多相電機轉子磁極位置檢測的新型傳感器信號處理方法與流程

背景技術：
：在永磁同步電機和永磁無刷直流電機中，要根據轉子的磁極位置在各相線圈流過電流來產生所希望的力矩，因此需要一個位置檢測裝置為驅動器提供轉子位置信號。

利用位置傳感器進行位置檢測是最直接、最有效的方法。目前的位置傳感器有三種：霍爾傳感器、旋轉變壓器和光電編碼器。用霍爾傳感器檢測的一般方法一種是安裝三個相互偏移量為120°電角度的霍爾元件，這種安裝方法將提供三條相互偏移120°的方波曲線。用旋轉變壓器檢測時，其輸出信號為模擬量,需與旋轉變壓器數字轉換器配合才能轉換成數字量。這兩種傳感器檢測方法一般都需要軟件控制輔助完成轉子磁極位置檢測與系統控制。這種方法常常因為處理器(如SCM、DSP等)的死機造成傳感器信號錯誤或丟失，從而使得電機控制系統不能正常運行。另一種是在電機轉子軸上安裝位置編碼器以獲得確定轉子角位置信號，最早的位置傳感器是磁電式的，既笨重又復雜，已被淘汰，目前光電式的位置傳感器和電磁式位置傳感器廣泛應用于無刷直流電動機中。增量式光電編碼器在碼盤轉動過程中將產生A、B、Z三個脈沖信號。其中，A、B兩組脈沖信號正交輸出且頻率相同，通過判斷A、B脈沖的相位，可以判斷電機正、反轉運行狀態。Z脈沖是同步信號，其產生位置固定且每一圈產生一個，Z信號可以用來消除干擾脈沖或丟失脈沖對位置計數器造成的累積誤差。

無位置傳感器的位置檢測方法是現在人們熱衷研究的問題，但是在永磁同步電機處于靜止或電機剛給電時，電機的定子繞組上沒有能夠反映轉子位置的信號，因此不能用于永磁同步電機的初始定位。無位置傳感器的位置檢測法還存在計算量大、可靠性不高，存在軟件延時等缺點。采用帶定位信號U、V和W信號的增量式光電編碼器結合矢量控制原理可以對永磁同步電機轉子初始位置進行檢測。

多相永磁同步電機發展了三相永磁同步電動機的結構，多應用于航天、航空、船舶電動推進等領域，它相對于普通三相永磁同步電動機而言有諸多優勢，如隨著相數增多，電流諧波最低次數增大，諧波幅值降低，提高了系統穩定性，減小轉矩脈動，提高了電機工作效率，同時減小了轉子諧波損耗，另外一旦發生缺相等故障，系統仍然可以繼續運行。本專利涉及的多相永磁同步電機其定子上的相繞組在位置上是不對稱分布的，一種典型情況是：由幾套獨立的三相繞組構成不對稱分布，這幾套三相繞組分別是對稱分布的，且位置相差一定電氣角度，這種結構的電機其轉子在磁、電結構上不對稱，因此轉子磁極位置不容易被確定。

技術實現要素：
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發明目的：本發明提供一種多相電機轉子磁極位置檢測的新型傳感器信號處理方法，其目的是解決以往的設備所存在的問題。

技術方案：

一種多相電機轉子磁極位置檢測的新型傳感器信號處理方法,其特征在于：該方法的步驟如下：

將增量式光電編碼器固定在永磁同步電機的轉子軸上，使之與轉子同軸轉動，設編碼器分辨率為r，編碼器經四倍頻后，編碼器一周將產生四倍脈沖，即4r個脈沖。由于p對極電機的電氣角度為360°p，因此，當不對稱多相電機各相相差最小角度θ時，編碼器轉一周可以將電機分為N等份,由公式得：

每一等份與轉子位置對應的脈沖數為n，可由下面公式計算得出：

也就是說，每產生n個脈沖，電機換相一次，脈沖數可以通過計數器計數得到，并將得到的脈沖數送給存儲單元，再由存儲單元調用預先存儲的、與轉子位置相對應的數據信息輸出給換向電路，為電機提供正確的換相信息。

