CN104198937B - 旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于一种电机控制零位的测试方法，具体公开一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，包括：(1)低压粗调无刷直流电机的零位：设定功率电源的电流、电压值，示波器测量电机的电压波形，上位机向电机驱动器初始写入参数，判断电机是否正常运转且转速为正，从而测量电机的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn；(2)高压细调无刷直流电机的零位：设定功率电源为额定电压，上位机监测电机的运转状态；(2.3)示波器测量电机的电压波形，(2.4)调整控制参数，确定电机电流最小值，完成电机的零位测试。本发明的方法能够实现电机的精确定位和控制，实现无刷直流电机的高效率驱动控制。
Description
技术领域
本发明属于一种电机控制零位的测试方法，具体涉及一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法。
背景技术
无刷直流电机及驱动控制用于为火箭姿态控制的电动液压伺服机构能源动力，其工作效率及可靠性直接决定火箭的飞行成败，无刷直流电机驱动控制的可靠性是火箭成功飞行的必要前提。
一般的无刷直流电机采用霍尔传感器作为位置检测手段，其安装位置固定，不存在零位不确定问题，但其工作温度范围较低，一般只能达到85℃，少数能达到125℃的产品，价格非常昂贵，不适合工业化应用。旋转变压器采用铁心和线圈绕制，耐温度和环境适应性非常好，一般温度可达到200℃以上，且抗电磁干扰性好，适合用于航天伺服领域。
由于旋转变压器没有精确的零位标识，且解码后位数多，精度高，因此设计和安装难度大，安装精度较低，不能实现对无刷直流电机高速高精度安装。
由于工况苛刻的要求，无刷直流电机采用旋转变压器作为位置传感器，且控制精度要求更高。当功率器件的换相时刻与电机反电势切换时刻存在过大相位差时，会导致偏差时段内电机通电方向与反电势方向相反，造成短时间内电源电压与反电势方向产生叠加，由于电机绕组电阻仅40mΩ，叠加的电压加在电机绕组上会导致电流在该状态下异常增大，电机发热明显增加，运行效率急剧降低。因此，应当保证电机换相的高实时和高精度，减小伺服控制驱动器的换相偏差，才能保证功率系统的运行效率，提高系统的可靠性。
目前，普遍采用机械加电旋转定位的方法进行旋变调零，但由于电机存在齿槽效应，且定位力矩较大，仅能实现旋变零位的大致位置，存在一定角度偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，该方法能够实现任意旋转变压器随机安装的无刷直流电机电气零位测试，调试效率高，利用粗调步骤，可在短时间内完成电机零位区间初步确定；利用细调可达到电机零位测试的高精度。
实现本发明目的的技术方案：一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)低压粗调无刷直流电机的零位
(1.1)设定功率电源的电流、电压值；
(1.2)连接示波器测量无刷直流电机的电压波形；
(1.3)上位机控制电上电，并向电机驱动器初始写入参数；
(1.4)判断无刷直流电机是否正常运转且转速为正，从而测量无刷直流电机的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn；
(2)高压细调无刷直流电机的零位
(2.1)设定功率电源为额定电压；
(2.2)上位机监测无刷直流电机的运转状态；
(2.3)示波器测量无刷直流电机的电压波形；
(2.4)调整控制参数，确定无刷直流电机电流最小值，完成无刷直流电机的零位测试。
所述的步骤(1.1)中功率电源的电压值设定为15V，电流值最大值设定为5A。
所述的步骤(1.2)中示波器的三个通道分别测量电机无刷直流电机的U、V、W三相对功率地的电压波形。
所述的步骤(1.4)包括以下步骤：
(1.4.1)如果无刷直流电机正常运转且转速为正，则测量无刷直流电机的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn；
(1.4.2)如果无刷直流电机正常运转且转速为负，则在原无刷直流电机初设零位基础上增加4096/2p，其中，p为无刷直流电机的极对数，此时电机转速由负变为正，然后再按照步骤(1.4.1)测量无刷直流电机的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差，直至ΔTn/Tn<1/360。
