CN106411191B - 永磁电机转子位置-转速检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种永磁电机转子位置‑转速检测装置，括时序控制器、通信接口、数字转换器、模拟调理电路和旋转变压器。时序控制器通过配置数字转换器产生励磁信号，并经励磁信号调理电路放大，为旋转变压器提供额定幅值和功率的励磁电流；旋转变压器在励磁电流作用下，反馈包含位置信息的信号，并经反馈信号调理电路进行滤波、调幅；数字转换器根据反馈信号，解算出当前转子的位置、转速、装置故障信息；时序控制器将解算得到的位置、转速、故障信息通过曼彻斯特编码发送给上层控制器，从而实现位置、转速的检测。本发明针检测精度高、适用性好、配置灵活、可靠性高、适用于数字化控制系统等优点，尤其适用于同步电机控制系统。
Description
技术领域
本发明属于中大功率电气传动领域，具体涉及一种永磁电机转子位置-转速检测装置。
背景技术
随着新型永磁材料的发展和推广应用，以永磁同步电机为代表的新型机电转换设备成为了电气传动领域的重要组成部分。永磁同步电机以其高功率密度、高可靠性、良好的控制性能、低振动噪音等优点，在汽车动力、机车牵引、船舶工业领域得到了广泛的应用。特别是对振动噪声要求较高的应用场合，永磁电机具有常规交流电机无法比拟的优势。
在永磁同步电机控制中，控制变频器需根据电机转子实时位置，确定旋转坐标系坐标轴，并基于转子位置角和转速实现电机的闭环控制。因此，转子位置-转速检测成为永磁电机控制的基本条件之一。在电机控制领域，常用的转子位置-转速检测元件有光栅编码器和旋转变压器。其中，光栅编码器在静止状态下无法获得转子位置初始角，仅能实现动态转子位置-速度的检测，需采用额外控制算法获得初始角，该方法复杂，且容易产生微振动，故较少用于永磁同步电机转子位置-速度检测。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种永磁电机转子位置-转速检测装置，。
本发明提供了一种永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于：它包括时序控制器、外围通信接口、数字转换器、励磁信号调理电路、旋转变压器、反馈信号调理电路：其中，
旋转变压器作为位置传感器，包含定子和转子；其中，定子包含1套励磁绕组和2套反馈绕组；当励磁绕组通入交流励磁电流后，反馈绕组将输出包含转子位置信息的模拟信号至反馈信号调理电路；
反馈信号调理电路包括高频滤波电路和电压幅值调理电路组成；高频滤波电路滤除旋转变压器输出的模拟信号中的高频干扰；电压幅值调理电路将模拟信号中的反馈电压幅值调整到数字转换器合理的输入范围内并将调整后的模拟信号输出至数字转换器；
数字转换器提供旋转变压器所需的励磁信号，并按照Type II跟踪闭环原理，将反馈的模拟信号转换成位置、转速、检测装置故障的数字信号并输出至励磁信号调整电路和时序控制器；同时接收来自时序控制器的数据命令；
励磁信号调理电路利用内部运放电路实现数字转换器输出数字信号的电压幅值和功率的放大，以满足旋转变压器的驱动功率需求；并将调整后的数字信号输出至旋转变压器；
时序控制器实现数字转换器的初始化配置和位置、转速、转换故障信号的读取，以及通过外围通信接口接收来自上层控制器的数据命令通信；并将接收到的数据命令输出至数字转换器；
外围通信接口主要由光纤发送驱动器和光纤收发器组成；驱动器将时序控制器发送的电信号功率放大，并驱动光纤发送器实现电-光信号转换；光纤接收器将转换后的光信号输出至上层控制器，同时将接收到的来自上层控制器的光信号转换成电信号，传递给时序控制器。
所述时序控制器以FPGA为控制核心，编程实现数字转换器的励磁频率、工作模式、分辨率、故障阈值的初始化设定和位置、转速、故障数据的读取时序控制以及故障清除；时序控制器实现数字转换器和上层控制器之间通信的曼彻斯特编解码。
所述通信接口由采用74ACT00驱动的HFBR-1414TZ光纤发送器、AFBR-2418TZ光纤接收器及其外围电路组成。
所述数字转换器包括AD2S1210及其电源和晶振源及其外围电路组成；AD2S1210所有可配置引脚均和FPGA的通用IO相连。
