CN107863916B - 一种电机测速系统、方法及电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机测速系统，其特征在于，包括：固定在电机本体上的旋转变压器，以及与所述旋转变压器电连接的电机控制器，旋转变压器与电机控制器电连接；旋转变压器，用于与电机输出轴同步转动，并输出两路检测信号；电机控制器，用于通过两个正交信号锁相环分别对来自旋转变压器的两路检测信号进行锁相处理，以确定电机当前电角速度、电角度，并根据所述电角度确定电机的转向以及根据电角速度确定当前电机转速。另外，本发明还公开了一种电机控制器和电机测速方法。采用本发明，提高了测速精度。

Description

一种电机测速系统、方法及电机控制器

技术领域

本发明涉及一种电机技术领域，尤其涉及一种电机测速系统、方法及电机控制器。

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，对整体产品的实用体验十分有关。在现有的以电机为动力总成的产品中（如电动汽车、传送带等）。

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收传感器（如旋转变压器）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速度信号。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、角速度。

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。

锁相环（PLL）是上个世纪电力系统行业中一个重要的技术突破，也是非线性控制理论在电器控制中的一个经典应用。锁相环的最初应用在三相电压的频率和相位检测上，通过对三相电压的DQ变换得到Vq，在构造虚拟电压用来跟踪Vq形成闭环，当虚拟电压能完全跟踪Vq时，产生虚拟电压相应的频率即为被测三相电压之频率。

现有的电机速度检测软件解码方案的处理流程如下：先对两路正交正弦余弦信号进行滤波，做除法处理得到正切值，再利用反正切函数得到实时角度，记为theta。角度theta与反馈的跟踪角度theta_1做差得到误差量e，e通过PI调节器得到频率W，W经过积分器得到跟踪角度theta_1形成局部闭环。因此，现有方案采用开环的检测方法，即对芯片的执行周期和外部的干扰十分敏感，这将会大大影响到解算精度，因此精度较低。另外，由于要将正弦和余弦信号相除，这样做的前提是两路正弦信号的幅值必须相等，且相位差必须为90度。当上述两项有一项不满足时，测量值就会有较大偏差。而两路正弦信号均来自于传感器，因此对传感器的要求较高。

发明内容

本发明的目的提供一种电机测速系统、方法及电机控制器，提高了电机的测速精度。

为解决现有技术存在的问题，本发明提供一种电机测速系统，该系统包括：固定在电机本体上的旋转变压器，以及与所述旋转变压器电连接的电机控制器，旋转变压器与电机控制器电连接；

旋转变压器，用于与电机输出轴同步转动，并输出两路检测信号；

电机控制器，用于通过两个正交信号锁相环分别对来自旋转变压器的两路检测信号进行锁相处理，以确定电机当前电角速度、电角度，并根据所述电角度确定电机的转向以及根据电角速度确定当前电机转速。

本技术方案中的电机控制器中设置两个正交信号锁相环分别对来自旋转变压器的两路信号进行锁相处理，因此电机速度的检测不会收到两路信号幅值以及相位差的影响，减小了测量值的偏差，提高了测量精度。

优选的，所述电机控制器包括：

正交信号发生器，用于读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;并产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t;

第一正交信号锁相环，用于根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；

第二正交信号锁相环，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；

方向判断器，用于根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的运转方向；

电机转速确定单元，用于根据从第一锁相环或第二锁相环输出的电角速度和电机的运转方向确定电机的转速。

本技术方案通过正交信号发生器分别获取正弦信号和余弦信号的正交信号，并分别通过两个锁相环进行锁相处理得到电机当前的电角度和电角速度，从而电角度确定电机的旋转方向以及当前的转速，形成闭环控制器提高了采样精度。

相应的，本发明还提供一种电机控制器，该控制器包括：

正交信号发生器，用于读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;并产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t;

第一正交信号锁相环，用于根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；

第二正交信号锁相环，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；

方向判断器，用于根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的运转方向；

电机转速确定单元，用于根据从第一锁相环或第二锁相环输出的电角速度和电机的运转方向确定电机的转速。

相应的，本发明还提纲一种电机测速方法，该方法包括：

S1，读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;

S2，产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t;

S3，在第一锁相环中，根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；以及在第二锁相环中，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；并通过第一锁相环或第二锁相环获取电机的电角速度W;

