CN112104294B - 一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法 - Google Patents
一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其包括以下步骤:估计电机电流的变化范围;根据电机电流的变化范围,选择霍尔电流传感器,搭建电流检测硬件电路,同时检测永磁同步电机工作时的两相电流,电流检测结果经过信号处理后传送至DSP;DSP内部的检测过程处理模块基于两相电流信号计算得到第三相电流;DSP根据得到的三相电流,控制aA和bA的霍尔电流传感器的电源,进而利用得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转。本发明可以实时检测工作状态下的大转矩永磁同步电机的电流,为电流闭环控制提供可靠数据,并且电流路径与信号线绝缘,有效避免了信号线上的噪声进入电机驱动回路,并且避免了功率损耗。
Description
技术领域
本发明属于光电侦察技术领域,涉及一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法。
背景技术
有刷电机采用机械换向方式,这种方式容易产生火花,长时间使用后碳刷磨损严重,极易损坏。永磁同步电机使用电子换向,克服了有刷电机的这一缺点,使其具高可靠性、高效率、高功率密度、高动态响应等优点,从而逐步在工业上广泛应用。永磁同步电机在光电跟踪系统中也得到了普遍应用,其中,为提高整个系统的控制性能,一般将电流环作为永磁同步电机的最内环。检测电流过程的准确性、实时性,对实现系统高精度控制有重要影响。此外,除PID控制外的控制方法,如转矩控制,无位置传感器的控制策略等,也可能用到电机各相的电流值。因此,电流检测是实现永磁同步电机可靠控制的基础。在工程实际应用中,通常采用在电流回路中串入高精度低阻值采样电阻的方式进行电流检测。这种方法具有成本低的优点,但是由于检测信号电路中可能存在干扰,而采样电阻串入了电机驱动线路,这种干扰会因此进入驱动线路,给系统稳定带来不利因素。此外采样电阻也会损耗一定的功率,使电机实际力矩小于理想值,控制效果不理想。而且实际中由于系统工作模式的变化,电机电流可能从0-±20A范围变化,测量范围跨度比较大,给精确测量造成了困难。上述问题是高精度控制系统必须解决的,因此本发明根据系统要求和实际应用,采用闭环型霍尔器件结合设计的电流检测处理模块和传感器闭环使能模块,来获得电流精确检测结果。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是:针对永磁同步电机需要获得实时三相电流数据来进行高精度控制,而现有的检测方法存在给系统带来噪声干扰、功率损耗及测量范围有限等问题,为此,本发明提供一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题,本发明提供一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其包括以下步骤:
步骤一:估计电机电流的变化范围;
步骤二:根据电机电流的变化范围,选择大量程aA和小量程bA的霍尔电流传感器;
步骤三:利用所选择的霍尔电流传感器,搭建电流检测硬件电路;
步骤四:通过大量程aA和小量程bA的霍尔电流传感器同时检测永磁同步电机工作时的两相电流,电流检测结果经过信号处理后传送至DSP;
步骤五:DSP内部的检测过程处理模块基于两相电流信号计算得到第三相电流;
步骤六:DSP根据得到的三相电流,判断最大电流绝对值是否超过bA,如果没有超过bA,则继续从步骤一顺序执行,而不执行其他动作;如果超过bA,且3个周期都超过bA,则DSP输出信号控制继电器关断,从而切断量程bA的霍尔电流传感器的电源,使其处于非工作状态,此时只使用量程aA的霍尔电流传感器进行测量,直至电流绝对值小于bA时,再打开量程bA的霍尔电流传感器的电源,控制系统利用在步骤五中得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转。
所述步骤一中,所述电机在工作系统中使用时,电机电流的变化范围估计如下:
当工作系统实际工作中,估算电机的电流范围为0-±aA;
当工作系统在非急停、非急转换向工作时,电机电流的变化范围是0-±bA;工作系统在急停、急转换向工作时,电机电流最大不超过±aA;其中,急停、急转换向时间小于20ms,a>b。
所述步骤二中,选取bA与aA量程的霍尔电流传感器。
所述步骤二中,所选择的霍尔电流传感器响应时间小于1us;零点失调电流小于0.2mA,总精度为0.3%。
所述步骤三和四中,电流检测硬件电路包括霍尔电流传感器、电流-电压转换电路、放大电路与滤波电路、AD转换电路;两相电流中,每相电流设置一个bA量程的霍尔电流传感器和aA量程的霍尔电流传感器,每个传感器测得的电流值传送至电流-电压转换电路转换为电压信号,再经过放大电路与滤波电路进行信号放大和低通滤波,由AD转换电路采样进入DSP的检测过程处理模块。
