CN107505473A - 基于锁相环的电机软解码测速算法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于锁相环的电机软解码测速算法，包括误差解算器、PI调节模块、角度积分模块、正余弦输出模块、幅值计算模块和正交解算器，正交解算器分别与误差解算器和幅值计算模块连接，幅值计算模块和误差解算器连接，误差解算器、PI调节模块、角度积分模块和正余弦输出模块依次连接，正余弦输出模块与误差解算器连接，PI调节模块包括两个参数变量和加法器。本发明具有抗干扰能力强、测速范围宽和采样精度高的特点。

Description

基于锁相环的电机软解码测速算法

技术领域

本发明涉及电机检测技术领域，尤其是涉及一种抗干扰能力强、测速范围宽和采样精度高的基于锁相环的电机软解码测速算法。

背景技术

随着国民经济和科学技术的发展，电机在各行各业中发挥的作用越来越重要，而为了实现电机的速度闭环控制以及实时的监控，对电机的测速系统在精度、速度、以及造价上都提出了更高的要求。因此，电机测速系统技术对于电机产品的综合性能具有重要的影响，对整体产品的使用体验十分攸关。在现有的以电机为动力总成的产品中。

速度检测往往分为硬件解码以及软件解码两种方式。硬件解码利用现有的硬件解码芯片接受传感器发来的两路正弦信号，解码之后向主控芯片输出速度信号或者角度位置信号。软解码则直接对传感器的两路正弦信号进行处理，得到实时的速度、角位置。

如何精确的将传感器方向传来的正弦信号转换为速度值对电机产品的整体性能起着攸关的作用，特别是在电动汽车领域，随着自动驾驶、智能驾驶的日渐成熟，汽车动力总成中电机控制将越发的重视速度闭环，而精确的采样解码不仅能极大地提升电机自身的运行效率，在安全问题和驾驶体验上也会有不小的提升。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中，传统电机速度检测的软解码方案抗干扰能力差、精度低、测速范围窄和对传感器精度依赖性大的问题，提供了一种抗干扰能力强、测速范围宽和采样精度高的基于锁相环的电机软解码测速算法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于锁相环的电机软解码测速算法，包括误差解算器、PI调节模块、角度积分模块、正余弦输出模块、幅值计算模块和正交解算器，正交解算器分别与误差解算器和幅值计算模块连接，幅值计算模块和误差解算器连接，误差解算器、PI调节模块、角度积分模块和正余弦输出模块依次连接，正余弦输出模块与误差解算器连接，PI调节模块包括两个参数变量和加法器；本发明包括如下步骤：

（1-1）采样信号的转换

正交解算器在输入参量只有一路采样信号时，求解该采样信号对应的正交量，正交量滞后采样信号90度，并将正交量输出给误差解算器；

（1-2）信号的幅值计算

幅值计算模块通过接收采样信号和正交量的幅值，计算出所形成矢量的模，并将模信息传输给误差解算器；

（1-3）信号的误差变量计算

误差解算器接收正交量以及正余弦输出模块的输出量，并计算出实时误差变量；

（1-4）PI调节模块输出

PI调节模块包含了Kp、Ki两个参数变量，在PI调节模块接收误差解算器传入的误差变量后，参数变量Kp直接对误差量进行乘积计算，参数变量Ki对误差量的积分量进行乘积计算，两个乘积通过加法器求和得到PI调节模块的输出数据频率量；

（1-5）角度积分

角度积分模块接收PI调节模块输出的频率量，并对频率量进行积分，得到并输出角度量；

（1-6）角度量的变换

正余弦输出模块接收角度积分模块输出的角度量，并对角度量进行变换得到正余弦量，接着通过反馈回路将正余弦量传入误差解算器。

本发明采用了双闭环控制器，仅需要一路正弦信号采样，受扰动可能性小，同时能提供极好的抑制噪声能力，另外，本发明所提算法降低了对采样对象的依赖性。本发明具有抗干扰能力强、测速范围宽和采样精度高的特点。

