专利名称：正余弦编码器线序辨识装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于永磁同步电机转子磁极位置的检测装置，特别是一种基于编码器信号线序分析来获取永磁同步电机转子磁极初始位置与实时位置的正余弦编码器线序辨识装置。属于永磁同步电机控制技术领域。
背景技术：
磁场定向控制的永磁同步电机系统，以其如直流电动机一样优良的线性转矩控制特性及高效率和高功率因数等优点，在电梯、机床、油田等行业以及其它各种高精度的伺服系统中，得到了广泛的应用。实现磁场定向控制的关键是必须保证在任何时刻转子磁链与定子电枢磁动势正交，一旦获取的转子磁极位置偏差超过±90°电气角度,永磁同步电机将与给定运行方向相反转动，造成失控。因此，系统必须准确地获取电机转子磁极位置，包括转子磁极的初始位置用以启动电机，并在旋转过程中不断获取转子磁极的实时位置，控制电机按照给定转速稳定运行。现有技术对于电机转子磁极初始位置的检测方法有很多，部分方法甚至可以不使用位置传感器，在对定子绕组施加变化的电压后，利用空间上磁阻不同所带来的电流差异计算出磁极位置。例如公开号为CN101369796A的“检测永磁同步电机转子磁极初始位置的方法和系统”，以及公开号为CD101594114A的“永磁同步电机转子初始位置角的确定方法”等等。不过这一类技术方案存在最大的问题，就是旋转过程中转子磁极的实时位置是无法获取的，这样就造成驱动系统可以顺利地启动电机，但必须使用无位置传感器的控制方式运行电机。因此，在永磁同步电机的驱动系统中，尤其是需要高精度位置与速度控制的伺服系统中，采用最多的还是利用具有初始位置反馈信号的位置传感器得到转子永磁体磁极位置。在工程应用中，常使用正余弦编码器作为位置传感器获取电机转子磁极位置。这种编码器信号处理快捷、数值直观易用，可以获得较高的反馈精度，例如在电梯控制系统中，采用正余弦编码器，可以利用细分的高精度速度反馈实现无负载补偿启动，从而在不安装轿厢称重装置的情况下，也能够获得优良的启动舒适感。正余弦编码器可以输出五路信号，A、B两路模拟信号提供了每圈2048个周期的正余弦信号，常在4倍频后产生8192线脉冲信号作为速度与位置反馈，也可进行更大线数的细分；C、D两路模拟信号提供了每圈I个周期的正余弦信号，由于分辨精度的限制常在采样解析后作为初始位置判定的依据；另一路为R脉冲信号，电机每旋转一圈产生一个固定位置的R脉冲，用作AB信号脉冲计数的校正。驱动系统在首次启动时利用CD信号解析的位置值获取电机转子永磁体的磁极初始位置，在正常运行时记录AB信号细分脉冲得到实时的转子位置反馈，并利用编码器绝对位置R脉冲进行计数校正。由于正余弦编码器的输出均为差分信号，即每路输出信号都包含正负信号线，因此对于正余弦编码器五路输出信号，可能的接线线序高达3628800种，而按照标准方法正确获取转子位置的线序只有标准线序一种，此外在工程现场中还极易出现部分信号断线或虚接的情况。现有技术关于正余弦编码器的设计制造与信号传输的报导，如公告号为CN201374683Y的“正余弦光电编码器”，以及公告号为CN202189574U的“一种新型正余弦编码器电缆”等；或者是关于正余弦编码器模拟信号的采集和细分的方法与装置的报导，如公告号为CN202009380U的“正余弦编码器采集卡”，以及公告号为CN202041221U的“一种正余弦编码器细分装置”等，上述这些专利文献中都没有对编码器信号的线序加以辨识。当信号的接线为非标准线序或者发生断线等故障时，不但可能导致获取的初始位置有误，造成启动时电流过大，甚至直接反向运行，有时还会在启动后的旋转中，因得到的实时位置与实际磁极位置出现极大偏差，故使得电机完全失控，以致造成严重事故。
发明内容本实用新型的目的是提供一种正余弦编码器线序辨识装置，从根本上排除由于正余弦编码器存在接线故障而导致电机无法正常运行的问题，其结构设计合理，操作简便，调试容易，能准确判断电机转子磁极初始位置和实时位置的信号线序，实现了在启动前和运行中都可以获得永磁同步电机的转子磁极的精确位置，确保电机能够平稳启动、稳定运行。本实用新型所采用的技术方案是该正余弦编码器线序辨识装置包括正余弦信号处理模块和线序辨识模块以及控制回路，其技术要点是所述正余弦信号处理模块由信号采集单元、运算放大单元、模数转换单元、电平比较单元组成信号处理回路，以采集编码器输出的AB与CD两路正余弦差分信号，在进行运算放大后，经模数转换得到这两路正余弦信号电压值对应的数字量，并通过电平比较单元将AB信号采样结果经参考电压比较后细分为相差90°的两路脉冲输出；线序辨识模块以具有逻辑管理功能的32位ARM芯片为信息处理与数据计算的核心，与数字量处理单元、计算与查表单元、有效线序辨识单元组成线序检测辨识回路，以解析出前CD信号对应的位置值，并通过对正余弦信号处理模块输入的AB和CD两路数字量结果进行分析，辨识出当前编码器接线为有效线序及有效线序的类别，对线序无效报出故障提示更改线序，并禁止运行电机，对线序有效直接根据其类别计算出对应的⑶信号初始位置和AB信号实时位置。