據(jù)此標(biāo)定量進(jìn)行控制，性能滿足控制要求。有很好的應(yīng)用前景和使用價(jià)值。
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