作为优选，误差解算器包括第一数值转换模块、第二数值转换模块、第一乘法器、第二乘法器和第一减法器，第一数值转换模块和第一乘法器连接，第二数值转换模块和第二乘法器连接，第一乘法器和第二乘法器均与第一减法器连接，步骤（1-3）还包括如下步骤：

第一数值转换模块和第二数值转换模块将接收到的信号数值类型转换为算法所采用的数值类型，相位靠前的采样信号和测得角度所得到的正弦量通过第一乘法器做乘积，相位靠后的正交量和测得角度所得到的余弦量通过第二乘法器做乘积，第一乘法器和第二乘法器输出的结果通过第一减法器做差，得到误差量。

作为优选，角度积分模块包括第一积分器、触发器和比较器，触发器与比较器连接，第一积分器与触发器连接，第一积分器与比较器连接，步骤（1-5）还包括如下步骤：

第一积分器对频率量进行数值积分得到角度量，角度量通过比较器与固定值2π进行比较，当角度量的值大于2π时，触发器发送上升沿信号使第一积分器清零重新积分。

作为优选，幅值计算模块包括平方和开方计算器，步骤（1-2）还包括如下步骤：

平方和开方计算器通过接收采样信号和正交量的幅值，并计算出所形成矢量的模，当平方和开方计算器接收到的信号幅值为1的时候，平方和开方计算器闲置，当平方和开方计算器接收到的信号幅值≠1时，将误差解算器的输出量通过除法器除以矢量的模之后，再传值到PI调节模块。

作为优选，正交解算器包括数值转换器、精度控制增益器和互联反馈自适应双积分器，数值转换器与精度控制增益器连接，精度控制增益器与互联反馈自适应双积分器连接，互联反馈自适应双积分器与数值转换器连接，互联反馈自适应双积分器包括第二积分器、第三积分器、第三乘法器、第四乘法器、第二减法器，第三乘法器与第二减法器连接，第四乘法器与第二减法器连接，第三积分器与第四乘法器连接，第二积分器与第三乘法器连接，步骤（1-1）还包括如下步骤：

正交解算器的输入量为采样信号，经过数值转换器与反馈跟踪信号做差得到误差信号，误差信号经精度控制增益放大之后，进入互联反馈自适应双积分器。

误差信号经精度控制增益放大进入反馈互联自适应双积分器之后，先与第三积分器的输出量通过第二减法器做差得到误差量，误差量通过第二积分器后得到反馈跟踪信号，反馈跟踪信号和频率信号通过第三乘法器相乘，正交量和频率信号通过第四乘法器相乘。

因此，本发明具有如下有益效果：（1）仅需要一路正弦信号采样，抗干扰能力强；（2）降低了对采样对象的依赖性，鲁棒性极好，测速范围宽；（3）采用了双闭环控制器，提高了采样精度。

附图说明

图1是本发明的一种原理框图；

图2是本发明中的正交解算器的一种原理框图；

图3是本发明的一种流程图。

图中：误差解算器1、PI调节模块2、角度积分模块3、正余弦输出模块4、幅值计算模块5、正交解算器6、数值转换器 7、精度控制增益器8、第二积分器9、第三积分器10、第三乘法器11、第四乘法器12。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步的描述：

如图1所示的一种基于锁相环的电机软解码测速算法，包括误差解算器1、PI调节模块2、角度积分模块3、正余弦输出模块4、幅值计算模块5和正交解算器6。正交解算器分别与误差解算器和幅值计算模块连接，幅值计算模块和误差解算器连接，误差解算器、PI调节模块、角度积分模块和正余弦输出模块依次连接，正余弦输出模块与误差解算器连接，PI调节模块包括Kp、Ki两个参数变量和加法器。图中，正交信号Vta和Vtb、幅值量Vr、代表转速的频率量w、角度量Ang，正弦余弦量st和ct，误差量es。误差解算模块的输入量为Vta、Vtb以及正余弦输出模块的输出量st和ct。

