[發明專利]一種電機轉角實時估計方法與裝置

有效

• 申請號: 201510867339.6
• 申請日: 2015-12-01
• 公開（公告）號: CN105720880B
• 公開（公告）日: 2017-07-21
• 發明（設計）人: 和陽;朱紀洪;王春明
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02P21/18
• 分類號: H02P21/18
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司11250
• 代理人: 張建綱

技術領域

本發明屬于信號檢測與處理及伺服控制技術領域，涉及一種電機轉角實時估計方法與裝置，該方法及裝置適用于航空航天、軍事裝備以及工業生產中對高精度電動伺服系統的控制。

背景技術

永磁同步電機控制系統中，轉子位置的獲取是電機準確定向的關鍵，因此需要位置傳感器對轉子位置進行實時檢測。目前高精度伺服機電系統采用的矢量控制方法，需要精確、實時檢測轉子位置并進行坐標變換，將定子坐標電流變換為dq軸電流并進行控制，因此對轉子位置傳感器的測量精度、數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，實際可用的轉子位置傳感器有多種，一般采用旋轉變壓器、絕對式光電脈沖編碼器或增量式光電脈沖編碼器等，同時需要相應的解調處理電路，結構復雜，增加了成本，降低了可靠性。

在采用矩形波驅動的永磁無刷直流電機控制系統中，只需要離散的轉子位置信息，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，轉子位置檢測精度很低，難以直接實現矢量控制，性能較差。

本發明提出一種基于低分辨率數字式位置傳感器的電機角實時估計的方法并設計了相應裝置，實現對機電伺服系統轉子位置高可靠高精度的測量。與現有方法相比，優點是采用低分辨率數字式位置傳感器，降低了成本及復雜度，提高了可靠性。其精度高、容易實現，適用范圍廣。尤其適用于對已有采用低分辨率數字式位置傳感器的永磁同步電機系統升級改造，提升性能。

發明內容

針對現有永磁同步電機控制系統轉子位置檢測結構復雜、成本高、可靠性低，以及常用于無刷直流電機控制系統的轉子位置檢測精度低的缺點，本發明提出一種基于低分辨率數字式位置傳感器的電機轉角實時估計的方法并設計相關裝置，含有一個數字控制器和一個異或門電路。其中：

所述數字控制器包含一個捕獲輸入端口，N個通用數字輸入端口，M個輸出端口。所述N個通用數字輸入端口分別與N個數字式位置傳感器的輸出相連；N個數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字控制器的捕獲輸入端口相連，結構如圖1所示。上述數字控制器輸出端口包含M個PWM端口，用于輸出脈寬調制(PWM)波，對電機各相電壓進行控制，其中M與電機相數相同。控制器通過調制PWM波的脈寬，改變控制電壓大小。圖4以采用兩路數字式位置傳感器作為輸入為例，示出了上述連接關系的結構原理圖。

所述數字控制器內部含有一個捕獲觸發中斷源和一個定時中斷源；所述捕獲觸發中斷源的信號來自于所述捕獲輸入端口，為上下邊沿觸發中斷；所述定時中斷源來自系統內部定時器，定時周期為Δt，定時周期應不小于所述PWM波的周期；

與上述數字控制器和異或門相連的N個數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)的數字式位置傳感器一般情況，間隔電角度為各路數字式位置傳感器每變化180°電角度，其輸出信號發生電平翻轉。電機連續運行時，對于僅裝有兩個數字式位置傳感器的特定情況，每隔90°電角度產生一次位置信號跳變；對于裝有N個(N>2)數字式位置傳感器的一般情況，每隔電角度產生一次位置信號跳變。當位置信號跳變時，所述數字控制器執行捕獲中斷服務程序。

所述數字控制器按以下方法步驟進行轉子位置估計：

(1)捕獲中斷時，讀取用于實施所述電機轉角實時估計方法的數字控制器內部時鐘CTR當前計數值，讀取后立即將CTR計數值清零；

(2)計算CTR當前計數值與前一次CTR計數值的差值CAP1，根據控制器內部時鐘周期T₀，得到電機旋轉電角度所對應的時間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)讀取所述數字控制器的N個通用數字輸入端口的電平值，根據用于檢測轉子區間的數字式位置傳感器與轉子位置對應關系(以N＝2為例，關系表如圖1所示)，得到轉子位置所在區間；

(4)根據位置信號跳變前轉子位置所在區間和轉子轉向，其關系表如圖2所示，確定位置信號跳變后轉子所在區間的初始位置角θ₀，并保存記錄本次數字式位置傳感器的電平邏輯；