CN107659225A - 一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置 - Google Patents

一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，包括随电机同步转动的检测部、与检测部耦合并根据检测部的位置状态输出高、低电平的单个传感器、以及接受传感器的检测信号并计算电机转子位置信息的传感器信号处理装置。本发明通过单个传感器，并采用码盘或者转子磁极作为传感器的检测部，通过传感器信号处理装置对传感器输出信号进行编码计算，得到所需电机的电角度和机械角度位置，很好地降低了成本，并且降低了传感器的故障概率以及传感器故障的判断难度，提高了工作可靠性。

Description

一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置
技术领域
本发明涉及永磁同步电机领域，具体地说是一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置。
背景技术
永磁同步电机在控制时需要采集位置信息，采集方式通常采用光电传感器、霍尔传感器、旋转编码器、增量式编码器或是绝对式编码器。其中旋转编码器、增量式编码器和绝对式编码器的成本较高，而使用光电传感器或霍尔传感器在传统检测位置方式基础上需要多个器件才能实现。因此，以上这些方式都不是低成本的，且采用多个传感器装置也额外增加了传感器故障的概率，另外当有干扰信号进入时，增加了故障判断的难度。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术现状，而提供一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，通过单个传感器便能实现旋转式永磁同步电机的位置检测，很好地降低了成本，并且降低了传感器的故障概率以及传感器故障的判断难度，提高了工作可靠性。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，包括随电机同步转动的检测部、与检测部耦合并根据检测部的位置状态输出高、低电平的单个传感器、以及接受传感器的检测信号并计算电机转子位置信息的传感器信号处理装置。
为优化上述技术方案，本发明还包括以下改进的技术方案。
上述的传感器信号处理装置包括传感器信号编码模块和传感器信号编码处理模块。传感器信号编码模块捕获高、低电平信号的上升沿或下降沿，并通过边沿信号的时间宽度得到方波的二进制编码。传感器信号编码处理模块包括位置计算模块，位置计算模块根据二进制编码，计算电机的电角度和机械角度位置。
上述的检测部是与电机转子轴相连接的码盘，码盘在单位区域角度内具有凸起检测部和凹入检测部；传感器对凸起检测部或凹入检测部分别输出对应的高电平或低电平的检测信号。
上述的单位区域角度R＝360°/P/N，其中R为码盘的单位区域角度值，360°为机械角度，P为电机转子的极数，N为电机的相数；在单位区域内的凸起检测部和凹入检测部用m：n的方式分割，其中m≠n。
上述的位置计算模块根据二进制编码得到区间码，并结合区间码和区间内角速度积分计算电机的位置信息；同时将传感器信号编码模块发送过来的二进制编码信息存于第一寄存器，并将一个内部预估的二进制编码信息存于第二寄存器，将第一寄存器与第二寄存器的二进制编码信息进行比较，如果相等，则认为正常运行，如果不相等，则输出故障信息，并用第一寄存器的编码信息去更新第二寄存器的编码。
上述的检测部是电机转子的磁极；传感器根据电机转子的N磁极或S磁极分别输出对应的高电平或低电平的检测信号。
上述的位置计算模块将两个上升沿之间的区域记为Re区域，根据Re区域内的起始电角度和Re区域内角速度积分计算电机的位置信息。
上述的传感器信号编码处理模块包括启动、旋转方向变化处理模块，对电机进行启动和旋转变向处理控制。
上述传感器信号处理装置的信号处理、编码生成、编码逻辑处理和位置计算通过DSP、MCU、CPLD或FPGA器件实现。
上述的传感器信号处理装置适用于所有相数N以3为整数倍，且定子槽数为N的倍数的永磁同步电机。
