CN101398316B

CN101398316B - 一种电机转子位置传感器的标定方法

Info

Publication number: CN101398316B
Application number: CN2007100773245A
Authority: CN
Inventors: 谢美娟
Original assignee: SAIC Chery Automobile Co Ltd
Current assignee: Chery Automobile Co Ltd
Priority date: 2007-09-25
Filing date: 2007-09-25
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2027-09-25
Also published as: CN101398316A

Abstract

本发明公开了一种电机转子位置传感器的标定方法。使用该方法进行测量时，以反电动势零点为基准点，通过在DSP中设置DIO(数字IO)产生脉冲来捕捉补偿后的解码的转子位置与理想转子绝对位置的差距，通过逐步调整偏移补偿值最终达到解码的转子位置与理想转子绝对位置的对准，实现转子位置零点准确定位。本发明的积极效果是本发明利用具有确定转速和位置的运动的转子来标定RPT的系统误差，针对性强，精度高且步骤简单。

Description

一种电机转子位置传感器的标定方法

技术领域

本发明涉及电机中转子位置传感器元件(RPT)的标定方法。尤其涉及一种修正基于涡流效应原理的RPT的系统误差的方法。

背景技术

永磁同步电机由于具有功率密度大、效率高、转子损耗小等优点被广泛应用于电动汽车、数控机床以及纺织等领域。要获得良好的控制性能，电机转子位置和速度信号是必不可少的。在某些电机应用中，知道转子相对于定子和绕组的位置是必要的，甚至是关健的。例如，在切换磁阻电机中，绕组必须按转子的精确位置激磁。在其它电机中，只需要知道转子相对于定子组件的位置。有几种现有技术的RPT元件，例如磁阻式、电容式以及基于涡流效应的式RPT。利用这些RPT测量电机转位置和速度各有各的优点，且理论上都能做到非常精确地测量出电机转子的位置和速度，因此消除测量时的误差成为突出的问题，为此人们推出了许多有关消除RPT测量误差的方法和装置。专利号为ZL97199502.8的中国发明专利，“对准转子位置传感器的方法和装置”就公开了一种将转子位置传感器元件对准并固定到电机轴上改进的方法和装置。该专利的一个实施例是用于对准并固定遮光器组件形式的RPT元件的装置和方法，但对RPT元件的系统误差没有进行修正，这样在使用RPT时不可避免地可能发生误差。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，为了弥补现有技术中使用RPT测量转子位置应用受到限制的不足，提供一种对基于涡流效应原理的RPT元件进行系统标定的方法，以最大限度地保证测量精度。

本发明为解决上述技术问题而采用如下的技术方案：一种电机转子位置传感器的标定方法，利用示波器测量转子的反电动势零点相对的位置角为基准点，A、B、C三相每相的电势零点对就的转子位置都可以作为基准零点，在转子位置传感器的DSP内当转子位置测量值过零点时产生一个脉冲信号由DIO输出到所述示波器，通过调整位置偏移值，使所述示波器中的脉冲与转子反电动势对准，实现转子位置零点准确定位；包括以下步骤：

(1)、将转子位置传感器安装好，并将电机的三相绕组开路，连接好示波器；

(2)、利用外加动力带动电机按照规定的速度旋转；外加动力可以是伺服电机或者同步电机。

(3)、在DSP中设置一固定的偏移值；

(4)实时测量出转子位置值，过零点时DSP通过DIO发一个脉冲信号；

(5)、在示波器中观测脉冲信号与转子反电动势是否对准；

(6)、若步骤(5)的结果是否定的，则按所述示波器的显示调整所述偏移值，返回步骤(5)；

(7)若步骤(5)的结果是肯定的，则记录所此时的偏移值；

(8)设定不同转速运行，重复步骤(2)-(7)得到不同转速下实测转子位置零点偏移值；

(9)求取不同转速下的实测转子位置零点偏移值的均值。

进一步的，这里步骤(4)中实时测量转子位置值是按以下步骤进行的：

(A)、将电机转子传感器中感应元件输出的正弦信号和余弦信号在DSP内经过ADC转换得到双极性的正弦信号和双极性的余弦信号，并对其进行误差补偿；

(B)、对通过步骤(A)补偿以后的信号进行低通滤波处理；

(C)、对通过步骤(B)处理的正弦信号和余弦信号的结果值分别求反正切和反余切，同时减去转子零点位置偏移设定值，对转子位置偏移的影响进行补偿，并限定转子位置角在[0，2π]。

