一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機測速方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及永磁同步電機領(lǐng)域，特別是涉及一種基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機 測速方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 永磁同步電機驅(qū)動因具有維護簡單、效率高、低速性能好等優(yōu)點而得到廣泛應用。 永磁同步電機驅(qū)動控制系統(tǒng)采用矢量控制需要實現(xiàn)磁場定向控制，核心在于實現(xiàn)定子電流 勵磁分量與轉(zhuǎn)矩分量的完全解耦，即利用坐標變換原理實現(xiàn)定子電流靜止坐標和旋轉(zhuǎn)坐標 之間的變換，因此控制系統(tǒng)必須獲知坐標變化之間的夾角即電機轉(zhuǎn)子位置。
[0003] 目前，旋轉(zhuǎn)變壓器及基于光、電和霍爾原理的模擬編碼器被廣泛應用于永磁同步 電機驅(qū)動系統(tǒng)中的位置和速度控制系統(tǒng)中，成為永磁同步電機的重要組件。旋轉(zhuǎn)變壓器由 于其穩(wěn)定、高效、抗沖擊震動和溫濕度變化小等優(yōu)勢，被廣泛應用于航天器、衛(wèi)星天線、機器 人等工作環(huán)境惡劣的場合。在航天器低速部件等應用場合，要求驅(qū)動部件在極低速場合下 的高穩(wěn)定控制，而不出現(xiàn)抖動、滑移、爬行等現(xiàn)場，因此低速驅(qū)動模式下的速度檢測對永磁 同步電機的高性能控制具有重要意義。綜合來看，高精度速度的獲得一般有以下兩種方法： 一種是直接通過對電機軸安裝的位置傳感器的角度信號計算獲得，另一種是構(gòu)建速度觀測 器。速度觀測器基于整個伺服系統(tǒng)模型，這種方法與控制策略密切相關(guān)，其缺點是需要大量 的先驗知識，如轉(zhuǎn)動慣量等，實際應用效果并不好。
[0004] 航天器低速驅(qū)動部件采用永磁同步電機閉環(huán)控制方式，作為永磁同步電機高性能 驅(qū)動控制的關(guān)鍵技術(shù)之一是實現(xiàn)高精度的位置和轉(zhuǎn)速的檢測和處理。為了提高控制性能， 需要選擇足夠精度和分辨力的測速裝置。針對航天器低速驅(qū)動部件需要滿足抗沖擊震動、 真空、溫濕度環(huán)境差異大等特點，位置和速度檢測通常采用旋轉(zhuǎn)變壓器，通過解調(diào)電路分別 實現(xiàn)粗機旋轉(zhuǎn)變壓器和精機旋轉(zhuǎn)變壓器信號的解調(diào)。目前旋轉(zhuǎn)變壓器位置檢測分辨力最高 為16位，經(jīng)過1 :32對極的旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)數(shù)據(jù)進行粗精耦合后位置檢測分辨力達到了 21 位的更高分辨力。
[0005] 傳統(tǒng)的速度測量方法為對兩次采樣間隔的旋轉(zhuǎn)變壓器解碼數(shù)據(jù)進行一階差分計 算，其計算方法如下式所示：
[0006] (1)
[0007] 式中，《為計算得到的速度，0為旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)出來的電機位置角度，k為檢測 時刻，Ts為速度計算的采樣周期。
[0008] 考慮到21位旋轉(zhuǎn)變壓器解調(diào)分辨力，為了保證永磁同步電機的控制性能，控制周 期不宜過長，如果采樣周期Ts=lms，根據(jù)式（1)進行計算可以得到最低速度為0. 172° / s。根據(jù)式（1)，角度變化一個當量，由于測量分辨力為21位，角度當量為360° /2~21 = 0. 000172°，此值再除以Ts，則得到最低速度。當速度低于此值時，速度檢測計算結(jié)果經(jīng)常 為0,因此這個速度檢測精度不能滿足更低速度檢測精度的要求。如果采樣周期變大，則將 導致速度檢測精度更低。
[0009] 上述計算結(jié)果表明在永磁同步電機低速驅(qū)動下速度測量誤差大，測速精度較差， 而且控制的目標速度越低，精度越差。
[0010] 在低速驅(qū)動模式下，為了實現(xiàn)速度的測量精度，一般采用通過測量固定角度的脈 沖間隔時間來計算電機的轉(zhuǎn)速，即定角測時法，其計算方法如下所示：
[0011] (2)
[0012] 典型的采用光柵編碼器位置檢測方法由于本身具有測速脈沖因而較容易實現(xiàn)上 述高精度速度測量，而針對旋轉(zhuǎn)變壓器測量角度和速度方法，由于與光柵編碼器位置檢測 原理不一樣，本身并沒有測角和測速脈沖，因此需要一種用于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步低速 驅(qū)動下的高精度測速方法。
