本發(fā)明屬于信號檢測與處理及伺服控制技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種電機轉(zhuǎn)角實時估計方法與裝置，該方法及裝置適用于航空航天、軍事裝備以及工業(yè)生產(chǎn)中對高精度電動伺服系統(tǒng)的控制。

背景技術(shù)：
永磁同步電機控制系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)子位置的獲取是電機準(zhǔn)確定向的關(guān)鍵，因此需要位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行實時檢測。目前高精度伺服機電系統(tǒng)采用的矢量控制方法，需要精確、實時檢測轉(zhuǎn)子位置并進(jìn)行坐標(biāo)變換，將定子坐標(biāo)電流變換為dq軸電流并進(jìn)行控制，因此對轉(zhuǎn)子位置傳感器的測量精度、數(shù)字信號的處理速度要求很高。矢量控制方法在檢測和控制電樞繞組電流時，實際可用的轉(zhuǎn)子位置傳感器有多種，一般采用旋轉(zhuǎn)變壓器、絕對式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器等，同時需要相應(yīng)的解調(diào)處理電路，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，增加了成本，降低了可靠性。在采用矩形波驅(qū)動的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)中，只需要離散的轉(zhuǎn)子位置信息，即有限個換向時刻點，因此采用低分辨率的位置檢測器即可(通常使用霍爾位置傳感器)，成本及復(fù)雜性極大降低。然而，采用低分辨率位置檢測器的永磁同步電機系統(tǒng)，轉(zhuǎn)子位置檢測精度很低，難以直接實現(xiàn)矢量控制，性能較差。本發(fā)明提出一種基于低分辨率數(shù)字式位置傳感器的電機角實時估計的方法并設(shè)計了相應(yīng)裝置，實現(xiàn)對機電伺服系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置高可靠高精度的測量。與現(xiàn)有方法相比，優(yōu)點是采用低分辨率數(shù)字式位置傳感器，降低了成本及復(fù)雜度，提高了可靠性。其精度高、容易實現(xiàn)，適用范圍廣。尤其適用于對已有采用低分辨率數(shù)字式位置傳感器的永磁同步電機系統(tǒng)升級改造，提升性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
針對現(xiàn)有永磁同步電機控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)子位置檢測結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、可靠性低，以及常用于無刷直流電機控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)子位置檢測精度低的缺點，本發(fā)明提出一種基于低分辨率數(shù)字式位置傳感器的電機轉(zhuǎn)角實時估計的方法并設(shè)計相關(guān)裝置，含有一個數(shù)字控制器和一個異或門電路。其中：所述數(shù)字控制器包含一個捕獲輸入端口，N個通用數(shù)字輸入端口，M個輸出端口。所述N個通用數(shù)字輸入端口分別與N個數(shù)字式位置傳感器的輸出相連；N個數(shù)字式位置傳感器的輸出同時也連接至一個具有N路輸入端的異或門電路，所述異或門電路的輸出端與上述數(shù)字控制器的捕獲輸入端口相連，結(jié)構(gòu)如圖1所示。上述數(shù)字控制器輸出端口包含M個PWM端口，用于輸出脈寬調(diào)制(PWM)波，對電機各相電壓進(jìn)行控制，其中M與電機相數(shù)相同?？刂破魍ㄟ^調(diào)制PWM波的脈寬，改變控制電壓大小。圖4以采用兩路數(shù)字式位置傳感器作為輸入為例，示出了上述連接關(guān)系的結(jié)構(gòu)原理圖。所述數(shù)字控制器內(nèi)部含有一個捕獲觸發(fā)中斷源和一個定時中斷源；所述捕獲觸發(fā)中斷源的信號來自于所述捕獲輸入端口，為上下邊沿觸發(fā)中斷；所述定時中斷源來自系統(tǒng)內(nèi)部定時器，定時周期為Δt，定時周期應(yīng)不小于所述PWM波的周期；與上述數(shù)字控制器和異或門相連的N個數(shù)字式位置傳感器安裝角之間的電角度為對于僅裝有兩個數(shù)字式位置傳感器的特定情況，間隔電角度為90°；對于裝有N個(N>2)的數(shù)字式位置傳感器一般情況，間隔電角度為各路數(shù)字式位置傳感器每變化180°電角度，其輸出信號發(fā)生電平翻轉(zhuǎn)。電機連續(xù)運行時，對于僅裝有兩個數(shù)字式位置傳感器的特定情況，每隔90°電角度產(chǎn)生一次位置信號跳變；對于裝有N個(N>2)數(shù)字式位置傳感器的一般情況，每隔電角度產(chǎn)生一次位置信號跳變。當(dāng)位置信號跳變時，所述數(shù)字控制器執(zhí)行捕獲中斷服務(wù)程序。