专利名称：一种检测无刷电机转子位置的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种检测无刷电机转子位置的方法及装置，属于无刷电机控制系统的
转子位置的检测方法及其装置。
背景技术：
无刷电机控制系统的关键技术之一是转子位置的检测，只有检测出转子实际空间 位置(绝对位置)后，控制系统才能决定逆变器的通电方式、控制模式及输出电流的频率和 相位，以保证无刷电机的正常工作。因而，精确的转子位置检测装置是非常重要的。位置检 测装置一旦出现故障，电机换相逻辑就会出现混乱，输出转矩降低、速度下降直至停转。在 一些可靠性要求高或者某些特定的场合，如国防、航空航天等，电机的停转可能造成人身 伤亡和财产的损失。这就要求在位置信号出现故障时，尽可能的让电机能够继续正常工作， 而不影响整个系统的功能，在停机时再进行故障处理。因此，提高无刷电机转子位置信号的 可靠性是十分必要的。 常用的检测无刷电机转子位置的传感器有绝对式光栅编码器、霍尔传感器和旋转 变压器。绝对式光栅编码器直接将转轴角度转换成数字信号，应用简单方便，但因环境适应 性、价格等因素致使难以广泛应用；霍尔传感器结构简单，但难以达到高精度角度测量要求 而受到限制，旋转变压器因结构可靠、实时性好、环境适应性强等优点而广泛应用于高精度 伺服系统中。 目前国内外的大量文献与专利中，对无刷电机转子位置检测的研究只局限于位置 信号的调理方法，对无刷电机转子位置检测可靠性的研究仅限于霍尔位置传感器，而对于 采用旋转变压器的无刷电机转子位置检测方法难以满足国防以及航空航天等高可靠些要 求的领域。 采用旋转变压器作为无刷电机转子位置检测装置时，旋转变压器输出两路包含转 子位置信息并正交的高频正余弦信号，必须通过信号调理或解算等方法才能获得转子位置 信息，目前应用最为广泛的是采用专用轴角数字转换器(Resolver-to-DigitalConverter， 简为RDC)等集成芯片加外围配置电路进行解算，此类专用解算芯片对信号较为敏感并无 容错功能，因此可靠性难以保障。
发明内容
要解决的技术问题 为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种检测无刷电机转子位置的方法及
装置，具有自监测与容错功能，大大提高了无刷电机伺服系统的可靠性。 技术方案 —种检测无刷电机转子位置的方法，其特征在于将旋转变压器与被测无刷电机的 转子同轴安装，检测无刷电机转子位置的具体步骤如下 步骤l :将旋转变压器副边输出的两路包含转子位置角e信息并正交的信号进行差分转单端，得到单端正弦信号Es(t， 9) =ESin("t)Sin(e)和单端余弦信号E。(t， e) =ESin("t)C0S(e);所述的两路包含转子位置角e信息并正交的信号为高频正弦差分 信号Es+(t， e)禾PEs—(t， e)，高频余弦差分信号E。+(t， e)禾PEc—(t， e);其中E为信号的
有效值，"为正弦激励电路产生的参考信号Re fs的角频率； 步骤2 :将输入到旋转变压器的由正弦激励电路产生的正弦差分信号Re fs+和Re fs-转变为单端正弦参考信号-Re fs = Esin("t); 步骤3:将单端正弦信号Es(t， e)与参考信号Re fs进行叠加得到信号Re fS+Es(t， e)，将单端余弦信号E。(t， e)与Re fs叠加得到信号Re fs+Ec(t， e);
步骤4:将Re fs+Es(t， e )和Re fs+E。(t， 9 )中的高频部分进行滤除，得到包 含转子位置信息的模拟低频正弦信号Es(e) 二Esin(e)+E和低频余弦信号E。(e)= Ecos(9)+E ; 步骤5:将模拟低频正弦信号Es(e) = Esin(e)+E和余弦信号E。(e)=
Ecos(e)+E转换成数字正弦信号E/(e)和数字余弦信号E。、e);
步骤6 :求取数字信号es*( e)和ec*( e)的平均值^ ; 步骤7 :将数字正弦信号Es*( e )减去[7，得到正弦信号输入量Y，将数字余弦信号
E/(e)减去^，得到余弦信号输入量x; 步骤8 :根据正弦信号输入量Y和余弦信号输入量X判断电机转子位置所在象限 当X^O且YX)时，电机转子位置e落在0 90°范围内； 当X〈0且Y^O时，电机转子位置e落在90° 180°范围内； 当X〈0且Y〈0时，电机转子位置9落在180° 270°范围内； 当X^O且Y〈0时，电机转子位置e落在270° 360°范围内； 步骤9 :将X、 Y映射到第一象限，利用CORDIC算法计算出角度值^，然后根据上一
