CN111817615A - 高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法 - Google Patents

高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法，所述装置包括旋转变压器、解码芯片、DSP控制芯片，旋转变压器转子与所述永磁同步电机轴同轴连接，旋转变压器采集带有所述电机的转子位置信息的模拟信号，通过滤波电路反馈给解码芯片；解码芯片将所述模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号，并通过SPI传输给DSP控制芯片；DSP控制芯片计算得到转子位置相对应的电角度。本发明可实现全速段高精度转子位置检测，具备转子位置自校正以及故障阈值可在线自调整功能，提高系统鲁棒性，实现高速永磁同步电机宽转速范围内保持优异的稳态和动态性能。

Description

高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法。
背景技术
永磁同步电机具有结构简单、功率密度高、效率高等优点，被广泛应用于各种工业传动领域，如电动汽车、机器人、数控机床等。转子位置是基于转子磁场定向的永磁同步电机矢量控制算法的关键参数，转子位置通常采用旋转变压器检测得到相关的模拟信号，经过旋变解码芯片解算出转子位置数字信号，最后将其输送给核心处理器参与电机算法运算。在电机低速运行时，解码芯片分辨率不高，转子位置误差较大，导致转矩存在脉动，影响电机负载稳态时控制精度；在电机高速运行时，特别是在10000rpm以上，转子位置将会出现较大的相位滞后，影响实际检测的转子位置精度，从而限制了其在高速、高性能驱动控制场合的应用。因此，为了更大范围满足永磁同步电机高性能应用，必须研究可靠的转子位置检测方法，提高电机低速、高速运行时检测精度，是本领域专家学者急需解决的技术问题之一。
目前最常用的转子位置检测方案是旋转变压器和解码芯片得到转子位置信息，然而当前解码芯片分辨率固定，测速范围有限，无法实现高频信号的实时解码，且故障阈值不可灵活更改，对于电机在低速和高速运行中，转子位置在软件算法上未做优化处理，导致转子位置精度不高，从而影响电机输出转矩的精确控制，特别在高速运行时，转子位置偏差过大将会引起电机失控的风险。
发明内容
本发明实施例所要解决的技术问题在于，提供一种高速永磁同步电机转子位置检测装置及方法，以使提升转子位置的检测精度。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提出了一种高速永磁同步电机转子位置检测装置，包括高速永磁同步电机、旋转变压器、滤波电路、解码芯片，还包括DSP控制芯片，旋转变压器转子与所述永磁同步电机轴同轴连接，旋转变压器采集带有所述电机的转子位置信息的模拟信号，通过滤波电路反馈给解码芯片；解码芯片将所述模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号，并通过SPI传输给DSP控制芯片；DSP控制芯片计算得到转子位置相对应的电角度。
进一步地，DSP控制芯片包括分辨率切换模块，分辨率切换模块根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。
进一步地，DSP控制芯片包括转子位置失效校正模块，转子位置失效校正模块实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
进一步地，DSP控制芯片包括高速段转子位置角度延迟补偿模块，高速段转子位置角度延迟补偿模块采用非对称采样PWM方式，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流、母线电压和转子位置信息，对此高速阶段的转子位置角度采用下式进行补偿：θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)，θH(k)为补偿得到的转子位置。
进一步地，解码芯片采用AD2S1210解码芯片，DSP控制芯片包括故障处理模块，故障处理模块在每个PWM周期开始时刻向AD2S1210解码芯片发送转子位置读取请求，此时AD2S1210工作在普通模式，此时待DSP控制芯片的SPI接收完转子位置信号后，将AD2S1210工作在配置模式下，同时向AD2S1210解码芯片发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。
相应地，本发明实施例还提供了一种高速永磁同步电机转子位置检测方法，包括：
步骤1：通过旋转变压器采集高速永磁同步电机的机械角信号，得到带有电机转子位置信息的模拟信号；
步骤2：将模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号；
步骤3：根据转子位置信息计算得到转子位置相对应的电角度。
进一步地，所述步骤3还包括分辨率切换子步骤：根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。
进一步地，所述步骤3还包括转子位置失效校正子步骤：实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
进一步地，所述步骤3还包括高速段转子位置角度延迟补偿子步骤：采用非对称采样PWM方式，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流、母线电压和转子位置信息，对此高速阶段的转子位置角度采用下式进行补偿：θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)，θH(k)为补偿得到的转子位置。
进一步地，所述步骤3还包括故障处理子步骤：在每个PWM周期开始时刻发送转子位置读取请求，待接收完转子位置信号后，发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。
本发明的有益效果为：本发明可实现全速段高精度转子位置检测，具备转子位置自校正以及故障阈值可在线自调整功能，提高系统鲁棒性，实现高速永磁同步电机宽转速范围内保持优异的稳态和动态性能。
附图说明
图1是本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测装置的结构示意图。
图2是本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测装置的处理流程图。
图3是本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测装置的工作时序图。
图4是本发明实施例的AD2S1210软件初始化流程图。
