CN102778580B - 一种永磁同步电机速度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁同步电机速度检测方法，首先在连接电机的三相线上通过电阻分压得到一定电压幅值的三相定子电压信号U1、V1、W1，构造相应的隔离电压信号U2、V2、W2；再两两比较后得到三路线电压信号VW、UV、UW；得到三路相位角互相相差120°且包含当前运行频率信息的电压信号UA、UB、UC；将电压信号UA、UB、UC任意两路异或后再与第三路异或，得到3倍频电压信号UT：此3倍频电压信号UT输入DSP捕获通道，通过检测相邻两两脉冲沿相隔计数值，得到两脉冲沿间隔时间，最终计算电机的转速。本发明解决现有基于反电动势法的转速检测方法实时性不高、容易产生错误检测值以及在较低速时无法精准检测转速的问题。
Description
技术领域
本发明属于电机转速检测技术领域，具体涉及一种永磁同步电机速度检测方法。
背景技术
在永磁同步电机控制系统中，一般需要在转轴上安装机械传感器来测量电机的转速，但机械传感器的引入会加大电机体积、增加系统成本以及降低系统的适用范围。因此无传感器控制技术在永磁同步电机控制系统中应用具有重要意义。
目前无传感器控制策略主要是通过测量电机定子电压和电流，并通过特定的算法估算转速，主要有直接计算法、观测器法、高频信号注入法、反电动势法以及人工智能法等。直接计算法对电机参数变化较敏感，抗干扰能力较差；观测器法计算量大，导致系统开销增大；高频信号注入法依赖于电机凸极效应，适用性不强；人工智能法实现复杂，在工业应用上还有一定距离。
发明内容
本发明的目的是提供一种永磁同步电机速度检测方法，解决现有基于反电动势法的转速检测方法实时性不高、容易产生错误检测值以及在较低速时无法精准检测转速的问题，保证了无速度传感器矢量控制策略正确实施。
本发明所采用的技术方案是，一种永磁同步电机速度检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、首先在连接电机的三相线上通过电阻分压得到一定电压幅值的三相定子电压信号U1、V1、W1，并由此三路信号分别经过电压跟随器构造相应的隔离电压信号U2、V2、W2；
步骤2、由隔离电压信号U2、V2、W2两两比较后得到三路线电压信号VW、UV、UW；
步骤3、三路线电压信号VW、UV、UW经过滤波后分别与零点电位相比较，得到三路相位角互相相差120°且包含当前运行频率信息的电压信号UA、UB、UC；
步骤4、将电压信号UA、UB、UC任意两路异或后再与第三路异或，得到3倍频电压信号UT：
步骤5、此3倍频电压信号UT输入DSP捕获通道，通过检测相邻两两脉冲沿相隔计数值，得到两脉冲沿间隔时间，计算6倍频信号频率fk，计算6倍频信号频率fk的六分之一为电机运行频率fm，继而由公式
计算电机的转速，其中，P为电机的极对数。
本发明永磁同步电机速度检测方法的有益效果是：无需安装速度传感器即可实现速度精确检测，并且适用于较低转速，可广泛应用于永磁同步电机控制系统。
附图说明
图1是实现本发明的检测装置中的电压信号采样电路图；
图2是实现本发明的检测装置中的电压隔离电路图；
图3是实现本发明的检测装置中的3倍频电压信号UT产生电路图；
图4是图3的局部放大图之一；
图5是图3的局部放大图之二；
图6是图3的局部放大图之三；
图7是本发明中各电压信号的倍频关系示意图。
具体实施方式
本发明一种永磁同步电机速度检测方法，具体步骤如下：
步骤1、首先在连接电机的三相线上通过电阻分压得到一定电压幅值的三相定子电压信号U1、V1、W1，并由此三路信号分别经过电压跟随器构造相应的隔离电压信号U2、V2、W2。
步骤2、由隔离电压信号U2、V2、W2两两比较后得到三路线电压信号VW、UV、UW。