如图2和图3所示的一种基于锁相环的电机软解码测速算法，包括如下步骤：

步骤100，采样信号的转换

正交解算器在输入参量只有一路采样信号Vta时，求解该采样信号对应的正交量Vtb，Vtb滞后Vta有90度，并将正交量Vtb输出给误差解算器；

正交解算器包括数值转换器7、精度控制增益器8和互联反馈自适应双积分器，数值转换器与精度控制增益器连接，精度控制增益器与互联反馈自适应双积分器连接，互联反馈自适应双积分器与数值转换器连接，正交解算器的输入量为采样信号Vta，经过数值转换器与反馈跟踪信号做差得到误差信号，误差信号经精度控制增益放大之后，进入互联反馈自适应双积分器；

互联反馈自适应双积分器包括第二积分器9、第三积分器10、第三乘法11器、第四乘法器12、第二减法器，第三乘法器与第二减法器连接，第四乘法器与第二减法器连接，第三积分器与第四乘法器连接，第二积分器与第三乘法器连接，误差信号经精度控制增益放大进入反馈互联自适应双积分器之后，先与第三积分器的输出量通过第二减法器做差得到误差量，误差量通过第二积分器得到反馈跟踪信号，反馈跟踪信号和频率信号w通过第三乘法器相乘，正交量和频率信号w通过第四乘法器相乘。

步骤200，信号的幅值计算

幅值计算模块通过接收采样信号和正交量的幅值，计算出所形成矢量的模，并将模信息传输给误差解算器；

幅值计算模块包括平方和开方计算器，平方和开方计算器通过接收采样信号Vta和正交量Vtb的幅值，并计算出所形成矢量的模Vr，当平方和开方计算器接收到的信号幅值为1的时候，平方和开方计算器闲置，当平方和开方计算器接收到的信号幅值≠1时，将误差解算器的输出量通过除法器除以Vr之后，再传值到PI调节模块。

步骤300，信号的误差变量计算

误差解算器接收正交信号Vtb和Vta以及正余弦输出模块的输出量st和ct，并计算出实时误差变量es；

误差解算器包括第一数值转换模块、第二数值转换模块、第一乘法器、第二乘法器和第一减法器，第一数值转换模块和第一乘法器连接，第二数值转换模块和第二乘法器连接，第一乘法器和第二乘法器均与第一减法器连接，第一数值转换模块和第二数值转换模块将接收到的信号数值类型转换为算法所采用的数值类型，相位靠前的采样信号Vta和测得角度所得到的正弦量st通过第一乘法器做乘积，相位靠后的正交量Vtb和测得角度所得到的余弦量ct通过第二乘法器做乘积，第一乘法器和第二乘法器输出的结果通过第一减法器做差，得到误差量es。

步骤400，PI调节模块输出

PI调节模块包括参数变量Kp、参数变量Ki以及加法器，在PI调节模块接收误差解算器传入的误差变量后，参数变量Kp直接对误差量es进行乘积计算，参数变量Ki对误差量es的积分量进行乘积计算，两个乘积通过加法器求和得到PI调节模块的输出数据频率量w。

步骤500，角度积分

角度积分模块包括第一积分器、触发器和比较器，触发器与比较器连接，第一积分器与触发器连接，第一积分器与比较器连接，第一积分器对频率量w进行数值积分得到角度量Ang，角度量Ang通过比较器与固定值2π进行比较，当角度量Ang的值大于2π时，触发器发送上升沿信号使第一积分器清零重新积分。

步骤600，角度量的变换

正余弦输出模块接收角度积分模块输出的角度量Ang，并对角度量Ang进行变换得到正余弦量st和ct，接着通过反馈回路将正余弦量st和ct传入误差解算器。

应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于锁相环的电机软解码测速算法，包括误差解算器（1）、PI调节模块（2）、角度积分模块（3）、正余弦输出模块（4）、幅值计算模块（5）和正交解算器（6），正交解算器分别与误差解算器和幅值计算模块连接，幅值计算模块和误差解算器连接，误差解算器、PI调节模块、角度积分模块和正余弦输出模块依次连接，正余弦输出模块与误差解算器连接，PI调节模块包括两个参数变量和加法器；其特征是，包括如下步骤：