本发明的积极效果是利用具有确定转速和位置的运动的转子来标定RPT的系统误差，针对性强，精度高且步骤简单。

下面结合实施例和附图来进一步说明本发明。

附图说明

图1为转子位置传感器安装示意图。

图2为转子位置传感器中目标盘与感应元件中的平面绕组相对位置示意图。

图3为当转子反转时从示波器中观测到的转子位置测量值与转子各反电动势关系图。

图4为当转子正转时从示波器中观测到的转子位置测量值与转子各反电动势关系图。

图5为从示波器中观测到的转子位置零点检测示意图。

图6为转子位置信号标定处理过程流程图。

其中：1.目标盘，2.探测器，21.第一正弦平面绕组，22.第一余弦平面绕组，23.第二正弦平面绕组，24.第二余弦平面绕组，3.定子，4.转子，5.传感器支架，6.转子支架轴，7.转子支架，8.转子位置角的正弦曲线，9.转子位置角的余弦曲线，10.实测转子位置角，11.DIO输出的脉冲，12.电机转子a相的反电动势曲线，13.电机转子b相的反电动势曲线，14.电机转子c相的反电动势曲线，15.电机转子a相、b相的反电动势差曲线，16.电机转子b相、c相的反电动势差曲线，17.电机转子c相、a相的反电动势差曲线

具体实施方式

本发明是针对使用基于涡旋效应的电机转子位置传感器而设计的，该位置传感器具有一目标盘，该目标盘为导电材料制成外沿具有正弦曲线形状，安装在电机转子上，随电机转子旋转，由于涡旋效应在其周围将产生涡旋磁场，该磁场强度与目标盘此处的宽度相关，利用一个感应元件将该磁场，在感应元件上产生与该磁场相关的电信号，感应元件安装在电机壳内，具有一个或多个感应单元，本发明的一个优选实施例就是使用四个平面绕组组成作为感应单元，感应单元产生的带有目标盘位置信息的电信号，通过一个ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit特定用途的集成电路)电路进行放大、整形，输出一路带有目标盘位置信息的正弦信号和一路带有目标盘位置信息的余弦信号，此信号为模拟信号，通过ADC(模/数变换)成为数字信号，数字信号在DSP内进行处理，就可得到转子位置角和角速度值。

如图1所示，本发明的转子位置传感器包括探测器2和目标盘1，安装在电机的一端，目标盘1为一环状盘，其外侧花纹形状为正弦曲线或者余弦曲线，由铝或者铁等金属材料制成，安装固定在转子4支架上7上，与转子4一起绕转子支架轴6旋转，探测器2通过传感器安装支架5安装在定子3的一侧，定子的绕组开路，探测器2包括4个平面绕组，分别为：第一正弦平面绕组21，第一余弦平面绕组22，第二正弦平面绕组23，第二余弦平面绕组24，平面绕组主要用来感应目标盘由于涡流效应而产生的信号，分别产生两组正弦信号和两组余弦信号，该信号在ASIC中进行处理，这里ASIC电路外接上面4个平面绕组组成一个谐振电路，将感应到的信号进行放大、整形，消除目标盘和探测器距离变化以及温度变化对测量的影响，输出一路正弦信号和一路同相的余弦信号接TMS320f2808 DSP芯片。转子在另一电机带动下旋转，另一电机为可调速，能精确定位的伺服电机或者步进电机，本实施例采用步进电机。

如图2所示，本实施例转子位置传感器探测器2中具有4个平面绕组第一正弦平面绕组21，第一余弦平面绕组22，第二正弦平面绕组23，第二余弦平面绕组24，按序号顺序排列且相距距离为目标盘1上正弦或者余弦曲线的90度距离。目标盘1与转子共同固定在转子支架上，在步进电机带动与转子支架一起旋转。当目标盘1随转子4在磁场中旋转时，将在其表面产生与其外表一致的感应磁场，该感应磁场影响正对该处的平面绕组，在该平面绕组中将产生与该感应磁场相一致的感应信号，理想的情况下，如果目标盘的外沿只有一个全正弦曲线或余弦曲线，则感应的电信号通过归一化处理后，进行反正切或者反余切处理，即得到目标盘中与平面绕组对应处的位置，也就是转子位置，该位置应该与步进电机设定的位置一致。

