CN105720880B - 一种电机转角实时估计方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电机转角的实时高精度估计方法及实施该方法的装置。其中，转角实时估计方法的特征在于包括转子角速度估计的步骤，转子区间初始角的获取方法，转角实时估计的算法和转角估计值有效性的监控方法。实施装置的特征在于包括一个内部含有捕获触发中断源和定时中断源的数字控制器和一个异或门电路。本发明采用低分辨率数字式位置传感器，降低了成本及复杂度，提高了可靠性。利用数字控制器内部时钟对转子位置进行预估，实时性高，保证了转子位置的高精度检测。具有高可靠、高精度、易实现，适用范围广的特点，适用于对已有采用低分辨率数字式位置传感器的永磁同步电机系统升级改造，提升性能。

Description

一种电机转角实时估计方法与装置

技术领域

本发明属于信号检测与处理及伺服控制技术领域，涉及一种电机转角实时估计方法与装置，该方法及装置适用于航空航天、军事装备以及工业生产中对高精度电动伺服系统的控制。

背景技术

永磁同步电机控制系统中，转子位置的获取是电机准确定向的关键，因此需要位置传感器对转子位置进行实时检测。目前高精度伺服机电系统采用的矢量控制方法，需要精确、实时检测转子位置并进行坐标变换，将定子坐标电流变换为dq轴电流并进行控制，因此对转子位置传感器的测量精度、数字信号的处理速度要求很高。矢量控制方法在检测和控制电枢绕组电流时，实际可用的转子位置传感器有多种，一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器等，同时需要相应的解调处理电路，结构复杂，增加了成本，降低了可靠性。

在采用矩形波驱动的永磁无刷直流电机控制系统中，只需要离散的转子位置信息，即有限个换向时刻点，因此采用低分辨率的位置检测器即可(通常使用霍尔位置传感器)，成本及复杂性极大降低。然而，采用低分辨率位置检测器的永磁同步电机系统，转子位置检测精度很低，难以直接实现矢量控制，性能较差。

本发明提出一种基于低分辨率数字式位置传感器的电机角实时估计的方法并设计了相应装置，实现对机电伺服系统转子位置高可靠高精度的测量。与现有方法相比，优点是采用低分辨率数字式位置传感器，降低了成本及复杂度，提高了可靠性。其精度高、容易实现，适用范围广。尤其适用于对已有采用低分辨率数字式位置传感器的永磁同步电机系统升级改造，提升性能。

发明内容

针对现有永磁同步电机控制系统转子位置检测结构复杂、成本高、可靠性低，以及常用于无刷直流电机控制系统的转子位置检测精度低的缺点，本发明提出一种基于低分辨率数字式位置传感器的电机转角实时估计的方法并设计相关装置，含有一个数字控制器和一个异或门电路。其中：

所述数字控制器包含一个捕获输入端口，N个通用数字输入端口，M个输出端口。所述N个通用数字输入端口分别与N个数字式位置传感器的输出相连；N个数字式位置传感器的输出同时也连接至一个具有N路输入端的异或门电路，所述异或门电路的输出端与上述数字控制器的捕获输入端口相连，结构如图1所示。上述数字控制器输出端口包含M个PWM端口，用于输出脉宽调制(PWM)波，对电机各相电压进行控制，其中M与电机相数相同。控制器通过调制PWM波的脉宽，改变控制电压大小。图4以采用两路数字式位置传感器作为输入为例，示出了上述连接关系的结构原理图。

所述数字控制器内部含有一个捕获触发中断源和一个定时中断源；所述捕获触发中断源的信号来自于所述捕获输入端口，为上下边沿触发中断；所述定时中断源来自系统内部定时器，定时周期为Δt，定时周期应不小于所述PWM波的周期；

与上述数字控制器和异或门相连的N个数字式位置传感器安装角之间的电角度为对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，间隔电角度为90°；对于装有N个(N>2)的数字式位置传感器一般情况，间隔电角度为各路数字式位置传感器每变化180°电角度，其输出信号发生电平翻转。电机连续运行时，对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，每隔90°电角度产生一次位置信号跳变；对于装有N个(N>2)数字式位置传感器的一般情况，每隔电角度产生一次位置信号跳变。当位置信号跳变时，所述数字控制器执行捕获中断服务程序。