步骤3、三路线电压信号VW、UV、UW经过滤波后分别与零点电位相比较，得到三路相位角互相相差120°且包含当前运行频率信息的电压信号UA、UB、UC。
步骤4、将电压信号UA、UB、UC任意两路异或后再与第三路异或，得到3倍频电压信号UT。
步骤5、此3倍频电压信号UT输入DSP捕获通道，通过检测相邻两两脉冲沿相隔计数值，得到两脉冲沿间隔时间，计算6倍频信号频率fk，计算6倍频信号频率fk的六分之一为电机运行频率fm，继而由公式
计算电机的转速，其中，P为电机的极对数。
用于实现上述永磁同步电机速度检测方法的检测装置，包括用于得到三相定子电压信号U1、V1、W1的电压信号采样电路，用于得到隔离电压信号U2、V2、W2的电压隔离电路，以及3倍频电压信号UT产生电路。
如图1所示，电压信号采样电路为：
电机三相定子电压U信号经第一功率电阻RU和第一电阻R1分压后得到电压信号U1，第一电阻R1的另一端接地，电压信号U1上并联连接第五二极管D5阳极和第六二极管D6阴极，第五二极管D5阴极接+15V电压，所述第六二极管D6阳极接-15V电压。
电机三相定子电压V信号经第二功率电阻RV和第二电阻R2分压后得到电压信号V1，第二电阻R2的另一端接地，电压信号V1上并联连接第三二极管D3阳极和第四二极管D4阴极，第三二极管D3阴极接+15V电压，第四二极管D4阳极接-15V电压。
电机三相定子电压W信号经第三功率电阻RW和第三电阻R3分压后得到电压信号W1，第三电阻R3的另一端接地，电压信号W1上并联连接第一二极管D1阳极和第二二极管D2阴极，第一二极管D1阴极接+15V电压，第二二极管D2阳极接-15V电压。
如图2所示，电压隔离电路包括：
电压信号U1接入第三运算放大器U3A的同相输入端，第三运算放大器U3A的输出端连接其反相输入端，并输出隔离电压信号U2，第三运算放大器U3A的工作电压输入端连接+5V电压且接地端接地。
电压信号V1接入第二运算放大器U2A的同相输入端，第二运算放大器U2A的输出端连接其反相输入端，并输出隔离电压信号V2，第二运算放大器U2A的工作电压输入端连接+5V电压且接地端接地。
电压信号W1接入第一运算放大器U1A的同相输入端，第一运算放大器U1A的输出端连接其反相输入端，并输出隔离电压信号W2，第一运算放大器U1A的工作电压输入端连接+5V电压且接地端接地。
如图3所示，3倍频电压信号UT产生电路包括三路相同的分支，首先由隔离电压信号U2、V2、W2两两比较后，得到三路线电压信号VW、UV、UW。三路线电压信号VW、UV、UW经过滤波后分别与零点电位相比较，得到三路相位角互相相差120°且包含当前运行频率信息的电压信号UA、UB、UC。将电压信号UA、UB、UC任意两路异或后再与第三路异或，得到3倍频电压信号UT。
结合图4和图5所示，以电压信号UA的产生为例说明。隔离电压信号W2连接第四运算放大器U1B的同相输入端，隔离电压信号V2连接第四运算放大器U1B的反相输入端，第四运算放大器U1B的反相输入端和输出端之间连接第四电阻R4，第四运算放大器U1B的输出端输出三路线电压信号VW；第五电阻R5的一端连接第四运算放大器U1B输出端，第五电阻R5的另一端与第一电容C1、第七二极管D7阴极、第八二极管D8阳极以及第六电阻R6的一端相连，第七二极管D7阳极和第一电容C1的另一端接地，第八二极管D8阴极连接+5V电压，第六电阻R6的另一端连接第九二极管D9阴极、第十二极管D10阳极、第二电容C2的一端和第五运算放大器U4A的反相输入端；第五运算放大器U4A的同相输入端连接第九二极管D9阳极、第十二极管D10阴极、第二电容C2的另一端、第七电阻R7的一端以及第八电阻R8的一端，第七电阻R7的另一端接地，第八电阻R8的另一