S4，根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的转向；

S5,根据所述获取的电角速度W和电机的转向确定电机的转速。

优选的，所述步骤S2具体包括：

旋转变压器输出信号XbSin进行数据类型转换后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbSin_Track；XbSin_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbSin_t；

旋转变压器输出信号XbCos进行数据类型转换后，与跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbCos_Track； XbCos_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbCos_t。

优选的，所述步骤S3中具体包括：

XbSin和反馈的锁相正弦输出信号st1之积与XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_1；

XbCos和反馈的锁相正弦输出信号st2之积与XbCos_t和锁相余弦输出信号ct2之积做减法，除以电压幅值Vr2,经过参数为Kp2、Ki2的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_2；

所述反馈的锁相正弦输出信号st1为电角度Theta1通过求解Sin得到；锁相余弦输出信号ct1为电角度Theta1通过求解Cos得到;所述Vr1为通过对XbSin与XbSin_t的平方和开方得到的;

所述反馈的锁相正弦输出信号st2为电角度Theta_2通过求解Sin得到的；锁相余弦输出信号ct2为电角度Theta_2通过求解Cos得到的;所述Vr2为通过对XbCos与XbCos_t的平方和开方得到的。

优选的，所述步骤S4中具体包括：

第一电角度Theta_1与第二电角度Theta_2做差得到电角度差值，并滤除电角度差值负值保留正值；

判断电角度差值是否大于π，若是，则判定为正向，否则，判定为反向。

本发明的电机测速系统的电机控制器采用两个正交信号锁相环分别对来自旋转变压器的两路检测信号进行锁相处理，从而使电机转速不会受到两路信号的正弦波的幅值和相位差的影响，提高了电机速度的测量精度。

附图说明

图1是本发明一种电机测速系统的一种实施例的示意图；

图2是本发明一种电机控制器的示意图；

图3是本发明一种电机控制器中的正交信号发生器的示意图；

图4是本发明一种电机控制器中的正交信号锁相环的工作流程示意图；

图5是本发明一种电机测速方法的一种实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

参考图1，该图是本发明一种电机测速系统的一种实施例的示意图，该测试系统包括：旋转变压器1以及电机控制器2，电机控制器2与旋转变压器1电连接。旋转变压器1固定在电机输出轴上，其随输出轴进行同步转动。旋转变压器输出信号为正弦信号XbSin和余弦信号XbCos。电机控制器包括第一正交信号锁相环和第二正交信号锁相环，其中第一锁相环用于对正弦信号XbSin进行锁相处理，第二锁相环用于对余弦信号XbCos进行锁相处理。通过第一正交信号锁相环和实现了对来自旋转变压器的两路信号的分别进行锁相处理，因此不会受到两路信号的正弦波的幅值和相位差的影响，提高了电机速度的测量精度。

如图2所示，电机控制器2包括正交信号发生器，第一正交信号锁相环（正交信号锁相环1），第二正交信号锁相环（正交信号锁相环2），方向判断器和电机转速确定单元。具体实现时，正交信号发生器包括正交信号发生器1和正交信号发生器2。首先，电机控制器读取旋转变压器产生的两路信号，即正弦信号XbSin和余弦信号XbCos，然后，通过正交信号发生器1产生针对正弦信号XbSin的正交信号XbSin_t，通过正交信号发生器2产生针对余弦信号XbCos的正交信号XbCos_t。其中，正交信号XbSin_t在时域上滞后正弦信号XbSin信号90度，正交信号XbCos_t在时域上滞后余弦信号XbCos 90度。然后，正交信号锁相环1以（XbSin，XbSin_t）得到电机当前电角速度W以及电机当前电角度Theta_1，正交信号锁相环2以（XbCos，XbCos_t）得到电机当前电角速度W以及电机当前电角度Theta_2。然后，判断器通过判断Theta_1与Theta_2之间的关系可以得到当前电机转向Direction。最后，电机控制器根据电机当前的电角速度W就可以确定电机的转速了，具体的计算过程在此不进行赘述。

如图3所示，正交信号发生器1包括及数据类型转换器C1、减法器、乘法器M1、乘法器M2积分器S1、积分器S2和。旋变输出信号XbSin经过数据类型转换C1处理后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差之后，乘以电角速度信号W，经过积分器S1得到跟踪信号XbSin_Track，XbSin_Track经过积分器S2再与电角速度W相乘，得到正交信号XbSin_t。

