CN114172433A - 一种将下位机、上位机及驱动器控制电路结合的ipmsm转速曲线监控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种将下位机、上位机及驱动器控制电路结合的IPMSM转速曲线监控方法。步骤包括：S1、以电机驱动器电流检测电路为基础，采集电机电流，经处理送至主控芯片，作为无感观测算法的输入；S2、利用无感观测器算法计算电机转速，并将该转速值转换为十六进制数；S3、上位机通讯控件与下位机通过串口建立连接，上位机发送查询指令，下位机作出应答并发送转速数据到上位机；S4、利用Line方法将转速数据连点成线，再利用API函数刷新上位机画布，完成转速曲线绘制。采用本发明所述方法，只需设置好上位机和下位机的通讯规则，即可实时获取IPMSM转速数据，并观测到转速变化波形，大大提高电机的调试效率。

Description

一种将下位机、上位机及驱动器控制电路结合的IPMSM转速曲 线监控方法

技术领域

本发明属于永磁同步电机控制领域，涉及一种将下位机、上位机及驱动器控制电路相结合的电机转速监控方法。

背景技术

在IPMSM驱动器开发调试中，需要实时监控电机转速，对速度环等参数进行调整。在转速获取计算方法中，IPMSM无感观测算法因其结构简单，容错率高、后期维护方便等特点，逐渐取代有传感器计算方法。使用无感观测器方法实现转速估计，首先需要获取驱动器检测电路采集到的IPMSM电流信号，并对该信号进行差分放大与数模转换，最后上传给主控芯片的IO口，作为控制算法的输入端。观测器算法在对输入信号计算后，得到转速值，并将此值换算成十六进制形式，按高低位依次存放至下位机发送寄存器。在上位机发送查询命令后，下位机对该指令作出应答，并通过异步串行通讯方式传输转速数据。上位机按照通讯协议对数据进行处理，并利用API函数与Line方法绘制成曲线，实现电机转速的实时监控。此方法只需串口通讯线与驱动器连接，应用场所广泛，人机交互能力强，便于现场监控管理。

发明内容

为了实现对IPMSM的转速监控，本发明的目的在于提供一种用于IPMSM的转速数据监控方法，具有人机交互能力强、数据保真、使用方便的特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种将下位机通讯电路、上位机及驱动器控制电路相结合的监控方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)建立电机电流检测电路，获取电机实时电流值。该模块包含电流采样电路、运算放大电路、模数转换器，此部分需要满足如下条件：

A1:电流检测电路精度高；

A2:运算放大模块放大倍数选取需要满足驱动器最小电流检测要求；

A3:模数转换模块的分辨率高，具备3个以上通道的数模接口。

(2)经处理的电流值直接传输至主控芯片的IO口，作为永磁同步电机无感观测器算法的输入，通过该算法计算出实时转速值，并且将该数值转换为十六进制数，再将此十六进制数按位送至通讯模块的发送寄存器内；

(3)驱动器上位机软件通过串口与驱动器下位机建立连接，两者建立连接后，即可相互传输数据。在串口打开后，上位机定时发送查询指令，下位机接收器接收查询指令，根据通讯协议的数据格式，发送保存在发送寄存器内的数值至上位机软件；

(4)上位机软件通过通讯控件，接收到转速数据，接收缓存区接收标志位置1，触发通讯中断，接收缓存区接收转速数据，并将十六进制转速数据转为十进制，并按点绘制在上位机界面中，再通过Line方法，将各离散点连接成转速曲线；

(5)上位机屏幕内数据点到达上限后，利用API函数刷新界面，使其在时间轴上连续运行。

优选地，所述步骤(1)所述的建立电机电流检测电路，其特征在于，所述检测电路，采样电阻的选取不得影响电机正常运行电压；运算放大模块，满足电机最小电流与最大电流范围内的信号处理。

优选地，所述步骤(2)中，建立无感观测器算法进行转速估算，首先需要建立电压方程，如下：

R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f为永磁体磁链；i_α和i_β分别为定子电流在静止坐标轴分量；u_α和u_β分别为定子电压在静止坐标轴分量，θ为转子位置角。在建立电机观测方程，如下：

E_α、E_β分别为在静止坐标系下的永磁同步电机反电势分量，A为系统矩阵。根据式(2)建立观测器模型：

对公式(2)与公式(3)做差，根据差值设计观测器的控制率，并计算出在静止坐标系下的反电势分量E_α、E_β。根据上述分量，计算出IPMSM转速值设计观测器趋近率，并计算出E_α、E_β，并根据下式计算出转速估值。

