一種低成本永磁同步電機(jī)高精度轉(zhuǎn)子位置檢測方法

， ，

（1.中國科學(xué)院 電工研究所，北京 100190；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100190；3.天津大學(xué) 自動化學(xué)院，天津 300072）

1 引言

永磁同步電機(jī)由于具有功率密度大、效率高、轉(zhuǎn)子損耗小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛地應(yīng)用于電動汽車、數(shù)控機(jī)床等電氣傳動領(lǐng)域。永磁同步電機(jī)伺服系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高動態(tài)性能、大范圍的調(diào)速或定位控制，永磁同步電機(jī)矢量控制系統(tǒng)的研究已成為交流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)研究的重點(diǎn)之一［1］。變頻調(diào)速方法具有高效率、較寬的調(diào)速范圍和高精度的調(diào)速性能，因此應(yīng)用前景十分看好。由于永磁交流伺服系統(tǒng)的定位和跟蹤精度主要取決于位置檢測單元，位置傳感器工作越可靠、精度越高，其性能就越好［2］。光電編碼器是一種光學(xué)式位置檢測元件，它直接裝在電機(jī)的旋轉(zhuǎn)軸上，能將角位移轉(zhuǎn)換成與之對應(yīng)的電脈沖輸出，可用于電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的測量。這種方法的檢測精度受編碼器分辨率的直接影響，提高編碼器的分辨率可以提高位置檢測精度，但是系統(tǒng)成本往往隨著分辨率的增加而成倍增加，在實(shí)際應(yīng)用中受到了限制。文獻(xiàn)［3］提出了一種無位置傳感器的永磁電機(jī)控制方法，但是位置估算精度受電機(jī)參數(shù)的影響較大，無法重載啟動成為該類方法的弱點(diǎn)。

本文提出了一種細(xì)分編碼器輸出脈沖的方法進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測，在理論分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合TMS320LF2407A DSP進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果均表明該方法可以在不提高系統(tǒng)成本的前提下提高轉(zhuǎn)子位置的檢測精度，提供了一種利用低精度光電編碼器實(shí)現(xiàn)高精度轉(zhuǎn)子位置獲取的實(shí)用方法，該方法較好地解決了位置測量精度和系統(tǒng)成本的矛盾，適合應(yīng)用于對成本敏感的非伺服控制類應(yīng)用場合。

2 PMSM轉(zhuǎn)子磁極位置檢測

永磁同步電機(jī)控制系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置的檢測，只有檢測出轉(zhuǎn)子實(shí)際空間位置(絕對位置)后，控制系統(tǒng)才能決定變頻器的通電方式、控制模式及輸出電流的頻率和相位，以保證永磁同步電機(jī)的正常工作。為提高系統(tǒng)的性能，本文中將混合式編碼器與電機(jī)同軸連接，并采用粗精結(jié)合的轉(zhuǎn)子磁極位置檢測方法，即采用絕對式編碼器信號（8位格雷碼）進(jìn)行粗定位，再用增量式光電脈沖信號進(jìn)行精定位。采用這種方法既克服了單獨(dú)使用絕對式編碼器檢測誤差大的缺點(diǎn)，又克服了單獨(dú)使用增量式編碼器無法進(jìn)行初始定位和容易產(chǎn)生累計(jì)誤差的不足。

2.1 基于絕對式編碼器的轉(zhuǎn)子位置粗定位

以一對極電機(jī)軸向順時(shí)針旋轉(zhuǎn)為例，單獨(dú)應(yīng)用3位絕對式編碼器測量轉(zhuǎn)子磁極位置，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)1周3路脈沖信號U，V，W周期變化1次，生成6個(gè)絕對位置信息 （用3位格雷碼表示）：010，110，100，101，001，011， 它們將轉(zhuǎn)子 1 周空間角度6等分，每兩個(gè)相鄰位置之間相差60°，位置檢測誤差最大可達(dá)60°。在電機(jī)初始上電時(shí)，由U，V，W的狀態(tài)就可以判定電機(jī)轉(zhuǎn)子所處空間位置的相應(yīng)區(qū)間，參見圖1。

通過I/O口讀取絕對式編碼器產(chǎn)生的3位格雷碼信號，查表可獲得轉(zhuǎn)子磁極的絕對位置。但這樣只能確定轉(zhuǎn)子所在的區(qū)間，并不能確定轉(zhuǎn)子的準(zhǔn)確位置，因此還需要增量式編碼器的精確定位。

圖1 編碼器輸出信號及所表示區(qū)間Fig.1 Encoder and its section signal output

2.2 轉(zhuǎn)子位置精定位及其檢測精度

在采用絕對式編碼器進(jìn)行粗定位的基礎(chǔ)上，應(yīng)用增量式編碼器，通過對其輸出脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)就可以獲得轉(zhuǎn)子磁極在每兩個(gè)絕對位置之間的相對位置：

由此可得轉(zhuǎn)子磁極位置角計(jì)算公式為

式中:θi為由絕對式編碼器獲得第i個(gè)區(qū)間的初始位置角；Z為增量式編碼器分辨率（脈沖數(shù)/r）；nM0為增量式編碼器輸出脈沖記數(shù)值。

本文所討論的增量式光電編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生1 000個(gè)相位互差90°的脈沖PCA、PCB，經(jīng)DSP的正交編碼脈沖（QEP）電路4倍頻后得到4 000個(gè)脈沖（編碼器分辨率Z＝4 000）。若忽略編碼器的制造誤差，通過對輸出脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行位置檢測所能引起的最大誤差將達(dá)到1個(gè)光電脈沖所代表的角度，如圖2所示。

