基于旋轉(zhuǎn)變壓器的PMSM位置和速度檢測(cè)方法

李 兵，胡亮燈

(海軍工程大學(xué)，武漢430033)

0 引 言

永磁同步電動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱PMSM)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、體積小、功率密度高等一系列特點(diǎn)，以其為核心組成的永磁電機(jī)電力推進(jìn)系統(tǒng)更適合當(dāng)今艦船的發(fā)展趨勢(shì)，現(xiàn)已成為國(guó)內(nèi)外艦船電力推進(jìn)系統(tǒng)的研究重點(diǎn)[1]。為滿足電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高精度、快速性、可靠性等方面的要求，就需要精準(zhǔn)的電機(jī)位置參數(shù)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制[2-5]。而旋轉(zhuǎn)變壓器是一種能輸出與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角或位置成某種函數(shù)關(guān)系電信號(hào)的交流微特電機(jī)，可以用它來精確測(cè)量轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，從而提高電機(jī)的控制性能。旋轉(zhuǎn)變壓器有良好的抗沖擊力、抗溫度適度變化能力、精度高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高溫、嚴(yán)寒、潮濕、高速、高震動(dòng)等條件惡劣且穩(wěn)定性要求很高的環(huán)境當(dāng)中[6-7]。在外加勵(lì)磁信號(hào)輸入下，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出兩路正余弦模擬信號(hào)[8]，這時(shí)就需要旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，才能供DSP，F(xiàn)PGA等控制芯片進(jìn)行解析處理，從而得到PMSM的轉(zhuǎn)子位置信息和速度數(shù)據(jù)。本文基于AD公司專用解碼芯片AD2S1210，對(duì)其解碼原理、解碼程序以及解碼電路進(jìn)行了詳細(xì)分析，并在異步電機(jī)試驗(yàn)平臺(tái)中進(jìn)行了驗(yàn)證，下一步將應(yīng)用于PMSM的伺服控制中。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)速原理

采用的多摩川磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器由轉(zhuǎn)子和定子2部分組成，如圖1所示，它包含激勵(lì)輸入繞組、余弦輸出繞組和正弦輸出繞組3個(gè)繞組。

圖1 磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器等效電路

當(dāng)來自解碼芯片的交流勵(lì)磁電壓Esin(ωt)加在磁阻旋轉(zhuǎn)變壓器的R1-R2勵(lì)磁繞組上時(shí)，磁阻式旋轉(zhuǎn)變壓器定子上正、余弦輸出繞組S2-S4和S1-S3中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)分別：

(1)

式中：Esin(ωt)為勵(lì)磁激勵(lì)信號(hào)；ω為勵(lì)磁頻率；k為旋轉(zhuǎn)變壓器變比。

2 AD2S1210數(shù)字轉(zhuǎn)換器解碼原理、解碼電路和解碼程序

本文采用解碼芯片AD2S1210為旋轉(zhuǎn)變壓器提供正弦波激勵(lì)，集成片上可編程正弦波振蕩器，輸出的角度和速度數(shù)據(jù)用二進(jìn)制表示，可通過并行接口或串行接口讀取。Type II伺服環(huán)路用于跟蹤輸入信號(hào)，并將正弦和余弦輸入端的信息轉(zhuǎn)換為輸入角度和速度所對(duì)應(yīng)的數(shù)字，最大跟蹤速率為3 125 r/s。下面主要以16位分辨率(N=16)，時(shí)鐘輸入8.192 MHz為例進(jìn)行說明。

2.1 AD2S1210數(shù)字轉(zhuǎn)換器解碼原理

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片解調(diào)原理如圖2所示。解碼器內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)跟隨θ的位置估計(jì)角度φ，通過乘法器、檢波器、積分器的作用，不斷調(diào)整φ的大小，使其逐漸逼近θ，最終當(dāng)誤差信號(hào)接近0時(shí)，可以認(rèn)為sin(θ-φ)=θ-φ=0，即輸出角度φ=θ，實(shí)現(xiàn)角度的解碼。對(duì)于轉(zhuǎn)速，其通過誤差信號(hào)ksin(θ-φ)進(jìn)行積分及補(bǔ)償可得轉(zhuǎn)速解碼。

圖2 解碼芯片的解調(diào)原理

2.2 AD2S1210數(shù)字轉(zhuǎn)換器角度轉(zhuǎn)速精度轉(zhuǎn)換

為簡(jiǎn)化分析，假設(shè)旋轉(zhuǎn)變壓器零位置與電機(jī)定子A相繞組軸向位置一致，以旋轉(zhuǎn)變壓器為多對(duì)極，電機(jī)極對(duì)數(shù)為旋轉(zhuǎn)變壓器極對(duì)數(shù)的X倍時(shí)，對(duì)解碼芯片輸出的二進(jìn)制數(shù)據(jù)與電機(jī)絕對(duì)位置和轉(zhuǎn)速進(jìn)行說明，如表1所示。

