CN105305755A - 一种永磁同步电动机转子位置的检测方法 - Google Patents

Abstract

一种永磁同步电动机转子位置的检测方法，将混合式编码器与电机同轴连接，利用CPU高频时钟计数计算出磁极的相对位置，采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位，再用增量式光电脉冲信号进行精定位，利用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲。

Description

一种永磁同步电动机转子位置的检测方法

技术领域

本发明涉及一种检测永磁同步电机驱动系统转子位置的方法。

背景技术

对永磁同步电动机的控制必须要有转子位置信号的反馈，以便进行坐标变换控制电枢中的交变磁场。尤其在永磁同步电机启动时刻需要准确获知转子的绝对位置。因此，在永磁同步电机控制系统中一般采用既能检测磁极位置又能检测位置增量的混合式编码器。

混合式光电编码器则兼具增量式和绝对式编码器的优点，混合式光电编码器输出2组信号：一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则用于检测速度及位置，具有增量式功能。增量式信号由组码道提供。码道能够产生与位置增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位置增量离散化的传感方法。其分辨率由编码器光栅的透光缝隙数量决定。通过对光电转换信号进行逻辑处理可以得到2倍频或4倍频的脉冲信号。由于带宽的限制，4倍频是目前硬件系统中采用的最高倍频数值。

混合式光电编码器输出的三路脉冲信号彼此相差120度，每转的脉冲个数与电机的极对数一致。根据和的高低电平关系可以计算电机转子的绝对位置，电机启动后，增量式部分可以精确的检测出位置值。

在使用光电编码器测速的系统中，电机若工作于较低转速，通常使用T法测速，转速越低单位测量周期T越长，对编码器脉冲进行计数的单位时间T过长则会引起转速控制性能下降。因此，混合编码器的传统使用方法已无法满足高性能伺服系统对转子位置测量分辨率的要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术位置信号检测分辨率受限于硬件电路带宽的缺点，提出一种永磁同步电动机转子位置的检测方法。

本发明基于数字信号处理芯片对转子位置脉冲信号的高频细化，采用电机控制系统的控制芯片对位置信号进行细化处理，提高混合式光电编码器的分辨率及其检测精度，节约系统的硬件成本，实现永磁同步电机在高速和低速工况的高精度控制。

本发明利用CPU高频时钟，对既有混合式光电编码器输出的频率较低的位置信号进行细分，通过倍频细分的方法使位置检测系统获得比混合式编码器原始信号周期更为细密的位置信号。本发明将混合式编码器与电机同轴连接，并采用粗精结合的转子磁极位置检测方法，即采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位，再用增量式光电脉冲信号进行精定位，利用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲。

本发明的实现方式有两种：若主控芯片具备中断触发功能，可采用中断的方式，则可以采用中断触发的方式进行定时器的计数，并以此为基础计算转子位置，若主控芯片不具备中断触发功能，则可以采用多级计数的方式实现脉冲计数，解决高频计数下计数器的溢出问题。

以一对极电机轴向顺时针旋转为例，电机每旋转一周，3路脉冲信号U、V、W周期变化1次，生成6个绝对位置信息，用三位格雷码表示，为：010、110、100、101、001、011。6个绝对位置信息将转子一周空间角度6等分，每两个相邻位置之间相差60°，位置检测误差最大可达60°。在电机初始上电时，由3路脉冲信号U、V、W的状态便可判定电机转子所处空间位置的相应区间。确定转子位置的区间后，利用增量式位置信号和高频时钟细化方案进一步确定转子的精确位置，具体检测步骤如下：

1、确定转子所在的区间

通过混合式编码器的I/O口读取绝对式编码器产生的3位格雷码信号，查表可获得转子磁极的绝对位置。但这样只能确定转子所在的区间，并不能确定转子的准确位置，因此还需要增量式编码器的精确定位。

2、获取转子磁极位置

在采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位的基础上，采用混合式编码器的增量式信号，通过DSP芯片的集成专用电路-正交编码单元获得位置信号脉冲信息，据此信息和M法测速原理计算出实际转子的位置。所述的增量式信号共有和三个脉冲信号，其中信号和信号正交。所述的M法测速是记录在规定时间t1内编码器所产生的脉冲个数m1，m1/t1即可得电机转速。转速的积分即为转子的相对位置高速计数累加值，即为正交编码单元脉冲计数器的值。M法测量转速在极端情况下会产生±1个转速脉冲的计数误差。只有在被测转速或编码器分辨率较高时，有较高的测量精度。信号是计数清零触发信号，电机每转一周，发出一次信号，此时脉冲计数累加器清零。综合以上方法可以得到转子磁极在每两个绝对位置间的相对位置。