圖2 編碼器輸出脈沖時(shí)序Fig.2 Encoder sequence of signal output

測量的精度范圍：

要想提高電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的性能必須提高轉(zhuǎn)子位置檢測的精度。本文在不增加系統(tǒng)成本的基礎(chǔ)上，對傳統(tǒng)的位置檢測方法進(jìn)行了改進(jìn)。

2.3 基于高頻脈沖細(xì)化的高精度位置檢測

由式（3）可以看到，提高位置檢測精度的關(guān)鍵在于增加轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)編碼器輸出的光電脈沖數(shù)［4］，在不增加系統(tǒng)成本的前提下，考慮到TMS320 LF2407A DSP的時(shí)鐘頻率高達(dá)30 MHz，本文給出一種使用高頻時(shí)鐘脈沖細(xì)化編碼器輸出脈沖的方法，即在絕對式編碼器初始定位的基礎(chǔ)上，通過對高頻時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)算出磁極的相對位置，進(jìn)而得到轉(zhuǎn)子的實(shí)際位置。采用脈沖細(xì)化后的位置測量時(shí)序如圖3所示。

圖3 脈沖細(xì)化后編碼器輸出脈沖時(shí)序Fig.3 Signal output of encoder divided by high frequency timer

設(shè)第nM0個(gè)脈寬內(nèi)實(shí)際包含的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)為nM，從該脈沖上升沿到采樣脈沖到來這一脈寬內(nèi)包含高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)為△nM，由于編碼器輸出脈沖數(shù)為4 000個(gè)/r，每個(gè)脈沖代表 360°/Z=0.09°，每個(gè)高頻時(shí)鐘脈沖代表（即為測量誤差）：360°/(Z·nM)=0.09°/nM，采用這種檢測方法，可得出轉(zhuǎn)子的相對位置：

式中:ε2為脈沖細(xì)化后測量誤差，0≤ε2≤0.09°/nM。

采用脈沖細(xì)化法時(shí)，由于高頻時(shí)鐘頻率f已知（TMS320LF2407A DSP的時(shí)鐘頻率為30 MHz），計(jì)算nM只需知道編碼器的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速ω，ω也可由編碼器輸出的光電脈沖計(jì)算得到［5-7］，由式（2）、式（4）計(jì)算即可得到轉(zhuǎn)子的精確位置。

電機(jī)轉(zhuǎn)速為ω時(shí)光電編碼器單個(gè)脈沖寬內(nèi)實(shí)際包含的高頻時(shí)鐘脈沖數(shù)為

測量誤差為

而采用常規(guī)方法進(jìn)行位置計(jì)算帶來的測量誤差為

比較式（5）、式（6）可知，由于 nM?1，ε2?ε1，而且 ε2與轉(zhuǎn)速ω成正比，在ω較低的時(shí)候，轉(zhuǎn)子位置的測量誤差將遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)測量方法。

DSP時(shí)鐘頻率30 MHz，若測得電機(jī)轉(zhuǎn)速為100 r/min，則 nM=4 500，測量誤差 ε2=0.001 2′， 而常規(guī)計(jì)數(shù)測量的誤差ε1=5.4′，因而測量誤差大幅減小，測量精度大大提高，特別適合于對系統(tǒng)低速性能要求較高卻采用低精度位置傳感器的場合。

3 基于DSP的位置檢測實(shí)現(xiàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。用TI公司的DSP TMS320LF2407A作為控制核心，主回路采用智能功率模塊（IPM），整個(gè)主回路先經(jīng)不控整流，后經(jīng)全橋逆變輸出。DSP通過其內(nèi)部CAN模塊與PC機(jī)進(jìn)行通訊，既可以將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)傳給PC，也可從PC得到控制命令。

圖4 基于DSP的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Configuration of the experiment system based DSP

絕對式編碼器的U相輸出經(jīng)隔離放大后與外部中斷INT1，INT2相連，兩個(gè)外部中斷分別檢測U相脈沖的上升、下降沿，檢測到相應(yīng)邊沿后引發(fā)外部中斷，在中斷服務(wù)程序中讀取轉(zhuǎn)子初始位置，并啟動定時(shí)器T4對增量式光電編碼器的輸出脈沖計(jì)數(shù)；CAP1，CAP2用于脈沖的細(xì)化，每當(dāng)檢測到輸出脈沖的邊沿時(shí)則引發(fā)捕獲 （CAP）中斷，在中斷中啟動定時(shí)器T3對高頻脈沖計(jì)數(shù)。圖5給出了位置檢測部分接線圖。

圖5 系統(tǒng)硬件接線圖Fig.5 Hardware connection of the system

圖6給出了電機(jī)位置輸出波形和根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息得到的正弦信號波形，其中轉(zhuǎn)子位置從0°到360°周期變化。這種檢測方法充分利用了DSP片內(nèi)資源，降低了系統(tǒng)成本，獲得了較高的位置檢測精度。

圖6 轉(zhuǎn)子磁極位置檢測試驗(yàn)波形Fig.6 Experimental results of rotor flux position

4 結(jié)論

實(shí)現(xiàn)永磁電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)高精度控制的關(guān)鍵技術(shù)之一是轉(zhuǎn)子位置檢測，檢測精度直接影響系統(tǒng)的性能。本文在論述基于光電編碼器進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置檢測原理的基礎(chǔ)上分析了影響檢測精度的因素，給出了減小測量誤差的方法，并以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證之。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法在不增加傳感器硬件成本的前提下減小了測量誤差，提高了位置檢測精度，提供了一種利用低精度光電編碼器實(shí)現(xiàn)較高精度轉(zhuǎn)子位置獲取的實(shí)用方法。該方法簡單易于操作，在對成本敏感的非伺服控制類應(yīng)用場合中有較高的理論和應(yīng)用價(jià)值。

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