步骤中e所在的象限确定电机转子位置e :当o < e《90°时，电机转子位置^ = ^; 当90° < e《180°时，电机转子位置6 = 180°-^; 当180° < e《270°时，电机转子位置^ = 180° + ^ ; 当270° < e《360°时，电机转子位置6 = 360°-^ 。
当旋转变压器输出信号发生故障时，检测无刷电机转子位置的具体步骤如下 步骤a :计算电机在两次采样间隔中旋转的角度A 9 = c^AT，其中"r为电机转 速，单位为rad/s，模数转换的采样频率为f，两次采样的时间间隔为AT = 1/f ; 步骤b :采用cordic求逆算法得到e e = e + a e的正弦值es/( e e)和 余弦值Ej( e c)，若& =《c(^)-￡ 和fd =￡^(4)-《(6>)未全部超出误差
限，若& =￡^(^)-《(6)超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若
& 二《e(4)-《(^超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦信号有故障；所述的误差 限取数字信号的平均值^的^ ^ ，执行步骤4 5 ; 步骤c :若& 和fd =《c(^)-《的全部超出误差限，
利用cordic求逆算法得到e ' e = e - a e的正弦值Ese*( e ' e)和余弦值
5(《)-《(^)超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若 《=《^《)-《(^超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦有故障；所述的误差限取数
字信号的平均值77的^' 1
C/ 50 100 步骤d:若旋转变压器输出的正弦信号出现故障，将步骤5的数字余弦信号
ec*( e)，利用e。*( e)与Es*( e)的正交关系转换得到es**( e)，并以es**( e)替代数字正弦 信号Es*( e);若旋转变压器输出的余弦信号出现故障，将步骤5的数字正弦信号Es*( e)， 利用E/(e)与E、e)的正交关系转换得到Er(e)，并以Er(e)替代数字余弦信号 Ec*(e); 步骤e :继续步骤6 9，得到电机转子位置9 。 —种实现上述的任一种检测无刷电机转子位置的方法的装置，其特征在于包括旋 转变压器、正弦激励电路、差分信号转换器、精密绝对值加法器、反相器和低通滤波器；旋转 变压器与被测无刷电机转子同轴安装，正弦激励电路产生的高频正弦差分信号Re fs+，一
路输入到旋转变压器的原边，旋转变压器副边输出的包含电机转子位置角e的E-(t， e) 和Es—(t， e)，E。+(t， e)和Ec—(t， e)分别经过两个差分信号转换器得到单端正弦信号Es(t， e)和单端余弦信号E。(t， e);另一路，正弦激励电路输出的高频正弦差分信号Re fs+经 过差分信号转换器转变为单端正弦参考信号-Re fs输入反相器，反相器输出的Re fs分别 与两个差分信号转换器的输出信号输入至各自的精密绝对值加法器，通过精密绝对值加法 器的叠加得到输出信号Re fs+Es(t， e)和Re fs+Ee(t， e);两路精密绝对值加法器的输出
信号输入至各自的低通滤波器，经过低通滤波器的滤波输出与转子位置有关的低频正弦信 号Es(e) 二Esin(e)+E和余弦信号E。(e) =EcoS(e)+E ;低通滤波器的输出经过A/D模
块转换为数字信号后输入至DSP。
有益效果 本发明提出的一种检测无刷电机转子位置的方法及装置，采用旋转变压器作为无 刷电机转子位置检测装置时，旋转变压器输出两路包含转子位置信息并正交的高频正余弦 信号，通过信号调理或解算等方法获得转子位置信息。与目前应用最为广泛的是采用专用 轴角数字转换器(Resolver-to-Digital Converter,简为RDC)等集成芯片加外围配置电 路进行解算，此类专用解算芯片对信号较为敏感并无容错功能，因此可靠性难以保障。本发 明在RDC解算电路的基础上，外加一个简单的信号调理电路，便可实现具有自监测与容错 功能的无刷电机转子位置检测。具体内容包括检测装置以及自监测与容错方法两大部分。
本发明装置的优越性在于(1)硬件电路简单、成本低，系统的可靠性得到很大的 提高；(2)C0RDIC解算算法高效实用，经过简单的迭代与加减运算便可实现电机转子位置 的容错检测。
图l:本发明的电路原理图 图2 :旋转变压器原理示意图 图3 :本发明实施例的正弦激励电路 图4 :本发明实施例的差分信号转换器