（1-1）采样信号的转换

正交解算器在输入参量只有一路采样信号时，求解该采样信号对应的正交量，正交量滞后采样信号90度，并将正交量输出给误差解算器；

（1-2）信号的幅值计算

幅值计算模块通过接收采样信号和正交量的幅值，计算出所形成矢量的模，并将模信息传输给误差解算器；

（1-3）信号的误差变量计算

误差解算器接收正交量以及正余弦输出模块的输出量，并计算出实时误差变量；

（1-4）PI调节模块输出

PI调节模块包含了Kp、Ki两个参数变量，在PI调节模块接收误差解算器传入的误差变量后，参数变量Kp直接对误差量进行乘积计算，参数变量Ki对误差量的积分量进行乘积计算，两个乘积通过加法器求和得到PI调节模块的输出数据频率量；

（1-5）角度积分

角度积分模块接收PI调节模块输出的频率量，并对频率量进行积分，得到并输出角度量；

（1-6）角度量的变换

正余弦输出模块接收角度积分模块输出的角度量，并对角度量进行变换得到正余弦量，接着通过反馈回路将正余弦量传入误差解算器。

2.根据权利要求1所述的基于锁相环的电机软解码测速算法，误差解算器包括第一数值转换模块、第二数值转换模块、第一乘法器、第二乘法器和第一减法器，第一数值转换模块和第一乘法器连接，第二数值转换模块和第二乘法器连接，第一乘法器和第二乘法器均与第一减法器连接，其特征是，步骤（1-3）还包括如下步骤：

第一数值转换模块和第二数值转换模块将接收到的信号数值类型转换为算法所采用的数值类型，相位靠前的采样信号和测得角度所得到的正弦量通过第一乘法器做乘积，相位靠后的正交量和测得角度所得到的余弦量通过第二乘法器做乘积，第一乘法器和第二乘法器输出的结果通过第一减法器做差，得到误差量。

3.根据权利要求1所述的基于锁相环的电机软解码测速算法，角度积分模块包括第一积分器、触发器和比较器，触发器与比较器连接，第一积分器与触发器连接，第一积分器与比较器连接，其特征是，步骤（1-5）还包括如下步骤：

第一积分器对频率量进行数值积分得到角度量，角度量通过比较器与固定值2π进行比较，当角度量的值大于2π时，触发器发送上升沿信号使第一积分器清零重新积分。

4.根据权利要求1所述的基于锁相环的电机软解码测速算法，幅值计算模块包括平方和开方计算器，其特征是，步骤（1-2）还包括如下步骤：

平方和开方计算器通过接收采样信号和正交量的幅值，并计算出所形成矢量的模，当平方和开方计算器接收到的信号幅值为1的时候，平方和开方计算器闲置，当平方和开方计算器接收到的信号幅值≠1时，将误差解算器的输出量通过除法器除以矢量的模之后，再传值到PI调节模块。

5.根据权利要求1所述的基于锁相环的电机软解码测速算法，正交解算器包括数值转换器（7）、精度控制增益器（8）和互联反馈自适应双积分器，数值转换器与精度控制增益器连接，精度控制增益器与互联反馈自适应双积分器连接，互联反馈自适应双积分器与数值转换器连接，其特征是，步骤（1-1）还包括如下步骤：

正交解算器的输入量为采样信号，经过数值转换器与反馈跟踪信号做差得到误差信号，误差信号经精度控制增益器放大之后，进入互联反馈自适应双积分器。

6.根据权利要求5所述的基于锁相环的电机软解码测速算法，互联反馈自适应双积分器包括第二积分器（9）、第三积分器（10）、第三乘法器（11）、第四乘法器（12）、第二减法器，第三乘法器与第二减法器连接，第四乘法器与第二减法器连接，第三积分器与第四乘法器连接，第二积分器与第三乘法器连接，其特征是，步骤（1-1）还包括如下步骤：

误差信号经精度控制增益放大进入反馈互联自适应双积分器之后，先与第三积分器的输出量通过第二减法器做差得到误差量，误差量通过第二积分器后得到反馈跟踪信号，反馈跟踪信号和频率信号通过第三乘法器相乘，正交量和频率信号通过第四乘法器相乘。