一种永磁同步电机转子磁场检测电路及检测定位方法与流程

1.本发明属于机电控制技术领域，具体涉及一种永磁同步电机转子磁场检测电路及检测定位方法。


背景技术：

2.永磁同步电机因其高功率密度、高可靠性以及优异的调速性能，在各种伺服控制领域获得广泛应用。永磁同步电机进行矢量控制的首要条件是获得转子磁场位置，转子磁场测量通常采用旋转编码器。按照种类进行划分旋转编码器包括绝对式和增量式两种。绝对式编码器旋转一周过程中每个机械位置对应一个唯一绝对编码，失电后无需控制器记忆当前位置，待下次上电时直接读取位置即可，绝对式编码器抗扰性和数据可靠性较高。然而，绝对编码器信号接收难度较大，一般为减小体积采用穿行方式输出绝对编码，对于伺服电机控制等应用场合，为了适应快速的电流环、速度环以及位置环的需要，编码器输出的速度非常快，通常采用为编码器配套的专用接收芯片实现穿行编码到并行编码的转换，但是专用芯片价格昂贵，约占绝对式编码器价格的四分之一；另一种方案是采用fpga或者cpld器件进行编码器信号接口设计，控制器通过读取fpga或者cpld译码值获得位置信息，然而这种实现方案增加了电路规模，也造成了资源浪费。增量式编码器输出正交脉冲，控制器通过脉冲捕获模块获得转子磁场位置，其优点是解码电路简单不需要额外的时序逻辑电路，但是其不具有记忆能力，当系统断电重新复位后需要重新进行磁场位置标定，对于较大刚性负载的系统无法满足使用需求。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供一种永磁同步电机转子磁场检测电路及检测定位方法。
4.本发明的上述目的通过如下技术方案来实现：
5.一种永磁同步电机转子磁场检测电路，其特征在于：包括dc
‑
dc电源模块、电池模块、控制器、增量式编码器以及flash模块；
6.所述dc
‑
dc模块，用于外部电源转换，为控制器、flash模块以及增量式编码器提供主要电源供给；
7.所述电池模块作为辅助电源，当dc
‑
dc电源断开后为控制器、flash模块以及增量式编码器供电，实现电机转子磁场角位置写入到flash；
8.所述控制器，用于接收编码器发送的正交脉冲信号，进行转子磁场角位置计算，同时控制flash读写；
9.所述增量式编码器，用于检测电机轴相对角位置信息，并将位置信号发送到控制器；
10.所述flash模块，用于实现转子磁场角位置信息存储。
11.进一步的：所述控制器选择单片机或者dsp芯片。
12.一种永磁同步电机转子磁场检测定位方法，其特征在于：基于上述永磁同步电机转子磁场检测电路，包括如下检测步骤：
13.步骤1、电机转子磁场初始标定：
14.在电机处于空载状态下，进行励磁电流i
d
＝i
m
和转矩电流i
q
＝0的电流环伺服控制，实现转子磁场零位电角度标定；
15.其中，励磁电流设定值为i
m
＝t
m
/c
t
，t
m
为转子磁场初始标定励磁转矩，其取值为电机额定转矩的0.05倍，c
t
为电机转矩系数，同时在整个电机转子磁场初始标定期间设定电机电角度θ
e
恒为0；
16.步骤2、在完成电机转子磁场初始标定之后进行电机电角度计算，具体计算公式为：
[0017][0018]
其中n为编码器线数，n为当前时刻对编码器输出脉冲计数值，包括两组正交脉冲的上升沿和下降沿；
[0019]
步骤3、完成上述转子磁场标定后，控制器和编码器不断电，将电机装配到伺服系统上，装配过程中电机转子允许发生转动而不影响转子磁场定位；
[0020]
步骤4、控制器实时测量dc
‑
dc模块输出供电电压v
sense1
和电池模块供电电压v
sense2
，当系统断电，dc
‑
dc输出电压v
sense1
为零时，在电池模块辅助电源供电下，将当前电机转子位置信息写入到flash中，控制器关闭所有控制信号，进入到低功耗模式；当电池电压v
sense2
小于控制器供电电压阈值时，在dc
‑
dc模块供电下将当前转子位置信息写入到flash中，同时发出电池电量不足警示信号，提醒更换电池；
[0021]
步骤5、dc
‑
dc模块重新上电，控制器读一次flash获取电机转子磁场角位置。
[0022]
进一步的：步骤1的标定计算过程如下：
[0023]
1.1、电流从三相静止坐标系到两相静止坐标系变换：
[0024][0025]
1.2、电流从两相静止坐标系到两相旋转坐标系变换，考虑θ
e
＝0，有：
[0026][0027]
1.3、采用pi控制对励磁电流和转矩电流分别进行控制，控制算法表达式为：
[0028]
u
i
＝k
pi
δi+k
ii
∑δi
[0029]
u
i
为电流闭环控制器的输出，对于励磁电流控制，δi＝i
