CN110794343B - 一种旋转变压器接线自检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体是一种旋转变压器接线自检测系统。包括DSP控制器、励磁信号放大与滤波电路、旋转变压器、正余弦信号调理电路，其中DSP控制器的程序部分包括全数字RDC解码模块、线序识别模块和电机控制算法部分。通过本发明所提的旋转变压器接线自检测方法，能够在旋转变压器线序错接的情况下，通过线序识别模块辨识出实际线序，并且自动补偿当前线序辨析出转子位置与实际转子位置的偏差，从而正常启动和运行永磁同步电机，避免调试人员在现场花费大量时间和精力去查找旋转变压器的接线错误，提高现场的调试效率。该发明同样适用所有以旋转变压器为位置传感器的永磁同步电机应用场合。

Description

一种旋转变压器接线自检测系统

技术领域

本发明涉及永磁同步电机控制技术领域，具体是一种旋转变压器接线自检测系统。

背景技术

永磁同步牵引系统具有损耗低、效率高、启动特性好、加速性能强、噪声低等显著优点，代表了未来节能减排、绿色环保的技术发展趋势，成为下一代牵引系统的发展方向。直接传动技术，具备解决传递损耗、噪声和维修等问题，减轻车辆的总体重量，提高传动效率，给转向架的设计提供更多自由的空间等优点。目前中车永济电机有限公司与大同电力机车有限公司合作的大功率永磁直驱电力机车已完成装车，并且即将完成整车的联调试验。

在永磁直驱电机的矢量控制过程中，为了获得高动态响应、高精度调速和高效率等控制特性，需要实时获取电机的转速和转子位置信息。比较常用的位置传感器有编码器和旋转变压器，旋转变压器具有精度高、耐高温高湿、可靠性高、防水防尘和抗干扰能力强等优点，在轨道交通、电动汽车、航空及航天等多种领域得到广泛应用。

旋转变压器具有励磁正、励磁负、正弦反馈正、正弦反馈负、余弦反馈正及余弦反馈负六根接线，在机车的装配过程中，因旋转变压器接线错误会直接导致输出的电压信号不是正确的正余弦反馈信号，致使后续解码部分得不到转子真实的位置信息，造成电机不能正常启动和运行。解决这种问题的当前方法是调试人员拆开变流器柜，重新检查车底旋转变压器到车上牵引控制单元之间的连线，这无疑会浪费大量的时间和人力。

现有技术一(CN108761264A)提供了一种旋转变压器接线故障检测方法，通过预先设置电机定子的输入电流与旋转变压器转子理论旋转角度的对应关系，控制待检测旋转变压器的转子位置至预设角度，控制器向电机定子输入目标电流，然后获取目标电流对应的当前转子角度以及所述转子理论旋转角度，比对所述当前转子角度以及所述转子理论旋转角度的差值是否小于预设差值，如果是，则判定旋转变压器接线正确，否则，则判定旋转变压器出现接线错误故障。该现有技术能够检测出旋转变压器的接线错误故障，但不能在接线错误故障条件下正常启动和运行永磁同步电机。

现有技术二(CN106707892A)提供了一种旋转变压器接线自检测方法，首先枚举出所有的接线线序组合，然后将原始输入的线序通过改变信号切换模块的地址编码，切换为枚举接线组合中的一种新的接线组合；然后通过轴角解算模块对该种接线组合进行解算，同时将解算结果回传到主控模块中。开始自动检测时，转台中的旋转变压器所匹配的电机在开启后带动转台匀速转动,轴角判断模块根据主控模块输入的轴角数据进行判断，进而自动检测出正确的线序。该现有技术能够自动检测出旋转变压器的接线线序，但硬件部分需要额外的线序切换模块，增加了系统的复杂程度，并且应用场合具有局限性。