本方法中存儲單元采用并行輸入輸出方式，其中輸入位數由編碼器分辨率，也相當于計數的最大脈沖數決定，輸出位數由電機的相數決定，存儲器的其中一位輸入預留給電機的正反轉控制。

優點及效果：本發明的提供一種多相電機轉子磁極位置檢測的新型傳感器信號處理方法，針對上述存在的問題，結合不對稱多相電機的結構特點，本發明用于檢測永磁同步電機的轉子磁極位置，適用于某些特殊條件下，轉速低，相數多(如三相、六相、十二相、十五相等)的對稱或不對稱的永磁同步電機的轉子磁極位置檢測。本發明的新型傳感器采用光電編碼器結合相應的硬件電路，不完全依靠單片機的軟件算法實現，避免了由于處理器死機造成造成傳感器信號錯誤或丟失，從而使得電機控制系統不能正常運行。

本發明的具體有益效果如下：首先，在總體結構上，本發明的新型傳感器采用硬件電路搭建，處理器只用于實現簡單的控制功能。采用這種結構，輔以光電編碼器的Z脈沖復位功能，即使處理器死機，檢測系統仍舊可以保持相對穩定運行，不至于出現傳感器信號錯誤或丟失的現象。其次，對于磁和電結構不對稱的多相電機而言，采用脈沖計數法，僅需要在前期進行合理計算，計算出每一相所對應的脈沖數，可以簡化復雜的算法，并保證伺服系統的穩定性和定位精度，這種方法在對于精度要求不太高的伺服系統的應用中具有重大意義。

附圖說明：

圖1是本發明的整體結構流程圖。

圖2是雙三相永磁同步電機繞組結構。

圖3是雙三相永磁同步電機相量關系時序示意圖。其中以A相相位為基準，X＝A+30°，B＝A+120°，Y＝B+30°，C＝B+120°，Z＝C+30°

圖4是雙三相永磁同步電機換相信息表。

圖5是十五相永磁同步電機繞組結構。

圖6是十五相電機相量關系時序圖。其中每相相差24°。

具體實施方式：下面結合附圖對本發明做進一步的說明：

如圖1所示，本發明提供一種多相電機轉子磁極位置檢測的新型傳感器信號處理方法,該方法的步驟如下：

將增量式光電編碼器固定在永磁同步電機的轉子軸上，使之與轉子同軸轉動，設編碼器分辨率為r(r一般有1000線、2000線、1024線、2048線等)，編碼器經四倍頻后，編碼器一周將產生四倍脈沖，即4r個脈沖。由于p對極電機的電氣角度為360°p，因此，當不對稱多相電機各相相差最小角度θ時，編碼器轉一周可以將電機分為N等份,由公式得：

每一等份與轉子位置對應的脈沖數為n，可由下面公式計算得出：

也就是說，每產生n個脈沖，電機換相一次，脈沖數可以通過計數器計數得到，并將得到的脈沖數送給存儲單元，再由存儲單元調用預先存儲的、與轉子位置相對應的數據信息輸出給換向電路，為電機提供正確的換相信息。

本方法中存儲單元采用并行輸入輸出方式，其中輸入位數由編碼器分辨率，也相當于計數的最大脈沖數決定，輸出位數由電機的相數決定，存儲器的其中一位輸入預留給電機的正反轉控制。

實施例1：以48槽44極的不對稱六相永磁同步電機為例，如附圖2所示，定子上六個相繞組按照不對稱分布方式，由兩套獨立的三相繞組構成，這兩套三相繞組分別是對稱分布(空間相差120°)，且位置差30°電氣角度，稱為30°移相雙“Y”的六相繞組(也稱為雙三相繞組、半十二相繞組等)。選用分辨率為2000線的增量式光電編碼器，與轉子同軸轉動。為了確定永磁同步電機的轉子初始位置，需要選用帶定位信號U、V和W信號的增量式光電編碼器結合矢量控制原理轉子初始位置進行檢測。編碼器安裝好后，編碼器U信號和Z觸發信號的位置是固定的，和A相繞組軸線存在著對應關系，但電機轉子位置是隨機的。用Z脈沖作為復位脈沖的重要前提是：Z信號和A相軸線是重合的，由于安裝誤差可能導致不重合，可以輔助軟件調零。