与现有技术相比，本发明通过单个传感器，并采用码盘或者转子磁极作为传感器的检测部，通过传感器信号处理装置对传感器输出信号进行编码计算，得到所需电机的电角度和机械角度位置，很好地降低了成本，并且降低了传感器的故障概率以及传感器故障的判断难度，提高了工作可靠性。
附图说明
图1为实施例1的组成原理图。
图2为实施例1中传感器信号处理装置的模块图。
图3为实施例1的传感器码盘结构图。
图4为实施例1的电机内部结构示意图。
图5为实施例1的传感器信号及编码图。
图6为实施例1中编码为“1”原理图。
图7为实施例1中编码为“0”原理图。
图8为实施例1中二进制编码检错原理图。
图9为实施例1中区间内角速度积分处理图。
图10为实施例1中的正弦波通电图。
图11为实施例1中的正转变反转原理图。
图12为实施例2的传感器装置图。
图13为实施例2中传感器信号处理装置的模块图。
图14为实施例2中正反转的信号原理图。
图15为实施例2的Re内角速度积分处理图。
图16为实施例2的正弦波通电图。
图17为实施例2的正转变反转原理图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图17所示为本发明的结构示意图。
实施例1
如图1所示，本实施例的一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，包括随电机同步转动的检测部、与检测部耦合并根据检测部的位置状态输出高、低电平的单个传感器、以及接受传感器的检测信号并计算电机转子位置信息的传感器信号处理装置。
在本实施例中，检测部采用一个合适的码盘，通过单个传感器来检测电机转子的位置信息。
如图3所示的单个传感器和检测对应的码盘。码盘是一个匹配12槽4极的三相永磁同步电机的码盘,该码盘与电机转子同轴固定。码盘的凸起部分用“H”表示，码盘的凹陷部分用“L”表示。由于此码盘用于三相，12槽4极结构的永磁同步电机，电机内部结构如图4所示。
传感器可以是光耦、霍尔、或者接近开关等器件，其输出特性为只有两种状态，分别为高电平或是低电平。本申请中假定当凸起部分经过传感器时，传感器输出高电平信号，当凹陷部分经过传感器时，传感器输出为低电平信号。
本发明中规定电机顺时针转动是正转方向，电机逆时针转动是反转方向。当电机旋转时，传感器码盘装置输出一串宽窄不一的方波信号，并输入到传感器信号处理装置，经过其处理后得到电机转子的位置信息。
图3中，以码盘的单位区域角度为30°机械角，将30°区域再进行分割，其分割原则为3:1的方式，分成22.5°和7.5°两个区域。用H1表示凸起部分占的角度为22.5°、L1表示凹陷部分占的角度为7.5°、H2表示凸起部分占的角度为7.5°、以及L2表示凹陷部分占的角度为22.5°的方式，表示码盘的分割。码盘的分割是以H1，L1，H1，L1，H2，L2，H1，L1，H2，L2，H2，L2为一个周期，以此循环，总共可以分成2组。
上述的分割方式适用于所有N相电机，其中N为3的倍数，且定子槽数为N的倍数的永磁同步电机。可由下式进行计算：码盘的单位区域为：R＝(360°/P/N)，R为码盘的单位区域的角度值，360°为机械角度，P为转子极数(2的倍数)，且定子槽数为N的倍数。根据上述原理可将R进行3:1的方式分割，也可用m：n的方式分割(m≠n)。
传感器信号处理装置，用于接收传感器码盘装置的输出信号，并对信号进行编码、处理，最后获得正确的位置信息，同时进行编码的检错，以及处理启动和旋转方向变化。如图2所示，传感器信号处理装置主要由传感器信号编码模块和传感器信号编码处理模块两个部分组成。
传感器信号编码模块，主要对传感器的输出信号进行编码。传感器信号编码模块通过信号的边沿捕获信号的上升沿或下降沿，通过软件编码得到方波的二进制编码。具体过程是以信号的相邻两个上升沿之间为方波单元进行操作。以正转为例，如图6和图7所示，在第一个上升沿时开启一个模块内部计数器开始计数，在下降沿到来时，停止计数，把当前计数值记为T1，然后立即重置该计数器重新开始计数，等到第二个上升沿到来时，再次停止计数，把当前计数值记为T2。然后比较T1和T2的大小，若T1>T2,则把刚收到的方波单元编码为“1”，若T1<T2,则把刚收到的方波单元编码为“0”。
