一种永磁同步电机位置解码监控系统的制作方法

本发明一种永磁同步电机位置解码监控系统属于永磁同步电机控制设计领域。

背景技术：

永磁同步电机由于具有体积小、功率密度高、可靠性高的特点，在各类驱动系统中得到了广泛的应用。永磁同步电机往往采用霍尔传感器、光电码盘或旋转变压器等作为位置传感器。其中旋转变压器由于可以长期耐受严苛条件，逐渐成为军用系统或全电动汽车等环境恶劣领域应用的选择。

旋转变压器(resolver)是一种精确测量角位置的传感器，其以可变耦合变压器的方式工作，初级绕组和两个次级绕组之间的磁耦合量根据旋转部件(转子)位置而改变，其次级输出的反馈电压也因此与转子转角呈确定的函数关系；转子通常安装在旋转电机的转轴上。旋转变压器的两路输出信号实际是由轴角的正弦和余弦信号调制得到的。

在实际应用中，为获得电机的轴角位置信息，需使用位置解码系统，当位置传感器为旋转变压器时，采用旋变激励与解调电路对旋转变压器进行激励和解调。通常是使用一个固定频率的正弦波激励源激励旋转变压器，同时通过rd转换芯片对旋转变压器的反馈信号进行处理，得到数字信号。控制器内mcu或dsp根据角度的数字码值做出相应的控制动作。

在电机控制系统中，旋变激励与解调系统提供的角位置信息直接影响到永磁同步电机控制的成败，如果位置信息错误，轻则导致电机误动作，重则可能导致无法完成预定任务甚至控制器的损坏。如果能够简便易行的实现对位置解码系统的监控，则可以提高控制系统的可靠性和完整性。本方案提供一种永磁同步电机位置解码监控系统，实现对旋变激励与解调系统工作状态的有效监控。

技术实现要素：

本发明的目的是：针对永磁同步电机中旋变激励与解调系统的监控问题，提出一种监控系统，该系统可以实现对激励源和旋转变压器的监控，进而实现对位置解码系统的监控，同时具有一定的故障定位功能，可以方便的定位出故障点。同时系统应具有较好的灵活性和通用性，部分参数可通过可编程逻辑代码修改。

本发明的技术方案：一种永磁同步电机位置解码监控系统，用于对现有永磁同步电机控制系统中的旋变激励与解调系统进行监控，现有旋变激励与解调系统包括正弦激励源、旋转变压器、旋变解调器，其特征在于，所述监控系统包括激励监控电路、反馈监控电路、fpga电路、dsp电路；

激励监控电路的功能是对激励源发出的旋变激励信号的幅值和频率进行监控，向fpga电路输出旋变激励信号的幅值状态离散量和频率状态方波；

激励监控电路包括信号调理电路、幅值监控电路、频率监控电路三部分；其中幅值监控电路包括半波整流电路和门限比较电路；信号调理电路对旋变激励差分信号按一定比例放大，并将其转换为单端交流信号，再将该单端交流信号输出到幅值监控电路和频率监控电路；幅值监控电路中的半波整流电路将该单端交流信号转换为直流信号，再将该直流信号接入幅值监控电路中的门限比较电路，向fpga电路输出结果离散量；频率监控电路将输入的单端交流信号转换成对应频率的方波，输出频率信号；

反馈监控电路的功能是对旋转变压器的正弦反馈和余弦反馈进行监控，向fpga电路输出数字码值；

反馈监控电路包括包络检波电路、ad转换电路和可编程逻辑三部分；包络检波电路去除掉正弦反馈和余弦反馈信号上的载波信号，向ad转换电路输出正弦包络和余弦包络信号；ad转换电路定时同步采集正弦包络信号和余弦包络信号，向fpga电路输出数字码值；fpga电路控制ad转换电路，并对正弦包络和余弦包络的数字码值进行平方和运算，向dsp电路输出监控结果；