端接第五运算放大器U4A的输出端，第五运算放大器U4A的工作电压输入端连接+5V电压且接地端接地，第五运算放大器U4A的输出端连接第九电阻R9和第十电阻R10的一端，第九电阻R9的另一端接+5V电压，第十电阻R10的另一端接第三电容C3和第一缓冲器芯片U6A的输入端，第三电容C3的另一端接地，第一缓冲器芯片U6A选用74HC07芯片，第一缓冲器芯片U6A的工作电压输入端连接+5V电压且接地端接地，第一缓冲器芯片U6A的输出端输出电压信号UA，电压信号UA与第十一电阻R11的一端相连，第十一电阻R11的另一端接+5V电压。
如图6所示，电压信号UA、UB分别接入第一异或芯片U7A的两个输入端进行异或，其输出信号UAB接第二异或芯片U7B的输入端，与接入第二异或芯片U7B的另一个输入端的电压信号UC再进行异或操作，第二异或芯片U7B的输出端信号UT为3倍频电压信号输入到DSP捕获通道。如图7所示，3倍频电压信号UT的频率是电压信号UA、UB、UC频率的3倍。
本发明步骤5的实现是通过软件系统得到的，具体实现过程为：首先配置DSP相关寄存器，需要配置定时器和捕获单元。对于定时器，使能定时器计数操作，计数模式为连续递增计数，并配置周期值为FFFFH。对于捕获单元，使能捕获单元1，并配置捕获单元1检测上升和下降沿，清捕获单元FIFO堆栈，清捕获FIFO状态寄存器。
首先判断定时器是否发生上溢中断，若发生中断，则清上溢中断标志，并置上溢标志，上溢计数值累加，若未发生中断，则清上溢标志。
其次，读取当前捕获值，程序中采用查询方式，即2ms查询一次捕获状态寄存器。若读到捕获值，则求取当前捕获值与上次捕获值的差值，若在两次捕获值之间发生上溢，则应将上溢计数值与周期值（FFFFH）的乘积与两次捕获值之差作和，结果作为时间间隔计数，如下式：
时间间隔计数=当前捕获值-上次捕获值+上溢计数值*FFFFH。
由时间间隔计数即可计算当前电机运行频率。捕获单元时钟为DSP时钟与捕获单元分频的乘积。捕获单元时钟的倒数为计数周期，计数周期与时间间隔计数的乘积为计数时间，对计数时间求倒数即为当前6倍频信号频率fk，将此6倍频信号频率fk数值除以6即为电机运行频率fm。测速值计算公式为：
电机运行频率=捕获单元时钟/(时间间隔计数*6)。
其中，电机运行频率的单位为Hz。
电机运行转速=60*电机运行频率/P
其中，电机运行转速的单位为r/min，P为电机的极对数。
本发明方法通过软件和硬件相结合的方法实现永磁同步电机速度检测。通过硬件电路得到3倍频电压信号UT，软件处理得到电机运行转速，最终实现6倍频信号可以满足永磁同步电机控制系统对速度实时性的要求以及对不同转速范围的要求，具有广泛的适用性。
Claims (1)
1.一种永磁同步电机速度检测方法，其特征在于，具体步骤如下：
步骤1、首先在连接电机的三相线上通过电阻分压得到一定电压幅值的三相定子电压信号U1、V1、W1，并由此三路信号分别经过电压跟随器构造相应的隔离电压信号U2、V2、W2；
步骤2、由隔离电压信号U2、V2、W2两两比较后得到三路线电压信号VW、UV、UW；
步骤3、三路线电压信号VW、UV、UW经过滤波后分别与零点电位相比较，得到三路相位角互相相差120°且包含当前运行频率信息的电压信号UA、UB、UC；
步骤4、将电压信号UA、UB、UC任意两路异或后再与第三路异或，得到3倍频电压信号UT；
步骤5、此3倍频电压信号UT输入DSP捕获通道，通过检测相邻两脉冲沿相隔计数值，得到两脉冲沿间隔时间，计算6倍频信号频率fk，计算6倍频信号频率fk的六分之一为电机运行频率fm，继而由公式计算电机的转速，其中，P为电机的极对数。
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