6
图5 :本发明实施例的精密绝对值加法器
图6 :本发明实施例的反相器
图7 :本发明实施例的低通滤波电路
具体实施例方式
现结合实施例、附图对本发明作进一步描述
本发明装置的实施示例 检测装置分为与被测无刷电机转子同轴安装的旋转变压器以及旋转变压器信号 调理电路两大部分，旋转变压器信号调理电路包括作为旋转变压器信号源的正弦激励电路 以及自监测与容错算法信号调理电路(包含差分信号转换器、精密绝对值加法器、反相器 和低通滤波器)。 旋转变压器原理示意图如图2所示，将旋转变压器转子rl与电机转子同轴安装，
Ur为激励信号的输入端，Ul和U2分别为正弦信号和余弦信号的输出端。 正弦激励电路采用改进型文氏桥振荡器，如图3所示，U34A和U34B构成振荡电路，
U36A和U36B构成射极跟随器，U35B、 U37A和U37B构成输出Refs-的电路。输出的正弦激
励信号Re fs = (Re fs+)-(Re fs-)为频率为16kHz，峰值5V的正弦波。 差分信号转换器由运算放大器TL082构成，如图4所示，差分信号x_和x+分别经
过电阻R3和R4接到运算放大器的正负输入端，Rl = R2 = R3 = R4，经过转换后可得到单
端信号x，x二 (x-)-(x+)。 精密绝对值加法器如图5所示，信号x和信号y通过运算放大器U1A和U1B及其 外围电路后可完成精密绝对值加法运算，得到信号z， z = |x+y| 。 反相器非常简单，由一个运算放大器构成，电路如图6所示，输入信号x， R2 = R3
输出信号y，y = -x。 低通滤波器采用一阶有源滤波器，电路如图7所示，带宽设置在0 2kHz， x为输
入信号，输出信号y为x的包络信号。 通过上述的硬件电路可将旋转变压器的输出信号调理成数字信号处理器能够识 别的低频模拟信号，DSP使用TMS320系列的芯片如TMS320F2812， DSP内部的AD转换器对 输入的两路模拟信号进行采样转换成数字信号，再通过固化在数字信号处理器的程序便可 完成对电机转子位置的检测。 根据本装置实现本发明方法的实施示例 步骤1 :将旋转变压器与被测无刷电机的转子同轴安装，电机旋转时，旋转变压器 副边输出两路正交的差分信号通过差分转换器可得到单端正弦信号Es(t， e) =Esin("t) sin ( 9 )和单端余弦信号Ec (t， 9 ) = Esin (" t) cos ( 9 )，其中E = 5V， " = 16kHz ; 9的 范围为0 360度，以下步骤中的取值与此步相同； 步骤2 :将输入到旋转变压器的由正弦激励电路产生的正弦差分信号Re fs+和Re fs-转变为单端参考信号-Re fS = Esin("t); 步骤3 :将信号Ejt， e )与Re fs进行叠加得到信号Re fs+Es(t， 9 )，将信号E。(t， e)与Re fs叠加得到信号Re fs+E。(t， e); 步骤4:将Re fs+Es(t， e )和Re fs+Ee(t， 9 )中的高频部分进行滤除，得到包含转子位置信息的模拟低频正弦信号Es(e) 二Esin(e)+E和低频余弦信号E。(e)= Ecos (e) +e，其中es(e)和e。( e)的最大值均为iov，最小值均为ov。
步骤5:将模拟的低频正弦信号Es(e) = Esin(e)+E和余弦信号Ee(e)= Ecos ( e ) +E转换成数字正弦信号Es* ( e )和数字余弦信号E。* ( e ) ， Es* ( e )取0 65535的 整数对应Es* ( 9 )的0 10V， ( 9 )取0 65535的整数对应Ec (e)的0 10V ;
步骤6 :求取数字信号的平均值5 =32768; 步骤7:将数字正弦信号E/(e)减去^，得到正弦信号输入量Y， Y范围 为-32768 32767，将数字余弦信号E。*( e )减去^，得到余弦信号输入量X， X范围 为-32768 32767 ; 步骤8 :根据正弦信号输入量Y和余弦信号输入量X判断电机转子位置所在象限
当XX)且YX)时，电机转子位置9位于第一象限；
当X〈0且YX)时，电机转子位置9位于第二象限；
当X〈0且Y〈0时，电机转子位置e位于第三象限；
当X > 0且Y < 0时，电机转子位置e位于第四象限； 步骤9 :将X、Y映射到第一象限，利用CORDIC算法计算出角度值^ ， ^取0 1023
的整数代表角度o 360度，然后根据上一步骤中e所在的象限确定电机转子位置e， e
取0 1023的整数代表角度0 360度当e位于第一象限时，电机转子位置^ = ^; 当e位于第二象限时，电机转子位置^ = 512-^;