所述励磁信号调理电路的输入端连接AD2S1210励磁正负输出端，其输出端连接旋转变压器的励磁绕组；励磁信号调理电路包括AD8397运算放大器和外围电阻电容；运算放大器的正极输入端经电阻R3接地，运算放大器的正极输入端经电阻R2连接12V直流电源；运算放大器的负极输入端经电阻R4连接AD2S1210励磁正负输出端；运算放大器的负极输入端经电阻R4与运算放大器的输出端连接；电阻R4与电容C1并联；电阻R2、R3用于设定运算放大器输出的偏置电压；R4与R1的比值为运算放大器运放电压幅值放大系数；R4、C1用于滤除励磁信号的谐波干扰。
所述反馈信号调理电路，其两个输入端分别连接旋转变压器的2个反馈绕组，其两个输出端分别连接AD2S1210的反馈信号两个输入接口；反馈信号调理电路的第一输入端经电阻R7和电阻R9与第一输出端连接；反馈信号调理电路的第二入输出端经电阻R8和电阻R10与第二输出端连接；接地端经稳压管D1连接于电阻R7和R9之间，接地端经稳压管D2连接于电阻R8和R10之间；接地端经电容C2连接于电阻R9和第一输出端之间；接地端经电容C3连接于电阻R10和第二输出端之间；第一输入端经电阻R5、R6连接于第二输入端，2.5V直流电源连接于电阻R5、R6之间；第一输出端经电阻R11连接于第二输出端；反馈信号首先经电阻R5、R6上拉至2.5V参考电压，用于反馈信号丢失检测；电阻R7、R8、R9、R10用以调整输入AD2S1210的电压信号幅值；电阻R9、电容C2和电阻R10、电容C3分别组成低通滤波器，滤除反馈信号中的高频干扰；稳压管D1、D2用以反馈信号过压保护。
所述时序控制器在检测装置上电或复位后，进行数字转换器的配置，包括励磁频率、工作模式、分辨率、LOS阈值、DOS超量程阈值、DOS失配阈值、DOS复位最大和最小阈值、LOT上限、LOT下限、控制字的寄存器配置；根据数据读取时序，分时读取转换得到的位置、转速、故障数据；查看故障数据是否显示错误，若存在错误，则清理故障，并重新读取错误数据；将读取得到的数据保存在FPGA内部的寄存器中；在收到发送数据命令后，按照曼彻斯特编码规则，将并行数据编码成串行数据，并通过光纤发送器将编码数据发送至上层控制器。
所述上层控制器利用接收到的编码数据码流，FPGA编程提取数据码流中的有效跳变沿，并将有效跳变沿统一成上升沿，再利用有效上升沿采样原始码流从而实现有效数据提取，最终实现自同步解码。
所述曼彻斯特码数据传输帧格式为3bit的1码元作为数据帧的同步帧头，3bit的0码元作为帧尾；在同步帧头后采用2bit码元的01作为数据起始位；数据/状态对应n个原始数据字的32*n个码元；数据/状态奇偶校验为表征2位奇偶校验数据的4bit码元；校验规则由收发双方自定义形成。
本发明将电子线路邻域的信号处理、数字控制以及曼彻斯特编码技术应用于电气传动测量领域，实现了强电磁环境下的永磁电机转子位置-转速的精确检测。本发明环境适应能力强。本发明用于电机转子位置-转速检测，处于高温、高湿、强电磁干扰环境下，采用旋转变压器和配套的数字转换系统，有效实现本地模拟电信号向数字光信号的转换。本发明检测精度高，采用高精度旋转变压器及其数字转换器，结合励磁放大电路、高频滤波电路，有效消除励磁信号的谐波干扰和反馈信号中的高频电磁干扰，位置信号的检测精度为角分级，并能实现检测装置故障信号的准确定位。本发明的通用性和适应性强；整个电机转子位置-转速检测装置能够根据应用需求，同时提供位置、转速、装置故障信号；采用数字编成配置和光纤通信接口，可以根据不同的应用环境对数字转换器进行配置，实现不同数据采样率、转换精度、分辨率的数据采集；根据通信接口类型，可以配置实现不同速率的串口通信、单光纤曼彻斯特码通信以及其他自定义通信方式。本发明采用单光纤高速曼彻斯特码通信。本发明将数字通信邻域的曼彻斯特编解码技术应用于电气传动领域。采用编程实现的数据编解码，具有硬件结构简单，通信速率和数据量配置灵活，可扩展性好。本发明的信号调理电路简单。采用具有大驱动电流能力的运放组成励磁信号调理电路，避免了传统推挽输出放大电路所固有的信号失真。采用低阶滤波电路和分压电路组成的反馈信号调理电路，在滤除高频干扰的同时，最小程度的减小信号相移，降低信号转换误差。