所述数字控制器按以下方法步骤进行转子位置估计：

(1)捕获中断时，读取用于实施所述电机转角实时估计方法的数字控制器内部时钟CTR当前计数值，读取后立即将CTR计数值清零；

(2)计算CTR当前计数值与前一次CTR计数值的差值CAP1，根据控制器内部时钟周期T₀，得到电机旋转电角度所对应的时间T＝CAP1·T₀。计算电机角速度并保存本次CTR值，供下次比较使用；

(3)读取所述数字控制器的N个通用数字输入端口的电平值，根据用于检测转子区间的数字式位置传感器与转子位置对应关系(以N＝2为例，关系表如图1所示)，得到转子位置所在区间；

(4)根据位置信号跳变前转子位置所在区间和转子转向，其关系表如图2所示，确定位置信号跳变后转子所在区间的初始位置角θ₀，并保存记录本次数字式位置传感器的电平逻辑；

(5)定时中断服务程序每隔Δt执行一次。读取控制器内部时钟CTR当前计数值，得到位置信号跳变后至当前时刻所对应的时间：ΔT＝CTR·T₀，预估出转子当前转角θ＝θ₀+ω·ΔT；

(6)将转子当前转子位置角预估值θ的范围限定在0～360°；

(7)调用步骤(3)，确定转子位置所在区间；

(8)根据当前转子位置所在区间，对步骤(6)中所述转子当前的转子位置角预估值θ的有效性进行监控。当转子位置角预估值超出转子位置所在区间时，则根据图3所示关系表(以N＝2为例)对转子位置角预估值的合理性进行判断并修正；

(9)将修正后的转子位置角预估值θ用于旋转坐标变换，实现矢量控制算法。

本发明的优点在于：

(1)使用低分辨率数字式位置传感器对转子位置进行预估，无需外加数字电路，系统结构简单紧凑，可靠性高，降低了设计成本，适用范围广，容易实现。尤其适用于对已有采用低分辨率数字式位置传感器的永磁同步电机系统升级改造，提升性能。

(2)利用数字控制器内部时钟对转子位置进行预估，实时性高，保证了转子位置的高精度检测，为实现高精度伺服控制奠定了基础。

附图说明

图1为本发明实施例，以装有两个数字式位置传感器为例，传感器输出电平值与转子位置区间关系表。

图2为当数字式位置传感器信号跳变时，本发明方法判断初始位置角与跳变前后转子位置关系表。

图3为本发明实施例根据转子所在区间，实时判断转子位置估计值有效性关系表。

图4为本发明装置的原理结构框图。

图5为本发明装置所用电机某相空载反电动势与对应数字式位置传感器信号关系图。

图6为本发明实施例的捕获中断服务程序流程图。

图7为本发明实施例的定时中断服务程序流程图。

具体实施方式

本实施例以两相电机为例，包括A相绕组和B相绕组。采用的数字式位置传感器包括两个互成电角度的霍尔位置传感器Ha、Hb。对于本实施例，两个数字式位置传感器安装角电角度相位差为90°，结构如图4所示。对于N个情况下(N>2)，N个数字式位置传感器的安装角计算方法相同，即N个数字式位置传感器安装角相位差为

本装置采用美国德克萨斯仪器公司(Texas Instruments，简称TI)的TMS320C28x^TM系列数字信号处理芯片组成数字控制器，实现对功率驱动的控制。

在实际系统中，以两相电机为例，A相反电势正向过零点作为转子绝对零位，用于检测转子位置的数字式位置传感器的安装位置使之输出信号与对应相绕组反电势波形应满足如图5所示的对应关系。

N个数字式位置传感器的输出信号经过异或门电路输出至所述数字控制器的捕获输入端口CAP，用于对电机的转速进行测量。所述控制器根据捕获两次跳变之间的时间测出当前数字式位置传感器信号的频率，获得电机的转速。所示装置结构如图4所示。

所述数字控制器控制执行捕获中断过程如下(流程如图6)：

(1)数字式位置传感器输出信号发生跳变时，数字控制器产生捕获中断，自动记录内部计数时钟CTR当前的计数值并与上次跳变时CTR的计数值作差，结果保存至寄存器CAP1，将CTR清零并执行捕获中断服务程序。

