永磁同步电机超低速下的转速检测及控制
极低速区永磁同步电机无速度传感器控制方法比较
3P2ψ
2 m
I
c
2Jωc
sin(ωct)
(3)
其中， ε 为转子位置误差，P 为电机极对数，
J 为转动惯量，ψ m 为永磁磁链。
由(3)式可以看出，q 轴反电势脉动包含转
子位置误差信息。因此，采取与高频信号注入
法类似的方法，可构造如下误差信号：
{ } Fε = LPF ecq (t) sin(ωct)
θ% r
其中，BSF 表示带阻滤波，滤除 cos(2ωht) 。
由(2)式可以看出，若 iθ%r 为零，则意味着
θ%r 为零。因此，可以通过控制误差信号 iθ%r 为
零，使得转子位置误差为零，从而获得准确的
转子位置，并进而获得准确的估计转速。
图 (1) 为 基 于 上 述 高 频 信 号 注 入 法 的
极低速区永磁同步电机无速度传感器控制方法比较
Comparison of Speed Sensorless Control Methods of PMSM at Very Low Speeds 清华大学电机系 吴姗姗 李永东
Email: wuss03@、liyd@
为避免上述高频信号注入法存在的问 题，文献[8]提出了一种基于低频信号注入的 方法。该方法仅利用永磁同步电机的基波模 型，不依赖电磁凸极，所以不受电机结构影 响，具有普遍的适用性。但该方法动态响应性 能有待提高。
本文在表面贴论分析、仿真及实验验证,比较了高、低 频信号注入法在极低速区的 SMPM 无速度传感 器控制性能，并得出一定结论。
(b)
图 7 空载，转速突变 75rpm->-75rpm->75rpm
图 7 为 SMPM 极低速空载运行时转速突 变的实验波形。从图中可以看出，实际转速和 估计转速均能跟随参考转速变化，稳态误差较 小。高频信号注入法的动态响应速度比低频信 号注入法稍快，但由于注入信号幅值较大，使 得稳态转速高频脉动较大。
永磁同步电机降阶观测器及速度跟踪控制
永磁同步电机降阶观测器及速度跟踪控制高伶俐;张著洪【摘要】针对永磁同步电机的速度跟踪控制,提出关于电枢电流的非线性降阶观测器和电机控制系统的非线性速度控制器,并探讨系统的稳定性.理论上,通过引入微小可调参数,解决非线性系统的线性部分不可观问题；进而,利用李亚普诺夫稳定性理论及线性矩阵不等式,获得系统的稳定性结论.数值实验显示,受控系统的输出在所设计的控制器作用下,能快速跟踪参考信号,系统的稳态性能较好.%For the speed tracking control problem of Permanent Magnet Synchronous Motor, one nonlinear reduced observer of the armature-current and one nonlinear speed tracking controller of the motor control system are proposed, and the stability of the system is also discussed. Theoretically, the problem, which the linear part of the system is not observable, is solved in terms of introducing a small adjustable parameter. Based on the Lya-punov stability theory and LMI, we obtain the stability conclusion of the system. Numerical experiments show that the output of the controlled system can track rapidly the given reference signal, and the system displays better stability.【期刊名称】《贵州大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(028)003【总页数】5页(P60-64)【关键词】永磁同步电机;降阶观测器;速度控制;LMI【作者】高伶俐;张著洪【作者单位】贵州大学理学院,系统科学与信息技术研究所,贵州贵阳550025;贵州大学理学院,系统科学与信息技术研究所,贵州贵阳550025【正文语种】中文【中图分类】TM341随着电力电子、微型计算机、传感器等技术以及稀土永磁材料和电机控制理论的快速发展，电机交流伺服控制技术取得了长足进步［1］。
FOC永磁同步电机驱动调试方法
FOC永磁同步电机驱动调试方法FOC（Field Oriented Control）永磁同步电机驱动调试方法是一种常用的电机控制方法，通过合理调节电机控制参数，实现电机的高效、稳定运行。
以下是FOC永磁同步电机驱动调试方法的步骤：1.硬件连接检查：首先，检查电机与驱动器的硬件连接是否正确。
确保电机的三相线与驱动器的对应输出线正确连接，同时检查电源供电以及信号线的连接是否稳定。
2.运行基本参数设定：在调试软件上设置电机相关基础参数，包括电机电流限制、电机的电气参数等。
具体参数可以参考电机和驱动器的技术手册或者相关资料。