fpga电路采集激励监控电路的输出结果，对旋变激励信号的幅值监控结果离散量进行状态判别，对频率监控输出方波进行频率计数；fpga电路控制反馈监控电路中的ad转换电路，fpga电路采集ad转换电路转换后的正弦包络和余弦包络的数字码值，fpga电路通过内部的平方和运算单元，对旋变反馈信号进行状态判别，保存在相关寄存器中；

dsp电路读取fpga电路综合后的旋变激励幅值状态、旋变激励频率状态和旋变反馈状态，确定系统的工作状态。

所述系统中的激励监控电路中的信号调理电路包括电阻器、电容器、运算放大器；激励监控电路中的半波整流电路包括电阻器、电容器、二极管、运算放大器；激励监控电路中的门限比较电路包括电阻器、比较器；激励监控电路中的频率监控电路包括电阻器和比较器。

所述系统中的反馈监控电路中的包络检波电路有两套，用于去除旋转变压器输出的正弦和余弦反馈中的载波信号；ad转换电路选用多通道同步采样ad转换器；包络检波滤波电路包含检波和滤波两部分，其中检波电路由电阻器、电容器、二极管、运算放大器组成；滤波电路由电阻器、电容器、运算放大器组成。

所述系统通过可编程逻辑fpga采集激励幅值监控电路输出的离散量和激励频率监控电路输出的方波以及反馈监控电路输出的正余弦包络码值，同时控制反馈监控电路中ad转换电路的运行。

所述系统在fpga内设置有dsp接口、寄存器组、频率计数单元、ad控制状态机、乘法单元、加和单元、码值比较单元，滤波锁存单元。

dsp接口和寄存器组用于dsp对fpga的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；频率计数单元对激励频率方波进行计数，根据单位时间内接收的方波个数确定激励频率；码值比较单元1将采集到的频率和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组；ad控制状态机用于产生符合ad时序的启动、读操作控制信号，同时控制ad转换电路进行周期性的模数转换，转换周期8us；乘法单元1用于在每周期转换完成时对输入正弦包络幅值的数字码值进行平方运算；乘法单元2用于在每周期转换完成时对输入余弦包络幅值的数字码值进行平方运算；加和单元用于对平方后的正余弦数字码值进行加和运算；码值比较单元2将加和单元输出的结果码值和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组；这里的乘法单元和加和单元均采用fpga自带的乘法器和加法器ip核；激励幅值监控结果离散量直接进入寄存器组。

本发明的优点是：

1、本发明采用多级监控策略，经过故障综合后可以辨识出激励源幅值异常、激励源频率异常和旋转变压器本体或连接线异常等故障。

2、本发明采用高精度电阻配置激励源幅值门限，采用可编程逻辑fpga配置频率门限和平方和门限，具有一定的灵活性和通用性，修改参数后可用于不同激励电压、激励频率及变比参数的旋变激励与解调系统。

附图说明

图1是本发明系统结构框图。

图2是本发明激励监控功能框图。

图3是本发明激励监控电路图。

图4是本发明反馈监控功能框图。

图5是本发明包络检波滤波电路图。

图6是本发明可编程逻辑功能框图。

图7是本发明实施例激励监控效果示意图。

图8是本发明实施例反馈监控效果示意图

具体实施方式

一种永磁同步电机位置解码监控系统，用于对现有永磁同步电机控制系统中的旋变激励与解调系统进行监控，现有旋变激励与解调系统包括正弦激励源、旋转变压器、旋变解调器，其特征在于，所述监控系统包括激励监控电路、反馈监控电路、fpga电路、dsp电路；

激励监控电路的功能是对激励源发出的旋变激励信号的幅值和频率进行监控，向fpga电路输出旋变激励信号的幅值状态离散量和频率状态方波；

激励监控电路包括信号调理电路、幅值监控电路、频率监控电路三部分；其中幅值监控电路包括半波整流电路和门限比较电路；信号调理电路对旋变激励差分信号按一定比例放大，并将其转换为单端交流信号，再将该单端交流信号输出到幅值监控电路和频率监控电路；幅值监控电路中的半波整流电路将该单端交流信号转换为直流信号，再将该直流信号接入幅值监控电路中的门限比较电路，向fpga电路输出结果离散量；频率监控电路将输入的单端交流信号转换成对应频率的方波，输出频率信号；