附图说明
图1为本发明的系统构成框图；
图2为励磁信号调理电路；
图3为反馈信号调理电路；
图4为时序控制器控制流程图；
图5为曼彻斯特编码原理图；
图6为曼彻斯特码通信数据帧格式。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。
如图1所示，本发明提供了一种永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于：它包括时序控制器、外围通信接口、数字转换器、励磁信号调理电路、旋转变压器、反馈信号调理电路：其中，
旋转变压器作为位置传感器，包含定子和转子；其中，定子包含1套励磁绕组和2套反馈绕组；当励磁绕组通入交流励磁电流后，反馈绕组将输出包含转子位置信息的模拟信号至反馈信号调理电路；旋转变压器为电机转子位置-转速传感器件，其转子和电机转子同轴固定安装，其定子和电机定子同轴固定安装。实际安装过程应确保旋转变压器的转子、定子和电机转子、定子的精确对中，减小安装误差。
反馈信号调理电路包括高频滤波电路和电压幅值调理电路组成；高频滤波电路滤除旋转变压器输出的模拟信号中的高频干扰；电压幅值调理电路将模拟信号中的反馈电压幅值调整到数字转换器合理的输入范围内并将调整后的模拟信号输出至数字转换器；
数字转换器提供旋转变压器所需的励磁信号，并按照Type II跟踪闭环原理，将反馈的模拟信号转换成位置、转速、检测装置故障的数字信号并输出至励磁信号调整电路和时序控制器；同时接收来自时序控制器的数据命令；
励磁信号调理电路利用内部运放电路实现数字转换器输出数字信号的电压幅值和功率的放大，以满足旋转变压器的驱动功率需求；并将调整后的数字信号输出至旋转变压器；
时序控制器实现数字转换器的初始化配置和位置、转速、转换故障信号的读取，以及通过外围通信接口接收来自上层控制器的数据命令通信；并将接收到的数据命令输出至数字转换器；
外围通信接口主要由光纤发送驱动器和光纤收发器组成；驱动器将时序控制器发送的电信号功率放大，并驱动光纤发送器实现电-光信号转换；光纤接收器将转换后的光信号输出至上层控制器，同时将接收到的来自上层控制器的光信号转换成电信号，传递给时序控制器。
所述时序控制器以FPGA为控制核心，编程实现数字转换器的励磁频率、工作模式、分辨率、故障阈值的初始化设定和位置、转速、故障数据的读取时序控制以及故障清除；时序控制器实现数字转换器和上层控制器之间通信的曼彻斯特编解码。
所述通信接口由采用74ACT00驱动的HFBR-1414TZ光纤发送器、AFBR-2418TZ光纤接收器及其外围电路组成。
所述数字转换器包括AD2S1210及其电源和晶振源及其外围电路组成；AD2S1210所有可配置引脚均和FPGA的通用IO相连。AD2S1210可根据具体应用需求，对励磁频率(10～20kHz)、工作模式(配置模式、数据读取模式)、数据分辨率(10～16位分辨率)、故障阈值进行选择性设定，并具有角分级的转换精度。
如图2所示，所述励磁信号调理电路的输入端连接AD2S1210励磁正负输出端，其输出端连接旋转变压器的励磁绕组；励磁信号调理电路包括AD8397运算放大器和外围电阻电容；AD8397是一款具有310mA电流输出能力的高精度、高带宽、高线性度的双通道运算放大器。整个励磁信号调理电路仅需一片运放。运算放大器的正极输入端经电阻R3接地，运算放大器的正极输入端经电阻R2连接12V直流电源；运算放大器的负极输入端经电阻R4连接AD2S1210励磁正负输出端；运算放大器的负极输入端经电阻R4与运算放大器的输出端连接；电阻R4与电容C1并联；电阻R2、R3用于设定运算放大器输出的偏置电压；R4与R1的比值为运算放大器运放电压幅值放大系数；R4、C1用于滤除励磁信号的谐波干扰。