由此，当码盘从如图3所示位置开始正转时，可以得到二进制编码“110100”。由以上可见两个上升沿之间方波信号高电平的时间宽度大于低电平的时间宽度时编码为“1”，两个上升沿之间方波信号高电平的时间宽度小于低电平的时间宽度时被编码为“0”。当需要电机反向运行时，我们只需要将输入传感器信号编码模块的方波信号进行取反处理即可，得到的方波信号和正转时波形特点一致，用上述正向运行时的方法就可以得到同样编码顺序的二进制码。接下来，通过二进制编码可以得到位置区间码，如图5所示。无论正反转都可以得到对于图5中的方波波形，以相邻两个上升沿之间为方波单元，可以得到一连串的二进制编码。每一个方波单元看作一个区间，并标记上一个区间码，当前区间码由前3位二进制码决定。具体由如下表1所示。
表1 二进制码与区间码映射表
前3个二进制编码 当前区间码
001 1
010 2
011 3
100 4
101 5
110 6
由此，我们可以得到图5中的区间码，由图5可知区间码呈4->1->3->6->5->2->4的循环往复的规律。即一个码盘周期内任意一个区间的区间码都是唯一的，且是有规律的，若旋转方向不变情况下，知道当前区间码就可以预知之后区间码，以及即将收到的6位二进制编码，如下表2所示，其中右列最高位为最先收到的。
表2 当前区间下的预估二进制码
当前区间码 将收到的6位二进制码
4 110100
1 101001
3 010011
6 100110
5 001101
2 011010
传感器信号编码处理模块有两个部分组成，分别是位置计算模块和启动、旋转方向变化处理模块。传感器信号编码处理模块主要用于对信号编码后的计算处理。
位置计算模块主要是结合区间码得到位置信息，同时进行编码的检错。结合图3和图4可知，一个码盘周期对应电角度0至360°，对应机械角度0至180°，并对应区间码4->1->3->6->5->2。码盘区间4的上升沿和电机电角度0点在码盘安装时是对齐的，由此可知正反转时区间码对应特定的电角度区间，如下表3和表4所示。
表3 正转时，区间码与电角度区间映射表
区间码 电角度区间
4 1至60°
1 61至120°
3 121至180°
6 181至240°
5 241至300°
2 301至360°
表4 反转时，区间码与电角度区间映射表
如图5所示，由上一个区间码可知当前区间码，通过表3、表4可得到电角度范围。为了得到更准确的电角度值，我们利用进入当前区间时的电机角速度值作时间的积分得到准确角度。
Δθm＝w*T (式1)
其中T为上一个上升沿到当前时刻所经历的时间(启动时为启动时刻到当前时刻所经历的时间)，w为进入当前区间时上升沿时刻所对应的机械角速度，Δθm为单个区间内的机械角度变化量。
Δθe＝Δθm*P/2 (式2)
其中P为电机极数，Δθe为单个区间内的电角度变化量。因此，可得
当前电角度:θe＝当前区间起始电角度+Δθe (式3)
其中当前区间起始电角度因正反转而不同，详见上述的表3和表4。若是要得到的机械角度，前提是电机启动时必须从机械0点开始转动，且机械0点位置与电角度0点对齐，如图3所示，并需要开启一个计数器，当电机正转时，从0开始计数，每遇到一个信号上升沿时，计数counter加1，当计数器计算到电机一圈的最大阈值M时重置为0，其中M＝360°/R。反之电机启动反转时，从M开始计数，每遇到一个信号上升沿时，计数counter减1，当计数器计算到0时重置为M。因此，可得
当前机械角度:θm＝counter*R+Δθm (式4)
区间内积分算角度的思想是基于区间内角速度固定不变的，在实际电机运行过程中可能存在区间内速度变化的情况，如图5所示，在区间3内角速度没发生变速现象，在区间4内实际角速度发生了加速现象，而在区间1内又发生了减速现象。若此时在区间内积分时，我们根据进入区间的初速度来定斜率积分时会发生角度不足或角度溢出的现象。为了解决这个问题，对于角度不足的问题我们在区间结束的那个上升沿时刻重置角度为R，对于角度溢出的问题我们在积分值到达R时停止积分并保持R到区间结束，如图5所示。
前面提到编码的检错是指对二进制编码的最新的6位二进制码与系统内部预估的6位二进制码进行比较，比较一致说明正常，比较不一致就报错，并用当前的第一寄存器去更新第二寄存器。每捕获一个信号上升沿时，把编码后的一位“1”或“0”移入右移第一寄存器，同时第二寄存器循环右移一位。然后通过如图8所示的逻辑比较得到比较结果。
上述的启动、旋转方向变化处理模块，主要是为了处理启动和电机旋转方向发生变化时这两种特殊情形。