反馈监控电路的功能是对旋转变压器的正弦反馈和余弦反馈进行监控，向fpga电路输出数字码值；

反馈监控电路包括包络检波电路、ad转换电路和可编程逻辑三部分；包络检波电路去除掉正弦反馈和余弦反馈信号上的载波信号，向ad转换电路输出正弦包络和余弦包络信号；ad转换电路定时同步采集正弦包络信号和余弦包络信号，向fpga电路输出数字码值；fpga电路控制ad转换电路，并对正弦包络和余弦包络的数字码值进行平方和运算，向dsp电路输出监控结果；

fpga电路采集激励监控电路的输出结果，对旋变激励信号的幅值监控结果离散量进行状态判别，对频率监控输出方波进行频率计数；fpga电路控制反馈监控电路中的ad转换电路，fpga电路采集ad转换电路转换后的正弦包络和余弦包络的数字码值，fpga电路通过内部的平方和运算单元，对旋变反馈信号进行状态判别，保存在相关寄存器中；

dsp电路读取fpga电路综合后的旋变激励幅值状态、旋变激励频率状态和旋变反馈状态，确定系统的工作状态。

所述系统中的激励监控电路中的信号调理电路包括电阻器、电容器、运算放大器；激励监控电路中的半波整流电路包括电阻器、电容器、二极管、运算放大器；激励监控电路中的门限比较电路包括电阻器、比较器；激励监控电路中的频率监控电路包括电阻器和比较器。

所述系统中的反馈监控电路中的包络检波电路有两套，用于去除旋转变压器输出的正弦和余弦反馈中的载波信号；ad转换电路选用多通道同步采样ad转换器；包络检波滤波电路包含检波和滤波两部分，其中检波电路由电阻器、电容器、二极管、运算放大器组成；滤波电路由电阻器、电容器、运算放大器组成。

所述系统通过可编程逻辑fpga采集激励幅值监控电路输出的离散量和激励频率监控电路输出的方波以及反馈监控电路输出的正余弦包络码值，同时控制反馈监控电路中ad转换电路的运行。

所述系统在fpga内设置有dsp接口、寄存器组、频率计数单元、ad控制状态机、乘法单元、加和单元、码值比较单元，滤波锁存单元。

dsp接口和寄存器组用于dsp对fpga的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；频率计数单元对激励频率方波进行计数，根据单位时间内接收的方波个数确定激励频率；码值比较单元1将采集到的频率和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组；ad控制状态机用于产生符合ad时序的启动、读操作控制信号，同时控制ad转换电路进行周期性的模数转换，转换周期8us；乘法单元1用于在每周期转换完成时对输入正弦包络幅值的数字码值进行平方运算；乘法单元2用于在每周期转换完成时对输入余弦包络幅值的数字码值进行平方运算；加和单元用于对平方后的正余弦数字码值进行加和运算；码值比较单元2将加和单元输出的结果码值和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组；这里的乘法单元和加和单元均采用fpga自带的乘法器和加法器ip核；激励幅值监控结果离散量直接进入寄存器组。

下面结合附图对本发明进行进一步详细的说明。

一种永磁同步电机位置解码监控系统包括激励监控电路、反馈监控电路、fgpa电路、dsp电路组成。激励监控电路监控激励源输出的激励信号状态，输出幅值比较结果离散量和频率离散量；反馈监控电路监控旋变反馈的正弦和余弦信号，输出正弦包络和余弦包络的数字码值；fpga电路控制反馈监控电路，并采集激励监控电路的结果和反馈监控的结果，同时对各种监控结果进行综合；dsp电路控制并读取fpga内的监控结果状态，根据故障状态进行相应的判断和动作。