如图3所示，所述反馈信号调理电路，其两个输入端分别连接旋转变压器的2个反馈绕组，其两个输出端分别连接AD2S1210的反馈信号两个输入接口；反馈信号调理电路的第一输入端经电阻R7和电阻R9与第一输出端连接；反馈信号调理电路的第二入输出端经电阻R8和电阻R10与第二输出端连接；接地端经稳压管D1连接于电阻R7和R9之间，接地端经稳压管D2连接于电阻R8和R10之间；接地端经电容C2连接于电阻R9和第一输出端之间；接地端经电容C3连接于电阻R10和第二输出端之间；第一输入端经电阻R5、R6连接于第二输入端，2.5V直流电源连接于电阻R5、R6之间；第一输出端经电阻R11连接于第二输出端；反馈信号首先经电阻R5、R6上拉至2.5V参考电压，用于反馈信号丢失检测；电阻R7、R8、R9、R10用以调整输入AD2S1210的电压信号幅值；电阻R9、电容C2和电阻R10、电容C3分别组成低通滤波器，滤除反馈信号中的高频干扰；稳压管D1、D2用以反馈信号过压保护。
如图4所示，所述时序控制器在检测装置上电或复位后，进行数字转换器的配置，包括励磁频率、工作模式、分辨率、LOS阈值、DOS超量程阈值、DOS失配阈值、DOS复位最大和最小阈值、LOT上限、LOT下限、控制字的寄存器配置；根据数据读取时序，分时读取转换得到的位置、转速、故障数据；查看故障数据是否显示错误，若存在错误，则清理故障，并重新读取错误数据；将读取得到的数据保存在FPGA内部的寄存器中；在收到发送数据命令后，按照曼彻斯特编码规则，将并行数据编码成串行数据，并通过光纤发送器将编码数据发送至上层控制器。
图5所示为曼彻斯特编码规则示意图。曼彻斯特编码原理是将非归零码的“1”和“0”分别编码成“10”和“01”两个码元，两个码元中间添加一个有效跳变沿，用以接收端实现有效跳变沿的提取和自同步解码。在所述的检测装置中，上层控制器利用接收到的编码数据码流，FPGA编程提取数据码流中的有效跳变沿，并将有效跳变沿统一成上升沿，再利用有效上升沿采样原始码流从而实现有效数据提取，最终实现自同步解码。所述上层控制器利用接收到的编码数据码流，FPGA编程提取数据码流中的有效跳变沿，并将有效跳变沿统一成上升沿，再利用有效上升沿采样原始码流从而实现有效数据提取，最终实现自同步解码。在FPGA系统时钟为100MHz时，基于单光纤的曼彻斯特码通信速率可达到40Mbps。
图6所示为曼彻斯特码数据传输帧格式。在曼彻斯特编码中，不可能出现连续超过3bit的1或0的码元。据此，设置3bit的1码元作为数据帧的同步帧头，3bit的0码元作为帧尾。在同步帧头后采用2bit码元的01作为数据起始位。数据/状态对应n个原始数据字的32*n个码元。数据/状态奇偶校验为表征2位奇偶校验数据的4bit码元。校验规则由收发双方自定义形成。
本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于：它包括时序控制器、外围通信接口、数字转换器、励磁信号调理电路、旋转变压器、反馈信号调理电路：其中，
旋转变压器作为位置传感器，包含定子和转子；其中，定子包含1套励磁绕组和2套反馈绕组；当励磁绕组通入交流励磁电流后，反馈绕组将输出包含转子位置信息的模拟信号至反馈信号调理电路；
反馈信号调理电路包括高频滤波电路和电压幅值调理电路组成；高频滤波电路滤除旋转变压器输出的模拟信号中的高频干扰；电压幅值调理电路将模拟信号中的反馈电压幅值调整到数字转换器合理的输入范围内并将调整后的模拟信号输出至数字转换器；
数字转换器提供旋转变压器所需的励磁信号，并按照Type II跟踪闭环原理，将反馈的模拟信号转换成位置、转速、检测装置故障的数字信号并输出至励磁信号调整电路和时序控制器；同时接收来自时序控制器的数据命令；
励磁信号调理电路利用内部运放电路实现数字转换器输出数字信号的电压幅值和功率的放大，以满足旋转变压器的驱动功率需求；并将调整后的数字信号输出至旋转变压器；
时序控制器实现数字转换器的初始化配置和位置、转速、转换故障信号的读取，以及通过外围通信接口接收来自上层控制器的数据命令通信；并将接收到的数据命令输出至数字转换器；
外围通信接口主要由光纤发送驱动器和光纤收发器组成；驱动器将时序控制器发送的电信号功率放大，并驱动光纤发送器实现电-光信号转换；光纤接收器将转换后的光信号输出至上层控制器，同时将接收到的来自上层控制器的光信号转换成电信号，传递给时序控制器；