所述數(shù)字控制器按以下方法步驟進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置估計：(1)捕獲中斷時，讀取用于實施所述電機轉(zhuǎn)角實時估計方法的數(shù)字控制器內(nèi)部時鐘CTR當(dāng)前計數(shù)值，讀取后立即將CTR計數(shù)值清零；(2)計算CTR當(dāng)前計數(shù)值與前一次CTR計數(shù)值的差值CAP1，根據(jù)控制器內(nèi)部時鐘周期T0，得到電機旋轉(zhuǎn)電角度所對應(yīng)的時間T＝CAP1·T0。計算電機角速度并保存本次CTR值，供下次比較使用；(3)讀取所述數(shù)字控制器的N個通用數(shù)字輸入端口的電平值，根據(jù)用于檢測轉(zhuǎn)子區(qū)間的數(shù)字式位置傳感器與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)關(guān)系(以N＝2為例，關(guān)系表如圖1所示)，得到轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間；(4)根據(jù)位置信號跳變前轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向，其關(guān)系表如圖2所示，確定位置信號跳變后轉(zhuǎn)子所在區(qū)間的初始位置角θ0，并保存記錄本次數(shù)字式位置傳感器的電平邏輯；(5)定時中斷服務(wù)程序每隔Δt執(zhí)行一次。讀取控制器內(nèi)部時鐘CTR當(dāng)前計數(shù)值，得到位置信號跳變后至當(dāng)前時刻所對應(yīng)的時間：ΔT＝CTR·T0，預(yù)估出轉(zhuǎn)子當(dāng)前轉(zhuǎn)角θ＝θ0+ω·ΔT；(6)將轉(zhuǎn)子當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值θ的范圍限定在0～360°；(7)調(diào)用步驟(3)，確定轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間；(8)根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間，對步驟(6)中所述轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值θ的有效性進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值超出轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間時，則根據(jù)圖3所示關(guān)系表(以N＝2為例)對轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值的合理性進(jìn)行判斷并修正；(9)將修正后的轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值θ用于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)矢量控制算法。本發(fā)明的優(yōu)點在于：(1)使用低分辨率數(shù)字式位置傳感器對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行預(yù)估，無需外加數(shù)字電路，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單緊湊，可靠性高，降低了設(shè)計成本，適用范圍廣，容易實現(xiàn)。尤其適用于對已有采用低分辨率數(shù)字式位置傳感器的永磁同步電機系統(tǒng)升級改造，提升性能。(2)利用數(shù)字控制器內(nèi)部時鐘對轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行預(yù)估，實時性高，保證了轉(zhuǎn)子位置的高精度檢測，為實現(xiàn)高精度伺服控制奠定了基礎(chǔ)。附圖說明圖1為本發(fā)明實施例，以裝有兩個數(shù)字式位置傳感器為例，傳感器輸出電平值與轉(zhuǎn)子位置區(qū)間關(guān)系表。圖2為當(dāng)數(shù)字式位置傳感器信號跳變時，本發(fā)明方法判斷初始位置角與跳變前后轉(zhuǎn)子位置關(guān)系表。圖3為本發(fā)明實施例根據(jù)轉(zhuǎn)子所在區(qū)間，實時判斷轉(zhuǎn)子位置估計值有效性關(guān)系表。圖4為本發(fā)明裝置的原理結(jié)構(gòu)框圖。圖5為本發(fā)明裝置所用電機某相空載反電動勢與對應(yīng)數(shù)字式位置傳感器信號關(guān)系圖。圖6為本發(fā)明實施例的捕獲中斷服務(wù)程序流程圖。圖7為本發(fā)明實施例的定時中斷服務(wù)程序流程圖。具體實施方式本實施例以兩相電機為例，包括A相繞組和B相繞組。采用的數(shù)字式位置傳感器包括兩個互成電角度的霍爾位置傳感器Ha、Hb。對于本實施例，兩個數(shù)字式位置傳感器安裝角電角度相位差為90°，結(jié)構(gòu)如圖4所示。