本发明在步骤1中获得绝对式位置信号，发出绝对位置信号后对增量式信号进行计数，同时启动DSP芯片内部的定时器1#，当定时器1#累计值达到预设时间间隔t1，开始计算永磁同步电机的转子位置；之后，在增量式脉冲信号的上升沿或下降沿触发CAP中断启动DSP芯片内部的定时器2#，并同时对高频脉冲进行计数，当定时器1#值达到t1，且此刻为检测到CAP中断时，读取高频时钟脉冲计数器的值m2；高速计数器的累加值m1与增量式编码信号位置分辨率相乘结果计为θ1，高频时钟脉冲计数器的值m2与高频时钟位置分辨率相乘结果计为θ2，θ1和θ2求和即可获得永磁同步电机转子磁极在每两个绝对位置之间的相对位置。本发明提供的实施例中，混合式编码器的增量式信号每转产生1000个相位互差90°的脉冲PCA、PCB，经DSP的正交编码脉冲QEP电路四倍频后，得到4000个脉冲，编码器分辨率Z＝4000，即4倍频增量式位置信号。若忽略编码器的制造误差，通过对输出脉冲计数进行位置检测所能引起的最大误差将达到一个光电脉冲所代表的角度。

本发明应用TI公司的DSPTMS320LF2407A作为电机控制控制核心，主回路采用智能功率模块IPM，整个主回路先经不控整流，后经全桥逆变输出。DSP通过其内部CAN模块与PC机进行通讯，既可以将实时的数据传给PC，也可从PC得到控制命令。

要想提高电机驱动系统的性能，必须提高转子位置检测的精度。本发明在不增加系统成本的基础上，对混合式编码器的使用方法进行了改进，提高位置信号检测系统的分辨率。使用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲的方法，即在绝对式编码器初始定位的基础上，通过对高频时钟脉冲进行计数，计算出磁极的相对位置，进而得到转子的实际位置。

本发明尤其适用于永磁同步电机低速运转时的转子位置的检测。

附图说明

图1编码器输出信号及所表示区间；

图2编码器输出脉冲时序图；

图3基于DSP的实验系统结构图；

图4系统硬件接线图；

图5主程序流程图；

图6CAP中断服务子程序流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

本发明首先利用低精度的绝对式光电编码器进行位置的粗定位。再利用增量式光电编码器和脉冲细化方案进行精确定位。

下面以DSP2407A为主控芯片的电机控制系统为例进一步说明本发明的具体实施方式。

步骤一，使用混合式编码器的绝对位置信号对转子位置进行初定位。图1所示是绝对式编码器的三个输出信号，将一个圆周均分成6个扇区，每个扇区60度。根据电机旋转时输出的绝对位置信号，可测得转子绝对位置为0度、60度、120度、180度、240度、300度、360度中任何一个。

步骤二，由混合式光电编码器输出的增量式信号对步骤一所得的转子位置进行细化。例如，步骤一所得绝对位置是60度，则经过细化后的位置信息应是大于60度而小于120度。

步骤三，在步骤二的基础上进行高频细化，进一步提高位置检测精度。图2所示为增量式编码器输出脉冲信号示意图，脉冲细化的方案针对第N个编码器脉冲和第N+1个编码器脉冲之间的区域进行。电机在低速运行的场合，固定周期内只能记录到第N个脉冲，但实际编码器有效的位置信号为N+Δ(t)。Δ(t)信号通过高频时钟进一步离散化，并且进行二次计数。该高频时钟通常为单片机的外部时钟确定。此脉冲细化并进算转子位置的过程由DSP2407完成，流程如图5和图6所示。