发明内容

为解决因旋转变压器线序错接而导致的永磁直驱电机无法启动问题，本发明提出一种旋转变压器接线自检测系统。首先枚举出旋转变压器线序错接的可能情况，以及各线序错接情况下对应的解析出转子位置与实际转子位置的偏差；然后按照所枚举的可能线序逐次启动永磁直驱电机，在一定时间内，如果检测到电机成功启动，则说明当前线序与实际线序一致，此后电机按当前线序及补偿的位置偏差启动和运行；若一定时间内电机没有启动，则尝试采用下一组可能的线序及补偿偏差角度启动，直到电机正常启动为止。使用该方法能够在旋变线序错接的情况下正常启动和运行永磁直驱电机，从而提高机车的调试效率。本发明不仅适用于大功率永磁直驱电力机车，同样适用于以旋转变压器为位置传感器的各项永磁同步电机的应用场合。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种旋转变压器接线自检测系统，包括DSP控制器、励磁信号放大与滤波电路、旋转变压器、正余弦信号调理电路，其中DSP控制器的程序部分包括全数字RDC解码模块、线序识别模块和电机控制算法部分。所述系统的工作原理如下：全数字RDC解码模块产生正弦励磁参考信号，正弦励磁参考信号经过励磁信号放大与滤波电路得到适合于旋转变压器励磁的正弦励磁信号，送至旋转变压器；正余弦信号调理电路对旋转变压器输出的正余弦反馈信号进行调理，将其由差分信号转换成单端正余弦信号，送至全数字RDC解码模块；全数字RDC解码模块通过单端正余弦信号解析出该线序下的转速和转子位置，转子位置经过线序识别模块，自动校正到真实的转子位置；将线序识别模块输出的真实转子位置和全数字解码模块输出的转速送至电机控制算法部分用于电机控制。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，全数字RDC解码模块包括励磁PWM产生模块、旋变信号解调模块和轴角数字转换模块。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，励磁PWM产生模块通过查表法产生正弦励磁参考信号。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，旋变信号解调模块在励磁参考信号的峰值时刻通过AD对单端正余弦信号进行采样，得到与电机转子位置相关的正余弦包络信号。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，轴角数字转换模块通过跟踪型轴角数字转换器在正余弦包络信号中提取出电机的转速和转子位置信息。,

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，励磁信号放大与滤波电路采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块输出的正弦励磁参考信号进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过低通滤波器滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，正余弦信号调理电路采用型号为INA128U的高精度宽电压范围的仪用放大器，对正余弦反馈信号进行放大并转换为适合于DSP采样的单端正余弦信号。

上述的一种旋转变压器接线自检测系统，线序识别模块通过查表法枚举出16种可能的接线线序，以及各线序下解析出转子位置θ₁与实际转子位置θ₂的关系，通过位置校正保证此模块输出的是实际转子位置。

上述的一种旋转变压器接线自检测方法，线序识别模块具体的工作流程为：启动永磁直驱电机，运行一段时间，判断转速是否为0；如果转速不为0，则说明按照当前线序解析出的转子位置是正确的，此后永磁直驱电机按此线序解析出的转子位置进行控制运算，不再运行线序识别程序；如果转速为0，则说明按照当前线序解析出的转子位置存在偏差，即旋转变压器与控制部分之间的线序存在错接，此时线序识别模块采用下一组可能线序解析出的转子位置，再次尝试启动，运行一段时间，判断转速是否为0，如此，直到成功启动电机。

上述的一种旋转变压器接线自检测方法，电机控制算法部分控制和调制独立设计，通过相角调节器保证电压指令相位和实际基波电压相位的一致。

本发明技术方案带来的有益效果：

1.采用全数字RDC解码模块代替传统的专用硬件解码芯片，降低了系统成本，并且避免了使用硬件解码时受硬件本身精度和温漂特性限制引起的误差。

2.通过本发明所提的旋转变压器接线自检测方法，能够在旋转变压器线序错接的情况下，通过线序识别模块辨识出实际线序，并且自动补偿当前线序辨析出转子位置与实际转子位置的偏差，从而正常启动和运行永磁同步电机，避免调试人员在现场花费大量时间和精力去查找旋转变压器的接线错误，提高现场的调试效率。该发明同样适用所有以旋转变压器为位置传感器的永磁同步电机应用场合。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述旋转变压器接线自检测系统的控制框图。

图2为旋转变压器定子绕组示意图。

图3为旋转变压器励磁及反馈信号示意图。

图4为励磁参考信号产生的中断流程图。

图5为励磁信号放大与滤波电路示意图。

图6为正弦信号的调理电路示意图。

图7为解调中断流程图。

图8为峰值采样框图。

图9为采样包络信号示意图。

图10为跟踪性轴角数字转换器原理框图。

图11为跟踪性轴角数字转换器简化框图。

图12为线序辨识模块程序流程图。

图13为适用于机车的全速度范围内分段矢量控制策略框图。

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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细的说明。