所述步骤五中,DSP首先判断两相电流的bA量程的霍尔电流传感器测量值是否有效,如果有效,则将该测量值保留,否则,保留aA量程的霍尔电流传感器测量值;然后DSP把保留的测量值换算为实际电流大小,再根据公式iA+iB+iC=0计算得到第三相电流。
所述步骤六中,DSP根据得到的三相电流,判断最大电流绝对值是否超过bA,如果没有超过bA,则继续从步骤一顺序执行,而不执行其他动作;如果超过bA,且3个周期都超过bA,则DSP控制切断量程bA的霍尔电流传感器的电源,使其处于非工作状态,此时只使用量程aA的霍尔电流传感器进行测量,直至电流绝对值小于bA时,再打开量程bA的霍尔电流传感器的电源,利用在步骤五中得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转。
所述霍尔电流传感器的被测电流路径与器件工作信号线绝缘。
所述电流-电压转换电路包括精密电阻,霍尔电流传感器输出的电流经精密电阻转换为电压信号。
两个bA量程的霍尔电流传感器分别连接有继电器,DSP控制继电器切断bA量程的霍尔电流传感器的电源。
(三)有益效果
上述技术方案所提供的大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,可以实时检测工作状态下的大转矩永磁同步电机的电流,为电流闭环控制提供可靠数据,并且电流路径与信号线绝缘,有效避免了信号线上的噪声进入电机驱动回路,并且避免了功率损耗;本发明实时性好,精确度高,解决了高精度控制系统中的电流检测问题。
附图说明
图1是本发明检测方法的原理图。
图2是本发明中电流检测处理模块流程图。
图3是本发明中传感器闭环使能模块流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚,下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
由于永磁同步电机工作时三相均有电流流通,本发明方法同时检测两相电流,第三相电流利用各相电流间的数学关系,在数字处理器DSP中计算得到。其中,被测的每相电流都利用双路不同量程的霍尔传感器共同测量,解决了实际工程应用中电流变化范围较宽,测量结果无法满足整个量程精度需要的问题。
传感器的输出结果经高精密电阻转换为电压信号后,由模数转换电路报送给DSP,DSP内部的检测过程处理模块再处理得到三相电机电流的真实值。霍尔电流传感器具有被测电流路径与器件工作信号线绝缘的优点,有效避免了采用串入高精度低阻值采样电阻的检测电路给系统带来的噪声干扰和功率损耗的问题。
本发明方法主要基于电流检测硬件电路和DSP内部的检测过程处理模块来实现,电流检测硬件电路包括霍尔电流传感器、AD转换电路、精密电阻。电流检测硬件电路设计之前,需要估计电机电流的变化情况。
本发明应用于某型光电跟踪系统,系统工作状态下实际电机电流情况如下:
1、系统实际工作中,估算电机的电流范围为0-±20A;
2、系统在非急停、急转换向工作时,电机电流的变化范围是0-±5A;系统在急停、急转换向工作时,电机电流最大不超过±20A;
3、急停、急转换向时间较短,一般小于20ms。
根据电流估算结果,选取5A与20A量程的霍尔电流传感器。所选择的霍尔电流传感器响应时间小于1us,满足系统实时性要求和电流环带宽要求;零点失调电流小于0.2mA,总精度为0.3%,可以得到5A量程的霍尔电流传感器测量精度为0.05A,20A量程的霍尔电流传感器测量精度为0.2A,满足电流检测需要。
由于采用了大小两种量程同时串入电机回路,为避免大电流流经过小量程霍尔电流传感器时给传感器带来不可逆的损伤,设计了电流传感器闭环使能电路,当电机电流超过5A时,软件自动切断小量程霍尔电流传感器电源,使其处于非工作状态,保证器件安全。传感器输出的电流经精密电阻转换为电压信号,再经过放大电路、低通滤波电路后,由A/D转换电路采样进入DSP处理。电流检测处理软件的过程是,根据两相电流测量结果,计算得到第三相电流,依据公式的为:iA+iB+iC=0。然后,根据计算得到的结果,若有一相电流值超过5A,则DSP输出控制信号,切断5A量程的霍尔电流传感器电源,直至得到最大电流小于5A时,再打开5A量程的霍尔电流传感器电源。
本实施例大转矩永磁同步电机电流精确检测方法的原理见图1。设计完成后,该发明的电流检测过程执行以下步骤:
步骤1:驱动永磁同步电机旋转,回路中电机三相电流中的两相(图1中的A相和B相)分别流经一组霍尔电流传感器;
步骤2:同组的两个霍尔电流传感器同时输出电流检测值,表现为0-±20mA的电流信号;
步骤3:电流信号均经过电流-电压转换电路转换为电压信号,此过程主要由精密电阻完成;
步骤4:转换得到的电压信号经放大电路及滤波电路处理后,由AD转换电路转换为数字量,经数据总线发送给DSP。
步骤5:参照图2所示的电流检测处理模块流程图,DSP首先判断A相和B相的5A量程的霍尔电流传感器测量值是否有效,如果有效,则将该测量值保留,否则,保留20A量程的霍尔电流传感器测量值;然后DSP把保留的测量值换算为实际电流大小,再根据公式iA+iB+iC=0计算得到C相电流。
步骤6:参照图3所示的传感器闭环使能模块流程图,DSP根据得到的三相电流,判断最大电流绝对值是否超过5A,如果没有超过5A,则继续从步骤1顺序执行,而不执行其他动作;如果超过5A,且3个周期都超过5A,则执行步骤7;
