[发明专利]一种电机转角实时估计方法与装置

说明书

技术领域

本发明属于信号检测与处理及伺服控制技术领域，涉及一种电机转角实时估计方法与装置，该方法及装置适用于航空航天、军事装备以及工业生产中对高精度电动伺服系统的控制。

背景技术

永磁同步电机控制系统中，转子位置的获取是电机准确定向的关键，因此需要位置传感器对转子位置进行实时检测。目前高精度伺服机电系统采用的矢量控制方法，需要精确、实时检测转子位置并进行坐标变换，将定子坐标电流变换为dq轴电流并进行控制，因此对转子位置传感器的测量精度、数字信号的处理速度要求很高。矢量控制方法在检测和控制电枢绕组电流时，实际可用的转子位置传感器有多种，一般采用旋转变压器、绝对式光电脉冲编码器或增量式光电脉冲编码器等，同时需要相应的解调处理电路，结构复杂，增加了成本，降低了可靠性。

在采用矩形波驱动的永磁无刷直流电机控制系统中，只需要离散的转子位置信息，即有限个换向时刻点，因此采用低分辨率的位置检测器即可(通常使用霍尔位置传感器)，成本及复杂性极大降低。然而，采用低分辨率位置检测器的永磁同步电机系统，转子位置检测精度很低，难以直接实现矢量控制，性能较差。

本发明提出一种基于低分辨率数字式位置传感器的电机角实时估计的方法并设计了相应装置，实现对机电伺服系统转子位置高可靠高精度的测量。与现有方法相比，优点是采用低分辨率数字式位置传感器，降低了成本及复杂度，提高了可靠性。其精度高、容易实现，适用范围广。尤其适用于对已有采用低分辨率数字式位置传感器的永磁同步电机系统升级改造，提升性能。

发明内容

针对现有永磁同步电机控制系统转子位置检测结构复杂、成本高、可靠性低，以及常用于无刷直流电机控制系统的转子位置检测精度低的缺点，本发明提出一种基于低分辨率数字式位置传感器的电机转角实时估计的方法并设计相关装置，含有一个数字控制器和一个异或门电路。其中：

所述数字控制器包含一个捕获输入端口，N个通用数字输入端口，M个输出端口。所述N个通用数字输入端口分别与N个数字式位置传感器的输出相连；N个数字式位置传感器的输出同时也连接至一个具有N路输入端的异或门电路，所述异或门电路的输出端与上述数字控制器的捕获输入端口相连，结构如图1所示。上述数字控制器输出端口包含M个PWM端口，用于输出脉宽调制(PWM)波，对电机各相电压进行控制，其中M与电机相数相同。控制器通过调制PWM波的脉宽，改变控制电压大小。图4以采用两路数字式位置传感器作为输入为例，示出了上述连接关系的结构原理图。

所述数字控制器内部含有一个捕获触发中断源和一个定时中断源；所述捕获触发中断源的信号来自于所述捕获输入端口，为上下边沿触发中断；所述定时中断源来自系统内部定时器，定时周期为Δt，定时周期应不小于所述PWM波的周期；

与上述数字控制器和异或门相连的N个数字式位置传感器安装角之间的电角度为对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，间隔电角度为90°；对于装有N个(N>2)的数字式位置传感器一般情况，间隔电角度为各路数字式位置传感器每变化180°电角度，其输出信号发生电平翻转。电机连续运行时，对于仅装有两个数字式位置传感器的特定情况，每隔90°电角度产生一次位置信号跳变；对于装有N个(N>2)数字式位置传感器的一般情况，每隔电角度产生一次位置信号跳变。当位置信号跳变时，所述数字控制器执行捕获中断服务程序。

所述数字控制器按以下方法步骤进行转子位置估计：

(1)捕获中断时，读取用于实施所述电机转角实时估计方法的数字控制器内部时钟CTR当前计数值，读取后立即将CTR计数值清零；

(2)计算CTR当前计数值与前一次CTR计数值的差值CAP1，根据控制器内部时钟周期T₀，得到电机旋转电角度所对应的时间T＝CAP1·T₀。计算电机角速度并保存本次CTR值，供下次比较使用；

(3)读取所述数字控制器的N个通用数字输入端口的电平值，根据用于检测转子区间的数字式位置传感器与转子位置对应关系(以N＝2为例，关系表如图1所示)，得到转子位置所在区间；

(4)根据位置信号跳变前转子位置所在区间和转子转向，其关系表如图2所示，确定位置信号跳变后转子所在区间的初始位置角θ₀，并保存记录本次数字式位置传感器的电平逻辑；