步骤四，设置计算转子位置信息的计数时钟，计算增量式信号的转子位置信息。本例中采用DSP2407计算，流程如图5和图6所示。采用的程序架构为外部中断内嵌CAP中断，外部中断对增量式位置信号进行处理，得到相应的转子位置信息。CAP中断用以处理绝对位置信号，绝对式编码器的U相输出经隔离放大后与外部中断INT1、INT2相连，两个外部中断分别检测U相脉冲的上升、下降沿，检测到相应边沿后引发外部中断，在中断服务程序中读取转子初始位置，并启动定时器T4对增量式光电编码器的输出脉冲计数；DSP2407的脉冲捕获单元CAP1、CAP2用于启动相应的定时器计数。

步骤五，设置高频时钟，并计算脉冲细化后的转子位置。每当检测到输出脉冲的边沿时则引发捕获(CAP)中断，在中断中启动定时器T3对高频脉冲计数。本发明计算T时间内的编码器脉冲数由两部分构成，其一为前N个编码器脉冲，N大于等于1，计算仍采用传统计数方式。而在第N个和第N+1个编码器脉冲之间，即计数时间T内，存在不完整的增量式脉冲时，如图2所示，采用高频脉冲进行细化，提高测速单元在该区间的分辨能力。

一个编码器脉中周期内有若干个高频时钟脉冲，本例中为n_M个。计数周期结束时刻与第N个完整编码器脉冲结束时刻之间包含的高频时钟脉冲数Δn_M。那么经过高频时钟脉冲细化后，计数时间为T的周期内，有效测速脉冲数为N*n_M+Δn_M。

完成以上五个步骤后，即可在主程序中计算转子位置，计算公式如下：

$\mathrm{\θ}={\mathrm{\θ}}_i+\frac{360}{Z}(n_{M0}-1)+\frac{{\mathrm{\Δn}}_M}{n_M}\frac{360}{Z}+{\mathrm{\ϵ}}_2$

式中0≤ε₂≤0.09°/n_M，为脉冲细化后的测量误差，θ_i是由绝对式编码器获得的第i个区间的初始位置角。

高频时钟细化方案可以有两种实现方案，一种是通过触发中断的方式，如图5和图6所示。另一种实现方式是采用多级计数器模式，即计数发生溢出时立即清零重新计数，并同时启动第二级计数一次类推。最终的有效测速脉冲数极为多级计数器的乘积。此方案简便易行，无中断延时。并且脉冲细化的后的分辨率完全取决于主控芯片的系统时钟。在多数应用场合下主控系统时钟频率即可满足大部分电机控制系统对分辨率的需求。

Claims (2)

1.一种永磁同步电动机转子位置的检测方法，其特征在于，所述的方法将混合式编码器与电机同轴连接，利用CPU高频时钟计数计算出磁极的相对位置，采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位，再用增量式光电脉冲信号进行精定位，利用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲。

2.按照权利要求1所述的永磁同步电动机转子位置的检测方法，其特征在于，本发明的检测步骤如下：

(1)确定转子所在的区间

通过混合式编码器的I/O口读取绝对式编码器产生的3位格雷码信号，查表获得转子磁极的绝对位置；

(2)获取转子磁极位置

采用混合式编码器的增量式信号获取转子磁极位置；所述的增量式信号共有 和三个脉冲信号，其中信号和信号正交，通过DSP芯片的集成专用电路-正交编码单元获得位置信号脉冲信息，据此信息和M法测速计算出实际转子的位置；M法测速是记录在规定时间t1内编码器所产生的脉冲个数m1，m1/t1即可得电机转速；信号是计数清零触发信号，电机每转一周，发出一次信号，此时脉冲计数累加器清零；在电机每旋转60度电角度时，混合式编码器的绝对式码盘产生一个绝对式位置信号；

在步骤(1)中获得绝对式位置信号后，对增量式信号进行计数，同时启动DSP芯片内部的定时器1#，当DSP定时器1#累计值达到预设时间间隔t1，开始计算永磁同步电机的转子位置；之后，在增量式脉冲信号的上升沿或下降沿触发CAP中断启动DSP芯片内定时器2#，并同时对高频脉冲进行计数，当DSP芯片内部的定时器1#值达到t1，且此刻为检测到CAP中断时，读取高频时钟脉冲计数器的值m2；高速计数器的累加值m1与增量式编码信号位置分辨率相乘结果计为θ1，高频时钟脉冲计数器的值m2与高频时钟位置分辨率相乘结果计为θ2，θ1和θ2求和即可获得永磁同步电机转子磁极在每两个绝对位置之间的相对位置。