CN112117937A - 一种永磁同步电机控制系统及电机转速测量方法 - Google Patents

一种永磁同步电机控制系统及电机转速测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种永磁同步电机控制系统及电机转速测量方法，包括控制模块、PWM发生模块、测速模块、转子定位模块、定子绕组驱动单元以及电源模块，所述PWM发生模块、测速模块、转子定位模块以及定子绕组驱动模块均与所述控制模块连接，所述测速模块检测电动机转子转速，所述PWM发生模块与所述定子绕组驱动模块连接，所述转子定位模块检测转子所在位置，所述电源模块为其余部分供电。本发明的实质性效果是：利用一极加工有缺口的球形磁体，快速检测到启动前电机转子的位置，增大最新测得的转速所占的权重，解决了现有电机控制的技术中，难以快速确认转子位置进行电机启动以及电机转速测量实时性较差的技术问题。

Description

一种永磁同步电机控制系统及电机转速测量方法
技术领域
本发明涉及电机控制技术领域，尤其是指一种永磁同步电机控制系统及电机转速测量方法。
背景技术
永磁同步电机既保留了传统直流电机启动转矩大、调速性能好的优点，还具有交流电机结构简单、维护方便的优点，因此在工业生产及高新技术领域得到了广泛的应用。同时人们对其控制性能的要求也在不断提高，改善和优化永磁同步电机的控制技术一直是一个热点课题。
在电机控制系统中，电机稳定运行后的转速控制以及电机启动占相当重要的地位。现有技术中电机转速控制采用数字PID原理，精度高，响应快。电机启动则需要在定子绕组中通能够产生使转子旋转的磁场的电流，但由于电机启动时，由于转子磁极位置的不确定，导致电机输入电流方向难以确定；当电机稳定运行后，对于电机转速的检测多采用计算平均值的算法，导致人们观察到的显示转速实时性较差。现有技术中存在难以快速确认转子位置进行电机启动以及电机转速测量实时性较差的技术问题。
为了解决上述技术问题，公开号CN206564553U公开了一种基于电流滞环控制的无刷直流电机控制系统，包括数字信号处理器、三相逆变电路、驱动电路、转子位置检测电路、电流检测电路、保护电路，数字信号处理器上有模数转换器、事件管理器、捕获单元，无刷直流电机上有转子位置传感器。本系统稳定性好，响应速度很快，控制精度高，能够使无刷直流电机更加快速准确的响应控制指令。但该基于电流滞环控制的无刷直流电机控制系统采用霍尔元件制成的位置传感器，由于霍尔元件特性需要在电机不同位置粘贴至少三个位置传感器，结构较为复杂，霍尔元件的抗干扰能力也较弱，仍不能解决难以快速确认转子位置进行电机启动以及电机转速测量实时性较差的技术问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：现有电机控制的技术中，难以快速确认转子位置进行电机启动以及电机转速测量实时性较差的技术问题。
为解决上述技术问题，节省确定转子位置的时间以及成本，本发明提供一种永磁同步电机控制系统，包括控制模块、PWM发生模块、测速模块、转子定位模块、定子绕组驱动单元以及电源模块，所述PWM发生模块、测速模块、转子定位模块以及定子绕组驱动模块均与所述控制模块连接，所述测速模块检测电动机转子转速，所述PWM发生模块与所述定子绕组驱动模块连接，所述转子定位模块检测转子所在位置，所述电源模块为其余部分供电。所述转子定位模块可以在定子静止时快速检测转子位置，所述控制器根据检测到的转子位置控制所述定子绕组驱动模块对定子进行励磁，使转子在磁场作用下转动，当转子转动到对应位置时，控制器再次改变励磁电流方向，使产生的磁场方向一直保持与转子运动方向匹配。
作为优选，本发明还包括键盘模块以及显示器，所述键盘模块以及所述显示器均与所述控制模块连接，所述控制模块根据所述键盘模块输入的转速与所述测速模块反馈的实际转速的差值调整所述PWM发生模块发出的PWM波形的占空比，所述显示器显示电动机转速。当无输入时，所述控制器通过PID控制使电机转速稳定在初始值，使得本系统具有抗干扰的稳定性。
作为优选，所述测速模块包括霍尔元件以及永磁体，所述霍尔元件安装在电机机壳上，所述永磁体安装在电机输出轴上且位置与所述霍尔元件对应。所述霍尔元件两端的电势差与垂直于所述霍尔元件底面的磁场强度有关，当所述永磁体旋转至磁场方向正对所述霍尔元件时，所述霍尔元件两端会产生一个电势差最大值，根据一段时间t内采集到的最大值次数N即可算得转速。