图3为当转子反转时从示波器中观测到的转子位置测量值与转子各反电动势关系图，如图示，有三种曲线，其中一种为转子位置角的正弦曲线8，转子位置角的余弦曲线9，与该曲线相对的坐标轴横轴为角度，纵轴为归一化的幅度值，一种是由正弦值经过反正切而得到的实测转子位置角10，与该曲线相对的坐标，横轴是时间，纵轴是角度值标在图象的右边，另外三条曲线为电机转子a相、b相的反电动势差曲线，电机转子b相、c相的反电动势差曲线，电机转子c相、a相的反电动势差曲线，相对该曲线的坐标轴横轴为相对角，纵轴为电动势的幅度值。这里，实测转子位置角10是递减的，过零点后就是360度。图4为当转子正转时从示波器中观测到的转子位置测量值与转子各反电动势关系图，该图与图3相似，只是实测转子位置角10是递增的，过360度后就是0度。图5为从示波器中观测到的转子位置零点检测示意图，如图所示6条曲线分别为：电机转子a相的反电动势曲线12，电机转子b相的反电动势曲线13，电机转子c相的反电动势曲线14，电机转子a相、b相的反电动势差曲线15，电机转子b相、c相的反电动势差曲线16，电机转子c相、a相的反电动势差曲线17，还有一条曲线为DIO输出的脉冲11，本图中将DIO输出的脉冲11与电机转子a相的反电动势曲线12的零点靠拢。

如图6所示，该被标定方法的实现通过TI公司的TMS320f2808 DSP芯片来执行。为了标定转子位置传感器的偏移值(Pos_offset)，采用RAM运行方式实时调节更改转子位置零点偏移设定值Pos_offset进行调试。具体步骤如下：

(1)首先使被测的电机三相绕组开路。通过示波器测量三相绕组的电动势和电势差。

(2)通过电机试验台架的测功机负载电机来带动被测电机以500rpm旋转。

(3)在包括该转子位置零点标定方法的DSP软件中设置好Pos_offset初始值。通过给基于TMS320f2808 DSP芯片的电机控制器上电后，使得包括该标定算法的DSP软件在DSP芯片中被执行，具体执行过程如下：

在程序启动后，首先进行芯片本身的初始化，包括时钟配置，用于产生捕捉脉冲的DIO(数字IO口)配置为输出IO口，初始输出置低电平，以及采样位置传感器输出信号的AD通道配置，本芯片的主中断采用ADC转换触发的10μs的PWM中断执行。

进入PWM中断以后，首先是将经过ADC转换后的转子位置传感器感应的正弦和余弦输出信号处理得到双极性正弦信号和双极性余弦信号。由于安装限制及误差等原因，正交的两相信号会存在幅值和角度上的误差。按照下式进行补偿，其中，Sensor_A，Sensor_B为ASIC电路输出的带有目标盘位置信息的正弦信号和余弦信号通过ADC后存储到DSP内存内的数字信号，该信号没有经过补偿，Sensor_A1，Sensor_B1为在DSP内经过补偿以后的信号，G_A，G_B为没有经补偿的正弦相幅值，余弦相幅值，其数值与电机转子转速、转子位置传感器感应器中绕组线圈数量以及目标盘形状有关，Δθ为角度误差，是通过实际测得的转子位置角与通过传感器测量的角位置比较得到的，实际测得的转子位置角可以通过观测反电动势等可以得到。

Sensor_A＝G_Asinθ

Sensor_B＝G_Bcos(θ+Δθ)

Sensor_A1＝Sensor_A＝G_Asinθ

{Sensor}_{B 1} = G_{A} \cos θ = \frac{G_{A}}{G_{B} \cos (Δθ)} {Sensor}_{B} + \frac{{Sensor}_{A} \sin (Δθ)}{\cos (Δθ)}