当e位于第三象限时，电机转子位置0 = 512 + ^;
当e位于第四象限时，电机转子位置^ = 1023-^>。
当旋转变压器输出信号发生故障时，检测无刷电机转子位置的具体步骤如下
步骤a:计算电机在两次采样间隔中旋转的角度A 9 = c^AT，其中"r为电机 转速，单位为rad/s，模数转换的采样频率为f = lOOkHz，两次采样的时间间隔为AT = 1/
f = IOUS ; 步骤b :采用cordic求逆算法得到e e = e + A e的正弦值es/( e e)和 余弦值E。e*( e e)，若& 和未全部超出误差
限，若esl =《a(^)-《(0)超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若
& =《(^)-《(^)超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦信号有故障；所述的误差限
取300，执行步骤4 5 ; 步骤c :若& :《g机)-《⑨和fcl =￡:G(eG)-￡c 全部超出误差限，
利用cordic求逆算法得到e ' e = e - a e的正弦值Ese*( e ' e)和余弦值
E。/(e '》，若^-《e(《)-《(0超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若 &=《。魄)-《的超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦有故障；所述的误差限取
300 ; 步骤d:若旋转变压器输出的正弦信号出现故障，将步骤5的数字余弦信号
ec*( e)，利用e。*( e)与es*( e)的正交关系转换得到es**( e)，并以es**( e)替代数字正弦 信号Es*( e);若旋转变压器输出的余弦信号出现故障，将步骤5的数字正弦信号Es*( e)，利用E/(e)与E、e)的正交关系转换得到Er(e)，并以Er(e)替代数字余弦信号 Ec*(e); 步骤e :继续步骤6 9，得到电机转子位置9 。
权利要求
一种检测无刷电机转子位置的方法，其特征在于将旋转变压器与被测无刷电机的转子同轴安装，检测无刷电机转子位置的具体步骤如下步骤1将旋转变压器副边输出的两路包含转子位置角θ信息并正交的信号进行差分转单端，得到单端正弦信号Es(t，θ)＝Esin(ωt)sin(θ)和单端余弦信号Ec(t，θ)＝Esin(ωt)cos(θ)；所述的两路包含转子位置角θ信息并正交的信号为高频正弦差分信号Es+(t，θ)和Es-(t，θ)，高频余弦差分信号Ec+(t，θ)和Ec-(t，θ)；其中E为信号的有效值，ω为正弦激励电路产生的参考信号Re fs的角频率；步骤2将输入到旋转变压器的由正弦激励电路产生的正弦差分信号Re fs+和Re fs-转变为单端正弦参考信号-Re fs＝Esin(ωt)；步骤3将单端正弦信号Es(t，θ)与参考信号Re fs进行叠加得到信号Re fs+Es(t，θ)，将单端余弦信号Ec(t，θ)与Re fs叠加得到信号Re fs+Ec(t，θ)；步骤4将Re fs+Es(t，θ)和Re fs+Ec(t，θ)中的高频部分进行滤除，得到包含转子位置信息的模拟低频正弦信号Es(θ)＝Esin(θ)+E和低频余弦信号Ec(θ)＝Ecos(θ)+E；步骤5将模拟低频正弦信号Es(θ)＝Esin(θ)+E和余弦信号Ec(θ)＝Ecos(θ)+E转换成数字正弦信号Es*(θ)和数字余弦信号Ec*(θ)；步骤6求取数字信号Es*(θ)和Ec*(θ)的平均值；步骤7将数字正弦信号Es*(θ)减去，得到正弦信号输入量Y，将数字余弦信号Ec*(θ)减去，得到余弦信号输入量X；步骤8根据正弦信号输入量Y和余弦信号输入量X判断电机转子位置所在象限当X≥0且Y≥0时，电机转子位置θ落在0～90°范围内；当X＜0且Y≥0时，电机转子位置θ落在90°～180°范围内；当X＜0且Y＜0时，电机转子位置θ落在180°～270°范围内；当X≥0且Y＜0时，电机转子位置θ落在270°～360°范围内；步骤9将X、Y映射到第一象限，利用CORDIC算法计算出角度值，然后根据上一步骤中θ所在的象限确定电机转子位置θ当0＜θ≤90°时，电机转子位置当90°＜θ≤180°时，电机转子位置当180°＜θ≤270°时，电机转子位置当270°＜θ≤360°时，电机转子位置F2009102191642C0000011.tif,F2009102191642C0000012.tif,F2009102191642C0000013.tif,F2009102191642C0000021.tif,F2009102191642C0000022.tif,F2009102191642C0000023.tif,F2009102191642C0000024.tif,F2009102191642C0000025.tif