激励监控电路用于监控激励源的幅值状态和频率状态，包括：信号调理电路、幅值监控电路和频率监控电路。其中幅值监控电路包括半波整流电路和门限比较电路。信号调理电路对输入的激励信号进行幅值调理，同时将差分的激励信号转为单端信号；幅值监控电路对调理后的单端信号进行监控，半波整流滤波电路将单端正弦信号转换为直流信号，门限比较电路是一由模拟比较器构成滞回比较电路，通过直流信号与门限相比较输出结果离散量。频率监控电路是一比较电路，可输出和调理后正弦波频率一致的方波信号。

反馈监控电路用于监控旋转变压器的反馈状态，外围电路包括包络检波电路和ad转换电路。包络检波电路有2套，分别用于去除正弦反馈和余弦反馈的载波信号，输出包络信号；ad转换电路对检波后的正余弦包络信号进行采集，应保证能够同时采集正弦包络和余弦包络，ad转换电路采用多通道同步采样adc。反馈监控电路中的ad转换电路受fpga控制的定时进行ad转换，fpga采集正弦包络和余弦包络的数字码值，进行平方加和运算，根据内部门限确定反馈信号是否正常。

fpga电路采集激励监控电路输出的离散量和反馈监控电路输出的正余弦包络码值，同时控制反馈监控电路中ad转换电路的运行。在fpga内设计有dsp接口、寄存器组、ad控制状态机、乘法单元、加和单元、码值比较单元。dsp接口和寄存器组用于dsp对fpga的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；ad控制状态机用于产生符合ad时序的启动、读操作控制信号，同时控制ad转换电路进行周期性的模数转换，转换周期5us；乘法单元用于在每周期转换完成时对输入正余弦幅值数字码值分别进行平方运算；加和单元用于对平方后的正余弦数字码值进行叠加；码值比较单元将加和单元输出的结果码值和门限进行比较，输出比较结果。

dsp电路通过对fpga内设计的寄存器进行读写控制ad转换的启停，同时读取故障状态，根据故障状态判断旋变激励与解调系统的哪个环节存在问题，进行相应的保护操作。

进一步的，反馈监控的比较门限可通过逻辑代码设置。

参加图1，在使用旋转变压器作为位置传感器的永磁同步电机控制系统中，使用旋变激励与解调电路作为位置解码系统。一般使用一个正弦波发生器产生旋变激励信号，经过旋转变压器的衰减及与轴角的感应后输出正余弦反馈信号，旋变解调后获得对应的数字码值。

本发明的永磁同步电机位置解码监控系统，由激励监控电路、反馈监控电路、fpga电路和dsp电路组成。可用于监控旋变激励电路及旋转变压器本体的运行情况。其中激励监控电路用于监控激励源输出正弦波的幅值和频率；反馈监控电路用于采集旋变反馈信号中的正余弦包络信号；fpga电路用于控制反馈监控电路中的ad转换电路，同时采集激励监控和反馈电路反馈信号，实现频率计数、故障综合及反馈监控的运算；dsp电路控制并读取fpga内的监控结果状态，根据故障状态进行相应的判断和动作。

参见图2，系统的激励监控功能包括幅值监控和频率监控两部分，其外围电路包括信号调理电路、半波整流电路、门限比较电路、频率监控电路。信号调理电路将输入的激励差分信号exc+/-按一定比例系数转换成同频率单端正弦波；半波整流电路和门限比较电路用于幅值监控功能，半波整流电路将经过调理输出的单端正弦波转换成直流信号，门限比较电路对该信号进行比较，输出结果离散量；频率监控电路将幅值调理后的正弦波转换成方波信号；fpga电路采集幅值监控结果离散量和频率监控方波，进行进一步的处理。

参见图3，信号调理电路由电阻器r101-r106，电容器c101，运放n101.c构成，通过电阻配比和vref将激励信号调理成一定幅度的单端正弦信号v_exc；半波整流电路由电阻器r107-r110，电容器c102-c103,二极管v101-v102，运放n101.a和n101.b构成；门限比较电路由电阻器r111-r117，比较器n102.a,n102.b构成；频率监控电路由电阻器r118和比较器n102.c构成。门限比较电路的输出即为幅值比较结果离散量；频率监控电路的输出即为频率方波。