3.位置传感器校准：FOC电机控制通常需要位置传感器的反馈信号，例如编码器或霍尔传感器。
根据具体的传感器类型，在调试软件上进行相关参数校准，确保传感器的输出精确、稳定。
4. PI控制参数设定：FOC电机控制一般采用PI（Proportional-Integral）控制器进行速度和电流控制。
根据电机的特性和性能需求，设置合适的比例系数（Kp）和积分系数（Ki），进行初步调试。
5.初始位置设置：在开始调试之前，需要设定电机的初始位置。
常用的方法是让电机转动到一个已知的机械角度，并记录下此时的电流、速度等参数。
6.转子位置估计：在FOC电机控制中，常用的转子位置估计方法有电流定向观测法和飞轮观测法等。
根据选用的方法，在调试软件上进行相关参数校准，确保能够准确地估计转子的位置。
7.闭环调试：开始闭环调试之前，可以通过手动控制或开环控制，观察电机的反应和性能。
在闭环调试过程中，可以逐步增加控制器的增益，观察电机的速度和电流响应，根据实际情况进行参数调整。
8. 电流环调试：首先进行电流环（Current Loop）的调试，通过调整PI控制器的参数，使得电机的电流跟踪设定值。
观察电流的波形是否平稳、稳定。
9. 速度环调试：在电流环调试完成后，进行速度环（Speed Loop）的调试。
调整PI控制器的参数，使得电机能够按照设定的速度运行，并观察速度的响应和稳定性。
低速大转矩永磁同步电机及其控制系统共3篇
低速大转矩永磁同步电机及其控制系统共3篇低速大转矩永磁同步电机及其控制系统1低速大转矩永磁同步电机及其控制系统永磁同步电机是一种磁铁固定的电机，在工业生产中应用广泛。
低速大转矩永磁同步电机是其中一种，在许多应用场合广受欢迎。
本文将介绍低速大转矩永磁同步电机及其控制系统的工作原理、特点以及在不同领域的应用。
一、低速大转矩永磁同步电机的工作原理低速大转矩永磁同步电机是一种基于磁场共振原理来实现转矩输出的电机，其结构包括永磁体、定子和转子。
永磁体固定在定子上，输送直流电流产生轴向磁场，而定子上的绕组产生旋转磁场。
转子上的磁场与旋转磁场相互合作，使得转子受到的转矩最大化。
由于磁场共振效应，使得低速大转矩永磁同步电机在稳态运行时，能够产生更大的转矩输出，同时保持较高的效率。
二、低速大转矩永磁同步电机的特点1.具有高效率和高功率因数。
低速大转矩永磁同步电机的效率可以达到80%以上，功率因数可以接近1。
2.具有高精度和高性能。
低速大转矩永磁同步电机的转矩输出和转速能够实时控制，可以满足不同领域下的高性能和高精度要求。
3.工作稳定、可靠性高。
低速大转矩永磁同步电机适用于长期持续运转，并且不需要额外的机械结构来保证稳定性。
三、低速大转矩永磁同步电机的控制系统低速大转矩永磁同步电机的控制系统需要实现对转速、转矩和位置等参数的控制。
传统的控制方法包括PID控制、模型预测控制等，但是由于低速大转矩永磁同步电机的特殊性质，需要采用更加先进的控制方法。
现在广泛使用的控制方法有：磁场定向控制和磁场调制控制。
磁场定向控制是通过控制不同轴的磁场来实现对电机的转速和位置的控制。
磁场调制控制则是通过在电机不同部分施加不同频率的磁场以达到控制转速和转矩的效果。
四、低速大转矩永磁同步电机的应用由于其高效率、精度和稳定性，低速大转矩永磁同步电机在很多领域都得到了广泛应用。
在机床上，低速大转矩永磁同步电机可以带动机床的主轴，实现高精度和高速度的金属加工。
永磁交流伺服系统速度检测与控制研究
永磁交流伺服系统速度检测与控制研究一、本文概述Overview of this article随着工业自动化的快速发展，永磁交流伺服系统作为一种高性能的驱动控制设备，在机器人、数控机床、风电设备等领域得到了广泛应用。
伺服系统的核心任务是实现对电机转速和位置的精确控制，以满足各种复杂工况下的高精度运动需求。
因此，对永磁交流伺服系统的速度检测与控制技术进行深入研究，对于提高伺服系统的性能、稳定性和可靠性具有重要意义。
With the rapid development of industrial automation, permanent magnet AC servo systems have been widely used as high-performance drive control equipment in fields such as robots, CNC machine tools, and wind power equipment. The core task of a servo system is to achieve precise control of motor speed and position to meet the high-precision motion requirements under various complex working conditions. Therefore, in-depth research on speed detection and control technology of permanent magnet AC servo systems is of greatsignificance for improving the performance, stability, and reliability of servo systems.本文旨在全面分析和研究永磁交流伺服系统的速度检测与控制技术。