本发明通过线序识别模块对旋转变压器因接错线引起的角度偏差进行校正，在旋变接错线的情况下能够正常启动和运行永磁同步电机，本发明的控制过程如图1所示。

部分1为旋转变压器，此部分将部分3放大滤波后的正弦信号用于励磁，并将反馈的正余弦信号传至部分4，反馈的正余弦信号中含有永磁直驱电机的位置信息。

部分2为励磁PWM产生模块，可以产生励磁参考信号REF_PWM。

部分3励磁信号放大与滤波电路，将励磁参考信号REF_PWM进行放大和滤波，得到适合于旋变励磁的正弦信号V_r，送至旋转变压器。

部分4为正余弦信号调理电路，将旋转变压器反馈输出的差分的正余弦信号进行调理，将其转换成0～3.0V的单端对地信号V_a、V_b，再送至部分5。

部分5为旋变信号解调模块，在励磁信号的峰值时刻对正余弦反馈信号进行采样，得到正余弦包络信号。

部分6为轴角数字转换算法，通过正余弦包络信号，解析出永磁直驱电机的转子位置和转速。转子位置θ₁信号送至部分7，而转速信号ω_r直接送至部分8。

部分7为线序识别模块，当部分1旋转变压器与控制部分之间线序接错时，解析出的转子位置θ₁和实际转子位置会存在偏差，而无法启动永磁同步电机，通过此部分对该偏差进行校正，然后将校正后的转子真实位置θ₂送至部分5，用于电机控制算法。

部分8为永磁同步电机的控制算法，控制算法中需要用到来自部分6的转速ω_r和来自部分7的转子真实位置θ₂。该部分采用一种适用于机车的全速度范围内的分段矢量控制策略，控制算法与调制算法独立设计，并通过相角调节器来解决两者之间计算频率不同问题。

具体的：

①部分1旋转变压器部分

旋转变压器是一种特殊的测量电机，转子和永磁同步电机转子通过机械结构相连，定子上含有一个用于励磁的初级绕组和两个用于反馈的次级绕组，如图2所示。工作时，R1-R2绕组从外部电路输入用于励磁的正弦励磁信号V_r+和V_r-，随着电机的旋转，反馈绕组S1-S3和S2-S4输出与电机位置相关的正弦反馈信号V_a+、V_a-及余弦反馈信号V_b+、V_b-，如图3所示。在机车总转过程中，旋变与控制部分之间的6根接线比较容易接错，造成电机不能正常启动，本发明旨在解决在转变接错线的情况下通过程序校正来正常启动和运行永磁直驱电机。

正弦励磁信号V_r表达式如式(1)所示，旋变正余弦反馈信号V_a、V_b表达式如式(2)所示。

V_r＝V_p×sin(ωt) (1)

式中，V_p为励磁信号的幅值，sin(ωt)为励磁信号的频率，V_q为正余弦反馈信号的幅值，θ为轴角，由于信号从初级绕组感应到次级绕组会有一定衰减，一般情况下V_q小于V_p。

②部分2励磁PWM产生部分

旋转变压器的励磁信号本质上是正弦函数信号，励磁PWM产生模块通过查表法来获得正弦励磁参考信号REF_PWM，该方法虽然需要占用一定存储空间，但方法简单易行，并且容易获得励磁参考信号的峰值时刻。选取励磁信号的频率为4KHz，通过DSP的ePWM模块输出频率为160KHz的SPWM，在DSP程序中储存计算好的40点的正弦值，当使用PWM中断定期更新占空比时，每个励磁周期PWM占空比更新40次，励磁参考信号REF_PWM生成的中断程序流程图如图4所示。

③部分3励磁信号放大与滤波部分

通过励磁PWM产生模块产生的励磁参考信号REF_PWM驱动能力较差，需要经过励磁信号放大与滤波电路才能达到旋变的励磁需求。励磁信号放大与滤波电路如图5所示，首先采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块产生的励磁参考信号REF_PWM进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过由电阻和电容构成的低通滤波器，滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号V_r+和V_r-，用于旋转变压器励磁。

④部分4正余弦信号调理部分

旋转变压器输出的正余弦反馈信号V_a+、V_a-、V_b+、V_b-中包含有转子位置信息，需要通过控制器中全数字RDC解码模块来解算出转子位置和转速。但由于旋转变压器输出的正余弦信号是差分的，并且控制器只能对0～3.0V的模拟信号进行采样，所以需要正余弦调理电路将旋变输出的正余弦反馈信号转换成电压范围在0～3.0V的单端正余弦信号。

正弦信号的调理电路如图6所示，INA128U是高精度宽电压范围的仪用放大器，可直接将差分信号放大并转换为单端信号，通过调整其放大电路的比例系数，将信号峰峰值调整为3V，并在REF端加上1.5V的直流偏置电压，即可得到可供控制器采集的0～3.0V的单端正弦信号V_e。余弦信号调理电路与正弦信号调理电路相同，同样得到单端余弦信号V_f。