表1 角度、速度A/D轉(zhuǎn)換關(guān)系

2.3 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路

旋轉(zhuǎn)變壓器解碼芯片AD2S1210輸出的轉(zhuǎn)速、角度和故障數(shù)據(jù)經(jīng)并口送入FPGA進(jìn)行處理，F(xiàn)PGA存儲(chǔ)的轉(zhuǎn)速或角度數(shù)據(jù)通過串行光纖傳輸?shù)街骺刂破?，光電轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的串行數(shù)字信號(hào)，用于電機(jī)的控制。解碼電路方案示意圖如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼電路采用方案

2.3.1AD2S1210勵(lì)磁輸出到旋轉(zhuǎn)變壓器調(diào)理電路

AD2S1210勵(lì)磁輸出到旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁繞組間的調(diào)理電路如圖4所示，其中包括一個(gè)推挽輸出級(jí)，它能夠向旋轉(zhuǎn)變壓器提供所需的電源。

圖4 AD2S1210勵(lì)磁輸出到旋轉(zhuǎn)變壓器調(diào)理電路

2.3.2 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出到AD2S1210調(diào)理電路

考慮到旋轉(zhuǎn)變壓器輸出正余旋繞組到解碼芯片AD2S1210的信號(hào)可能存在噪聲，先對(duì)其進(jìn)行差模共模濾波，即旋轉(zhuǎn)變壓器的輸出信號(hào)S1和S3，S2和S4經(jīng)濾波電路后直接進(jìn)入AD2S1210的SIN，SINLO，COS，COSLO4個(gè)管腳，如圖5所示。

圖5 旋轉(zhuǎn)變壓器輸出到AD2S1210調(diào)理電路

2.4 旋轉(zhuǎn)變壓器解碼程序說明

對(duì)于旋轉(zhuǎn)變壓器返回的信號(hào)，送入基于芯片AD2S1210的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼板，可獲得轉(zhuǎn)速和角度數(shù)據(jù)。解碼板轉(zhuǎn)速和角度數(shù)據(jù)的讀寫程序基于Verilog語言編寫，程序流程如圖6所示。其步驟如下：程序先初始化；上電控制和復(fù)位；進(jìn)入配置模式；配置完成后，退出配置模式進(jìn)入普通模式循環(huán)，讀取角度、轉(zhuǎn)速和故障信息。上電控制和復(fù)位采用的時(shí)序如圖7所示。

圖6 程序流程

圖7 上電控制和復(fù)位時(shí)序

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

測(cè)試平臺(tái)如圖8所示，通過QuarterII9.1軟件SignalTapII查看旋轉(zhuǎn)變壓器(5對(duì)極)解碼板讀取的電機(jī)角度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(其用二進(jìn)制表示，角度數(shù)據(jù)為16bit，轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)為15bit)，來測(cè)試AD2S1210旋轉(zhuǎn)變壓器解碼板獲取的角度和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。其中三相異步電機(jī)(2對(duì)極，額定轉(zhuǎn)速1 500r/min)轉(zhuǎn)子通過彈性連接旋轉(zhuǎn)變壓器轉(zhuǎn)子，由LG變頻器調(diào)速器進(jìn)行拖動(dòng)，整個(gè)測(cè)試平臺(tái)接地。

圖8 旋轉(zhuǎn)變壓器測(cè)試平臺(tái)

下述基于SignalTapII獲取的數(shù)據(jù)曲線，其中橫坐標(biāo)為采樣點(diǎn)數(shù)，采樣時(shí)間間隔為25μs/點(diǎn)，縱坐標(biāo)為轉(zhuǎn)速或角度數(shù)據(jù)(為便于直觀，已將二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制)。

3.1 電機(jī)靜止時(shí)，轉(zhuǎn)子不同位置下測(cè)試結(jié)果

電機(jī)靜止處于不同位置時(shí)，通過解碼板獲取的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為0～1，表明了電機(jī)靜態(tài)時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器解碼板測(cè)量轉(zhuǎn)速精度高，靜態(tài)下轉(zhuǎn)速波動(dòng)范圍為25r/s×60/2N-1=0.046r/min；通過解碼板獲取的角度數(shù)據(jù)波動(dòng)范圍為1，電機(jī)靜態(tài)下角度精度為2/5×1LSB=0.4×60′×360/65 536=0.082 5′。

