CN108540034A - 一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，其特征在于：采用正弦波线性驱动控制永磁同步电机；永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生滤波延时，根据滤波延时计算正弦表偏移地址，将正弦表基地址与正弦表偏移地址相加后获得正弦表查找地址，利用正弦表查找地址对应的正弦值即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿。本发明还公开了一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，包括FPGA、反电势检测电路、过零比较器、数模转换器和电流环系统。

Description

一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法及装置
技术领域
本发明涉及永磁同步电机无传感器控制技术，特别是涉及一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法及装置。
背景技术
由于空间体积的限制，陀螺永磁同步电机无法安装位置传感器，因此陀螺永磁同步电机绝大多数采用无传感器控制方法。“基于DSP和ML4428无刷直流陀螺电机锁相稳速控制的研究”(中国惯性技术学报第13卷第4期2005年8月)一文对无刷直流电机采用了脉宽调制(PWM)方法进行驱动，其实现方式简单。然而，陀螺永磁同步电机的定子大多采用无铁心结构，所以定子绕组电感通常会变得很小。当采用PWM驱动控制时，“无刷直流电机换相力矩波动抑制”(电机与控制学报第12卷第3期2008年5月)一文指出该方法本质上存在换相引起的转矩波动，这在某种程度上会影响电机的转速稳定性，因而难以满足高精度陀螺对电机极高转速平稳性的要求。在工业应用中，正弦波电流作为永磁同步电机的一种驱动方式，永磁同步电机正弦波驱动的实现方式绝大多数采用了空间矢量脉宽调制或正弦脉宽调制等数字方法，该方法优点是控制实现简单，缺点是会产生电流谐波，从而导致转矩波动，影响转速稳定性，因而难以满足陀螺这种高精密仪表对转速稳定性极高的要求。
针对永磁同步电机无传感器控制，现在常采用且比较成熟的方法是反电势法。永磁同步电机的反电势过零脉冲信号一般基于硬件比较电路来得到，这导致其易受到电路其他信号的干扰，电机控制使用的过零脉冲信号会存在一定的毛刺，需要进行滤波以消除干扰。然而滤波一般会带来延时，这会导致永磁同步电机的相反电势与相电流之间存在相位差，且转速越高相位差越大，从而使得电机的效率降低，热损增加。目前尚未见有针对无传感器永磁同步电机正弦波线性控制的相位补偿方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法及装置，减小永磁同步电机的反电势与相电流之间的相位差，保证了转速稳定性，同时提高了永磁同步电机的工作效率。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，采用正弦波线性驱动控制永磁同步电机；永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生滤波延时，根据滤波延时计算正弦表偏移地址，将正弦表基地址与正弦表偏移地址相加后获得正弦表查找地址，利用正弦表查找地址对应的正弦值即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿；
所述正弦表偏移地址ΔN为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，所述正弦表包括0度至360度所有角度对应的正弦值。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，所述永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生的滤波延时保持不变。
一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，包括FPGA、反电势检测电路、过零比较器、数模转换器和电流环系统；
所述FPGA根据过零比较器输出的反电势过零脉冲信号计算电机实际转速，然后与外部的给定转速进行比较，比较后的偏差经过比例积分运算后输出数字信号给数模转换器；
所述反电势检测电路用于检测永磁同步电机的反电势，并将永磁同步电机的反电势输出给过零比较器；
所述过零比较器接收永磁同步电机的反电势，输出反电势过零脉冲信号给FPGA；
所述电流环系统根据数模转换器输出的给定电流和永磁同步电机的电流进行比例积分运算，运算结果经功率放大后驱动永磁同步电机。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述FPGA输出的数字信号为正弦波。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波产生滤波延时，FPGA根据滤波延时计算正弦表偏移地址；FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波后获得正弦表基地址；FPGA将正弦表基地址与正弦表偏移地址相加后获得正弦表查找地址，FPGA利用正弦表查找地址对应的正弦值即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿；
所述正弦表偏移地址ΔN为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述FPGA内的滤波延时保持不变。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述正弦表包括0度至360度所有角度对应的正弦值。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述FPGA包括滤波模块、转速计算模块、速度控制器、锁相倍频模块、计数器、正弦波发生器；