图5是本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测方法的流程示意图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互结合，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明实施例中若有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中若涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参照图1～图4，本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测装置包括高速永磁同步电机、旋转变压器、滤波电路、解码芯片、DSP控制芯片。
解码芯片、旋转变压器均与滤波电路电连接，解码芯片和DSP控制芯片电连接。旋转变压器转子与所述永磁同步电机轴同轴连接，将电机机械角信号传递给旋转变压器，通过在旋转变压器转子侧产生的正弦波激励信号EXC+、EXC-，通过电磁感应原理，旋转变压器定子侧感应出带有转子位置信息的正弦信号SIN+、SIN-和余弦信号COS+、COS-。模拟信号通过滤波电路反馈给AD2S1210解码芯片，解码芯片经过内部硬件解调电路得到16位的转子位置数字信号；将所述数字信号通过SPI传输给DSP控制芯片进行软件算法处理后得到矢量控制用的转子位置相对应的电角度，实现高速永磁电机转子位置的实时检测。旋转变压器采集带有所述电机的转子位置信息的模拟信号，通过滤波电路反馈给解码芯片。解码芯片将所述模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号，并通过SPI传输给DSP控制芯片。DSP控制芯片进行软件算法处理，计算得到转子位置相对应的电角度，最终得到精确的转子位置信息。DSP控制芯片中软件算法处理部分包括分辨率切换模块、转子位置失效校正模块、高速段转子位置角度延迟补偿模块以及故障处理模块。
作为一种实施方式，DSP控制芯片包括分辨率切换模块，分辨率切换模块根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。切换公式如下：
Figure BDA0002577270810000041
作为一种实施方式，DSP控制芯片包括转子位置失效校正模块，转子位置失效校正模块实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)，θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
作为一种实施方式，DSP控制芯片包括高速段转子位置角度延迟补偿模块，高速段转子位置角度延迟补偿模块采用非对称采样PWM方式，工作时序如图3所示，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流i(k)、母线电压Vdc(k)和转子位置信息θ(k)并计算转速ω(k)，实现电机控制算法计算并输出更新的参考电压矢量Vref(k)，在t(k+1)时刻才能下载到ePWM发生单元，此阶段平均延迟时间为1.5Ts，Ts为采样周期。
输出延迟是数字系统所固有的特性，该现象会造成输出电压矢量的相位和幅值误差。假设dq坐标系和αβ坐标系的夹角为θ。则电压矢量在dq坐标系中的值
Figure BDA0002577270810000051
和αβ坐标系
Figure BDA0002577270810000052
之间关系为：
Figure BDA0002577270810000053
式中的i为虚数。
根据SVPWM算法原理，在时间段t(k+1)～t(k+2)中PWM输出电压矢量可视为固定角度的矢量
Figure BDA0002577270810000054
但dq坐标系本身是旋转的，其旋转角速度等于电机转子旋转电角度ω。
Figure BDA0002577270810000055
在一个采样周期内的平均值可以通过积分的方法求得，即：
Figure BDA0002577270810000056
上式中，
Figure BDA0002577270810000057
相位延迟1.5ωrTs，和转速正相关，转速越高，延迟越大，式中的j为虚数，ωr为反馈转速(即电机输出实际转速)。因此高速电机的输出延时造成的电压矢量误差必须补偿，补偿公式为：
θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)。
作为一种实施方式，解码芯片采用AD2S1210解码芯片，DSP控制芯片包括故障处理模块，结合图3工作时序图，故障处理模块在每个PWM周期开始时刻向AD2S1210解码芯片发送转子位置读取请求，此时AD2S1210工作在普通模式，此时待DSP控制芯片的SPI接收完转子位置信号后，将AD2S1210工作在配置模式下，同时向AD2S1210解码芯片发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。故障阈值大小可根据实际硬件平台设置。本发明中初始化时LOS阈值设为0，DOS超量程阈值设为7f,DOS失配阈值设为7f，DOS复位最大阈值设为01，DOS复位最小阈值7e，LOT上限设为7f，LOT下限设为18。初始化流程图如图4所示。
请参照图5，本发明实施例的高速永磁同步电机转子位置检测方法，包括：
步骤1：通过旋转变压器采集高速永磁同步电机的机械角信号，得到带有电机转子位置信息的模拟信号；
步骤2：通过解码芯片将模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号；
步骤3：通过DSP控制芯片根据数字信号中的转子位置信息计算得到转子位置相对应的电角度，最终得到精确的转子位置信息。
作为一种实施方式，所述步骤3还包括分辨率切换子步骤：根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。切换公式如下：
Figure BDA0002577270810000061
作为一种实施方式，所述步骤3还包括转子位置失效校正子步骤：实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
作为一种实施方式，所述步骤3还包括高速段转子位置角度延迟补偿子步骤：采用非对称采样PWM方式，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流、母线电压和转子位置信息，对此高速阶段的转子位置角度采用下式进行补偿：θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)，θH(k)为补偿得到的转子位置。
作为一种实施方式，所述步骤3还包括故障处理子步骤：结合图3工作时序图，在每个PWM周期开始时刻向AD2S1210解码芯片发送转子位置读取请求，此时AD2S1210工作在普通模式，此时待DSP控制芯片的SPI接收完转子位置信号后，将AD2S1210工作在配置模式下，同时向AD2S1210解码芯片发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。故障阈值大小可根据实际硬件平台设置。本发明中初始化时LOS阈值设为0，DOS超量程阈值设为7f,DOS失配阈值设为7f，DOS复位最大阈值设为01，DOS复位最小阈值7e，LOT上限设为7f，LOT下限设为18。初始化流程图如图4所示。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同范围限定。