永磁同步电机的位置和速度检测方法
第18卷第3期沈阳工业大学学报Vol.18No.3 总 第 69期Journal of Shenyang Sum No.69 1996年9月Polytechnic University Sep. 1996 永磁同步电机的位置和速度检测方法郭庆鼎 罗睿夫 王丽梅(电气工程系)摘要 介绍了用旋转变压器实现交流永磁伺服电机的磁极位置、速度检测的原理和一种新的实现方法.文中给出了实际的磁极位置和速度信号的解调电路,并对解调原理进行了详尽的分析.该方案工作可靠、检测精度较高,完全能够满足数控机床用高性能交流伺服系统的需要.关键词:旋转变压器;伺服系统;检测中图法分类::TM383.20 引 言 正弦波驱动的高性能伺服系统需要有高精度的磁极位置信号和速度反馈信号,以满足伺服系统高精度定位的需要.这也就要求系统配有高性能的磁极位置检测元件.目前,常用的检测元件主要有绝对式光电编码器、无刷旋转变压器及变磁阻式反馈传感元件.绝对式光电编码器精度虽高,但价格昂贵,可靠性较低,对机械安装要求较高,低速运行不平稳,适用性差,故应用较少.而无刷旋转变压器则不然,它结构坚固简单,成本低,低速运行平稳,检测精度较高,并且由于其与驱动器之间传递的信号为低频正弦信号,所以不受噪声的影响,抗干扰能力强.兼之能同时输出线性度达1%的高精度模拟量信号,因而在欧美的高性能交流伺服系统中广泛采用无刷旋转变压器作为磁极位置传感器.本文所论述的方法通过将旋转变压器输出的信号经高频数字化处理,从中提取出交流永磁伺服电机转子的磁极位置信号和转子速度信号.1 旋转变压器的工作原理 图1为旋转变压器的结构示意图.当旋转变压器用作角度检测反馈装置用时,只需用一个转子绕组就足够了.旋转变压器的定子绕组由两个幅值相等,相位相差90°的高频正弦电压U1、U2来激磁.U1(t)=U a sin(ω0t)本文收到日期:1994-12-03 第一作者. 男. 56. 教授 5)PROM 的输出Q12Q2为一组,Q3、Q4为一组,分别接于旋转变压器的两个励磁绕组上.其利用场效应管的开关特性形成阶梯波.由于其频率很高和电感滤波,因此近似为正(余弦波作为旋图2 旋转励磁信号与基准信号发生电路转的励磁信号.由于其采用数字化合成法,所经该波形在形状和相位上得到了严格的保证.2.2磁极位置解调旋转变压器输出的双极性信号通过高输入阻抗差动放大器后,获得单极性信号.该信号是含有转子位置信息与高频载波信号的混频信号:u =U sin (ω0+ωt )t式中 u为旋变的输出信号:U 为正弦信号的最大值:ω0为旋变励磁信号角频率:ωt为电机转子角速度.该信号经过滤波器与交流放大器后,获得没有直流分量且失真度较小的正弦波信号作为磁极位置解调电路的输入信号.磁极位置解调电路如图3所示8沈阳工业大学学报第18卷图3 磁极位置解调原理图 T P 2点的波形为正弦波,在转子转动条件下其表达式为u =U sin (ω0+ωr )t TP 2信号经反相反,输出为u =-U sin (ω0+ωr )t 这两路信号一起作为解调信号送入由D G 211C J 构成的开关电路,而由PROM 的输出信号Q 5和Q 8经反相后,作为四模拟开关的两个时间基准控制信号. 令ωn =θ,则Q 5和Q 8与TP 2为同频信号,只是相位相差θ角随转子旋转θ角不断变化,反映出转子不断变化的角位移.同理Q 5和Q 7经反相器输出后,作为另两个模拟开关的基准信号.由于Q 5、Q 7和Q 8的初相不相同,且模拟开关为高电平时闭合导通,因此可知,四,模拟开关的输出信号相差90°6电角度.又由于产生磁极位置信号的两路结构完全相同,所以若规定其中一路信号为正弦信号,另一路即为余弦信叼.获得了伺服系统控制回路所需的磁极位置信号.2.3 转子速度解调图4为转子速度解调基本电路图.旋转变压器输出的双极性信号通过高输入阻抗的差动放大器变成单极性信号———含有转子相位和高频励磁载波信号的正弦信号u =U sin (ω0+ωr )t ,该信号经滤波电路和比较器后变为与该信号同相位的方波信号.该方波信号通过与基准励磁信号鉴相及积分处理,获得两路相差180°且与电机转子转动同周期的转子相位的周期信号(锯齿波信号).此转子相们信号经微分电路获得电机旋转角速度ωr .9第3期郭庆鼎等:永磁同步电机的位置和速度检测方法图4 转子速度解调基本电路图 图5为鉴相电路构成图.此鉴相电路由两路组成,且两路电路结构完全一样只不过两路D触发器D端信号有差别.U1的D端信号来自PROM的输出端Q5,U1的D端信号来自PROM的输出端Q7,二者相位相差1/4周期.但都与励磁信号同周期.图5 鉴相电路图 由D触发器的工作原理可知,U1输出端的信号取决于CP脉 冲上升沿到来时D端的信号.当CP脉冲上升沿到来时刻,若D端为高电平,则其输出Q端为高电平,否则为低电平.由于CP脉冲信号是与旋变输出信号同周期的方波信号,故CP脉冲与D脉冲之间的相差即为电机转过的角度ωrt.所以电机旋转360°电角度,U1电平变化一个周期,即U1输出端Q端信号的周期应是电机旋转的周期.同理U1的方波周期也是转子旋转的周期,只不过是相位相差1/4周期而已.位相反的方波信号,作为J K触发器2的J K端的控制信号.由于J K触发器2的J端的频率为励磁信号频率的两倍,所以电机旋转一个周期,J和CP相差两个周期,也就是说速度解调信号的频率为电机旋转频率的两倍.J K触发器2的输出信号加于模拟开关的控制,取样两路微分电流.