一种永磁同步电动机转子位置的检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种检测永磁同步电机驱动系统转子位置的方法。
【背景技术】
[0002] 对永磁同步电动机的控制必须要有转子位置信号的反馈，以便进行坐标变换控制 电枢中的交变磁场。尤其在永磁同步电机启动时刻需要准确获知转子的绝对位置。因此，在 永磁同步电机控制系统中一般采用既能检测磁极位置又能检测位置增量的混合式编码器。
[0003] 混合式光电编码器则兼具增量式和绝对式编码器的优点，混合式光电编码器输出 2组信号：一组用于检测磁极位置，带有绝对信息功能；另一组则用于检测速度及位置，具 有增量式功能。增量式信号由AjSj、组码道提供。a(S)、码道能够产生与 位置增量等值的脉冲信号，其作用是提供一种对连续位置增量离散化的传感方法。其分辨 率由编码器光栅的透光缝隙数量决定。通过对光电转换信号进行逻辑处理可以得到2倍频 或4倍频的脉冲信号。由于带宽的限制，4倍频是目前硬件系统中采用的最高倍频数值。
[0004] 混合式光电编码器输出的υ(Π)、ν(?)和W(f)三路脉冲信号彼此相差120度，每转 的脉冲个数与电机的极对数一致。根据ufl)、和的高低电平关系可以计算电机转 子的绝对位置，电机启动后，增量式部分可以精确的检测出位置值。
[0005] 在使用光电编码器测速的系统中，电机若工作于较低转速，通常使用T法测速，转 速越低单位测量周期T越长，对编码器脉冲进行计数的单位时间T过长则会引起转速控制 性能下降。因此，混合编码器的传统使用方法已无法满足高性能伺服系统对转子位置测量 分辨率的要求。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是克服现有技术位置信号检测分辨率受限于硬件电路带宽的缺点， 提出一种永磁同步电动机转子位置的检测方法。
[0007] 本发明基于数字信号处理芯片对转子位置脉冲信号的高频细化，采用电机控制系 统的控制芯片对位置信号进行细化处理，提高混合式光电编码器的分辨率及其检测精度， 节约系统的硬件成本，实现永磁同步电机在高速和低速工况的高精度控制。
[0008] 本发明利用CPU高频时钟，对既有混合式光电编码器输出的频率较低的位置信号 进行细分，通过倍频细分的方法使位置检测系统获得比混合式编码器原始信号周期更为细 密的位置信号。本发明将混合式编码器与电机同轴连接，并采用粗精结合的转子磁极位置 检测方法，即采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位，再用增量式光电脉冲信号进行 精定位，利用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲。
[0009] 本发明的实现方式有两种：若主控芯片具备中断触发功能，可采用中断的方式，则 可以采用中断触发的方式进行定时器的计数，并以此为基础计算转子位置，若主控芯片不 具备中断触发功能，则可以采用多级计数的方式实现脉冲计数，解决高频计数下计数器的 溢出问题。
[0010] 以一对极电机轴向顺时针旋转为例，电机每旋转一周，3路脉冲信号U、V、W周期变 化1次，生成6个绝对位置信息，用三位格雷码表示，为：010、110、100、101、001、011。6个 绝对位置信息将转子一周空间角度6等分，每两个相邻位置之间相差60°，位置检测误差 最大可达60°。在电机初始上电时，由3路脉冲信号U、V、W的状态便可判定电机转子所处 空间位置的相应区间。确定转子位置的区间后，利用增量式位置信号和高频时钟细化方案 进一步确定转子的精确位置，具体检测步骤如下：
[0011] 1、确定转子所在的区间
[0012] 通过混合式编码器的I/O口读取绝对式编码器产生的3位格雷码信号，查表可获 得转子磁极的绝对位置。但这样只能确定转子所在的区间，并不能确定转子的准确位置，因 此还需要增量式编码器的精确定位。
[0013] 2、获取转子磁极位置
[0014] 在采用混合式编码器的绝对式信号进行粗定位的基础上，采用混合式编码器的增 量式信号，通过DSP芯片的集成专用电路-正交编码单元获得位置信号脉冲信息，据此信息 和Μ法测速原理计算出实际转子的位置。所述的增量式信号共有Ap):、Β(Ι)和三个脉 冲信号，其中信号和信号正交。所述的Μ法测速是记录在规定时间tl内编码器所 产生的脉冲个数ml，ml/tl即可得电机转速。转速的积分即为转子的相对位置高速计数累 加值，即为正交编码单元脉冲计数器的值。Μ法测量转速在极端情况下会产生± 1个转速脉 冲的计数误差。只有在被测转速或编码器分辨率较高时，有较高的测量精度。ζ(?:信号是 计数清零触发信号，电机每转一周，发出一次zp)信号，此时脉冲计数累加器清零。综合以 上方法可以得到转子磁极在每两个绝对位置间的相对位置。
[0015] 本发明在步骤1中获得绝对式位置信号，发出绝对位置信号后对增量式信号进行 计数，同时启动DSP芯片内部的定时器1#，当定时器1#累计值达到预设时间间隔tl，开始 计算永磁同步电机的转子位置；之后，在增量式脉冲信号的上升沿或下降沿触发CAP中断 启动DSP芯片内部的定时器2#，并同时对高频脉冲进行计数，当定时器1#值达到tl，且此 刻为检测到CAP中断时，读取高频时钟脉冲计数器的值m2 ;高速计数器的累加值ml与增量 式编码信号位置分辨率相乘结果计为Θ1，高频时钟脉冲计数器的值m2与高频时钟位置分 辨率相乘结果计为Θ2,Θ1和Θ2求和即可获得永磁同步电机转子磁极在每两个绝对位置 之间的相对位置。本发明提供的实施例中，混合式编码器的增量式信号每转产生1000个相 位互差90°的脉冲PCA、PCB，经DSP的正交编码脉冲QEP电路四倍频后，得到4000个脉冲， 编码器分辨率Z= 4000,即4倍频增量式位置信号。若忽略编码器的制造误差，通过对输出 脉冲计数进行位置检测所能引起的最大误差将达到一个光电脉冲所代表的角度。
[0016] 本发明应用TI公司的DSPTMS320LF2407A作为电机控制控制核心，主回路采用智 能功率模块IPM，整个主回路先经不控整流，后经全桥逆变输出。DSP通过其内部CAN模块 与PC机进行通讯，既可以将实时的数据传给PC，也可从PC得到控制命令。
[0017] 要想提高电机驱动系统的性能，必须提高转子位置检测的精度。本发明在不增加 系统成本的基础上，对混合式编码器的使用方法进行了改进，提高位置信号检测系统的分 辨率。使用高频时钟脉冲细化编码器输出脉冲的方法，即在绝对式编码器初始定位的基础 上，通过对高频时钟脉冲进行计数，计算出磁极的相对位置，进而得到转子的实际位置。
[0018] 本发明尤其适用于永磁同步电机低速运转时的转子位置的检测。
【附图说明】
[0019] 图1编码器输出信号及所表示区间；