CN110736927B - 一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，带UVW磁极信号的增量式编码器与永磁同步电机转子同轴安装，其输出U、V、W信号至选通模块，并输出A、B、Z三相差分信号至MAX14891E模块，MAX14891E模块将A、B、Z三相差分信号转化为三相单端信号DA、DB、DZ输出至PFGA模块，并输出三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B和FLT_Z至选通模块，选通模块选择性输出U、V、W信号和开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z至PFGA模块，FPGA模块定位永磁同步电机的转子初始位置，并解析永磁同步电机的实时转速和方向，本发明实现了永磁同步电机的初始磁极位置辨识和断线检测功能，缓解了永磁同步电机反馈电路过多消耗FPGA外部接口的问题。

Description

一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法
技术领域
本发明涉及永磁同步电机的伺服控制领域，更具体地说是涉及一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步、电力电子技术的快速发展，永磁同步电机因其高效率、高功率密度、低损耗等特点，被广泛应用于各种要求高响应、高精度、宽调速的高性能伺服控制系统，如机器人、转台、电动汽车等领域。为实现高性能伺服系统的控制，需要检测电机转子的位置，以实现磁场定向和速度控制。带UVW磁极信号的增量式编码器是一种将旋转的位移量转化为数字脉冲输出的传感器，A相和B相是互为正交的两路信号，Z相是原点信号，而UVW相为三路互为120°相位差的磁极信号。
在以增量式编码器为反馈环路的控制场合，A相、B相或Z相断线，都可能造成控制困难甚至控制出错，严重的可能导致机械损坏或人员伤亡，故编码器的断线检测对伺服控制系统非常重要。此外，只有通过UVW磁极信号得到永磁同步电机的转子位置，才能借助矢量控制技术，将永磁同步电机按照他励直流电机的方式进行控制，故初始磁极位置辨识对伺服控制系统也非常关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，不仅实现了永磁同步电机的初始磁极位置辨识和断线检测功能，而且通过U、V、W信号与FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号选通送入FPGA的方式，缓解了永磁同步电机反馈电路过多消耗FPGA外部接口的问题。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，带UVW磁极信号的增量式编码器与永磁同步电机转子同轴安装，其输出U、V、W信号至选通模块，可粗略定位永磁同步电机的转子初始位置，并输出A、B、Z三相差分信号至MAX14891E模块，可实时反映永磁同步电机的转速和方向，MAX14891E模块将A、B、Z三相差分信号转化为三相单端信号DA、DB、DZ输出至PFGA模块，并输出三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B和FLT_Z至选通模块，选通模块选择性输出U、V、W信号和开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z至PFGA模块，FPGA模块定位永磁同步电机的转子初始位置，并解析永磁同步电机的实时转速和方向。
作为进一步的优化，FPGA模块包括初始磁极位置辨识及断线检测模块和解码模块，初始磁极位置辨识及断线检测模块依据选通模块传送的U、V、W信号定位永磁同步电机的转子初始位置，解码模块依据MAX14891E模块输出的三相单端信号DA、DB、DZ解析永磁同步电机的实时转速和方向。
作为进一步的优化，MAX14891E模块是带故障检测的高数据率、低噪声四通道RS-485/RS-422接收器。
作为进一步的优化，带UVW磁极信号的增量式编码器与选通模块之间设有滤波模块，滤波模块用于削弱噪声对A、B、Z三相差分信号的影响，以减小对永磁同步电机的测速偏差。
作为进一步的优化，带UVW磁极信号的增量式编码器引出A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线至滤波模块，滤波模块输出A_P、A_N、B_P、B_N、Z_P、Z_N信号至MAX14891E模块。
作为进一步的优化，初始磁极位置辨识及断线检测模块依据三相差分信号的开路与短路故障检测结果判定A+、A-、B+、B-、Z+、Z-与滤波模块的接触状态。
作为进一步的优化，滤波模块采用结构对称的有源滤波器或无源滤波器。
与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：
本发明适用于永磁同步电机伺服控制系统的反馈环路中，永磁同步电机伺服控制系统初始上电时，选通模块选择将带UVW磁极信号的增量式编码器的U、V、W信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块，之后选通模块均选择将MAX14891E模块处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块，方案不仅实现了永磁同步电机的初始磁极位置辨识、断线检测、测速和测向功能，而且通过U、V、W信号与FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号选通送入所述FPGA模块的方式，缓解了永磁同步电机反馈电路过多消耗FPGA外部接口资源的问题。
