[发明专利]一种交流伺服电机转子位置检测系统及检测方法

说明书

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种交流伺服电机转子位置检测系统及检测方法。

背景技术

在交流伺服电机的矢量控制技术中，转子位置检测是实现伺服控制的一个非常关键的参数。目前采用的转子位置检测方法有两种：一种是外置传感器检测，比如旋转变压器法、光电编码器法，其测量精度高，但是其成本较高，传感器安装不方便，且需破坏电机主轴结构，结构不紧凑；另一种是无位置传感器检测，其加载高频信号后，对定子线圈反电势进行检测，通过建立数学模型来推算转子位置，这种方法需要建立复杂的数学模型，在计算的时候需要假定电机的一些参数在运行过程中是始终保持恒定的，而且在启动和低速运行时仅适用于凸极永磁电机或转子经过特殊加工形成凸极的感应电机，应用范围窄，精度和可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种交流伺服电机转子位置检测系统及检测方法，使其在恶劣工作环境下检测转子位置时，具有较高的测量精度和较低的控制成本，同时具有较宽的应用范围和较高的可靠性。

本发明的构思为：场式时栅位移传感器的测量原理与交流伺服电机驱动的工作原理有一个共同的特点，即都需借助旋转磁场与转子作用来实现自身的功能。时栅利用磁场具备时空两面性，实现将空间位移的测量转换为时间脉冲个数的测量，电机利用磁场的空间性，将空间变化的磁场转换为转子沿空间旋转的能量转换媒介。时栅中旋转磁场的同步转速要远高于电机旋转的同步转速，而其强度却远小于电机旋转磁场强度。因此，根据磁场叠加原理，将两个不同频率、不同强度的磁场信号，加载于电机定子线圈，可以在气隙中产生两个磁场相加的旋转磁场，通过电磁感应，可以在转子的绕组上得到两个相加的感应电势，一个实现电机转动的能量转换，一个反应转子空间位置，两个信号频率相差明显，用滤波的方式将反应转子空间位置的时栅感应信号分离出来，便可以实现不影响电机正常运转的同时对电机位置进行检测。

本发明所述的交流伺服电机转子位置检测系统，包括时栅控制器、信号加载模块、设在转子上的动测头、位置信号提取及输出模块；所述时栅控制器与信号加载模块连接，信号加载模块与电机的对称三相定子绕组（相当于定测头）连接，时栅控制器输出的对称的三相时栅激励信号与交流电提供的对称的三相电机驱动信号经信号加载模块加载后输入到该对称三相定子绕组中；所述动测头与位置信号提取及输出模块连接，位置信号提取及输出模块与时栅控制器连接，动测头感应到驱动转子旋转的电机驱动信号和反应转子位置的时栅感应信号，位置信号提取及输出模块将该时栅感应信号提取出来并发送给时栅控制器，时栅控制器对时栅激励信号和该时栅感应信号进行处理，得到转子位置信息。

为了实现对称的三相时栅激励信号与对称的三相电机驱动信号的有效稳定加载，同时又不对该三相时栅激励信号造成冲击，信号加载模块采用三相立体卷铁心自耦变压器，立体卷铁心是一种卷绕式铁心,整个铁心由三个完全相同的、单个的卷铁心框拼合而成的,拼合后铁心的三个心柱呈等边三角形立体排列，这种立体结构的变压器与平面结构相比，突出的特点是各个铁心柱相互连贯、具有完全对称的磁回路且都最短，同时铁心层间没有搭头、接缝，使得磁路各处磁阻均匀一致、励磁电流和三次谐波分量更小，既能保证三相电压平衡又能降低运行噪音。三相立体卷铁心自耦变压器的每相都具有串联绕组W₁、公共绕组W₂以及第三绕组W₃，串联绕组W₁与公共绕组W₂共同构成主绕组W₁+W₂，输入一相电机驱动信号，第三绕组W₃与主绕组W₁+W₂耦合，输入经滤波、放大后的一相时栅激励信号，公共绕组W₂输出一相加载有时栅激励信号的电机驱动信号，取公共绕组W₂的部分形成第四绕组W₄，该第四绕组W₄输出电压信号，经整流后给时栅控制器供电。其通过载波方式将时栅的弱电激励信号（即对称的三相时栅激励信号）注入到交流伺服电机的强电工作绕组（即对称三相定子绕组）中用以产生实现时栅‘时空转换’的旋转磁场。由于该自耦变压器本身不仅有“电磁感应”耦合，而且还有“电”的直接联系的特点，因此可利用“电磁感应”耦合的特点引入第三绕组W₃，来实现时栅激励信号在电机驱动信号上的加载，同时可利用“电”直接传导的特点为交流伺服电机的大驱动电流提供直接通路来减小变压器体积。