所述的步骤(1.4.1)包括以下步骤：
①测量无刷直流电机的电压切换时间差ΔT1和旋转电周期T1之间的相位差X1，第一次测量得到的两者相位差X1如下：
X1＝(ΔT1/T1)×4096/360；
②向电机驱动器(3)初始写入参数X1，如果无刷直流电机正常运转且转速为正，再次测量电机无刷直流电机的电压切换时间差ΔT2和旋转电周期T2之间的相位差X2，第二次测量得到的两者相位差X2如下：
X2＝(ΔT2/T2)×4096/360；
③向电机驱动器(3)初始写入参数X2，上如果无刷直流电机正常运转且转速为正，再次测量无刷直流电机的电压切换时间差ΔT3和的旋转电周期T3之间的相位差X3，第三次得到的两者相位差X3如下：
X3＝(ΔT3/T3)×4096/360；
④向电机驱动器初始写入参数Xn-1，直至无刷直流电机的电压切换时间差ΔTn与的旋转电周期Tn之比ΔTn/Tn<1/360。
所述的步骤(2.4)中以10码为步长调整控制参数。
所述的步骤(2.4)中用示波器观测额定电压运转时无刷直流电机的U、V、W三相对功率地的端电压波形，端电压波形换相点与无刷直流电机的反电势吻合时，无刷直流电机的电流值为最小值，从而完成了无刷直流电机的零位测试。
本发明的有益技术效果在于：(1)本发明的方法通过观测无刷直流电机转动过程中的相电压，测量电机驱动器的控制相位与电机反电势相位差，并将该相位差在控制参数上加以补偿，在补偿的基础上再次测量，多次迭代修正得到电机最优的零位参数，效率高、操作简便。(2)适应范围宽，无论无刷直流电机上的旋转变压器初始零位偏差多大，在360°的任意位置，通过本方法前几步的试测法可以迅速找到零位区间，并在该区间内进行进一步精确测量。(3)调试精度高，本方法分粗调和细调两个阶段，通过测量电机控制相位可精确确定电机零位，与一般的霍尔传感器无刷直流电机相比，测量精度更高，可达到0.5°以内，使得电机系统工作效率更高。(4)调试方便，通过一台示波器测量无刷直流电机相电压，利用示波器时间差测量功能即可完成电机初始零位测试，无需其他设备。(5)调试效率高，利用粗调步骤，可在短时间内完成电机零位区间初步确定；利用细调可达到电机零位测试的高精度，总体调试效率是手动测量方法的2倍以上。(6)本方法实现了任意旋转变压器随机安装的无刷直流电机电气零位测试，适用于方波和正弦波无刷直流电机，对旋转变压器在电机安装时可随机安装，对零位精度不做要求，可实现任意位置零位的精确测试。
附图说明
图1为本发明所提供的旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试系统的系统框图；
图2为本发明所提供的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法的流程图；
图3为无刷直流电机的端电压波形换相点与反电势吻合时无刷直流电机三相端电压波形示意图。
图中：1.功率电源，2.上位机，3.电机驱动器，4.无刷直流电机，5.示波器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本发明所提供的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试系统，包括功率电源1、上位机2、电机驱动器3、无刷直流电机4和示波器5。
功率电源1的输出端与电机驱动器3的电源输入端连通，功率电源1为电机驱动器3进行动力供电。上位机2与电机驱动器3通过CAN总线连通，上位机2用于改写电机驱动器3的控制参数及监测电机驱动器3的工作状态。电机驱动器3的旋变输出接口与无刷直流电机4的旋变输入接口连通，电机驱动器3的动力输出接口与无刷直流电机4的动力输入接口连通，电机驱动器3控制驱动无刷直流电机4连续运转。无刷直流电机4的三相端U、V、W分别连接示波器5的输入接口，从而通过波器5对无刷直流电机4的三相端电压进行监测。
利用电机驱动器3对无刷直流电机4进行控制，无刷直流电机4的控制驱动换相点与电机端电压一致条件下，无刷直流电机4的控制驱动换相点消耗的母线工作电流达最小值，运行效率最高。通过母线电流最小值判据以一定步长逐渐接近实测控制参数值，并同时监测无刷直流电机4的U、V、W三相相对于功率地的端电压波形，进行参数调整测试，直至控制示波器5中显示的U、V、W三相相对于功率地的端电压波形与电机端电压波吻合。