参见图4，系统的反馈监控功能由包络检波滤波电路、ad转换电路、fpga电路实现。其中包络检波电路有两套，用于去除旋转变压器输出的正弦和余弦反馈中的载波信号，其输出即为正弦和余弦的包络信号；ad转换电路在fpga电路控制下进行周期性的ad转换，将正余弦包络信号转换成对应数字码值，为保证采集的同时性，这里ad转换器选为6通道同步采样ad转换器ad7656；fpga电路对采集到正余弦包络数字码值进行平方、加和、比较等处理，得到反馈监控结果由软件读取。

参见图5，包络检波滤波电路包含检波和滤波两部分，其中检波电路由电阻器r201-r203，电容器c201，二极管v201,v202，运放n201.a组成；滤波电路由r205-r207,电容器c202，c203,运放n201.b组成。

通过合理的配比电阻值和电容值，可以将旋转变压器反馈信号中的高频载波去除，仅保留包络信号的正向幅值。

参见图6，系统通过可编程逻辑fpga采集激励幅值监控电路输出的离散量和激励频率监控电路输出的方波以及反馈监控电路输出的正余弦包络码值，同时控制反馈监控电路中ad转换电路的运行。在fpga内设计有dsp接口、寄存器组、频率计数单元、ad控制状态机、乘法单元、加和单元、码值比较单元，滤波锁存单元。dsp接口和寄存器组用于dsp对fpga的访问接口以及读写相关的控制命令、状态信息；频率计数单元对激励频率方波进行计数，根据单位时间内接收的方波个数确定激励频率；码值比较单元1将采集到的频率和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组；ad控制状态机用于产生符合ad时序的启动、读操作控制信号，同时控制ad转换电路进行周期性的模数转换，转换周期8us；乘法单元1用于在每周期转换完成时对输入正弦包络幅值的数字码值进行平方运算；乘法单元2用于在每周期转换完成时对输入余弦包络幅值的数字码值进行平方运算；加和单元用于对平方后的正余弦数字码值进行加和运算；码值比较单元2将加和单元输出的结果码值和门限进行比较，输出比较结果到寄存器组。这里的乘法单元和加和单元均采用fpga自带的乘法器和加法器ip核。激励幅值监控结果离散量直接进入寄存器组。

激励幅值监控的效果如图7所示，v_exc为经过幅值调理后的单端正弦信号，当激励正弦波异常消失之后，v_cmp逐渐降低，低于比较门限后比较结果离散量exc_vfault_n发生状态翻转。

反馈监控效果示意如图8所示，设置平方和上门限为0x2cb41780，下门限为0x1ad27480,电机转速为2000r/min时，安装的三对极旋变转速为6000r/min，当t时刻发生正弦反馈断线时，正弦幅值迅速消失为0，正弦包络采到的数字码值减小，平方和码值也逐渐减小，超过门限范围时，报警正余弦反馈错误。需要注意的是反馈监控电路在个别角度上，是无法识别部分故障的，如在0°、180°电角度处无法检测正弦反馈故障；在90°、270°电角度处无法检测余弦反馈故障。

通过激励幅值监控电路，系统可辨识出激励源幅值异常故障；通过激励频率监控电路，系统可辨识出激励源频率异常故障；通过反馈监控电路，系统可可辨识出旋变故障或接线故障。经过系统监控，可基本确认旋变激励与解调系统中激励源、旋变传感器的电特性及电连接是否正常，是进行电机控制系统方面其余自检测项的先决条件。

本发明适用于使用旋转变压器作为位置传感器的永磁同步电机，系统在fpga控制下，通过激励监控电路和反馈监控电路分别监控激励源和旋变传感器的工作状态来确定位置解码系统是否工作正常。本发明系统通过激励幅值监控电路，可辨识出激励源幅值异常故障，通过激励频率监控电路，可辨识出激励源频率异常故障，通过反馈监控电路，可辨识出旋变故障或接线故障。