本实用新型具有的优点及积极效果是本实用新型由于采用了由信号采集单元、运算放大单元、模数转换单元、电平比较单元组成信号处理回路和以具有逻辑管理功能的32位ARM芯片为信息处理与数据计算的核心，与数字量处理单元、计算与查表单元、有效线序辨识单元组成线序检测辨识回路，所以其结构设计合理，操作简便，调试容易，能准确判断电机转子磁极初始位置和实时位置的信号线序。本实用新型结合电机自学习功能，解决了目前众多电机控制系统，包括部分国外进口变频器产品中，尽管能完成电机自学习，但未提示编码器接线存在故障，造成电机无法正常运行的问题。而本实用新型在电机自学习操作中，既完成了电机参数与角度的整合，又避免了编码器接线失误给驱动系统带来的控制隐患。因此，从根本上排除上述未对编码器接线线序进行辨识存在的接线故障，而导致的电机启动或运行中的过流、失控等严重影响电机正常运行的问题，实现了在启动前和运行中获得永磁同步电机的转子磁极的精确位置，确保电机能够平稳启动、稳定运行，提升了系统的安全性。另外，本实用新型并未将全部非标准接线线序都归纳为无效线序，对于可以通过计算得到初始位置或实时位置的非标准线序，在辨识出接线类型后均按照有效线序处理，给出对应计算方法，而不会报错提示更改接线，进一步简化了调试过程，更加智能高效。以下结合附图对本实用新型作进一步描述。
图1是本实用新型的一种应用原理框图；图2是图1中正余弦信号处理模块的原理框图；图3是图1中线序辨识模块的原理框图；图4是本实用新型实施流程图。图中序号说明1电机驱动系统、2永磁同步电机、3正余弦编码器、4正余弦信号处理模块、5线序辨识模块、6正余弦差分模拟量信号输入、7信号采集单元、8运算放大单元、9模数转换单元、10电平比较单元、11 CD信号采样电压数字量、12 AB信号采样电压数字量、13 AB脉冲信号、14数字量处理单元、15计算与查表单元、16⑶信号解析位置值、17线序辨识单元、18无效线序报错提示、19有效线序类别、20有效线序对应位置计算单元。
具体实施方式
根据图1 3详细说明本实用新型的具体结构。该正余弦编码器线序辨识装置包括正余弦信号处理模块4和线序辨识模块5以及控制回路。利用编码器正余弦信号处理模块4的信号处理回路完成对正余弦编码器3输出的模拟差分信号源的处理，由线序辨识模块5的线序检测辨识回路根据信号处理结果完成线序辨识，并计算出当前编码器线序是否有效以及有效线序的类别和对应位置，给入到电机驱动系统I中，从而可以控制永磁同步电机2正常运行。其中，编码器正余弦信号处理模块4由信号采集单元7、运算放大单元8、模数转换单元9以及电平比较单元10组成信号处理回路。该信号处理回路的输入为AB与⑶两路正余弦差分模拟量信号6，输出为CD信号采样电压数字量11、AB信号采样电压数字量12以及AB脉冲信号13。以采集编码器输出的AB与CD两路正余弦差分信号，在进行运算放大后，经模数转换得到这两路正余弦信号电压值对应的数字量，并通过电平比较单元将AB信号采样结果经参考电压比较后细分为相差90°的两路脉冲输出，该结果作为线序辨识模块5的输入。线序辨识模块5使用一块具有逻辑管理功能的32位ARM(Advanced RISC Machines)芯片作为信息处理与数据计算的核心，与数字量处理单元14、计算与查表单元15以及线序辨识单元17组成线序检测辨识回路，以解析出前⑶信号对应的位置值，并通过对正余弦信号处理模块输入的AB和CD两路数字量结果进行分析，辨识出当前编码器接线为有效线序及有效线序的类别，完成线序的辨识。如果线序无效将输出报错提示18，并禁止运行电机；如果线序有效将判断出有效线序类别19并由有效线序对应位置计算单元20计算出对应的⑶信号初始位置和AB信号实时位置。上述各控制回路的控制过程如下编码器正余弦信号处理模块4构成的信号处理回路按顺序执行操作，将AB与CD两路正余弦差分模拟量信号6，经信号采集单元7进行采样、运算放大单元8进行放大处理、模数转换单元9完成模拟量到数字量的转换后，得到CD信号采样电压数字量11和AB信号采样电压数字量12，其中AB信号采样电压数字量12经电平比较单元10通过与参考电压的比较后得到互差90°的AB脉冲信号13，这三个量作为信号处理回路的处理结果，输入到线序检测辨识回路中。