對于N個情況下(N>2)，N個數(shù)字式位置傳感器的安裝角計算方法相同，即N個數(shù)字式位置傳感器安裝角相位差為本裝置采用美國德克薩斯儀器公司(TexasInstruments，簡稱TI)的TMS320C28xTM系列數(shù)字信號處理芯片組成數(shù)字控制器，實現(xiàn)對功率驅(qū)動的控制。在實際系統(tǒng)中，以兩相電機為例，A相反電勢正向過零點作為轉(zhuǎn)子絕對零位，用于檢測轉(zhuǎn)子位置的數(shù)字式位置傳感器的安裝位置使之輸出信號與對應(yīng)相繞組反電勢波形應(yīng)滿足如圖5所示的對應(yīng)關(guān)系。N個數(shù)字式位置傳感器的輸出信號經(jīng)過異或門電路輸出至所述數(shù)字控制器的捕獲輸入端口CAP，用于對電機的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測量。所述控制器根據(jù)捕獲兩次跳變之間的時間測出當(dāng)前數(shù)字式位置傳感器信號的頻率，獲得電機的轉(zhuǎn)速。所示裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。所述數(shù)字控制器控制執(zhí)行捕獲中斷過程如下(流程如圖6)：(1)數(shù)字式位置傳感器輸出信號發(fā)生跳變時，數(shù)字控制器產(chǎn)生捕獲中斷，自動記錄內(nèi)部計數(shù)時鐘CTR當(dāng)前的計數(shù)值并與上次跳變時CTR的計數(shù)值作差，結(jié)果保存至寄存器CAP1，將CTR清零并執(zhí)行捕獲中斷服務(wù)程序。(2)捕獲中斷服務(wù)程序讀取CAP1寄存器內(nèi)的值，根據(jù)控制器內(nèi)部時鐘周期T0，解算出轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)電角度所對應(yīng)的時間T＝(CNT1-CNT0)·T0，進(jìn)而獲得電機轉(zhuǎn)速(3)讀取數(shù)字式位置傳感器電平值，根據(jù)圖1所示關(guān)系表確定轉(zhuǎn)子位置所在轉(zhuǎn)角區(qū)間。根據(jù)圖2所示關(guān)系表和轉(zhuǎn)向確定轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間的初始位置角θ0。(4)保存更新當(dāng)前數(shù)字式位置傳感器電平邏輯，供下次數(shù)字式位置傳感器信號跳變時使用。所述數(shù)字控制器控制執(zhí)行定時中斷過程如下(流程如圖7)：(1)控制器每隔Δt執(zhí)行一次定時中斷服務(wù)程序，與輸出PWM波的頻率一致，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)角θ的估計和每個周期PWM波脈寬的控制。(2)定時中斷服務(wù)程序?qū)崟r采樣控制器內(nèi)部時鐘CTR的當(dāng)前計數(shù)值，根據(jù)其內(nèi)部時鐘計數(shù)器周期T0，計算數(shù)字式位置傳感器信號跳變后至當(dāng)前時刻所對應(yīng)的時間：ΔT＝CTR·0T；(3)根據(jù)轉(zhuǎn)子速度ω，數(shù)字式位置傳感器信號跳變后至當(dāng)前時刻所對應(yīng)的時間ΔT，預(yù)估轉(zhuǎn)子當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置角θ＝θ0+ω·ΔT(4)對轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值θ的范圍進(jìn)行處理，限定為0°～360°；(5)讀取所述N個通用數(shù)字輸入端口的電平，根據(jù)數(shù)字式位置傳感器與轉(zhuǎn)子位置對應(yīng)關(guān)系(以N＝2為例，關(guān)系表見圖1)，得到轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間；(6)根據(jù)當(dāng)前轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間，監(jiān)控所述轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值的有效性。當(dāng)轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值超出轉(zhuǎn)子位置所在區(qū)間時，根據(jù)圖3所示的關(guān)系表對轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值合理性進(jìn)行判斷并修正；(7)根據(jù)修正后的所述轉(zhuǎn)子位置角預(yù)估值θ用于旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換，實現(xiàn)矢量控制算法。以上所述的具體實施方法，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施方式而已，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。