如图1所示，采用上述本发明所提供的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试系统进行旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，该方法具体包括以下步骤：
(1)低压粗调无刷直流电机4的零位
(1.1)设定功率电源1电流、电压值
将功率电源1的电压值给定设为15V，并将电源电流限制在5A以内，打开功率电源1。
(1.2)连接示波器5测量无刷直流电机4的电压波形
无刷直流电机4的U、V、W三相对功率地的电压分别接示波器5的三个通道，示波器5的三个通道分别测量电机无刷直流电机4的U、V、W三相对功率地的电压波形。
(1.3)上位机2控制电上电，并向电机驱动器3初始写入参数
用上位机2控制电给电机驱动器3、无刷直流电机4上电，用上位机2向电机驱动器3初始写入参数0，并对电机驱动器3内工作状态进行监测。
(1.4)判断无刷直流电机4是否正常运转且转速为正，从而测量无刷直流电机4的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn
(1.4.1)通过上位机2监测无刷直流电机4的运转状态，如果通过上位机2判断无刷直流电机4正常运转且转速为正，则测量无刷直流电机4的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn，具体测量步骤如下：
①上位机2测量无刷直流电机4的电压切换时间差ΔT1和无刷直流电机4的旋转电周期T1之间的相位差X1，第一次测量得到的两者相位差X1如下：
X1＝(ΔT1/T1)×4096/360。
②用上位机2向电机驱动器3初始写入参数X1，上位机2监测无刷直流电机4的运转状态，如果无刷直流电机4正常运转且转速为正，再次测量电机无刷直流电机4的电压切换时间差ΔT2和无刷直流电机4的旋转电周期T2之间的相位差X2，第二次测量得到的两者相位差X2如下：
X2＝(ΔT2/T2)×4096/360。
③用上位机2向电机驱动器3初始写入参数X2，上位机2监测无刷直流电机4的运转状态，如果无刷直流电机4正常运转且转速为正，再次测量无刷直流电机4的电压切换时间差ΔT3和无刷直流电机4的旋转电周期T3之间的相位差X3，第三次得到的两者相位差X3如下：
X3＝(ΔT3/T3)×4096/360。
④用上位机2向电机驱动器3初始写入参数Xn-1，直至无刷直流电机4的电压切换时间差ΔTn与无刷直流电机4的旋转电周期Tn之比ΔTn/Tn<1/360时，认为无刷直流电机4零位粗测合格，此时无刷直流电机4零位测试偏差已控制在<1°。
其中，n＝1，2，3…….。
(1.4.2)如果通过上位机2判断无刷直流电机4，正常运转且转速为负，则在原无刷直流电机4初设零位基础上增加4096/2p，其中，p为无刷直流电机4的极对数，此时电机转向由负变为正，然后再按照步骤(1.4.1)测量无刷直流电机4的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn，直至ΔTn/Tn<1/360。
(2)高压细调无刷直流电机4的零位
(2.1)设定功率电源1为额定电压
将功率电源1升高为额定电压96V，电流限流值仍设为5A。
(2.2)上位机2监测无刷直流电机4的运转状态
电机驱动器3上电，用上位机2监测无刷直流电机4的运转状态。
(2.3)示波器5测量的无刷直流电机4电压波形
调试过程中用示波器5的三个通道分别测量无刷直流电机4的U、V、W三相对功率地的电压波形
(2.4)调整控制参数，确定无刷直流电机4电流最小值，完成无刷直流电机4的零位测试
以10码为步长上下调整无刷直流电机4驱动器内装订的标志电机旋变零位的12位二进制控制参数，记录控制参数、电源电压、电源电流、电机转速等参数，寻找无刷直流电机4电流最小值；
控制参数根据旋转变压器安装零位随机确定，取值范围在0x000～0xFFF之间，电源电压即96V电压实测值，电源电流<2A，一般在1.3A～1.5A之间，电机转速8000rpm～10000rpm。
用示波器5观测额定电压运转时无刷直流电机4的U、V、W三相对功率地的端电压波形，端电压波形换相点与无刷直流电机4的反电势吻合(如图3所示)，端电压应呈现对称梯形方波，且此时对应无刷直流电机4的电流值应为最小值，此时电机零位精确确定，即完成了无刷直流电机4的零位测试，记录确定的电机控制参数(0x000～0xFFF之间安装零位确定值)及端电压波形。