對于44極的六相(30°移相雙“Y”繞組，下面統稱為雙三相永磁同步電機)永磁同步電機來說，p＝22，一圓周的電氣角度為22×360°＝7920°電氣角度，如附圖2的所示，該電機各相相差最小角度為30°，因此，編碼器轉一周可以將電機分為N等份,由公式得：

即，編碼器轉一周可以將44極的雙三相電機分為264等份，與轉子同軸的編碼器旋轉一周將產生264次換相信號。

以分辨率為2000線的編碼器用于檢測雙三相永磁同步電機為例，2000線編碼器經四倍頻電路倍頻后，一周將產生8000個脈沖，因此，44極的雙三相電機每極每相與轉子位置對應的脈沖數n:

即，每產生約30(或31，具體根據精度做調整)個脈沖，電機換相一次，換相信號根據附圖4所示的規律產生的十二個二進制序列碼，作為換相信號，這十二個換相信號與產生的脈沖數對應著存儲在存儲器中，等待調用，也就是說，與轉子同軸轉動的編碼器旋轉一周將產生264個不同的序列的換相信號，由計數器每計數約30個脈沖數時，則從存儲器調用相關的換相序列信號(如附圖4)，并輸出對應的換相序列信號給換相線路，從而實現永磁同步電機的換相。具體的實施流程如圖1所示，檢測過程為：光電編碼器與永磁同步電機轉子同軸轉動，編碼器產生脈沖經過四倍頻電路倍頻之后，由計數器計數脈沖個數，再根據脈沖數調用預先存儲在存儲器中的雙三相永磁同步電機的十二個換相狀態信息(如附圖4所示)，該換相信息與對應脈沖數相對應，通過存儲器查表調用得到，調用預先存儲的、與轉子位置相對應的數據信息輸出給換向電路，為電機提供正確的換向信息。其中存儲器的輸入位數與輸入的最大脈沖數有關，輸出位數與電機相數有關。

對于實例1，對于分辨率為2000線的光電編碼器存儲器，四倍頻后最多產生8000個脈沖，由于2¹³＝8192，因此并聯輸入方式的存儲器至少需要13位并行I/O口。輸出位數與電機相數有關，因此至少需要6位并行輸出I/0口，輸出六位二進制數，用于電機換相。

實施例2：以48槽44極的十五相永磁同步電機為例，如圖5所示，p＝22，一圓周的電氣角度為22×360°＝7920°電氣角度，電機各相之間相差角度為24°，因此，編碼器轉一周可以將電機分為N等份,由公式得：

即，編碼器轉一周可以將44極的雙三相電機分為330等份，與轉子同軸的編碼器旋轉一周將產生330次換相信號。

以分辨率為2000線的編碼器用于檢測雙三相永磁同步電機為例，2000線編碼器經四倍頻電路倍頻后，一周將產生8000個脈沖，因此，44極的雙三相電機每極每相與轉子位置對應的脈沖數n:

即，每產生約24(或25，具體根據精度做調整)個脈沖，電機換相一次，換相信號根據附圖6所示的規律產生的30個二進制序列碼，其中高電平用二進制數“1”表示，低電平用二進制數“0”表示，圖中沒有畫出。檢測過程為：光電編碼器與永磁同步電機轉子同軸轉動，編碼器產生脈沖經過四倍頻電路倍頻之后，由計數器計數脈沖個數，再根據脈沖數調用預先存儲在存儲器中的十五相電機的30個換相狀態信息(如附圖6所示)，該換相信息與對應脈沖數相對應，通過存儲器查表調用得到，調用預先存儲的、與轉子位置相對應的數據信息輸出給換向電路，為電機提供正確的換向信息。對于分辨率為2000線的編碼器而言，存儲器的輸入位數仍為13位并行輸入，與實例1相同，輸出位數與電機相數有關，為15位并行輸出I/O口。