一种基于旋转变压器的永磁同步电机测速方法技术

本发明专利技术提供一种基于旋转变压器的永磁同步电机测速方法，包括，S1，采用旋转变压器对电机的角度进行采集；S2，FPGA对旋转变压器解码器的总线数据进行读取，通过总线数据位信号的变化生成测速脉冲，测量两个测速脉冲之间的时间间隔，将时间间隔发送给处理器；S3，处理器使用时间间隔的数据计算得出测速的结果。本发明专利技术的方法采用FPGA实现测速间隔脉冲的生成并实现间隔脉冲之间的定时器计数，通过处理器接收FPGA的定时器计数并进行计算实现低速驱动下速度的测量。本发明专利技术的方法实施简单，速度测量精度高，易实现采用旋转变压器测速方式下永磁同步电机低速驱动的高性能控制，提高了永磁同步电机低速驱动下的动和稳态控制性能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及永磁同步电机领域，特别是涉及一种基于旋转变压器的永磁同步电机 测速方法。
技术介绍
永磁同步电机驱动因具有维护简单、效率高、低速性能好等优点而得到广泛应用。 永磁同步电机驱动控制系统采用矢量控制需要实现磁场定向控制，核心在于实现定子电流 励磁分量与转矩分量的完全解耦，即利用坐标变换原理实现定子电流静止坐标和旋转坐标 之间的变换，因此控制系统必须获知坐标变化之间的夹角即电机转子位置。 目前，旋转变压器及基于光、电和霍尔原理的模拟编码器被广泛应用于永磁同步 电机驱动系统中的位置和速度控制系统中，成为永磁同步电机的重要组件。旋转变压器由 于其稳定、高效、抗冲击震动和温湿度变化小等优势，被广泛应用于航天器、卫星天线、机器 人等工作环境恶劣的场合。在航天器低速部件等应用场合，要求驱动部件在极低速场合下 的高稳定控制，而不出现抖动、滑移、爬行等现场，因此低速驱动模式下的速度检测对永磁 同步电机的高性能控制具有重要意义。综合来看，高精度速度的获得一般有以下两种方法： 一种是直接通过对电机轴安装的位置传感器的角度信号计算获得，另一种是构建速度观测 器。速度观测器基于整个伺服系统模型，这种方法与控制策略密切相关，其缺点是需要大量 的先验知识，如转动惯量等，实际应用效果并不好。 航天器低速驱动部件采用永磁同步电机闭环控制方式，作为永磁同步电机高性能 驱动控制的关键技术之一是实现高精度的位置和转速的检测和处理。为了提高控制性能， 需要选择足够精度和分辨力的测速装置。针对航天器低速驱动部件需要满足抗冲击震动、 真空、温湿度环境差异大等特点，位置和速度检测通常采用旋转变压器，通过解调电路分别 实现粗机旋转变压器和精机旋转变压器信号的解调。目前旋转变压器位置检测分辨力最高 为16位，经过1 :32对极的旋转变压器解调数据进行粗精耦合后位置检测分辨力达到了 21 位的更高分辨力。 传统的速度测量方法为对两次采样间隔的旋转变压器解码数据进行一阶差分计 算，其计算方法如下式所示： (1) 式中，《为计算得到的速度，0为旋转变压器解调出来的电机位置角度，k为检测 时刻，Ts为速度计算的采样周期。 考虑到21位旋转变压器解调分辨力，为了保证永磁同步电机的控制性能，控制周 期不宜过长，如果采样周期Ts=lms，根据式（1)进行计算可以得到最低速度为0. 172° / s。根据式（1)，角度变化一个当量，由于测量分辨力为21位，角度当量为360° /2~21 = 0. 000172°，此值再除以Ts，则得到最低速度。当速度低于此值时，速度检测计算结果经常 为0,因此这个速度检测精度不能满足更低速度检测精度的要求。如果采样周期变大，则将 导致速度检测精度更低。 上述计算结果表明在永磁同步电机低速驱动下速度测量误差大，测速精度较差， 而且控制的目标速度越低，精度越差。 在低速驱动模式下，为了实现速度的测量精度，一般采用通过测量固定角度的脉 冲间隔时间来计算电机的转速，即定角测时法，其计算方法如下所示： (2) 典型的采用光栅编码器位置检测方法由于本身具有测速脉冲因而较容易实现上 述高精度速度测量，而针对旋转变压器测量角度和速度方法，由于与光栅编码器位置检测 原理不一样，本身并没有测角和测速脉冲，因此需要一种用于旋转变压器的永磁同步低速 驱动下的高精度测速方法。 