转速值ω_e需换算成十六进制数值，并按从高位到低位顺序排列成4个字节，等待下位机发送寄存器提取。

优选地，所述步骤(3)中的下位机与上位机建立实时互联的方法，其特征在于，上位机与下位机之间通过串口建立连接。在此基础上，制定通讯规则，规定数据位的数据换算规则。在互相传输数据时，上位机与下位机之间需要保持一致的波特率，下位机根据波特率，定时检查接收端是否有输入信号，上位机通过定时器模块，定时发送包含起始位、数据位、校验位，停止位的一组数据。其中，起始位、检验位、停止位设置为1个字节，数据位设置为8个字节。下位机接收到查询指令后，通过发送寄存器发送数据至上位机。

优选地，所述步骤(4)中下位机接收寄存器接收到数据后的Line方法绘制转速曲线方法，其具体实施如下：

C1:上位机通讯控件的接收缓存区接收到第一个字节，接收标志置1，从接收缓存区接收数据；

C2:接收到的数据按特定字节长度的帧处理，从中提取数据位，根据通讯协议换算成十进制转速数值；

C3:上位机根据数值，按点显示在计算机屏幕，并通过Line方法，将各点连接成线，形成转速曲线

优选地，所述步骤(5)屏幕刷新方法，其特征在于，当上位机通讯控件接收到的点达到设置最大值，利用操作系统API函数，将上位机屏幕更新，实时显示转速曲线。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明所提的下位机通讯电路与上位机相结合的IPMSM转速曲线监控方法的流程框图；

图2是本方法实施例电流检测电路的原理图；

图3是本方法实施例IPMSM转速估算的结构框图；

图4是本方法实施例的上位机与下位机通讯框图；

图5是本方法实施例提供的利用系统API函数与Line方法绘制转速曲线的流程框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及技术方案更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明的应用原理作详细的描述。应当理解，此处所描述的具体实施方例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明案例提供了一种IPMSM转速曲线监控方法，将电机控制电路、上位机、下位机相结合。具体实施步骤：

(A)建立电机电流检测电路，获取电机实时电流值；

(B)电流信号传输至主控芯片IO口，作为观测算法的输入信号，通过永磁同步电机无感观测算法，计算出IPMSM实时转速值，并将此值送至通讯模块的发送寄存器内；

(C)上位机软件通过串口与下位机建立连接，两者建立连接后，即可相互传输数据。在串口打开后，上位机定时发送查询指令，下位机接收器接收查询指令，根据通讯协议的数据格式，发送保存在发送寄存器内的数值至上位机软件；

(D)上位机软件通过通讯控件，接收到转速数据，接收缓存区接收标志位置1，触发通讯中断，接收缓存区接收转速数据，并将十六进制转速数据转为十进制，并按点绘制在上位机界面中，再通过Line方法，将各离散点连接成转速曲线；

(E)上位机屏幕内数据点到达上限后，利用API函数刷新界面，使其在时间轴上连续运行。

如图(2)所示，提供了一种IPMSM电流采样电路，在电机三相中的每一相或者任意两相放置一个采样电阻，采集电阻端的电压信号，再通过运放电路、数模转换模块，将数据传输至主控芯片IO口，作为无感观测算法的输入。通常，此部分常开始在一个PWM周期的开始处,在寄存器比较匹配到来之前。在完成数制转换后，该数据将被送至下位机的发送寄存器。

如图(3)所示，提供了一种IPMSM无感观测算法，以矢量控制算法为基础，结合观测器对电机转速进行估算，首先，需要在静止坐标系建立电压方程，如公式(5)

式中，R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f为永磁体磁链；i_α和i_β分别为定子电流在静止坐标轴分量；u_α和u_β分别为定子电压在静止坐标轴分量，θ为转子位置角。在公式(5)基础上，建立IPMSM电流的观测方程，见公式(6)

式中，E_α、E_β分别为在静止坐标系下的永磁同步电机反电势分量，A为系统矩阵。在上述两式基础上，需要再建立观测器模型，见下式。

根据公式(6)与公式(7)的差值，设计控制率，使得差值最小，再根据求得反电势，估算出IPMSM的转速值，如下式。

式(8)所得转速值为十进制数，因此需要转换成十六进制数，并按高低位顺序排列成4个字节。

如图(4)所示，提供了一种上位机与下位机的通讯连接方法。上位机是命令发送者，下位机是命令的执行者，两者通过串口建立连接，两者通过串口建立连接。在此基础上，制定通讯规则，规定数据位的数据换算规则。在互相传输数据时，上位机与下位机之间需要保持一致的波特率，下位机根据波特率，定时检查接收端是否有输入信号，上位机通过定时器模块，定时发送包含起始位、数据位、校验位，停止位的一组数据。其中，起始位、检验位、停止位设置为1个字节，数据位设置为8个字节。下位机接收到查询指令后，通过发送寄存器发送数据至上位机。