所述反馈信号调理电路，其两个输入端分别连接旋转变压器的2个反馈绕组，其两个输出端分别连接AD2S1210的反馈信号两个输入接口；反馈信号调理电路的第一输入端经电阻R7和电阻R9与第一输出端连接；反馈信号调理电路的第二入输出端经电阻R8和电阻R10与第二输出端连接；接地端经稳压管D1连接于电阻R7和R9之间，接地端经稳压管D2连接于电阻R8和R10之间；接地端经电容C2连接于电阻R9和第一输出端之间；接地端经电容C3连接于电阻R10和第二输出端之间；第一输入端经电阻R5、R6连接于第二输入端，2.5V直流电源连接于电阻R5、R6之间；第一输出端经电阻R11连接于第二输出端；反馈信号首先经电阻R5、R6上拉至2.5V参考电压，用于反馈信号丢失检测；电阻R7、R8、R9、R10用以调整输入AD2S1210的电压信号幅值；电阻R9、电容C2和电阻R10、电容C3分别组成低通滤波器，滤除反馈信号中的高频干扰；稳压管D1、D2用以反馈信号过压保护；
时序控制器在检测装置上电或复位后，进行数字转换器的配置，包括励磁频率、工作模式、分辨率、LOS阈值、DOS超量程阈值、DOS失配阈值、DOS复位最大和最小阈值、LOT上限、LOT下限、控制字的寄存器配置；根据数据读取时序，分时读取转换得到的位置、转速、故障数据；查看故障数据是否显示错误，若存在错误，则清理故障，并重新读取错误数据；将读取得到的数据保存在FPGA内部的寄存器中；在收到发送数据命令后，按照曼彻斯特编码规则，将并行数据编码成串行数据，并通过光纤发送器将编码数据发送至上层控制器。
2.根据权利要求1所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于所述时序控制器以FPGA为控制核心，编程实现数字转换器的励磁频率、工作模式、分辨率、故障阈值的初始化设定和位置、转速、故障数据的读取时序控制以及故障清除；时序控制器实现数字转换器和上层控制器之间通信的曼彻斯特编解码。
3.根据权利要求1所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于所述通信接口由采用74ACT00驱动的HFBR-1414TZ光纤发送器、AFBR-2418TZ光纤接收器及其外围电路组成。
4.根据权利要求1所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于数字转换器包括AD2S1210及其电源和晶振源及其外围电路组成；AD2S1210所有可配置引脚均和FPGA的通用IO相连。
5.根据权利要求1所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于所述励磁信号调理电路的输入端连接AD2S1210励磁正负输出端，其输出端连接旋转变压器的励磁绕组；励磁信号调理电路包括AD8397运算放大器和外围电阻电容；运算放大器的正极输入端经电阻R3接地，运算放大器的正极输入端经电阻R2连接12V直流电源；运算放大器的负极输入端经电阻R4连接AD2S1210励磁正负输出端；运算放大器的负极输入端经电阻R4与运算放大器的输出端连接；电阻R4与电容C1并联；电阻R2、R3用于设定运算放大器输出的偏置电压；R4与R1的比值为运算放大器运放电压幅值放大系数；R4、C1用于滤除励磁信号的谐波干扰。
6.根据权利要求2所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于上层控制器利用接收到的编码数据码流，FPGA编程提取数据码流中的有效跳变沿，并将有效跳变沿统一成上升沿，再利用有效上升沿采样原始码流从而实现有效数据提取，最终实现自同步解码。
7.根据权利要求2所述的永磁电机转子位置-转速检测装置，其特征在于曼彻斯特码数据传输帧格式为3bit的1码元作为数据帧的同步帧头，3bit的0码元作为帧尾；在同步帧头后采用2bit码元的01作为数据起始位；数据/状态对应n个原始数据字的32*n个码元；数据/状态奇偶校验为表征2位奇偶校验数据的4bit码元；校验规则由收发双方自定义形成。
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