CN101604887A - 一种电机位置传感器标定系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机位置传感器标定装置和方法，用于对被测电机的转子位置进行调整，所述标定装置包括以下部件：伺服电机，用于带动旋转变压器的定子向不同的方向转动；标定控制器，用于对伺服电机进行控制；旋转变压器，可输出被测电机当前的位置信号；过零点检测设备，产生被测电机的过零点信号；通过比较电机位置信号和电机过零点信号，标定控制器控制伺服电机对被测电机的转子位置进行调整。

Description

一种电机位置传感器标定系统及方法

技术领域

本发明涉及旋转交流电机，尤其是永磁同步交流电机的一种位置标定系统和方法。

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。对于电机速度和磁极位置的检测，多采用光电编码器或旋转变压器等传感器。近年比较热于研究无传感器技术，但它存在着在低速时不能提供准确的位置检测，不能实现电机平滑启动的要求，同时对电机参数的依赖性很强。对于转子位置传感器，永磁同步电机一般是采用旋转变压器，通过解码芯片得到电机转子的当前位置，解码芯片通过并行通信或者串行通信与电机控制芯片之间进行数据通讯，将转子位置发给电机控制芯片。由于位置传感器安装误差等原因，电机个体之间的安装误差不尽相同，需要对解码芯片发送过来的转子位置进行补偿标定，使得转子位置更准确，实现对永磁同步电机的精确控制。目前常用的标定方法是通过软件增加偏移量来补偿这部分偏差，这样会导致不同的电机个体使用的控制软件不同，无法满足大批量生产的需求。

发明内容

本发明的目的就是解决大批量生产过程中的位置传感器标定问题，同时也便于产品的售后服务，降低交流电机生产、维护过程中的成本。

为此，本发明描述了一种同步交流电机的一种位置标定系统和方法，该装置能比较电机位置信号和电机过零点信号，标定控制器控制伺服电机对被测电机的转子位置进行调整。

具体方案如下：

一种电机位置传感器标定装置，用于对被测电机的转子位置进行调整，所述标定装置包括以下部件：伺服电机，用于带动旋转变压器的定子向不同的方向转动；标定控制器，用于对伺服电机进行控制；旋转变压器，可输出被测电机当前的位置信号；过零点检测设备，产生被测电机的过零点信号；通过比较电机位置信号和电机过零点信号，标定控制器控制伺服电机对被测电机的转子位置进行调整。

优选地，被测电机反电动势经过零点时过零点检测设备产生过零点信号，触发中断，启动计时器1，计时器2停止；旋转变压器得到的电机转子当前位置为π/2时计时器1停止，计时器2启动计时，比较计时器1和计时器2大小，控制伺服电机带动旋转变压器的定子向不同的方向转动，直到其中某个计时器的计时时间到最小值。

优选地，所述旋转变压器包括旋变转子和旋变定子。

优选地，所述旋变转子为一盘状，其外侧形状为正弦曲线或者余弦曲线，根据和电机转子的相对关系安装在电机主轴上。

优选地，所述旋变定子上有四个夹具定位孔和四个圆弧形滑槽，在伺服电机带动下实现对旋转变压器位置信号的标定。

优选地，所述标定装置包括夹具，旋转变压器的定子通过夹具与伺服电机相连。

优选地，伺服电机与夹具之间可安装变速机构提高标定精度。

优选地，所述过零点检测设备采集被测电机的B，C相电压，经过差分比较电路进行比较，在BC反电动势过零点的瞬间时刻输出过零点信号。

一种电机位置传感器标定方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，由上位机发送启动命令；步骤2，测功机将被测电机拖动到某一转速并保持转速稳定；步骤3，上位机向标定控制器发送标定指令，标定控制器根据旋转变压器的位置角信号和外部的过零点信号判断偏差量：判定被测电机转子的当前位置为π/2时，计时器1停止，计时器2启动计时；判定被测电机过零点时，计时器1开始计时，计时器2结束；比较计时器1和计时器2的大小，根据结果控制伺服电机向正方向或者反方向旋转某个角度。步骤4，其中某个计时器的计时时间到最小值时，将旋转变压器定子固定在电机端板上，此时过零点信号和位置角零点对准确，标定控制器完成标定，反馈给上位机。