正交信号发生器2包括数据类型转换器C2、减法器、乘法器M3、乘法器M4、积分器S3、积分器S4。旋转变压器输出信号XbCos经过数据类型转换C2处理后，与反馈的跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差之后，乘以电角速度信号W，经过积分器S3得到跟踪信号XbCos_Track， 跟踪信号XbCos_Track经过积分器S4再与电角速度W相乘，得到正交信号XbCos_t。

如图4所示，正交信号锁相环1的工作流程，正弦信号 XbSin与锁相正弦输出信号st1之积与正交信号XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta1,电角度通过求解Sin和Cos得到锁相正余弦输出信号st1以及ct1，其中，电压幅值Vr1通过对正弦信号XbSin与正交信号XbSin_t的平方和开方得到。正交信号锁相环2方法类同不赘述。

下面说明本发明的另一方面。

参考图5，该图是本发明一种电机测速方法的一种实施例的流程示意图，该流程包括：

S1，读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;

S2，产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t;

S3，在第一锁相环中，根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；以及在第二锁相环中，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；并通过第一锁相环或第二锁相环获取电机的电角速度W;

S4，根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的转向；

S5,根据所述获取的电角速度W和电机的转向确定电机的转速。

具体实现时，步骤S2具体包括：

旋转变压器输出信号XbSin进行数据类型转换后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbSin_Track；XbSin_Track经过积分后与电角速度W相乘，得到正交信号XbSin_t；

旋转变压器输出信号XbCos进行数据类型转换后，与跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbCos_Track； XbCos_Track经过积分后与电角速度W相乘，得到正交信号XbCos_t。

步骤S3中具体包括：

正弦信号XbSin和反馈的锁相正弦输出信号st1之积与XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_1；

余弦信号XbCos和反馈的锁相正弦输出信号st2之积与XbCos_t和锁相余弦输出信号ct2之积做减法，除以电压幅值Vr2,经过参数为Kp2、Ki2的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_2；

步骤S4中具体包括：

第一电角度Theta_1与第二电角度Theta_2做差得到电角度差值，并滤除电角度差值负值保留正值；

判断电角度差值是否大于π，若是，则判定为正向，否则，判定为反向。

需要说明的，反馈的锁相正弦输出信号st1为电角度Theta1通过求解Sin得到；锁相余弦输出信号ct1为电角度Theta1通过求解Cos得到; Vr1为通过对XbSin与XbSin_t的平方和开方得到的;反馈的锁相正弦输出信号st2为电角度Theta_2通过求解Sin得到的；锁相余弦输出信号ct2为电角度Theta_2通过求解Cos得到的;所述Vr2为通过对XbCos与XbCos_t的平方和开方得到的。

另外，在获取电机的转动方向后，电机控制器可以根据当前测得的电角速度和电机速度计算公式获取电机当前的转速，在此不进行赘述。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种电机测速系统，其特征在于，包括：固定在电机本体上的旋转变压器，以及与所述旋转变压器电连接的电机控制器，旋转变压器与电机控制器电连接；

旋转变压器，用于与电机输出轴同步转动，并输出两路检测信号；

电机控制器，用于通过两个正交信号锁相环分别对来自旋转变压器的两路检测信号进行锁相处理，以确定电机当前电角速度、电角度，并根据所述电角度确定电机的转向以及根据电角速度确定当前电机转速；电机控制器包括：

正交信号发生器，用于读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;并产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t；具体包括：

旋转变压器输出信号XbSin进行数据类型转换后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbSin_Track；XbSin_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbSin_t；

旋转变压器输出信号XbCos进行数据类型转换后，与跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbCos_Track； XbCos_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbCos_t；

第一正交信号锁相环，用于根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；具体包括：

XbSin和反馈的锁相正弦输出信号st1之积与XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_1；

第二正交信号锁相环，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；具体包括：

XbCos和反馈的锁相正弦输出信号st2之积与XbCos_t和锁相余弦输出信号ct2之积做减法，除以电压幅值Vr2,经过参数为Kp2、Ki2的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_2；

方向判断器，用于根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的运转方向；

电机转速确定单元，用于根据从第一锁相环或第二锁相环输出的电角速度和电机的运转方向确定电机的转速；

所述反馈的锁相正弦输出信号st1为电角度Theta1通过求解Sin得到；锁相余弦输出信号ct1为电角度Theta1通过求解Cos得到;所述Vr1为通过对XbSin与XbSin_t的平方和开方得到的;