作为优选，所述霍尔元件包括磁敏元件、信号放大器、电源稳压器以及封装外壳，所述封装外壳封装其余部分并粘贴在电机机壳上，所述信号放大器与所述控制模块连接，所述磁敏元件与所述信号放大器连接，所述电源稳压器与所述霍尔元件连接，所述电源稳压器使所述磁敏元件的输入电流稳定。
作为优选，所述霍尔元件数量为二，两个所述霍尔元件的位置均与所述永磁体对应。转子每转动一周会产生两个电势差最大值信号，本优选方案使得转速测量更为真实可靠，实时性更高。
作为优选，所述转子定位模块包括转子引出轴、外壳、主磁体、若干副磁体、旋转轴、光敏电阻以及压力传感器，所述转子引出轴与电机转子连接且同步转动，所述主磁体与所述转子引出轴固定连接且同步转动，所述旋转轴与所述外壳连接，所述副磁体与所述旋转轴转动连接，所述旋转轴末端设有挡块，压力传感器设在所述旋转轴上且位置与所述副磁体对应，所述副磁体的一极加工有缺口，所述光敏电阻与所述外壳固定连接且位置与所述副磁体对应，所述光敏电阻以及压力传感器均与所述控制单元连接，所述旋转轴、光敏电阻以及压力传感器的数量与所述副磁体对应。所述主磁体磁极的位置与转子磁极的位置对应，因此如果控制器能够检测到所述主磁体的磁极位置，即可实现正确地自动控制所述定子绕组驱动模块，所述缺口仅在副磁体一极加工，即如果S极加工有缺口，N极就不加工缺口。所述缺口使所述光敏电阻能感光，当加工有缺口的一极靠近所述光敏电阻时，光敏电阻向所述控制器输出一个大电流信号，从而判断转子磁极的位置，所述压力传感器感受所述球形磁体对旋转轴的压力，根据所述压力的大小和方向进一步判断转子磁极的位置。
本发明还提供一种电机转速实时检测方法，包括以下步骤
B1.创建一个容量为N的数组，用于存储所述控制器计算得到的转速v；
B2.所述控制器每隔Δt，根据Δt内采集到的所述霍尔元件的脉冲数计算一次转速v并存入所述数组，记为v1,v2,v3……vn，其中vn为最近一次计算得到的转速，当n=N+1时，删除数组中的v1，并将v2,v3……vn-1依次前移一位；
B3.将v1至vn-1与vn进行比较，取出与vn差值不超过X的转速数据并计算平均值Va;
B4.将所述平均值Va作为测得的实时转速，所述控制器将Va输出到所述显示器上。采用该优选方案检测转速的优点是，增大了最新测得的转速所占的权重，使得转速的实时性增加，而且兼具平均值法测转速能够排除异常数据的优点。
本发明的实质性效果是：利用一极加工有缺口的球形磁体，快速检测到启动前电机转子的位置，增大最新测得的转速所占的权重，解决了现有电机控制的技术中，难以快速确认转子位置进行电机启动以及电机转速测量实时性较差的技术问题。
附图说明
图1是实施例一的组成示意图。
图2是实施例一转子定位模块示意图。
图3是实施例一转子定位模块副磁体结构及分布示意图。
图中：1.单片机、2.转子引出轴、3.主磁体、4. 外壳、5.副磁体、6.光敏电阻、7.挡块、8.旋转轴、100.控制模块、200.电源、300. 电机、400.显示器、500. 键盘模块、600. 测速模块、700. PWM发生模块、800.转子定位模块、900.定子绕组驱动模块。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
实施例一如图1所示，一种永磁同步电机控制系统，包括控制模块100、电源200、电机300、显示器400、键盘模块500、测速模块600、PWM发生模块700、转子定位模块800以及定子绕组驱动模块900。实施例一电机使用12V直流电机，定子绕组驱动模块采用6个三极管组成的逆变电路控制定子绕组输入电流，显示器400、键盘模块500、测速模块600、PWM发生模块700的相关功能由AT89C52单片机1编程实现。测速模块600包括霍尔元件以及永磁体，所述霍尔元件安装在电机300机壳上，所述永磁体安装在电机300输出轴上。所述霍尔元件两端的电势差与垂直于所述霍尔元件底面的磁场强度有关，当所述永磁体旋转至磁场方向正对所述霍尔元件时，所述霍尔元件两端会产生一个电势差最大值，根据0.5s内采集到的最大值次数N即可算得转速。
如图2所示，转子定位模块包括转子引出轴2、外壳4、主磁体3、若干副磁体5、旋转轴8、光敏电阻6以及压力传感器，所述转子引出轴2与电机转子连接且同步转动，所述主磁体3与所述转子引出轴2固定连接且同步转动，所述旋转轴8与所述外壳4连接，所述副磁体5与所述旋转轴8转动连接，所述旋转轴8末端设有挡块7，压力传感器设在所述旋转轴上且位置与所述副磁体对应，，所述光敏电阻与所述外壳固定连接且位置与所述副磁体对应，所述光敏电阻以及压力传感器均与所述控制单元连接。所述旋转轴上设有挡块对所述副磁体进行限位，但所述副磁体在所述旋转轴上转动不受所述挡块影响。