上面结合附图和实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。本发明中未作详细描述的内容均可以采用现有技术，例如功率电源1、上位机2、电机驱动器3、无刷直流电机4和示波器5均可以采用现有技术中的产品。
Claims (7)
1.一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
(1)低压粗调无刷直流电机(4)的零位
(1.1)设定功率电源(1)的电流、电压值；
(1.2)连接示波器(5)测量无刷直流电机(4)的电压波形；
(1.3)上位机(2)控制电上电，并向电机驱动器(3)初始写入参数；
(1.4)判断无刷直流电机(4)是否正常运转且转速为正，从而测量无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn；
(2)高压细调无刷直流电机(4)的零位
(2.1)设定功率电源(1)为额定电压；
(2.2)上位机(2)监测无刷直流电机(4)的运转状态；
(2.3)示波器(5)测量无刷直流电机(4)的电压波形；
(2.4)调整控制参数，确定无刷直流电机(4)电流最小值；完成无刷直流电机(4)的零位测试。
2.根据权利要求1所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(1.1)中功率电源(1)的电压值设定为15V，电流值最大值设定为5A。
3.根据权利要求2所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(1.2)中示波器(5)的三个通道分别测量电机无刷直流电机(4)的U、V、W三相对功率地的电压波形。
4.根据权利要求3所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(1.4)包括以下步骤：
(1.4.1)如果无刷直流电机(4)正常运转且转速为正，则测量无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差Xn；
(1.4.2)如果无刷直流电机(4)正常运转且转速为负，则在原无刷直流电机(4)初设零位基础上增加4096/2p，其中，p为无刷直流电机(4)的极对数，此时电机转速由负变为正，然后再按照步骤(1.4.1)测量无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔTn和旋转电周期Tn之间的相位差，直至ΔTn/Tn<1/360。
5.根据权利要求4所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(1.4.1)包括以下步骤：
①测量无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔT1和旋转电周期T1之间的相位差X1，第一次测量得到的两者相位差X1如下：
X1＝(ΔT1/T1)×4096/360；
②向电机驱动器(3)初始写入参数X1，如果无刷直流电机(4)正常运转且转速为正，再次测量电机无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔT2和无刷直流电机(4)的旋转电周期T2之间的相位差X2，第二次测量得到的两者相位差X2如下：
X2＝(ΔT2/T2)×4096/360；
③向电机驱动器(3)初始写入参数X2，上如果无刷直流电机(4)正常运转且转速为正，再次测量无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔT3和旋转电周期T3之间的相位差X3，第三次得到的两者相位差X3如下：
X3＝(ΔT3/T3)×4096/360；
④向电机驱动器(3)初始写入参数Xn-1，直至无刷直流电机(4)的电压切换时间差ΔTn与旋转电周期Tn之比ΔTn/Tn<1/360。
6.根据权利要求5所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(2.4)中以10码为步长调整控制参数。
7.根据权利要求6所述的一种旋转变压器随机安装无刷直流电机电气零位测试方法，其特征在于：所述的步骤(2.4)中用示波器(5)观测额定电压运转时无刷直流电机(4)的U、V、W三相对功率地的端电压波形，端电压波形换相点与无刷直流电机(4)的反电势吻合时，无刷直流电机(4)的电流值为最小值，从而完成了无刷直流电机(4)的零位测试。
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