2. 根据权利要求1所述的检测无刷电机转子位置的方法，其特征在于当旋转变压器 输出信号发生故障时，检测无刷电机转子位置的具体步骤如下步骤a:计算电机在两次采样间隔中旋转的角度A e = c^AT，其中c^为电机转速， 单位为rad/s，模数转换的采样频率为f，两次采样的时间间隔为AT = 1/f ;步骤b :采用cordic求逆算法得到e e = e + a e的正弦值es/( e e)和 余弦值Ej( e c)，若ssl =￡^(^)-《(0)和& =《G(^)-《(e)未全部超出误差 限，若^,《;(^)-《的超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若& :^G(^)-《的超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦信号有故障；所述的误差限取数字信号的平均值^的^ * ，执行步骤4 5 ;步骤C :若& =￡^(^)-《(0和& =￡二(^)-《(^)全部超出误差限，利用cordic求逆算法得到e ' e二 e-a e的正弦值E^(e ' G)和余弦值E。/( e ' c)， 《=0-A^若^.《的超出误差限，旋转变压器输出的正弦信号有故障；若^ =￡^(《)-《的超出误差限，则说明旋转变压器输出的余弦有故障；所述的误差限取数字信号的平均值7T的^—— C/ 50 100步骤d :若旋转变压器输出的正弦信号出现故障，将步骤5的数字余弦信号E。*( e )，利用E。、e)与E/(e)的正交关系转换得到Er(e)，并以Er(e)替代数字正弦信号Es*( e);若旋转变压器输出的余弦信号出现故障，将步骤5的数字正弦信号Es*( e)，利用 es*(e)与e/(e)的正交关系转换得到Er(e)，并以Er(e)替代数字余弦信号e。*( e);步骤e :继续步骤6 9，得到电机转子位置9 。
3. —种实现权利要求1和2所述的任一种检测无刷电机转子位置的方法的装置，其特征在于包括旋转变压器、正弦激励电路、差分信号转换器、精密绝对值加法器、反相器和低通滤波器；旋转变压器与被测无刷电机转子同轴安装，正弦激励电路产生的高频正弦差分 信号Re fs+，一路输入到旋转变压器的原边，旋转变压器副边输出的包含电机转子位置角e的Es+(t， e)和Es—(t， e)，ec+(t， e)和e。—(t， e)分别经过两个差分信号转换器得到单 端正弦信号Ejt， e)和单端余弦信号E。(t， e);另一路，正弦激励电路输出的高频正弦差分信号Re fs+经过差分信号转换器转变为单端正弦参考信号-Re fs输入反相器，反相器 输出的Re fs分别与两个差分信号转换器的输出信号输入至各自的精密绝对值加法器，通 过精密绝对值加法器的叠加得到输出信号Re fs+Es(t， e)和Re fs+E。(t， e);两路精密绝 对值加法器的输出信号输入至各自的低通滤波器，经过低通滤波器的滤波输出与转子位置 有关的低频正弦信号Es ( e ) = Esin ( e ) +E和余弦信号Ec ( e ) = Ecos ( e) +E ;低通滤波器 的输出经过A/D模块转换为数字信号后输入至DSP。
全文摘要
本发明涉及一种检测无刷电机转子位置的方法及装置，其特征在于将旋转变压器与被测无刷电机的转子同轴安装，旋转变压器输出两路包含转子位置信息并正交的高频正余弦信号，通过信号调理或解算等方法获得转子位置信息。与目前应用最为广泛的是采用专用轴角数字转换器(Resolver-to-Digital Converter，简为RDC)等集成芯片加外围配置电路进行解算，此类专用解算芯片对信号较为敏感并无容错功能，因此可靠性难以保障。本发明在RDC解算电路的基础上，外加一个简单的信号调理电路，便可实现具有自监测与容错功能的无刷电机转子位置检测。
文档编号H02P6/14GK101719752SQ20091021916
公开日2010年6月2日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年11月26日
发明者刘鹏, 卢刚, 周勇, 周奇勋, 季新杰, 张举中, 张玉峰, 李声晋, 赵凯 申请人:西北工业大学