附图说明
图1为本发明带UVW磁极信号的增量式编码器的反馈环路结构示意图。
图2为本发明滤波模块及MAX14891E模块的电路图。
图3为本发明选通模块的电路图。
图中，1.带UVW磁极信号的增量式编码器；2.选通模块；3.滤波模块；4.MAX14891E模块；5.FPGA模块；51.初始磁极位置辨识及断线检测模块；52.解码模块。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
本发明提出一种带UVW磁极信号的增量式编码器的用于永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，采用选通模块分时送入FPGA的方式，以求最大限度地简化永磁同步电机的反馈电路，缓解FPGA外部接口和内部逻辑运算的压力。
图1所示为本发明实施例提供的一种基于带UVW磁极信号的增量式编码器的反馈环路结构示意图，其包括带UVW磁极信号的增量式编码器1、滤波模块3、MAX14891E模块4、选通模块2和FPGA模块5，其中，带UVW磁极信号的增量式编码器1可以选用多摩川公司的编码器TS5246N160，编码器与永磁同步电机转子同轴安装，输出的U、V、W信号可粗略定位永磁同步电机的转子初始位置，输出的A、B、Z三相差分信号可实时反映永磁同步电机的转速和方向；
滤波模块3可以采用结构对称的有源滤波器或无源滤波器，用于削弱噪声对A、B、Z三相差分信号的影响，以减小对永磁同步电机的测速偏差；
MAX14891E模块4是带故障检测的高数据率、低噪声四通道RS-485/RS-422接收器，可以选用Maxim公司的MAX14891EATP+T芯片，该芯片本质是带故障检测的多路比较器，能够将滤波模块3输出的A、B、Z三相差分信号转化为三相单端信号DA、DB、DZ，并输出三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B和FLT_Z；
选通模块2，用于选择性输出带UVW磁极信号的增量式编码器1的U、V、W信号和MAX14891E模块4处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果；
FPGA模块5，可以选用Altera公司的10M08SCU169I7G芯片，包括初始磁极位置辨识及断线检测模块51和解码模块52，初始磁极位置辨识及断线检测模块51依据选通模块2传送的U、V、W信号定位永磁同步电机的转子初始位置，依据选通模块2传送的三相差分信号的开路与短路故障检测结果判定带UVW磁极信号的增量式编码器1引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块3的接触状态，解码模块52则依据MAX14891E模块4输出的三相单端信号DA、DB、DZ解析出永磁同步电机的实时转速和方向。
如图2所示为滤波模块3和MAX14891E模块4的电路图，带UVW磁极信号的增量式编码器1输出的三相差分信号A+与A-、B+与B-、Z+与Z-经TVS管、共模电感、π型滤波器等无源滤波后，可以基本消除叠加在三相差分信号上的毛刺，处理后的信号表示为A_P与A_N、B_P与B_N、Z_P与Z_N，处理后的三相差分信号分别被送入MAX14891E模块4的三个RS-485/RS-422接收通道，分别进行信号比较与故障检测，得到三相单端信号DA、DB、DZ和三相故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z，需要注意的是，FLT_A、FLT_B、FLT_Z三个信号均是低电平表示故障，高电平表示正常。
如图3所示为选通模块2的电路图，该电路主要利用TI公司SN74LVC8T245芯片的可关断功能和电平转换功能，为了简化电路，采用二极管D1与D4、D2与D5、D3与D6实现逻辑与运算，常规的选通模块2先选通U、V、W信号后选通FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号共两步的步骤也需改进为三步：第一步，永磁同步电机伺服控制系统初始上电时，将使能信号EN置高，SN74LVC8T245芯片不工作，选通模块2将MAX14891E模块4处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块51，判定带UVW磁极信号的增量式编码器1引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块3的接触状态，若FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号均为高电平，则A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块3均接触良好，若FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号某一个或几个信号为低电平，则需核查带UVW磁极信号的增量式编码器1与滤波模块3的接线状态，在均接触良好的前提下，FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