现有技术中，对旋转变压器解码角度数据差分计算来获得速度在永磁同步电机低 速驱动下测量误差大，测速精度较差；而光栅编码器不适合用于航天、航空等环境恶劣的场 合，采用Kalman滤波器对低速驱动下量化误差的补偿方式基于电机的运动状态方程，阶数 较高，当控制对象复杂时阶数更高，且和控制对象和电机的参数相关，计算方法复杂。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：提出了一种用于旋转变压器的永磁同步电机低速驱 动下的高精度测速方法，可以显著提高永磁同步电机低速驱动下的测速精度，提高驱动控 制性能，且实现方法简单，不需要增加额外的硬件，成本较低；克服永磁同步电机在低速驱 动场合下，传统的旋转变压器测速方法测量精度低、使得控制性能较差的问题。 本专利技术的技术方案为： -种基于旋转变压器的永磁同步电机测速方法，包括，S1，采用旋转变压器对电 机的角度进行采集；S2,FPGA对旋转变压器解码器的总线数据进行读取，通过总线数据位 信号的变化生成测速脉冲，测量两个测速脉冲之间的时间间隔，将时间间隔发送给处理器； S3，处理器使用时间间隔的数据计算得出测速的结果。 进一步地，在FPGA和解码芯片之间设有电平匹配电路，实现不同信号电平之间的 匹配。 进一步地，采用FPGA通过变压器解码器的总线数据位实现测速脉冲的生成以及 脉冲时间间隔的读取，包括如下过程：步骤Sll:FPGA软件设置数据锁存器输出使能信号 EN常低，解码数据转换禁止信号INH常高；步骤S12 :FPGA软件设置一个捕捉定时器，捕捉 定时器时钟可根据预分频系数CPPSREG确定，定时器时钟频率等于系统时钟频率除以2的 CPPSREG次幂；步骤S13 :FPGA软件监视精机解调器AD2S80A的总线数据相应位RDD.X的跳 变，并根据跳变的上升沿生成脉冲信号，AD2S80A总线数据相应位的选择取决于精度定标寄 存器UPPSREG，X= 15~12并分别对应总线数据位序号；步骤S14 :捕捉定时器CTMR为 脉冲时间提供计时基准；通过捕捉定时器测量两个测速脉冲之间的间隔，在每个测速脉冲 的下降沿，捕捉定时器中CTMRREG的值被锁存至周期寄存器CPRDREG中，然后捕捉定时器的 CTMR复位，并使事件标志位RDSTS置位，处理器软件读取此位后清除此置位；步 骤S15 :在测速间隔脉冲之间，如果捕捉定时器发生了上溢，FPGA软件设置一个状态标识位 RDSTS对此进行置位标志；步骤S16 :如果在两个脉冲之间发生了方向变化，FPGA软件 设置一个状态标识位RDSTS进行置位标志；步骤S17 :FPGA软件在控制周期的上升沿 读取旋转变压器解码器的位置信号，供处理器软件读取。 进一步地，处理器在每个控制周期内读取旋转变压器的位置信号，通过根 据事件标志位RDSTS进行高精度速度计算，速度计算方法如下式所示：式中，《为电机机械角速度，X为选择的总线数据位，N 为机械角度测量精度，TePRDRE(；为捕获周期寄存器的计数值，CPPSREG为定时器预定标系数，faK为系统时钟频率。 进一步地，方向鉴别信号采用AD2S80A解码器的方向信号。 进一步地，处理器进行转速计算的处理流程如下：步骤S21 :处理器软件设置 预分频系数CPPSREG;步骤S22 :处理器软件设置监视精机解调器AD2S80A的总线数据 相应位RDD.X，设置精度定标寄存器UPPSREG;步骤S23 :处理器软件判断事件标志 RDSTS，满足条件后读取FPGA通过数据总线发送过来的捕捉寄存器锁存值，计算 电机速度；步骤S24 :处理器软件读取FPG当前第1页1 2 3 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于旋转变压器的永磁同步电机测速方法，其特征在于，包括，S1，采用旋转变压器对电机的角度进行采集；S2，FPGA对旋转变压器解码器的总线数据进行读取，通过总线数据位信号的变化生成测速脉冲，测量两个测速脉冲之间的时间间隔，将时间间隔发送给处理器；S3，处理器使用时间间隔的数据计算得出测速的结果。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：郭超勇，张猛，熊军，田宇斌，
申请(专利权)人：北京控制工程研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11