步骤7:最大电流绝对值超过5A,DSP输出IO信号,控制继电器关断,从而切断量程5A的霍尔电流传感器的电源,使其处于非工作状态,此时只使用量程20A的霍尔电流传感器进行测量,直至电流绝对值小于5A时,再打开量程5A的霍尔电流传感器的电源,控制系统利用在步骤5中得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转。
由以上步骤的电流检测方法所示,本发明形成了一个闭环电流检测过程,能够自适应选择电流传感器,实现了宽范围电流的高精度检测。
由上述技术方案可以看出,本发明具有以下显著特点:
(一)本发明方法实现了宽范围电流的精确检测,解决了电流检测过程中,由于电流变化范围变化较大,带来的小电流区域测量不准的问题。适合应用于对相对微小电流的测量值精度要求较高的场合。
(二)本发明采用霍尔电流传感器代替采样电阻作为敏感电流的器件,避免了采样电阻的分压作用,给电机回路造成的功率损耗;并且霍尔电流传感器的被测电流流通路径与信号线绝缘,有效避免了信号线上的噪声进入功率线路,避免了额外的噪声干扰带来的检测精度下降问题。
(三)本发明可移植性强,不仅用于大转矩永磁同步电机的电流检测,还可灵活应用于其他电流检测领域,方法简单,可操作性强。
以上所述仅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,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤一:估计电机电流的变化范围;
步骤二:根据电机电流的变化范围,选择大量程aA和小量程bA的霍尔电流传感器;
步骤三:利用所选择的霍尔电流传感器,搭建电流检测硬件电路;
步骤四:通过大量程aA和小量程bA的霍尔电流传感器同时检测永磁同步电机工作时的两相电流,电流检测结果经过信号处理后传送至DSP;
步骤五:DSP内部的检测过程处理模块基于两相电流信号计算得到第三相电流;
步骤六:DSP根据得到的三相电流,判断最大电流绝对值是否超过bA,如果没有超过bA,则继续从步骤一顺序执行,而不执行其他动作;如果超过bA,且3个周期都超过bA,则DSP输出信号控制继电器关断,从而切断量程bA的霍尔电流传感器的电源,使其处于非工作状态,此时只使用量程aA的霍尔电流传感器进行测量,直至电流绝对值小于bA时,再打开量程bA的霍尔电流传感器的电源,控制系统利用在步骤五中得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转;
所述步骤一中,所述电机在工作系统中使用时,电机电流的变化范围估计如下:
当工作系统实际工作中,估算电机的电流范围为0-±aA;
当工作系统在非急停、非急转换向工作时,电机电流的变化范围是0-±bA;工作系统在急停、急转换向工作时,电机电流最大不超过±aA;其中,急停、急转换向时间小于20ms,a>b;
所述步骤二中,选取bA与aA量程的霍尔电流传感器;
所述步骤二中,所选择的霍尔电流传感器响应时间小于1us;零点失调电流小于0.2mA,总精度为0.3%;
所述步骤三和四中,电流检测硬件电路包括霍尔电流传感器、电流-电压转换电路、放大电路与滤波电路、AD转换电路;两相电流中,每相电流设置一个bA量程的霍尔电流传感器和aA量程的霍尔电流传感器,每个传感器测得的电流值传送至电流-电压转换电路转换为电压信号,再经过放大电路与滤波电路进行信号放大和低通滤波,由AD转换电路采样进入DSP的检测过程处理模块;
所述步骤五中,DSP首先判断两相电流的bA量程的霍尔电流传感器测量值是否有效,如果有效,则将该测量值保留,否则,保留aA量程的霍尔电流传感器测量值;然后DSP把保留的测量值换算为实际电流大小,再根据公式iA+iB+iC=0计算得到第三相电流;
所述步骤六中,DSP根据得到的三相电流,判断最大电流绝对值是否超过bA,如果没有超过bA,则继续从步骤一顺序执行,而不执行其他动作;如果超过bA,且3个周期都超过bA,则DSP控制切断量程bA的霍尔电流传感器的电源,使其处于非工作状态,此时只使用量程aA的霍尔电流传感器进行测量,直至电流绝对值小于bA时,再打开量程bA的霍尔电流传感器的电源,利用在步骤五中得到的各相电流驱动永磁同步电机旋转。
2.如权利要求1所述的大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其特征在于,所述霍尔电流传感器的被测电流路径与器件工作信号线绝缘。
3.如权利要求1所述的大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其特征在于,所述电流-电压转换电路包括精密电阻,霍尔电流传感器输出的电流经精密电阻转换为电压信号。
4.如权利要求1所述的大转矩永磁同步电机电流精确检测方法,其特征在于,两个bA量程的霍尔电流传感器分别连接有继电器,DSP控制继电器切断bA量程的霍尔电流传感器的电源。
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