(2)捕获中断服务程序读取CAP1寄存器内的值，根据控制器内部时钟周期T0，解算出转子旋转电角度所对应的时间T＝(CNT1-CNT0)·T₀，进而获得电机转速

(3)读取数字式位置传感器电平值，根据图1所示关系表确定转子位置所在转角区间。根据图2所示关系表和转向确定转子位置所在区间的初始位置角θ₀。

(4)保存更新当前数字式位置传感器电平逻辑，供下次数字式位置传感器信号跳变时使用。

所述数字控制器控制执行定时中断过程如下(流程如图7)：

(1)控制器每隔Δt执行一次定时中断服务程序，与输出PWM波的频率一致，实现对转角θ的估计和每个周期PWM波脉宽的控制。

(2)定时中断服务程序实时采样控制器内部时钟CTR的当前计数值，根据其内部时钟计数器周期T₀，计算数字式位置传感器信号跳变后至当前时刻所对应的时间：ΔT＝CTR·₀T；

(3)根据转子速度ω，数字式位置传感器信号跳变后至当前时刻所对应的时间ΔT，预估转子当前转子位置角θ＝θ₀+ω·ΔT

(4)对转子位置角预估值θ的范围进行处理，限定为0°～360°；

(5)读取所述N个通用数字输入端口的电平，根据数字式位置传感器与转子位置对应关系(以N＝2为例，关系表见图1)，得到转子位置所在区间；

(6)根据当前转子位置所在区间，监控所述转子位置角预估值的有效性。当转子位置角预估值超出转子位置所在区间时，根据图3所示的关系表对转子位置角预估值合理性进行判断并修正；

(7)根据修正后的所述转子位置角预估值θ用于旋转坐标变换，实现矢量控制算法。

以上所述的具体实施方法，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电机转角实时估计方法，其特征在于包含下述步骤：

(1)捕获中断时，读取用于实施所述电机转角实时估计方法的数字控制器的内部时钟CTR当前计数值，读取后立即将CTR计数值清零；

(2)计算CTR当前计数值与前一次CTR计数值的差值CAP1，根据数字控制器内部时钟周期T₀，得到电机旋转电角度所对应的时间T＝CAP1·T₀；计算电机角速度并保存本次CTR计数值，供下次比较使用；

(3)读取所述数字控制器的N个通用数字输入端口的电平值，根据用于检测转子区间的数字式位置传感器与转子位置对应关系，得到转子位置所在区间；

(4)根据位置信号跳变前转子位置所在区间和转子转向，确定位置信号跳变后转子位置所在区间的初始位置角θ₀，并保存记录本次数字式位置传感器的电平逻辑；

(5)定时中断服务程序每隔Δt执行一次；读取上述控制器内部时钟CTR当前计数值，得到位置信号跳变后至当前时刻所对应的时间：△T＝CTR·T₀，预估出转子当前的转子位置角预估值θ＝θ₀+ω·△T；

(6)将转子当前的转子位置角预估值θ的范围限定在0～360°；

(7)调用步骤(3)，确定转子位置所在区间；

(8)根据当前转子位置所在区间，对步骤(6)中所述转子当前的转子位置角预估值θ的有效性进行监控；当转子位置角预估值超出转子位置所在区间时，则根据转子位置角预估值有效性关系表对转子位置角预估值的合理性进行判断并修正；

(9)将修正后的转子位置角预估值θ用于旋转坐标变换，实现矢量控制算法。

2.一种用于实现权利要求1所述方法的装置，其特征在于，含有一个数字控制器和一个异或门电路；其中：

所述数字控制器包含一个捕获输入端口，N个通用数字输入端口，M个输出端口；所述N个通用数字输入端口分别与N个数字式位置传感器的输出相连；N个数字式位置传感器的输出同时连接至一个具有N路输入端的异或门电路，所述异或门电路的输出端与上述数字控制器的捕获输入端口相连；上述数字控制器的输出端口包含M个PWM端口，用于输出脉宽调制PWM波，对电机各相电压进行控制，其中M与电机相数相同；数字控制器通过调制PWM波的脉宽，改变控制电压大小；

所述数字控制器内部含有一个捕获触发中断源和一个定时中断源；所述捕获触发中断源的信号来自于所述捕获输入端口，为上下边沿触发中断；所述定时中断源来自系统内部定时器，定时周期为Δt；

该装置中要求与所述数字控制器和异或门相连的N个数字式位置传感器安装角之间的电角度为对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，间隔电角度为90°；对于装有三个以上数字式位置传感器一般情况，间隔电角度为各路数字式位置传感器每变化180°电角度，其输出信号发生电平翻转；电机连续运行时，对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，每隔90°电角度产生一次位置信号跳变；对于装有三个以上数字式位置传感器一般情况，每隔电角度产生一次位置信号跳变；当位置信号跳变时，所述数字控制器执行捕获中断服务程序。