线序辨识模块5构成的线序检测辨识回路依据输入量CD信号采样电压数字量11和AB信号采样电压数字量12，经数字量处理单元14得到数字量运算结果，其中CD信号采样电压数字量11经计算与查表单元15得到CD信号解析位置值16，这两个结果包括该回路的另一个输入量AB脉冲信号13都将输入至线序辨识单元17中，判断当前编码器线序是否有效以及有效线序类别，得到线序辨识的结果。实施流程如图4所示首先，利用采集到的AB与CD两路正余弦信号经放大与模数转换后得到数字量电压值，由于无论是AB信号还是CD信号，都是对应同一角度的正弦分量与余弦分量，所以同一路信号得到的两个电压值的平方和必然等于该数字量幅值的平方，如果不等则报故障，并可针对性提示更改编码器AB信号或CD信号线序，如果结果无误则可进行进一步的检测，这是当前编码器线序是否有效的第一次辨识；然后，利用电机驱动系统控制永磁同步电机开环旋转，在检测到R脉冲信号后，读取AB信号脉冲计数值以及CD信号解析位置值，根据电机开环驱动特性判断电机已旋转至R脉冲后六分之一机械周期位置时，再次读取AB信号脉冲计数值以及CD信号解析位置值；而后，根据两次AB脉冲计数值可进行第二次线序是否有效的辨识，如果该计数值的差值与旋转距离相对应，说明AB脉冲计数未丢失，反之则报错提示接线有误，提示当前的编码器接线存在AB信号与CD信号接线发生互换的情况；最后，根据AB脉冲计数两次读取值的递增递减方向，结合电机旋转方向，计算出当前正余弦编码器的AB信号接线线序类别与对应的电机实时位置，并根据第一次CD信号解析位置值的大小和递增递减方向，计算出当前正余弦编码器的CD信号接线线序类别与对应的电机初始位置。该正余弦编码器线序辨识装置可分为三个步骤完成第一次线序辨识是在电机静止状态下实现的，其依据是同一角度的正余弦分量平方和为固定常量，可将全部3628800种接线线序鉴别出768种线序，其它均可判定为无效线序，这一辨识过程也可以在电机暂停运行时进行，可判断当前编码器接线是否发生断线；第二次线序辨识是基于电机旋转过程中的AB信号脉冲计数应与旋转距离保持一致，可从已鉴别出线序中辨识出128种可以根据编码器信号输出提供准确的位置信息的线序，这是最终判定的有效线序；第三次线序辨识是根据电机运行中编码器信号的反馈，结合电机旋转方向，辨识出有效线序的类别，给出对应的位置计算方法。由于CD信号解析位置值与R脉冲位置关联，同时可能会在R脉冲后四分之一机械周期处发生进位切换，因此本实用新型设定的检测点是在R脉冲后六分之一机械周期处，可避免参与辨识的数据源发生进位而导致辨识失败。位置计算方法已固化在该线序辨识装置中，可在得到编码器接线线序类别后直接给出。
权利要求1.一种正余弦编码器线序辨识装置，包括正余弦信号处理模块和线序辨识模块以及控制回路，其特征在于所述正余弦信号处理模块由信号采集单元、运算放大单元、模数转换单元、电平比较单元组成信号处理回路，以采集编码器输出的AB与⑶两路正余弦差分信号，在进行运算放大后，经模数转换得到这两路正余弦信号电压值对应的数字量，并通过电平比较单元将AB信号采样结果经参考电压比较后细分为相差90°的两路脉冲输出；线序辨识模块以具有逻辑管理功能的32位ARM芯片为信息处理与数据计算的核心，与数字量处理单元、计算与查表单元、有效线序辨识单元组成线序检测辨识回路，以解析出前CD信号对应的位置值，并通过对正余弦信号处理模块输入的AB和CD两路数字量结果进行分析，辨识出当前编码器接线为有效线序及有效线序的类别，对线序无效报出故障提示更改线序，并禁止运行电机，对线序有效直接根据其类别给出对应的CD信号初始位置和AB信号实时位置。
专利摘要一种正余弦编码器线序辨识装置，从根本上排除由于正余弦编码器存在接线故障而导致无法正常运行电机的问题。它包括正余弦信号处理模块和线序辨识模块以及控制回路，其技术要点是正余弦信号处理模块由信号采集单元、运算放大单元、模数转换单元、电平比较单元组成信号处理回路，线序辨识模块以具有逻辑管理功能的芯片为信息处理与数据计算的核心，与数字量处理单元、计算与查表单元、有效线序辨识单元组成线序检测辨识回路，计算出对应的CD信号初始位置和AB信号实时位置。其结构设计合理，操作简便，调试容易，能准确判断电机转子磁极初始位置和实时位置的信号线序，确保电机能够平稳启动、稳定运行。
文档编号H02P6/16GK202841036SQ20122046610
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月14日 优先权日2012年9月14日
发明者法乃光, 唐立志, 盘宗仁, 李晓军, 韩殷 申请人:沈阳市蓝光自动化技术有限公司