所述反馈的锁相正弦输出信号st2为电角度Theta_2通过求解Sin得到的；锁相余弦输出信号ct2为电角度Theta_2通过求解Cos得到的;所述Vr2为通过对XbCos与XbCos_t的平方和开方得到的。

2.一种电机控制器，其特征在于，包括：

正交信号发生器，用于产生正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t；所述正弦信号XbSin和余弦信号XbCos来自于旋转变压器；具体包括：

旋转变压器输出信号XbSin进行数据类型转换后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbSin_Track；XbSin_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbSin_t；

旋转变压器输出信号XbCos进行数据类型转换后，与跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbCos_Track； XbCos_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbCos_t；

第一正交信号锁相环，用于根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；具体包括：

XbSin和反馈的锁相正弦输出信号st1之积与XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_1；

第二正交信号锁相环，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；具体包括：

XbCos和反馈的锁相正弦输出信号st2之积与XbCos_t和锁相余弦输出信号ct2之积做减法，除以电压幅值Vr2,经过参数为Kp2、Ki2的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_2；

方向判断器，用于根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的运转方向；

电机转速确定单元，用于根据从第一锁相环或第二锁相环输出的电角速度和电机的运转方向确定电机的转速；

所述反馈的锁相正弦输出信号st1为电角度Theta1通过求解Sin得到；锁相余弦输出信号ct1为电角度Theta1通过求解Cos得到;所述Vr1为通过对XbSin与XbSin_t的平方和开方得到的;

所述反馈的锁相正弦输出信号st2为电角度Theta_2通过求解Sin得到的；锁相余弦输出信号ct2为电角度Theta_2通过求解Cos得到的;所述Vr2为通过对XbCos与XbCos_t的平方和开方得到的。

3.一种电机测速方法，其特征在于，包括:

S1，读取旋转变压器产生的正弦信号XbSin和余弦信号XbCos;

S2，产生与正弦信号XbSin对应的正交信号XbSin_t，以及与余弦信号XbCos对应的正交信号XbCos_t；具体包括：

旋转变压器输出信号XbSin进行数据类型转换后，与跟踪信号XbSin_Track做差，乘以参数KvSin，与正交信号XbSin_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbSin_Track；XbSin_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbSin_t；

旋转变压器输出信号XbCos进行数据类型转换后，与跟踪信号XbCos_Track做差，乘以参数KvCos，与正交信号XbCos_t做差，乘以电角速度W后，经过积分得到跟踪信号XbCos_Track； XbCos_Track经过积分后与W相乘，得到正交信号XbCos_t；

S3，在第一锁相环中，根据正弦信号XbSin和正交信号XbSin_t，确定电机第一电角度Theta_1；以及在第二锁相环中，根据余弦信号XbCos和正交信号XbCos_t，确定电机第二电角度Theta_2；并通过第一锁相环或第二锁相环获取电机的电角速度W；具体包括：

XbSin和反馈的锁相正弦输出信号st1之积与XbSin_t和锁相余弦输出信号ct1之积做减法，除以电压幅值Vr1,经过参数为Kp1、Ki1的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_1；

XbCos和反馈的锁相正弦输出信号st2之积与XbCos_t和锁相余弦输出信号ct2之积做减法，除以电压幅值Vr2,经过参数为Kp2、Ki2的PI控制器得到电角速度W，电角速度W通过积分得到电角度Theta_2；

所述反馈的锁相正弦输出信号st1为电角度Theta1通过求解Sin得到；锁相余弦输出信号ct1为电角度Theta1通过求解Cos得到;所述Vr1为通过对XbSin与XbSin_t的平方和开方得到的;

所述反馈的锁相正弦输出信号st2为电角度Theta_2通过求解Sin得到的；锁相余弦输出信号ct2为电角度Theta_2通过求解Cos得到的;所述Vr2为通过对XbCos与XbCos_t的平方和开方得到的；

S4，根据第一电角度Theta_1和第二电角度Theta_2判断电机的转向；

S5，根据所述获取的电角速度W和电机的转向确定电机的转速。

4.根据权利要求3所述的电机测速方法，其特征在于，所述步骤S4中具体包括：

第一电角度Theta_1与第二电角度Theta_2做差得到电角度差值，并滤除电角度差值负值保留正值；

判断电角度差值是否大于π，若是，则判定为正向，否则，判定为反向。

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