对补偿后的两路转子位置正弦信号和余弦信号进行67hz的低通滤波处理。

通过对正余弦信号结果值求反正切并考虑转子位置偏移的影响减去Pos_offset进行补偿，限定转子位置角在[0，2π]内，将其输出到示波器显示得到如图3和图4中三角波状的转子位置角。

以正转为例，如图4所示，当转子位置角从最大值向最小值变化时，表示此时正处于测量值的零点，在此处设一DIO触发点输出到示波器显示一脉冲，同时观测示波器中的A相反电动势Ea波形的过零点，即A相反电动势Ea的零点，此点定义为转子零点位置，用示波器观测DIO输出口脉冲触发点与A相反电动势零点差距，如果它们未重合，则调整Pos_offset的初始值再试直到DIO脉冲与Ea过零点重合，如图6所示，记下Pos_offset的值。

(4)将转子转速设为1000rpm、1500rpm、2000rpm，重复步骤(3)。

(5)求取不同转速下Pos_offset均值作为该转子位置传感器零点位置偏移值的最终值，并在DSP软件中设置Pos_offset为此均值，从而综合考虑了不同转速下转子位置零点偏移的影响，提高了转子位置测量的精度，提高了电机控制效果。

Claims

1.一种电机转子位置传感器的标定方法，利用示波器测量转子的反电动势零点相对的位置角为基准点，在转子位置传感器的DSP内当转子位置测量值过零点时产生一个脉冲信号由DSP的数字IO口DIO输出到所述示波器，通过调整位置偏移值，使所述示波器中的脉冲与转子反电动势对准，实现转子位置零点准确定位；包括以下步骤：

(2)、利用外加动力带动电机按照设定的速度旋转；

(3)、在DSP中设置一固定的偏移值；

(4)、按下列A、B、C步骤实时测量出转子位置值：

(A)、将电机转子位置传感器中感应元件输出的正弦信号和余弦信号在DSP内经过ADC转换得到双极性的正弦信号和双极性的余弦信号，并按下式对其进行误差补偿；

Sensor_A＝G_Asinθ

Sensor_B＝G_Bcos(θ+Δθ)

Sensor_A1＝Sensor_A＝G_Asinθ

{Sensor}_{B 1} = G_{A} \cos θ = \frac{G_{A}}{G_{B} \cos (Δθ)} {Sensor}_{B} + \frac{{Sensor}_{A} \sin (Δθ)}{\cos (Δθ)}

式中：Sensor_A，Sensor_B为ASIC电路输出的带有目标盘位置信息的正弦信号和余弦信号通过ADC后存储到DSP内存内的数字信号，该信号没有经过补偿，Sensor_A1，Sensor_B1为在DSP内经过补偿以后的信号，G_A，G_B为没有经补偿的正弦相幅值，余弦相幅值，其数值与电机转子转速、转子位置传感器感应器中绕组线圈数量以及目标盘形状有关，Δθ为角度误差，是通过实际测得的转子位置角与通过传感器测量的角位置比较得到的，实际测得的转子位置角可以通过观测反电动势等可以得到；

(B)、对通过步骤(A)补偿以后的信号进行低通滤波处理；

(C)、对通过步骤(B)处理的正弦信号和余弦信号的结果值分别求反正切和反余切，同时减去转子零点位置偏移设定值，对转子位置偏移的影响进行补偿，并限定转子位置角在[0，2π]；

过零点时DSP通过DIO发一个脉冲信号；

(5)、在示波器中观测脉冲信号与转子反电动势是否对准；

(7)若步骤(5)的结果是肯定的，则记录所此时的偏移值；

(9)求取不同转速下的实测转子位置零点偏移值的均值。

2.根据权利要求1所述的一种电机转子位置传感器的标定方法，其特征在于：所述的反电动势零点为测得的A相反电动势为零时的点。

3.根据权利要求1所述的一种电机转子位置传感器的标定方法，其特征在于：所述的DSP为TI的TMS320f2808 DSP。

4.根据权利要求1所述的一种电机转子位置传感器的标定方法，其特征在于：所述外加动力为伺服电机。

5.根据权利要求1所述的一种电机转子位置传感器的标定方法，其特征在于：所述外加动力为步进电机。