(a) 位置1

(b)位置2

(a) 位置1

(b)位置2

3.2 電機(jī)低速運(yùn)行時(shí)測(cè)試結(jié)果

如圖11所示，電機(jī)轉(zhuǎn)速為150r/min時(shí)，通過SignalTapII捕獲的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)范圍為2 985～3 465，由數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換公式：轉(zhuǎn)速=輸出數(shù)值×25r/s×60/2N-1，其對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為136.6～158.6r/min。

(a) 轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)

(b)角度數(shù)據(jù)

由于難以直觀看出角度數(shù)據(jù)的波動(dòng)大小，因此在一個(gè)電氣角度內(nèi)數(shù)據(jù)采用一次線性函數(shù)擬合結(jié)果與圖11角度數(shù)據(jù)相減，如圖12所示，從而便于觀察通過解碼板獲取的角度數(shù)據(jù)的非線性程度。

圖12 電機(jī)轉(zhuǎn)速為150 r/min下的角度數(shù)據(jù)波動(dòng)

當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速為150r/min時(shí)，通過SignalTapII捕獲的角度數(shù)據(jù)波動(dòng)達(dá)±270，對(duì)應(yīng)電氣角度偏差范圍為±270×360°/65 536≈±1.8°。

3.3 電機(jī)高速運(yùn)行測(cè)試結(jié)果

從圖12可知，在電機(jī)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，通過解碼板獲取的電機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)偏大，難以滿足控制要求。為此，在不同轉(zhuǎn)速下，采用式(2)通過解碼板獲取的電機(jī)角度數(shù)據(jù)來求解電機(jī)轉(zhuǎn)速。

(2)

式中：n為一個(gè)電氣角周期轉(zhuǎn)速平均值；p為旋轉(zhuǎn)變壓器極對(duì)數(shù)；TS為采樣時(shí)間；N為解碼芯片分辨率；Δθ為單位時(shí)間的角度數(shù)據(jù)變化量?？梢钥闯觯黾有D(zhuǎn)變壓器極對(duì)數(shù)和分辨率可增加轉(zhuǎn)速精度。

(a) 角度數(shù)據(jù)

(b)單位時(shí)間內(nèi)角度數(shù)據(jù)變化量

圖14 基于角度變化量計(jì)算的轉(zhuǎn)速均值

從圖14中可知，電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 050r/min時(shí)，轉(zhuǎn)速均值波動(dòng)約2r/min，且轉(zhuǎn)速均值變化有一定的規(guī)律，基本上是5個(gè)完整的電氣角后轉(zhuǎn)速均值開始重復(fù)，結(jié)合采用的旋轉(zhuǎn)變壓器為5對(duì)極，故測(cè)量結(jié)果可能與旋轉(zhuǎn)變壓器本身精度或安裝精度有關(guān)。此外，隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速波動(dòng)降低，表明電機(jī)在高速下運(yùn)行或控制性能優(yōu)于低速運(yùn)行或控制性能。

3.4 旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁輸入/正弦余弦波形

在上述基礎(chǔ)上，給出電機(jī)運(yùn)行時(shí)示波器保存的旋變變壓器輸入輸出相關(guān)波形。圖15為旋轉(zhuǎn)變壓器解勵(lì)磁輸入波形，即通過解碼板AD2S1201芯片生成并經(jīng)過放大電路輸入給旋轉(zhuǎn)變壓器的波形。圖16、圖17為旋轉(zhuǎn)變壓器余弦和正弦輸出波形。

圖15 旋轉(zhuǎn)變壓器勵(lì)磁輸入波形

圖16 電機(jī)運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的余弦波形

圖17 電機(jī)運(yùn)行時(shí)旋轉(zhuǎn)變壓器輸出的正弦波形

4 結(jié) 語

通過以上分析和試驗(yàn)，驗(yàn)證了電機(jī)靜止下的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼板及解碼芯片的高精度性能，電機(jī)角度數(shù)據(jù)存在一定的線性誤差，和電機(jī)轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，且轉(zhuǎn)速均值波動(dòng)規(guī)律與旋轉(zhuǎn)變壓器極對(duì)數(shù)和安裝精度相關(guān)。因此，實(shí)際應(yīng)用中，需結(jié)合旋轉(zhuǎn)變壓器安裝情況，通過調(diào)整電機(jī)對(duì)中或利用電機(jī)惰轉(zhuǎn)獲取位置補(bǔ)償數(shù)據(jù)來修正采集的位置信息，能改善利用解碼板來獲取電機(jī)轉(zhuǎn)速和位置的精度，最終滿足高精度位置檢測(cè)性能要求。