所述滤波模块用于对过零比较器输出的反电势过零脉冲信号进行滤波，消除外部干扰信号产生毛刺信号，输出结果分别送入到锁相倍频模块和转速计算模块；
所述转速计算模块利用高频时钟信号对滤波后的过零脉冲信号的宽度进行计数，得到永磁同步电机的实际转速，然后将永磁同步电机的实际转速输出至速度控制器；
所述速度控制器对给定转速与永磁同步电机的实际转速的比较结果进行比例积分运算，运算结果输出给正弦波发生器；
所述锁相倍频模块用于对滤波后的过零脉冲信号进行倍频产生频率给定送至计数器；同时对频率给定、滤波后的过零脉冲信号进行锁相，以使得给定电流与反电势信号的相位对齐；其中，频率给定与滤波后的过零脉冲信号的倍频数等于永磁同步电机转子0度至360度电角度的等分数；
所述计数器用于接收锁相倍频模块输出的频率给定后进行计数产生正弦表基地址，然后将正弦表基地址发送给正弦波发生器；
所述正弦波发生器根据计数器输出的正弦表基地址和正弦表偏移地址的和查找正弦表得到永磁同步电机当前转子位置对应的正弦值，然后将当前正弦值与速度控制器的运算结果的进行相乘得到正弦电流值，所述的正弦表包括0至360度所有角度对应的正弦值。正弦波发生器将正弦电流值输出给数模转换器。
上述永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，所述电流环系统包括电流控制器、电流检测电路和功率放大模块；
所述电流控制器用于对电流检测电路输出的相电流信号、数模转换器输出的给定电流进行比例积分运算，然后将运算结果送至功率放大模块；
所述电流检测电路用于采集永磁同步电机输出的相电流信号并送至电流控制器；
所述功率放大模块用于对电流控制器输出的运算结果进行功率放大后送至永磁同步电机，完成对永磁同步电机的驱动控制。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明可根据陀螺电机的工作转速来实时计算需要补偿的相位，进而保证电机高效率工作，降低热损耗，有利于陀螺温度的精确控制；
(2)本发明仅通过软件编程设计即可实现，具有实现方便、成本低的优点，有利于小型化、自动化控制；
(3)本发明采用计算正弦表偏移地址，然后利用基于正弦表偏移地址查找正弦表的方法快速完成相位补偿，计算速度快，补偿实时性好；
(4)本发明方法的软件编程配置灵活，可适应于不同滤波模块产生的延时。
附图说明
图1为本发明一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置的组成示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，如图1所示，包括FPGA、反电势检测电路、过零比较器、数模转换器、电流环系统；FPGA包括滤波模块、转速计算模块、速度控制器、锁相倍频模块、计数器、正弦波发生器；电流环系统包括电流控制器、电流检测电路和功率放大模块。
滤波模块，对过零比较器输出的反电势过零脉冲信号进行滤波，消除外部干扰信号产生毛刺信号，输出结果分别送入到锁相倍频模块和转速计算模块。
转速计算模块利用高频时钟信号对滤波后的过零脉冲信号的宽度进行计数，得到永磁同步电机的实际转速，然后将永磁同步电机的实际转速输出至速度控制器。
速度控制器对给定转速与永磁同步电机的实际转速的比较结果进行比例积分运算，运算结果输出给正弦波发生器。
锁相倍频模块，对滤波后的过零脉冲信号进行倍频产生频率给定送至计数器；同时对频率给定、滤波后的过零脉冲信号进行锁相，以使得给定电流与反电势信号的相位对齐；其中，频率给定与滤波后的过零脉冲信号的倍频数等于永磁同步电机转子0度至360度电角度的等分数。
计数器，接收锁相倍频模块输出的频率给定后进行计数产生正弦表基地址，然后将正弦表基地址发送给正弦波发生器。
正弦波发生器根据正弦表偏移地址和计数器输出的正弦表基地址的和查找正弦表得到永磁同步电机当前转子位置对应的正弦值，然后将当前正弦值与速度控制器的运算结果的进行相乘得到正弦电流值，所述的正弦表包括0至360度所有角度对应的正弦值。正弦波发生器将正弦电流值输出给数模转换器。
反电势检测电路，接收外部永磁同步电机输出的端电压信号后得到反电势信号，并将反电势信号送至过零比较电路，其中，反电势检测电路的构造基于永磁同步电机的端电压方程。
过零比较电路，对反电势检测电路输出的反电势信号进行过零比较得到反电势过零脉冲信号后送至FPGA的滤波模块。
数模转换器，对FPGA的正弦波发生器输出的正弦电流值进行数模转换，得到给定电流送至电流环系统的电流控制器。
电流控制器，对电流检测电路输出的相电流信号、数模转换器输出的给定电流进行比例积分运算，然后将运算结果送至功率放大模块。
电流检测电路，采集永磁同步电机输出的相电流信号并送至电流控制器。
功率放大模块，对电流控制器输出的运算结果进行功率放大后送至永磁同步电机，完成对永磁同步电机的驱动控制。
FPGA根据过零比较器输出的反电势过零脉冲信号计算电机实际转速，然后与外部给定转速比较，比较得到的偏差进行比例积分运算；FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波后产生滤波延时，然后根据滤波延时计算正弦表偏移地址来补偿永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差。
具体的，FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波后产生滤波延时，然后FPGA根据滤波延时计算正弦表偏移地址，在查找正弦表时添加正弦表偏移地址即可补偿反电势与相电流之间的相位差，所述的正弦表包括0至360度所有角度对应的正弦值。
正弦表偏移地址ΔN为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
同时，FPGA对滤波后的反电势过零脉冲信号进行计数得到永磁同步电机的实际转速，将实际转速与外部给定速度比较，比较结果送入速度控制器进行比例积分运算，速度控制器的运算结果送入至正弦波发生器作为给定电流幅值；滤波后的反电势过零脉冲信号经过锁相倍频模块后输出到计数器，计数器输出结果到正弦波发生器作为正弦表查表的正弦表基地址，正弦波发生器计算的正弦表偏移地址加上正弦表基地址作为正弦表查找地址，去正弦表中查找对应角度的正弦值；给定电流幅值与正弦值相乘得到给定电流的数字量输出到数模转换器。