第一种情形，电机启动前，电机和码盘如图3所示对齐0°角度，即初始角θmi＝θei＝0°。此时，电机控制以电流环开环控制启动，通以正弦波电流如图10。以正转为例，从当前区间4开始旋转，图8中的第二寄存器预装了“001011”，当转过6个区间时，即收到第6个上升沿时又到了区间4，第一寄存器已经从传感器信号编码模块收到了最新的6个位二进制码，接下来，每收到一个上升沿比较一次第一寄存器和第二寄存器，如图8所示，并且检查θe是否在表3的相应区间的角度范围内(θe由式3可得)，直到收到第12个上升沿为止，若此时比较和检查结果没有出错，则认为位置检测正常，电机控制切入闭环控制。反之反转时同理。
第二种情形，旋转方向需要换向时，电机以自由停机方式停机。还是以正转变反转为例，如图11所示，停机时的位置分两种情况。停机后把当前θe和θm分别赋值于θei，θmi，作为反向启动时的初始角，同时记录当前区间码X，二进制编码停止，记录counter当前值，并停止counter加减。停止完成后，电机控制立即以电流环开环控制启动反转，在反向启动后的第一个下降沿之后的紧接着的那个上升沿时刻重新开始启动定时器计算T1和T2进行二进制编码，counter置为停止时的记录值并重新开始counter的加减，且当前区间码通过查表5重置为X’，通电电流的给定需结合θei和图10。上述方法对图11中的两种停机情况都适用。接下来的切入闭环的方法与启动时的方法一样，只是θmi，θei用当前角度值代替了0°，区间X’代替了区间4。反之，反转变正转方法和上述类似。
表5 正反转切换时的区间码变化表
实施例2
本实施例的一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，包括单个的传感器装置和传感器信号处理装置。相比于本实施例1，本实施例不使用码盘，检测部采用电机转子的磁极。传感器根据电机转子的N磁极或S磁极分别输出对应的高电平或低电平的检测信号。当电机旋转时，传感器装置输出一串宽窄一致的方波信号，并输入到传感器信号处理装置，经过其处理后得到位置信息。
如图12所示，本实施例的传感器数量为一个，安装在一台12槽4极的三相永磁同步电机中，检测4极转子的极性变化。
本实施例的传感器可以是霍尔等器件，其输出特性为只有两种状态，分别为高电平或是低电平。本实施例中以电机的永磁转子N极经过传感器时，传感器输出高电平信号H，以电机的永磁转子S极经过传感器时，传感器输出为低电平信号L为例。
传感器信号处理装置主要由位置计算模块和启动和旋转方向变化处理模块这两个部分组成。传感器信号处理装置接收传感器码盘装置的输出信号，并对信号处理，最后获得电机转子的位置信息，以及处理启动和旋转方向变化。
位置计算模块是结合输入信号的高低电平得到位置信息。结合图12和图14可知，当电机正转时我们得到H，L，H，L……的电平状态，当需要电机反向旋转时，只需要将输入传感器信号处理装置的方波信号进行取反处理即可，得到的方波信号和正转时波形特点一致。两个上升沿之间的区域记为Re区域，其对应一个方波周期，对应电角度0～360°，其对应的机械角度为其中P为电机极数。N极的上升沿和电机电角度0°点在码盘安装时是对齐的。
为了得到更准确的电角度值，我们在Re区域内做电机角速度值关于时间的积分得到准确角度。
其中t为上一个上升沿到当前时刻所经历的时间(启动时为启动时刻到当前时刻所经历的时间)，ω为上一个上升沿时刻所对应的机械角速度，为上一个上升沿时刻到当前时刻的机械角度的变化量。
当前电角度:
其中P为电机极数，为Re区域内的起始电角度，正转时为0°，反转时为360°。
若是要得到机械角度，前提是电机启动时必须从机械0点开始转动，且机械0点位置与电角度0点对齐，如图12所示，并需要开启一个计数器，当电机正转时，从0开始计数，每遇到一个信号上升沿时，计数CNT加1，当计数器计算到电机一圈的最大阈值M时重置为0，其中M＝P/2。反之电机启动反转时，从M开始计数，每遇到一个信号上升沿时，计数CNT减1，当计数器计算到0时重置为M。因此，可得
当前机械角度:
