基于單片機的永磁同步電機參數(shù)測量系統(tǒng)

浙江萬里學(xué)院 張 偉 吳程鵬

基于單片機的永磁同步電機參數(shù)測量系統(tǒng)

浙江萬里學(xué)院 張 偉 吳程鵬

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機對永磁同步電機的電壓、電流、轉(zhuǎn)速進行測量。系統(tǒng)集成了交流電壓測量電路、交流電流測量電路、轉(zhuǎn)速測量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和CPU控制電路。本測量系統(tǒng)主要特點是測量精度高、速度快，從而為電機的閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

永磁同步電機；交流電壓測量；交流電流測量；轉(zhuǎn)速測量；模數(shù)轉(zhuǎn)換

1.引言

永磁同步電機與普通交流電機比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度等優(yōu)點，常用于對節(jié)能要求高的場合，是個環(huán)保低碳電機。永磁同步電機的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動勢的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)和梯形波永磁同步電機。數(shù)控機床等設(shè)備中常見的正弦波永磁同步電機定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組氣隙場設(shè)計為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動勢，轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機又分為三類凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。本系統(tǒng)的測量對象為正弦波永磁同步電機。[1-3]

采用單片機實現(xiàn)電機測量系統(tǒng)具有成本低、使用靈活、升級方便等特點[4,5]。永磁同步電機的電壓電流等參數(shù)是交流信號，而單片機卻只能識別單極性的信號，所以必須對信號進行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用電壓互感器將交流電壓轉(zhuǎn)換成單極性電壓信號，采用電流互感器將交流電流轉(zhuǎn)換成單極性電流信號，再對得到的波形進行處理，得到單片機容易處理的信號。采用霍爾傳感器對電機進行轉(zhuǎn)速測量，霍爾傳感器是一種磁場傳感器，輸出電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。霍爾傳感器具有靈敏度高、抗應(yīng)力、電壓范圍寬、高溫高壓下確保鎖定等特點[6,7]。

2.系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)集成了交流電壓采集電路、電壓有效值電路、交流電流采集電路、電流有效值電路、電機轉(zhuǎn)速測量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、CPU控制電路等。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，互感器得到感應(yīng)電壓電流信號送入有效值電路，得到當(dāng)前信號的有效值，再將有效值送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可得到當(dāng)前信號有效值對應(yīng)的數(shù)字量，最終送入CPU控制電路進行分析和處理。轉(zhuǎn)速測量電路是先在電機上安裝磁鐵，以此提供電機旋轉(zhuǎn)時的磁信號，再利用的霍爾傳感器對磁信號進行檢測，得到相應(yīng)的脈沖信號送入CPU控制電路，以完成電機參數(shù)的檢測。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.測量系統(tǒng)單元電路原理

3.1 交流電流采集電路

交流電流采集電路由交流電流采集電路和電流有效值電路構(gòu)成，如圖2所示。電流互感器得到交流電流的感應(yīng)電信號，經(jīng)過差分電路去除共模信號，得到真實的交流電流量，再通過有效值電路得到當(dāng)前交流電流的有效值。

3.2 交流電壓采集電路

交流電壓采集電路由電壓有效值電路構(gòu)成，如圖3所示。電壓互感器得到交流電壓的感應(yīng)電信號，再通過有效值電路得到當(dāng)前電壓的有效值，因為電壓傳感器的輸出端阻抗較小，不能直接使用差分電路，故采用一級射級跟隨器進行輸入隔離，以滿足阻抗匹配，再通過差分電路去除共模信號，得到真實的交流電流量，再通過有效值電路得到當(dāng)前交流電流的有效值。

圖2 交流電流采集電路

圖3 交流電壓采集電路

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)采用ADS1248模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADS1248芯片性能優(yōu)越，可以雙電源工作的24位ADC芯片，內(nèi)置2.048V基準(zhǔn)電源，具有功耗低，轉(zhuǎn)換速率高的特點，由于是SPI串行方式工作，使用起來非常方便。電路圖如圖4所示。為得到更高的精度，此處采用精度更高的電壓基準(zhǔn)芯片REF5040。24位ADC的計算公式如下：

得到的AINX的值就是ADS1248對應(yīng)端口測得的電壓值，再根據(jù)傳感器規(guī)定的換算方法計算，就可以得到真實電壓電流值。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測

3.4 轉(zhuǎn)速檢測電路

轉(zhuǎn)速檢測電路如圖5所示。本系統(tǒng)安裝的轉(zhuǎn)速信號產(chǎn)生系統(tǒng)能在電機旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生5個信號，即霍爾傳感器能檢測到5個磁場峰值。轉(zhuǎn)速測量采用定時的方法，通過定時器記錄脈沖的周期T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。該方案所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時間降到最短，誤差γ=[60/（T±1）-60/T]，設(shè)電機速度在120—6000轉(zhuǎn)/分之間，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：0.00024≤|γ|≤0.6（轉(zhuǎn)/分）。該測量方法在測量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度上較優(yōu)秀。因此，電機轉(zhuǎn)速與霍爾傳感器測得的頻率量具有如下關(guān)系：

4.結(jié)語

本系統(tǒng)利用電壓電流等傳感器，設(shè)計了專門的永磁同步電機參數(shù)測量電路，用以永磁同步電機閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的信號反饋環(huán)，此處采用的電流和電壓互感器精度為千分之五，后采用有效值芯片，可以令測量精度逼近傳感器精度，若能提升傳感器精度則能令測量精度進一步提高，本系統(tǒng)適用于對測量精度要求高的場合。

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[6]張玲娜.基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量與調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計和研究[D].西安:西安石油大學(xué),2016.

[7]張玲娜,毛敏.基于霍爾傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)設(shè)計[J].山東工業(yè)技術(shù),2015,(21):145-146.

A voltage，current and speed measurement system for permanent magnet synchronous motor is proposed in this paper based on single-chip STC89C52.The System consists of ac voltage measurement circuit，ac current measurement circuit，speed measurement circuit，analog-to-digital conversion circuit and CPU control circuit.The measurement system is mainly characterized by high measuring accuracy，high speed，so as to provide accurate data for closed-loop control of the motor.

Permanent magnet synchronous motor；AC voltage measurement；AC current measurement；speed measurement；AD conversion

張偉（1969—），男，博士，浙江萬里學(xué)院副教授，研究方向為電機控制理論與技術(shù)。

吳程鵬（1996—），男，浙江樂清人，浙江萬里學(xué)院電子信息工程2016級本科生。