⑤部分5旋变信号解调部分

旋转变压器输出的正余弦反馈信号是转子位置的正余弦函数对励磁信号幅值的调制波，由于励磁参考信号是通过查找正弦表得到的，因此比较容易获得励磁参考信号的峰值时刻，在励磁参考信号的峰值时刻对单端正余弦信号V_e、V_f进行采样，便获得正余弦包络信号V_s、V_c。解调中断的程序流程图和峰值采样的框图分别如图7和图8所示，采样所得的包络信号示意图如图9所示。

⑥部分6轴角数字转换部分

现有方案一般采用反正切算法来解析出转子位置和转速，该算法比较简单，在软件中容易实现，但由于基于开环计算，不能对位置信号进行实时跟踪，满足不了高性能场合的控制需求。本发明通过跟踪型轴角数字转换器在正余弦包络信号中解析出当前永磁直驱电机的转子位置θ₁和转速ω_r，跟踪型轴角数字转换器中含有PI调节器，其积分部分具有额外的滤波效果，可以有效抑制信号中的高频噪声，同时可以直接获得转子位置和转速，其原理框图如图10所示。

将输入的正余弦包络信号分别乘以估算角度θ₁的余弦和正弦，再通过偏差放大器相减后获得输出偏差信号：

经过反馈闭环，误差e最终趋近于零，可近似认为

趋近于零，通过积分和角度翻转，所得到0～2π间变化的信号即为解析出的转子位置θ₁，ω_r为电机的转速。根据上述分析，可以将图10所示的跟踪型轴角数字转换模型简化为图11，进而由图11可以得到跟踪型轴角数字转换的闭环传递函数和估算角度的误差传递函数分别为

当给定输入为单位阶跃函数θ_m＝1时，跟踪型轴角数字转换的稳态误差为：

当给定输入为斜坡函数θ_m＝t时，跟踪型轴角数字转换的稳态误差为：

当给定出入为抛物线函数θ_m＝kt²时，跟踪型轴角数字转换的稳态误差为：

综上所述，该轴角数字转换系统是一个二型伺服系统，根据自动控制原理可知，对于阶跃输入和恒速度输入系统无稳态误差，但对于加速度信号输入，稳态时输出是存在误差的，且误差大小与加速度大小成正比。跟踪型轴角数字转换算法基于数字锁相环原理，具有很好的跟踪效果，对采样幅值要求低，具有实时、快速等优点。

⑦部分7线序识别部分

在旋转变压器与控制部分之间6根接线完全正确的情况下，部分6输出的θ₁和ω_r即是永磁直驱电机准确的转子位置和转速。但在地面联调试验现场或者装车现场，会出现6根旋变线错接的情况，导致解析出的转子位置和真实转子位置存在一定偏差，而造成电机无法启动。此部分通过枚举法列举可能出现接错线的情况，并通过相应的转子位置偏差补偿，在现场复杂环境下，不需要更改接线即可将存在偏差位置θ₁更正到真实位置θ₂，从而正常启动和运行永磁直驱电机。

为方便描述，首先定义旋转变压器与控制部分之间信号接线名字，定义Ex+和EX-分别是正弦励磁信号的正负两信号线，定义sin+和sin-分别是正弦反馈信号的正负两信号线，定义cos+和cos-分别是余弦反馈信号的正负两信号线。

线序识别模块枚举出可能出现的线序错接情况，并结合旋转变压器解码原理计算出相应的校正角度，转子真实位置的情况如表1所示，θ₁为通过当前线序解析出的转子位置，θ₂为转子的真实位置，两者之间的关系如表1所示。

表1线序错接时解析出转子位置与真实转子位置的关系

程序中线序识别模块的流程图如图12所示，初始启动时，按照当前线序解析出的转子位置启动永磁直驱电机，即让电机在当前线序解析出的转子位置角度下运行一段时间，判断电机转速是否为0；如果转速不为0，则说明电机正常启动，该线序解析出的位置正确，以后电机运行不再执行线序识别程序。如果转速为0时，说明该线序解析出的位置存在偏差，更新下一组校正的转子位置后再次尝试启动，运行一段时间后判断电机的转速。在程序中存储补偿旋变偏差的16个校正角度，依次更新到转子位置，直到成功启动电机。