m
‑
i
q
，对于转矩电流控制，δi＝0
‑
i
d
,δi为累计电流偏差，k
pi
和k
ii
分别为比例控制增益和积分控制增益；
[0030]
1.4、上步计算结果通过svpwm输出到功率放大电路进而驱动电机动作，整个控制过程持续时间为一秒，在电磁力作用下最终使电机转子磁场定位到某个位置上，此时控制器认定当前位置为转子磁场零位。
[0031]
本发明具有的优点和积极效果：
[0032]
1、本检测电路中通过增加电池模块作为备用电源，实现了电源切断而控制系统不
断电，同时通过增加flash模块，实现转子磁场角位置信息存储，弥补了采用增量式编码器不具有记忆能力的不足，从而实现了系统断电重新复位后不需要重新进行磁场位置标定。
[0033]
2、采用本检测定位方法，伺服控制系统只需要在电机空载条件下标定一次，系统装载后无需重复标定，从而可将增量式编码器应用于大刚性负载场合。
附图说明
[0034]
图1是本发明的检测电路连接示意图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
[0036]
一种永磁同步电机转子磁场检测电路，其参见图1，包括dc
‑
dc电源模块、电池模块、控制器、增量式编码器以及flash模块。其中dc
‑
dc模块实现外部电源转换，为控制器、flash模块以及增量式编码器提供主要电源供给；电池模块作为辅助电源，当dc
‑
dc电源断开后为控制器、flash模块以及增量式编码器供电，实现电机转子磁场角位置写入到flash。控制器接收编码器发送的正交脉冲信号，进行转子磁场角位置计算，同时控制flash读写。控制器可采用单片机或者dsp芯片。增量式编码器用于检测电机轴相对角位置信息，并将位置信号发送到控制器。flash模块实现转子磁场角位置信息存储，在dc
‑
dc模块上电、控制系统开始工作前读flash模块，获得当前转子磁场角位置，在dc
‑
dc模块断电时，通过电池辅助供电将当前转子磁场角位置写入到flash模块中。
[0037]
一种永磁同步电机转子磁场检测定位方法，基于上述永磁同步电机转子磁场检测电路，具体步骤为：
[0038]
步骤1、电机转子磁场初始标定。
[0039]
在电机处于空载状态下，进行励磁电流i
d
＝i
m
，转矩电流i
q
＝0的电流环伺服控制，实现转子磁场零位电角度标定。励磁电流设定值为i
m
＝t
m
/c
t
，通常转子磁场初始标定励磁转矩t
m
设定为电机额定转矩的0.05倍，c
t
为电机转矩系数，同时在整个电机转子磁场初始标定期间设定电机电角度θ
e
恒为0。标定计算过程如下：
[0040]
1.1电流从三相静止坐标系到两相静止坐标系变换：
[0041][0042]
1.2电流从两相静止坐标系到两相旋转坐标系变换，考虑θ
e
＝0，有：
[0043][0044]
1.3采用pi控制对励磁电流和转矩电流分别进行控制，控制算法表达式为：
[0045]
u
i
＝k
pi
δi+k
ii
∑δi
[0046]
对于励磁电流控制，δi＝i
m
‑
i
q
，对于转矩电流控制，δi＝0
‑
i
d
,δi为累计电流偏差，k
pi
和k
ii
分别为比例控制增益和积分控制增益。
[0047]
1.4上步计算结果通过svpwm输出到功率放大电路进而驱动电机动作，整个控制过
程持续时间为一秒，在电磁力作用下最终使电机转子磁场定位到某个位置上，此时控制器认定当前位置为转子磁场零位。
[0048]
步骤2、在完成电机转子磁场初始标定之后进行电机电角度计算，具体计算公式为：
[0049][0050]
其中n为编码器线数，n为当前时刻对编码器输出脉冲计数值(包括两组正交脉冲的上升沿和下降沿)。
[0051]
步骤3、完成上述转子磁场定位后，控制器和编码器不断电，将电机装配到伺服系统上，装配过程中电机转子允许发生转动而不影响转子磁场定位。
[0052]
步骤4、控制器实时测量dc
‑
dc模块输出供电电压v
sense1
和电池供电电压v
sense2
，当系统断电，dc
‑
dc输出电压v
sense1
为零时，在电池辅助电源供电下，将当前电机转子位置信息写入到flash中，控制器关闭所有控制信号，进入到低功耗模式；当电池电压v
sense2
小于控制器供电电压阈值时，在dc
‑
dc模块供电下将当前转子位置信息写入到flash中，同时发出电池电量不足警示信号，提醒更换电池。
[0053]
步骤5、dc
‑
dc模块重新上电，控制器读一次flash获取电机转子磁场角位置。
[0054]
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。