号均为高电平，不会对初始磁极位置辨识结果产生影响，这是实施例为简化电路需增加的步骤；第二步，将使能信号EN置低，SN74LVC8T245芯片被使能，选通模块2将带UVW磁极信号的增量式编码器1的U、V、W信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块51，判定永磁同步电机的转子初始位置；第三步，使能信号EN保持高电平，保证SN74LVC8T245芯片一直不工作，即选通模块2持续将MAX14891E模块4实时处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块51，持续监测带UVW磁极信号的增量式编码器1引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块3的接触状态。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (2)

1.一种永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，其特征在于，带UVW磁极信号的增量式编码器与永磁同步电机转子同轴安装，其输出U、V、W信号至选通模块，并输出A、B、Z三相差分信号至MAX14891E模块，MAX14891E模块将A、B、Z三相差分信号转化为三相单端信号DA、DB、DZ输出至PFGA模块，并输出三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B和FLT_Z至选通模块，选通模块选择性输出U、V、W信号和开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z至PFGA模块，FPGA模块定位永磁同步电机的转子初始位置，并解析永磁同步电机的实时转速和方向；
MAX14891E模块是带故障检测的高数据率、低噪声四通道RS-485/RS-422接收器，该模块是带故障检测的多路比较器，能够将滤波模块输出的A、B、Z三相差分信号转化为三相单端信号DA、DB、DZ，并输出三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B和FLT_Z；
带UVW磁极信号的增量式编码器与选通模块之间设有滤波模块，滤波模块用于削弱噪声对A、B、Z三相差分信号的影响，以减小对永磁同步电机的测速偏差；
所述FPGA模块选用Altera公司的10M08SCU169I7G芯片，包括初始磁极位置辨识及断线检测模块和解码模块，初始磁极位置辨识及断线检测模块依据选通模块传送的U、V、W信号定位永磁同步电机的转子初始位置，依据选通模块传送的三相差分信号的开路与短路故障检测结果判定带UVW磁极信号的增量式编码器1引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块的接触状态，解码模块则依据MAX14891E模块输出的三相单端信号DA、DB、DZ解析出永磁同步电机的实时转速和方向；
所述选通模块的电路利用TI公司SN74LVC8T245芯片的可关断功能和电平转换功能，其中，选通过程具体包括以下步骤：第一步，永磁同步电机伺服控制系统初始上电时，将使能信号EN置高，SN74LVC8T245芯片不工作，所述选通模块将MAX14891E模块处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块，判定带UVW磁极信号的增量式编码器引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块的接触状态，若FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号均为高电平，则A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块均接触良好，若FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号某一个或几个信号为低电平，则需核查带UVW磁极信号的增量式编码器与滤波模块的接线状态，在均接触良好的前提下，FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号均为高电平，不会对初始磁极位置辨识结果产生影响；第二步，将使能信号EN置低，SN74LVC8T245芯片被使能，选通模块将带UVW磁极信号的增量式编码器的U、V、W信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块，判定永磁同步电机的转子初始位置；第三步，使能信号EN保持高电平，保证SN74LVC8T245芯片一直不工作，即选通模块持续将MAX14891E模块实时处理的三相差分信号的开路与短路故障检测结果FLT_A、FLT_B、FLT_Z信号送入初始磁极位置辨识及断线检测模块，持续监测带UVW磁极信号的增量式编码器引出的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-共6根线与滤波模块的接触状态。
2.根据权利要求1所述的永磁同步电机初始磁极位置辨识和断线检测方法，其特征在于，滤波模块采用结构对称的有源滤波器或无源滤波器。
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