本发明能够在励磁、正弦反馈、余弦反馈每组中两根线错接，或者正弦反馈和余弦两组错接的情况下，校正转子位置角并正常启动电机，但当励磁信号接到反馈信号上或者反馈的正弦或余弦两根线不在一组时，该方法失效。

⑧部分8电机控制算法部分

电机控制算法采用一种基于机车的全速度范围内的分段矢量控制策略，其总体控制框图如图13所示。该控制策略总体上分为控制算法、调制算法和相角调节器三部分，其中控制算法与调制算法独立设计，控制算法的计算频率高于载波频率，可以减小PWM的延时。

控制算法：此部分采用固定计算频率，完成AD采样，指令的接收，矢量控制算法的实现，最终生成电压指令；当电机运行于非弱磁区域时，采用MTPA控制策略，当运行于高速弱磁区域时，采用弱磁控制策略，两种控制策略能够实现无冲击的切入与切出。

调制算法：受大功率传动系统的低开关频率的限制，调制部分在不同的速度区域设计不同的调制策略，实现从启动阶段的高载波比到方波下单脉冲模式的逐级过渡，以满足全速度范围内运行的需要；并且在不同调制策略之间过渡时，确保切换过程不会出现严重电流冲击，即实现平滑过渡。

相角调节器：由于控制算法固定的计算时间和调制算法不固定的载波周期导致电压角度的计算频率不同，可能会导致指令电压的相位和PWM实际实现的基波电压相位不一致，甚至造成矢量控制算法的失败，通过相角调节器可以保证电压指令相位和实际基波电压相位的一致。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，包括DSP控制器、励磁信号放大与滤波电路、旋转变压器、正余弦信号调理电路，其中DSP控制器的程序部分包括全数字RDC解码模块、线序识别模块和电机控制算法部分；其中全数字RDC解码模块产生正弦励磁参考信号，正弦励磁参考信号经过励磁信号放大与滤波电路得到适合于旋转变压器励磁的正弦励磁信号，送至旋转变压器；正余弦信号调理电路对旋转变压器输出的正余弦反馈信号进行调理，将其由差分信号转换成单端正余弦信号，送至全数字RDC解码模块；全数字RDC解码模块通过单端正余弦信号解析出该线序下的转速和转子位置，转子位置经过线序识别模块，自动校正到真实的转子位置；将线序识别模块输出的真实转子位置和全数字解码模块输出的转速送至电机控制算法部分用于电机控制；

其中，线序识别模块通过查表法枚举出16种可能的接线线序，以及各线序下解析出转子位置

与实际转子位置

的关系，通过位置校正保证此模块输出的是实际转子位置；

线序识别模块具体的工作流程为：启动永磁直驱电机，运行一段时间，判断转速是否为0；如果转速不为0，则说明按照当前线序解析出的转子位置是正确的，此后永磁直驱电机按此线序解析出的位置进行控制运算，不再运行线序识别程序；如果转速为0，则说明按照当前线序解析出的转子位置存在偏差，即旋转变压器与控制部分之间的接线存在错接，此时线序识别模块采用下一组可能线序解析出的转子位置，再次尝试启动，运行一段时间，判断转速是否为0，如此，直到成功启动电机。

2.根据权利要求1所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，全数字RDC解码模块包括励磁PWM产生模块、旋变信号解调模块和轴角数字转换模块。

3.根据权利要求2所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，励磁PWM产生模块通过查表法产生正弦励磁参考信号。

4.根据权利要求2所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，旋变信号解调模块在励磁参考信号的峰值时刻通过AD对单端正余弦信号进行采样，得到与电机转子位置相关的正余弦包络信号。

5.根据权利要求2所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，轴角数字转换模块通过跟踪型轴角数字转换器在正余弦包络信号中提取出电机的转速和转子位置信息。

6.根据权利要求1所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，励磁信号放大与滤波电路采用芯片TC1427对励磁PWM产生模块输出的正弦励磁参考信号进行功率放大，得到适合于旋变励磁功率的SPWM信号，再经过低通滤波器滤除SPWM信号中的高频成分，得到差分的正弦励磁信号。

7.根据权利要求1所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，正余弦信号调理电路采用型号为INA128U的高精度宽电压范围的仪用放大器，对正余弦反馈信号进行放大并转换为适合于DSP采样的单端正余弦信号。

8.根据权利要求1所述的一种旋转变压器接线自检测系统，其特征在于，电机控制算法部分控制和调制独立设计，通过相角调节器保证电压指令相位和实际基波电压相位的一致。

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