电流控制器对数模转换器输出的给定电流和永磁同步电机电流比较结果进行比例积分运算，运算结果经过功率放大模块后驱动永磁同步电机。具体的，电流环系统内的电流检测模块对永磁同步电机输出的电流信号进行检测，然后将检测信号与数模转换器输出的给定电流模拟信号进行比较后，输出该比较结果给电流控制器，电流控制器输出运算结果给功率放大模块，功率放大模块输出信号驱动永磁同步电机。
一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，采用正弦波线性驱动控制永磁同步电机；永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生滤波延时，该滤波延时保持不变，根据反电势过零脉冲信号的滤波延时计算正弦表偏移地址，在查找正弦表时添加正弦表偏移地址即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿；所述的正弦表包括0度至360度所有角度对应的正弦值。
正弦表偏移地址ΔN的计算方法为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，其特征在于：采用正弦波线性驱动控制永磁同步电机；永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生滤波延时，根据滤波延时计算正弦表偏移地址，将正弦表基地址与正弦表偏移地址相加后获得正弦表查找地址，利用正弦表查找地址对应的正弦值即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿；
所述正弦表偏移地址ΔN为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，其特征在于：所述正弦表包括0度至360度所有角度对应的正弦值。
3.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿方法，其特征在于：所述永磁同步电机的反电势信号经过滤波后产生的滤波延时保持不变。
4.一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：包括FPGA、反电势检测电路、过零比较器、数模转换器和电流环系统；
所述FPGA根据过零比较器输出的反电势过零脉冲信号计算电机实际转速，然后与外部的给定转速进行比较，比较后的偏差经过比例积分运算后输出数字信号给数模转换器；
所述反电势检测电路用于检测永磁同步电机的反电势，并将永磁同步电机的反电势输出给过零比较器；
所述过零比较器接收永磁同步电机的反电势，输出反电势过零脉冲信号给FPGA；
所述电流环系统根据数模转换器输出的给定电流和永磁同步电机的电流进行比例积分运算，运算结果经功率放大后驱动永磁同步电机。
5.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述FPGA输出的数字信号为正弦波。
6.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波产生滤波延时，FPGA根据滤波延时计算正弦表偏移地址；FPGA对反电势过零脉冲信号进行滤波后获得正弦表基地址；FPGA将正弦表基地址与正弦表偏移地址相加后获得正弦表查找地址，FPGA利用正弦表查找地址对应的正弦值即实现给定转速下永磁同步电机的反电势与永磁同步电机定子相电流之间的相位差补偿；
所述正弦表偏移地址ΔN为：
其中，n为永磁同步电机的转速，Td为滤波延时，N0为正弦表长度。
7.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述FPGA内的滤波延时保持不变。
8.根据权利要求6所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述正弦表包括0度至360度所有角度对应的正弦值。
9.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述FPGA包括滤波模块、转速计算模块、速度控制器、锁相倍频模块、计数器、正弦波发生器；
所述滤波模块用于对过零比较器输出的反电势过零脉冲信号进行滤波，消除外部干扰信号产生毛刺信号，输出结果分别送入到锁相倍频模块和转速计算模块；
所述转速计算模块利用高频时钟信号对滤波后的过零脉冲信号的宽度进行计数，得到永磁同步电机的实际转速，然后将永磁同步电机的实际转速输出至速度控制器；
所述速度控制器对给定转速与永磁同步电机的实际转速的比较结果进行比例积分运算，运算结果输出给正弦波发生器；
所述锁相倍频模块用于对滤波后的过零脉冲信号进行倍频产生频率给定送至计数器；同时对频率给定、滤波后的过零脉冲信号进行锁相，以使得给定电流与反电势信号的相位对齐；其中，频率给定与滤波后的过零脉冲信号的倍频数等于永磁同步电机转子0度至360度电角度的等分数；
所述计数器用于接收锁相倍频模块输出的频率给定后进行计数产生正弦表基地址，然后将正弦表基地址发送给正弦波发生器；
所述正弦波发生器根据正弦表偏移地址和计数器输出的正弦表基地址的和查找正弦表得到永磁同步电机当前转子位置对应的正弦值，然后将当前正弦值与速度控制器的运算结果的进行相乘得到正弦电流值，所述的正弦表包括0至360度所有角度对应的正弦值。正弦波发生器将正弦电流值输出给数模转换器。
10.根据权利要求4所述的一种永磁同步电机无传感器控制相位补偿装置，其特征在于：所述电流环系统包括电流控制器、电流检测电路和功率放大模块；
所述电流控制器用于对电流检测电路输出的相电流信号、数模转换器输出的给定电流进行比例积分运算，然后将运算结果送至功率放大模块；
所述电流检测电路用于采集永磁同步电机输出的相电流信号并送至电流控制器；
所述功率放大模块用于对电流控制器输出的运算结果进行功率放大后送至永磁同步电机，完成对永磁同步电机的驱动控制。
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