如图(5)所示，提供了上位机转速曲线绘制的方法，利用系统API函数和Line方法来完成。具体步骤如下：

C1:上位机通讯控件的接收缓存区接收到第一个字节，接收标志置1，从接收缓存区接收数据；

C2:接收到的数据按特定字节长度的帧处理，从中提取数据位，根据通讯协议换算成十进制转速数值；

C3:上位机根据数值，按点显示在计算机屏幕，并通过Line方法，将各点连接成线，形成转速曲线；

C4:通讯控件接收到的点达到设置最大值，利用API函数，将上位机屏幕更新，实时显示转速曲线。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种将下位机、上位机及驱动器控制电路结合的IPMSM转速曲线监控方法，主要包括如下步骤：

(1)建立电机电流检测电路，获取电机实时电流值。该模块包含电流采样电路、运算放大电路、模数转换器，此部分需要满足如下条件：

A1:电流检测电路精度高；

A2:运算放大模块放大倍数选取需要满足驱动器最小电流检测要求；

A3:模数转换模块的分辨率高，主控芯片具备3个以上通道的数模接口。

(2)经处理的电流值直接传输至主控芯片的IO口，作为永磁同步电机无感观测器算法的输入，通过该算法计算出实时转速值，并且将该数值转换为十六进制数，再将此十六进制数按位送至通讯模块的发送寄存器内；

(3)驱动器上位机软件通过串口与驱动器下位机建立连接，两者建立连接后，即可相互传输数据。在串口打开后，上位机定时发送查询指令，下位机接收器接收查询指令，根据通讯协议的数据格式，下位机发送保存在发送寄存器内的数值至上位机软件；

(4)上位机软件通过通讯控件，接收到转速数据，接收缓存区接收标志位置1，触发通讯中断，接收缓存区接收转速数据，并将十六进制转速数据转为十进制，并按点绘制在上位机界面中，再通过Line方法，将各离散点连接成转速曲线；

(5)上位机屏幕内数据点到达上限后，利用API函数刷新界面，使其在时间轴上连续运行。

2.如权利要求1所述的建立电机电流检测电路，其特征在于，所述检测电路，采样电阻的选取不得影响电机正常运行电压；运算放大模块，满足电机最小电流与最大电流范围内的信号处理。

3.如权利要求1所述的建立永磁同步电机无感观测器算法进行转速计算，其特征在于，所述步骤具体如下：

B1:建立永磁同步电机电压方程；

式中，R_s为定子电阻；ω_e为电角速度；ψ_f为永磁体磁链；i_α和i_β分别为定子电流在静止坐标轴分量；u_α和u_β分别为定子电压在静止坐标轴分量，θ为转子位置角。

B2:建立电机观测方程；

式中，E_α、E_β分别为在静止坐标系下的永磁同步电机反电势分量，A为系统矩阵。

B3:建立观测器模型；

式中，“^”表示观测值，v_α、v_β为预测反电势。

B4:根据B1,B2,B3，对公式(2)与公式(3)做差，根据差值设计观测器的控制率，并计算出在静止坐标系下的反电势分量E_α、E_β。根据上述分量，计算出IPMSM转速值。

式中，转速值ω_e需换算成十六进制数值，并按从高位到低位顺序排列成4个字节。

4.如权利要求1所述的下位机与上位机建立实时互联的方法，其特征在于，上位机与下位机之间通过串口建立连接。在此基础上，制定通讯规则，规定数据位的数据换算规则。在互相传输数据时，上位机与下位机之间需要保持一致的波特率，下位机根据波特率，定时检查接收端是否有输入信号，上位机通过定时器模块，定时发送包含起始位、数据位、校验位，停止位的一组数据。其中，起始位、检验位、停止位设置为1个字节，数据位设置为8个字节。下位机接收到查询指令后，通过发送寄存器发送数据至上位机。

5.如权利要求1所述的使用Line方法绘制转速曲线方法，其特征在于，所述步骤具体如下：

C1:上位机通讯控件的接收缓存区接收到第一个字节，接收标志置1，从接收缓存区接收数据；

C2:接收到的数据按特定字节长度的帧处理，从中提取数据位，根据通讯协议换算成十进制转速数值；

C3:上位机根据数值，按点显示在计算机屏幕，并通过Line方法，将各点连接成线，形成转速曲线。

6.如权利要求1所述的屏幕刷新方法，其特征在于，当上位机通讯控件接收到的点达到设置最大值，利用操作系统API函数，将上位机屏幕更新，实时显示转速曲线。

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