与目前现有技术相比，本发明满足了大批量生产过程中的位置传感器标定，同时也便于产品的售后服务，降低交流电机生产、维护过程中的成本。

附图说明

图1为本发明所述电动机位置传感器标定系统结构示意图；

图中：1测功机控制器，2测功机，3连接轴，4被测电机，5旋转变压器，6旋转变压器拨差夹具，7伺服电机，8伺服电机三相，9被测电机三相，10被测电机三相转接盒，11标定控制器，12过零点检测设备，13安全回路，14测功机控制器直流母线供电端，15标定控制器直流母线供电端，16过零点信号连接线，17直流电源柜，18上位机，19上位机与测功机控制器通讯线，20标定控制器与上位机通讯线。

图2为本发明所述电动机电机转子位置传感器安装示意图；

图中，21电机电枢，22电机定子部分，23电机转子，24电机主轴，25旋变转子，26电机端板，27旋变定子固定螺栓孔，28旋变定子，29夹具定位孔，210圆弧形滑槽。

图3为本发明所述电动机转子位置与位置传感器正余弦信号以及反电动势关系(正转)；

图4为过零点检测设备功能结构示意图；

图中，41电机，42滤波差分电路，43控制器，44高压隔离，45过零点检测设备。

图5为过零点检测设备输入输出波形；

图6为本发明所述电动机电机位置传感器标定流程图。

其他标记注释：

46：电源通讯线

47-50：CAN

51：反电动势

52：Ebc过零点

53：传感器余弦输出信号

54：传感器正弦输出信号

55：转子绝对位置

56：Eca

57：相对角

58：Eab

59：Ebc

60：转子位置零点

61，62：脉冲

63：B相和C相波形

64：输出方波电压

65：时间(毫秒)

A：A相

B：B相

C：C相

具体实施方式

下面根据附图对本发明进行详细描述，其为本发明多种实施方式中的一种优选实施例。

本发明的目的是提出了通过一套位置传感器标定系统(图1)对基于旋转变压器的转子位置传感器进行标定，通过DSP处理芯片与旋转变压器的解码芯片通讯得到电机转子当前的位置信号。本发明着重考虑对于转子位置信号的采样以及安装误差等原因，对于旋转变压器定子与转子位置之间存在相位偏移，这个相移可以通过对调整定子位置进行补偿以使解码出的转子位置调整对准无误差的转子绝对位置。以反电动势零点为基准点，当电机反电动势经过零点时通过外部设备产生过零点信号触发DSP芯片中的外部中断，在中断子程序中启动计时器1，计时器2停止，DSP芯片与旋转变压器的解码芯片通讯得到的电机转子当前位置为π/2时计时器1停止，计时器2启动计时，比较计时器1和计时器2大小，根据两个计时器的大小，控制外部伺服电机带动旋转变压器的定子向不同的方向转动，直到其中某个计时器的计时时间到最小值，此时将旋转变压器定子固定在电机端板上，从而实现转子位置零点在机械上的精确定位，同时简化产品售后服务和维修成本。

如图1为本发明的一个实施例中位置传感器标定系统结构示意图。上位机18通过通讯线19对测功机控制器1进行控制，被测电机4通过连接轴3与测功机相连，测功机控制器1控制测功机2驱动被测电机4，旋转变压器5安装于被测电机4的短板上，旋转变压器5的定子通过夹具6与伺服电机7相连，伺服电机7与夹具6之间可增加变速机构以取得更高的标定精度，上位机18通过通讯线20对标定控制器11进行控制，标定控制器11对伺服电机7进行控制带动夹具调整旋转变压器定子5，实现旋转变压器位置的标定。被测电机4的A、B、C相通过三相转接盒10与过零点检测设备12相连，过零点检测设备12通过过零点信号线16与标定控制器11相连，电源柜17可对测功机2和伺服电机7进行供电，上位机18通过电源通讯线对电源柜17进行控制，电源柜17同时能通过安全回路13及三相转接盒10上的安全微控开关控制。

如图2为本发明图1被测电机4和伺服电机7之间的一个实施例中电机位置传感器安装示意图。其中，电机主要由电机电枢21、电机定子22、电机转子23、电机主轴24、电机端板26组成，转子位置传感器旋转变压器包括旋变转子25和旋变定子28，旋变转子25为一盘状，其外侧形状为正弦曲线或者余弦曲线，硅钢材料制成，旋变定子28上有四个夹具定位孔29和四个圆弧形滑槽210，旋变转子25根据和电机转子的相对关系安装在电机主轴24上，旋变定子通过图1中的夹具6与图1中的伺服电机7相连，夹具与伺服电机之间可安转变速机构提高标定精度，旋变定子28在伺服电机带动下改变与电机端板26的相对位置，从而实现对旋转变压器位置信号的标定。标定完成后固定螺栓通过圆弧形滑槽将旋变定子28固定在电机端板26上。旋变输出的信号通过解码芯片得到电机当前的位置信号，位置信号通过SPI串行通信将位置角度发送给DSP芯片。