如图3所示，副磁体5、旋转轴8、光敏电阻6以及压力传感器组成的装置共有4组，分别安装在外壳的上下左右四个方向。副磁体的S极加工有缺口，使得当S极朝向光敏电阻时光敏电阻能够感光而N极朝向光敏电阻时，光敏电阻感光大大减少。
使用实施例一的键盘模块500对电机转速进行设定，单片机1根据PID控制原理使转速自动维持在设定值。当电机停机需再次启动时，根据转主磁体的磁性对副磁体7的影响， 4个副磁体会对4个旋转轴产生4个不同的压力F1,F2,F3,F4。根据F1,F2,F3,F4与转子实际位置的关系建立数学模型，并利用对应该数学模型的控制逻辑对单片机进行编程，即可实现快速确认电机定子位置进行启动。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (7)

1.一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：包括控制模块、PWM发生模块、测速模块、转子定位模块、定子绕组驱动单元以及电源模块，所述PWM发生模块、测速模块、转子定位模块以及定子绕组驱动模块均与所述控制模块连接，所述测速模块检测电动机转子转速，所述PWM发生模块与所述定子绕组驱动模块连接，所述转子定位模块检测转子所在位置，所述电源模块为其余部分供电。
2.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：还包括键盘模块以及显示器，所述键盘模块以及所述显示器均与所述控制模块连接，所述控制模块根据所述键盘模块输入的转速与所述测速模块反馈的实际转速的差值调整所述PWM发生模块发出的PWM波形的占空比，所述显示器显示电动机转速。
3.根据权利要求1或2所述的一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述测速模块包括霍尔元件以及永磁体，所述霍尔元件安装在电机机壳上，所述永磁体安装在电机输出轴上且位置与所述霍尔元件对应。
4.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述霍尔元件包括磁敏元件、信号放大器、电源稳压器以及封装外壳，所述封装外壳封装其余部分并粘贴在电机机壳上，所述信号放大器与所述控制模块连接，所述磁敏元件与所述信号放大器连接，所述电源稳压器与所述霍尔元件连接，所述电源稳压器使所述磁敏元件的输入电流稳定。
5.根据权利要求3所述的一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述霍尔元件数量为二，两个所述霍尔元件的位置均与所述永磁体对应。
6.根据权利要求1所述的一种永磁同步电机控制系统，其特征在于：所述转子定位模块包括转子引出轴、外壳、主磁体、若干副磁体、旋转轴、光敏电阻以及压力传感器，所述转子引出轴与电机转子连接且同步转动，所述主磁体与所述转子引出轴固定连接且同步转动，所述旋转轴与所述外壳连接，所述副磁体与所述旋转轴转动连接，所述旋转轴末端设有挡块，压力传感器设在所述旋转轴上且位置与所述副磁体对应，所述副磁体的一极加工有缺口，所述光敏电阻与所述外壳固定连接且位置与所述副磁体对应，所述光敏电阻以及压力传感器均与所述控制单元连接，所述旋转轴、光敏电阻以及压力传感器的数量与所述副磁体对应。
7.一种电机转速实时检测方法，用于权利要求3所述的永磁同步电机控制系统的电机转速检测，其特征在于：包括以下步骤
B1.创建一个容量为N的数组，用于存储所述控制模块计算得到的转速v；
B2.所述控制模块每隔Δt，根据Δt内采集到的所述霍尔元件的脉冲数计算一次转速v并存入所述数组，记为v1,v2,v3……vn，其中vn为最近一次计算得到的转速，当n=N+1时，删除数组中的v1，并将v2,v3……vn-1依次前移一位；
B3.将v1至vn-1与vn进行比较，取出与vn差值不超过X的转速数据并计算平均值Va;
B4.将所述平均值Va作为测得的实时转速，所述控制模块将Va输出到所述显示器上。
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