[0013] 現(xiàn)有技術(shù)中，對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼角度數(shù)據(jù)差分計算來獲得速度在永磁同步電機低 速驅(qū)動下測量誤差大，測速精度較差；而光柵編碼器不適合用于航天、航空等環(huán)境惡劣的場 合，采用Kalman濾波器對低速驅(qū)動下量化誤差的補償方式基于電機的運動狀態(tài)方程，階數(shù) 較高，當控制對象復雜時階數(shù)更高，且和控制對象和電機的參數(shù)相關(guān)，計算方法復雜。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題為：提出了一種用于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機低速驅(qū) 動下的高精度測速方法，可以顯著提高永磁同步電機低速驅(qū)動下的測速精度，提高驅(qū)動控 制性能，且實現(xiàn)方法簡單，不需要增加額外的硬件，成本較低；克服永磁同步電機在低速驅(qū) 動場合下，傳統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)變壓器測速方法測量精度低、使得控制性能較差的問題。
[0015] 本發(fā)明的技術(shù)方案為：
[0016] -種基于旋轉(zhuǎn)變壓器的永磁同步電機測速方法，包括，S1，采用旋轉(zhuǎn)變壓器對電 機的角度進行采集；S2,FPGA對旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器的總線數(shù)據(jù)進行讀取，通過總線數(shù)據(jù)位 信號的變化生成測速脈沖，測量兩個測速脈沖之間的時間間隔，將時間間隔發(fā)送給處理器； S3，處理器使用時間間隔的數(shù)據(jù)計算得出測速的結(jié)果。
[0017] 進一步地，在FPGA和解碼芯片之間設(shè)有電平匹配電路，實現(xiàn)不同信號電平之間的 匹配。
[0018] 進一步地，采用FPGA通過變壓器解碼器的總線數(shù)據(jù)位實現(xiàn)測速脈沖的生成以及 脈沖時間間隔的讀取，包括如下過程：步驟Sll:FPGA軟件設(shè)置數(shù)據(jù)鎖存器輸出使能信號 EN常低，解碼數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換禁止信號INH常高；步驟S12 :FPGA軟件設(shè)置一個捕捉定時器，捕捉 定時器時鐘可根據(jù)預分頻系數(shù)CPPSREG確定，定時器時鐘頻率等于系統(tǒng)時鐘頻率除以2的 CPPSREG次冪；步驟S13 :FPGA軟件監(jiān)視精機解調(diào)器AD2S80A的總線數(shù)據(jù)相應位RDD.X的跳 變，并根據(jù)跳變的上升沿生成脈沖信號，AD2S80A總線數(shù)據(jù)相應位的選擇取決于精度定標寄 存器UPPSREG[X]，X= 15~12并分別對應總線數(shù)據(jù)位序號；步驟S14 :捕捉定時器CTMR為 脈沖時間提供計時基準；通過捕捉定時器測量兩個測速脈沖之間的間隔，在每個測速脈沖 的下降沿，捕捉定時器中CTMRREG的值被鎖存至周期寄存器CPRDREG中，然后捕捉定時器的 CTMR復位，并使事件標志位RDSTS[UPEVENT]置位，處理器軟件讀取此位后清除此置位；步 驟S15 :在測速間隔脈沖之間，如果捕捉定時器發(fā)生了上溢，F(xiàn)PGA軟件設(shè)置一個狀態(tài)標識位 RDSTS[OEF]對此進行置位標志；步驟S16 :如果在兩個脈沖之間發(fā)生了方向變化，F(xiàn)PGA軟件 設(shè)置一個狀態(tài)標識位RDSTS[DEF]進行置位標志；步驟S17 :FPGA軟件在控制周期的上升沿 讀取旋轉(zhuǎn)變壓器解碼器的位置信號，供處理器軟件讀取。
[0019] 進一步地，處理器在每個控制周期內(nèi)讀取旋轉(zhuǎn)變壓器的位置信號，通過根 據(jù)事件標志位RDSTS[UPEVENT]進行高精度速度計算，速度計算方法如下式所示：
式中，《為電機機械角速度，X為選擇的總線數(shù)據(jù)位，N 為機械角度測量精度，TePRDRE(；為捕獲周期寄存器的計數(shù)值，CPPSREG為定時器預定標系數(shù)，faK為系統(tǒng)時鐘頻率。
[0020] 進一步地，方向鑒別信號采用AD2S80A解碼器的方向信號。
[0021] 進一步地，處理器進行轉(zhuǎn)速計算的處理流程如下：步驟S21 :處理器軟件設(shè)置 預分頻系數(shù)CPPSREG;步驟S22 :處理器軟件設(shè)置監(jiān)視精機解調(diào)器AD2S80A的總線數(shù)據(jù) 相應位RDD.X，設(shè)置精度定標寄存器UPPSREG[X];步驟S23 :處理器軟件判斷事件標志 RDSTS[UPEVENT]，滿足條件后讀取FPGA通過數(shù)據(jù)總線發(fā)送過來的捕捉寄存器鎖存值，計算 電機速度；步驟S24 :處理器軟件讀取FPG