图3为本发明的一个实施例中转子位置与位置传感器正余弦信号以及反电动势关系(正转)。通过图1过零点检测设备5采集电机Vb、Vc两相电势差的过零点(Ebc＝Vb-Vc)，过零点信号触发DSP芯片的中断子程序进行计时。此时对应旋变的位置角应该为π/2。

图4即为过零点检测电路的拓扑结构图，高压输入端是电机的B相和C相，电压有效值大小为150V----190V，频率范围是0---200Hz，电流大小为-3mA-3mA。过零点检测电路的电源输入来自12V电池，电压范围为9-18V。输出电压要求：高电平为4-5V，低电平为0-0.5V。输入的B，C相电压经过差分比较电路后输出PWM波信号，在BC反电动势过零点的瞬间的时刻，也即B相和C相交的位置(B相有超越C相的趋势)。差分电路输出一个高电平的数字量信号。

图5为本发明的一个实施例中通过图4中的过零点检测设备检测到的输入输出信号。

图6为本发明的一个实施例中电机位置传感器标定流程图，具体标定流程为：

1、如图1所示系统按照连接图安装完成；

2、测功机控制器和标定控制器上电后通过上位机控制高压供电电源上电；

3、按照如图6的流程，上位机发送启动指令；测功机首先将被测电机拖动到某一转速并保持稳定；

4、上位机向标定控制器发送标定指令，标定控制器进入标定程序；

5、标定控制器中的标定程序根据外部的过零点信号和解码芯片发送过来的位置角判断偏差量，间接通过计时器1和计时器2判断标定方向后，通过逐步拨差将过零点信号和位置角π/2标定在同一点，当过零点信号和位置角零点对准后，标定控制器完成标定，并反馈给上位机；

6、将完成零点标定的旋转变压器定子用固定螺栓固定在电机端板上，标定完成；

7、断开高压供电电源。

上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1、一种电机位置传感器标定装置，用于对被测电机的转子位置进行调整，其特征在于，所述标定装置包括以下部件：

伺服电机，用于带动旋转变压器的定子向不同的方向转动；

标定控制器，用于对伺服电机进行控制；

旋转变压器，可输出被测电机当前的位置信号；

过零点检测设备，产生被测电机的过零点信号；

通过比较电机位置信号和电机过零点信号，标定控制器控制伺服电机对被测

电机的转子位置进行调整。

2、如权利要求1所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，被测电机反电动势经过零点时过零点检测设备产生过零点信号，触发中断，启动计时器(1)，计时器(2)停止；旋转变压器得到的电机转子当前位置为π/2时计时器(1)停止，计时器(2)启动计时，比较计时器(1)和计时器(2)大小，控制伺服电机带动旋转变压器的定子向不同的方向转动，直到其中某个计时器的计时时间到最小值。

3、如权利要求1所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，所述旋转变压器包括旋变转子和旋变定子。

4、如权利要求3所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，所述旋变转子为一盘状，其外侧形状为正弦曲线或者余弦曲线，根据和电机转子的相对关系安装在电机主轴上。

5、如权利要求3所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，所述旋变定子上有四个夹具定位孔和四个圆弧形滑槽，在伺服电机带动下实现对旋转变压器位置信号的标定。

6、如权利要求1所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，所述标定装置包括夹具，旋转变压器的定子通过夹具与伺服电机相连。

7、如权利要求6所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，伺服电机与夹具之间可安装变速机构提高标定精度。

8、如权利要求1所述的电机位置传感器标定装置，其特征在于，所述过零点检测设备采集被测电机的B，C相电压，经过差分比较电路进行比较，在BC反电动势过零点的瞬间时刻输出过零点信号。

9、一种使用如权利要求1-8所述电机位置传感器标定装置的电机位置传感器标定方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：

步骤1，由上位机发送启动命令；

步骤2，测功机将被测电机拖动到某一转速并保持转速稳定；

步骤3，上位机向标定控制器发送标定指令，标定控制器根据旋转变压器的位置角信号和外部的过零点信号判断偏差量：判定被测电机转子的当前位置为π/2时，计时器1停止，计时器2启动计时；判定被测电机过零点时，计时器1开始计时，计时器2结束；比较计时器1和计时器2的大小，根据结果控制伺服电机向正方向或者反方向旋转某个角度。

步骤4，其中某个计时器的计时时间到最小值时，将旋转变压器定子固定在电机端板上，此时过零点信号和位置角零点对准确，标定控制器完成标定，反馈给上位机。

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