Claims (10)

1.一种高速永磁同步电机转子位置检测装置，包括高速永磁同步电机、旋转变压器、滤波电路、解码芯片，其特征在于，还包括DSP控制芯片，旋转变压器转子与所述永磁同步电机轴同轴连接，旋转变压器采集带有所述电机的转子位置信息的模拟信号，通过滤波电路反馈给解码芯片；解码芯片将所述模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号，并通过SPI传输给DSP控制芯片；DSP控制芯片计算得到转子位置相对应的电角度。
2.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于，DSP控制芯片包括分辨率切换模块，分辨率切换模块根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。
3.如权利要求2所述的高速永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于，DSP控制芯片包括转子位置失效校正模块，转子位置失效校正模块实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
4.如权利要求3所述的高速永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于，DSP控制芯片包括高速段转子位置角度延迟补偿模块，高速段转子位置角度延迟补偿模块采用非对称采样PWM方式，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流、母线电压和转子位置信息，对此高速阶段的转子位置角度采用下式进行补偿：θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)，θH(k)为补偿得到的转子位置。
5.如权利要求4所述的高速永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于，解码芯片采用AD2S1210解码芯片，DSP控制芯片包括故障处理模块，故障处理模块在每个PWM周期开始时刻向AD2S1210解码芯片发送转子位置读取请求，此时AD2S1210工作在普通模式，此时待DSP控制芯片的SPI接收完转子位置信号后，将AD2S1210工作在配置模式下，同时向AD2S1210解码芯片发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。
6.一种高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，包括：
步骤1：通过旋转变压器采集高速永磁同步电机的机械角信号，得到带有电机转子位置信息的模拟信号；
步骤2：将模拟信号转换为带转子位置信息的数字信号；
步骤3：根据转子位置信息计算得到转子位置相对应的电角度。
7.如权利要求1所述的高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括分辨率切换子步骤：根据反馈转速ωfdb和旋转变压器极对数p，将全速段分为低速段、中速段、中高速段和高速段，对应输出的解码芯片分辨率分别为16位、14位、12位和10位，不同速度段切换采用滞环控制方式，滞环转速为20rpm。
8.如权利要求7所述的高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括转子位置失效校正子步骤：实时检测当前时刻转子位置θ(k)，并与上一时刻θ(k-1)比较得到转子位置增量Δθ(k-1)，若Δθ(k-1)>2*360*f_fdb/f_c，则判断当前转子位置不正确，则使用计算矫正后的转子位置θ0(k)＝θ(k-1)+Δθ(k-1)，其中f_fdb为电机反馈频率，f_c为载波频率。
9.如权利要求8所述的高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括高速段转子位置角度延迟补偿子步骤：采用非对称采样PWM方式，在每个PWM周期开始和周期中点各进行一次采样，在t(k)时刻采样当前的电机定子电流、母线电压和转子位置信息，对此高速阶段的转子位置角度采用下式进行补偿：θH(k)＝θ(k)+1.5Δθ(k-1)，θH(k)为补偿得到的转子位置。
10.如权利要求9所述的高速永磁同步电机转子位置检测方法，其特征在于，所述步骤3还包括故障处理子步骤：在每个PWM周期开始时刻发送转子位置读取请求，待接收完转子位置信号后，发送故障信息读取请求，待每个调度周期电流环执行最后时刻读取故障信息，故障信息包含信号丢失LOS、信号降级DOS、跟踪丢失LOT以及奇偶校验故障。
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