Re区域内的积分算角度的思想是基于Re区域内角速度固定不变的，在实际电机运行过程中可能存在Re区域内角速度变化的情况。如图15所示进行举例说明，在第一个Re区域内角速度没发生变速现象，在第二个Re区域内实际角速度发生了加速现象，而在第三个Re区域内发生了减速现象。若此时在Re区域内积分时，我们根据进入Re区域时的初速度来定斜率积分时会发生角度不足或角度溢出的现象。为了解决这个问题，对于角度不足的问题我们在Re区域结束的那个上升沿时刻重置角度为对于角度溢出的问题我们在积分值到达时停止积分并保持到Re区域结束，如图15所示。
启动、旋转方向变化处理模块，主要是为了处理启动和电机旋转方向发生变化时这两种特殊情形。
第一种情形，电机启动前，电机和码盘如图12所示对齐0°角度，即初始角＝0°。此时，电机控制以电流环开环控制启动，通以正弦波电流如图16。以正转为例，从机械角度0°开始旋转，当转过1个Re区域时，即收到第1个上升沿时电机控制切入闭环控制。反之反转时同理。
第二种情形，旋转方向需要换向时，电机以自由停机方式停机。还是以正转变反转为例，如图17所示，停机时的位置分两种情况。停机后把当前和分别赋值于 作为反向启动时的初始角，记录CNT当前值，并停止CNT加减。停止完成后，电机控制立即以电流环开环控制启动反转，在反向启动后的第一个下降沿之后的紧接着的那个上升沿时刻置CNT为停止时的记录值并重新开始CNT的加减，通电电流的给定需结合和图16，在接下来的第二个上升沿时刻切入闭环控制。上述方法对图17中的两种停机位置情况都适用。正向变反向开环启动方法与正常启动时的方法类似，只是用当前角度值代替了0°。反之，反转变正转方法和上述类似。
本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (10)

1.一种低成本高可靠性永磁同步电机的位置检测装置，其特征是：包括随电机同步转动的检测部、与所述检测部耦合并根据检测部的位置状态输出高、低电平的单个传感器、以及接受传感器的检测信号并计算电机转子位置信息的传感器信号处理装置。
2.根据权利要求1所述的位置检测装置，其特征是：所述的传感器信号处理装置包括传感器信号编码模块和传感器信号编码处理模块；所述的传感器信号编码模块捕获高、低电平信号的上升沿或下降沿，并通过边沿信号的时间宽度得到方波的二进制编码；所述的传感器信号编码处理模块包括位置计算模块，所述的位置计算模块根据二进制编码，计算电机的电角度和机械角度位置。
3.根据权利要求2所述的位置检测装置，其特征是：所述的检测部是与电机转子轴相连接的码盘，所述的码盘在单位区域角度内具有凸起检测部和凹入检测部；所述的传感器对凸起检测部或凹入检测部分别输出对应的高电平或低电平的检测信号。
4.根据权利要求3所述的位置检测装置，其特征是：所述的单位区域角度R＝360°/P/N，其中R为码盘的单位区域角度值，360°为机械角度，P为电机转子的极数，N为电机的相数；在单位区域内的凸起检测部和凹入检测部用m：n的方式分割，其中m≠n。
5.根据权利要求4所述的位置检测装置，其特征是：所述的位置计算模块根据二进制编码得到区间码，并结合区间码和区间内角速度积分计算电机的位置信息；同时将传感器信号编码模块发送过来的二进制编码信息存于第一寄存器，并将一个内部预估的二进制编码信息存于第二寄存器，将第一寄存器与第二寄存器的二进制编码信息进行比较，如果相等，则认为正常运行，如果不相等，则输出故障信息，并用第一寄存器的编码信息去更新第二寄存器的编码。
6.根据权利要求2所述的位置检测装置，其特征是：所述的检测部是电机转子的磁极；所述的传感器根据电机转子的N磁极或S磁极分别输出对应的高电平或低电平的检测信号。
7.根据权利要求6所述的位置检测装置，其特征是：所述的位置计算模块将两个上升沿之间的区域记为Re区域，根据Re区域内的起始电角度和Re区域内角速度积分计算电机的位置信息。
8.根据权利要求2至7任一权利要求所述的位置检测装置，其特征是：所述的传感器信号编码处理模块包括启动、旋转方向变化处理模块，对电机进行启动和旋转变向处理控制。
9.根据权利要求8所述的位置检测装置，其特征是：所述传感器信号处理装置的信号处理、编码生成、编码逻辑处理和位置计算通过DSP、MCU、CPLD或FPGA器件实现。
10.根据权利要9所述的位置检测装置，其特征是：所述的传感器信号处理装置适用于所有相数N以3为整数倍，且定子槽数为N的倍数的永磁同步电机。
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