运算放大器A为一惯性环节,将电流信号转换为电压信号,并具有一定的滤波作用.至此,转子速度信号被解调出来.3 结 论 以上分析表明,该方案能够迅速、准确地检测出交流永磁伺服电机转子的磁极,,位置信号和速度信号磁极位置信号输出波形不但正、负半周完全对称,且峰值相等、相位相差90度.检测出的速度信号平滑,具有很高的线性度,实际在数控机床进给系统中应用证明,其精确度完全能够满足高精度交流伺服系统的需要.而且由于该方案在信号处理上采用了数字化处理手段,因而使得在此基础上实现数字化检测变得简单易行.参考文献1 Guo Qingding,Luo Ruifu,wang Limei.Fully Digital permanent Magnet Synchronous Motor Servo System Basedon DSP.Proceedings of ICPE’95,1995,30～342 郭庆鼎,王成元编著.交流伺服系统.机械工业出版社,1994A Detecting of Method Position and Speed ofPermanent Magnet Synchromous MotorGuo Qi ngdi ng,L uo R rif u W angL i mei(Dept.of Mechanical Engineering,SPU)AbstractThis paper imtrocducs a new method of dectecting absolute position and analogy velocity with re2 solver.The actual circuit of edmodulation is given.The operation theory is analyzedin detail.It has been concluded that the method is resonable,reliable and can be satisfied with the requirments of high2per2 formance AC servo system.K ey w ords:sping;tronsformers;servo system;measuring。
211050072_磁通切换永磁同步电机宽调速运行分析及测试
引用格式：郭新军, 张洋, 骆继明, 等. 磁通切换永磁同步电机宽调速运行分析及测试[J]. 中国测试，2023, 49(3): 84-90. GUO Xinjun, ZHANG Yang, LUO Jiming, et al. Analysis and test of flux switching permanent magnet synchronous motor with wide speed regulation[J]. China Measurement & Test, 2023, 49(3): 84-90. DOI: 10.11857/j.issn.1674-5124.2021070031磁通切换永磁同步电机宽调速运行分析及测试郭新军1， 张 洋1,2， 骆继明1， 黄全振1， 黄明明1(1. 河南工程学院电气信息学院，河南 郑州 451191; 2. 国网河南省电力公司电力科学研究院，河南 郑州 450052)摘 要: 磁通切换永磁同步电机以其简单的结构、低畸变率正弦性输出波形以及较高的转矩密度等优点，在电动汽车领域有着广泛应用，其运行特性由不同控制策略决定。
针对传统磁通切换永磁同步电机运行范围较窄的不足，提出相应的最大转矩电流比和q 轴弱磁控制策略。
首先，分析磁通切换永磁同步电机运行工作机理及特点，建立相应的以定、转子为坐标系的数学模型。
其次，根据电机不同运行区域工作特点对其性能进行仿真，计算结果显示可实现电机在高效运行的同时拓宽其运行范围。
最后，基于一台1 kW 样机搭建控制测试系统。
转矩和功率输出测试结果显示，结果表明所提出的弱磁控制策略拓宽电机运行范围，正确性和有效性得到验证。
关键词: 磁通切换; 永磁同步电机; 宽调速; 弱磁控制中图分类号: TM743;TB9文献标志码: A文章编号: 1674–5124(2023)03–0084–07Analysis and test of flux switching permanent magnet synchronousmotor with wide speed regulationGUO Xinjun 1, ZHANG Yang 1,2, LUO Jiming 1, HUANG Quanzhen 1, HUANG Mingming 1(1. School of Electrical Information Engineering, Henan University of Engineering, Zhengzhou 451191, China;2. Electric Power Research Institute of State Grid Henan Electric Power Company, Zhengzhou 450052, China)Abstract : With possessing the characteristics of simple structure, low distortion rate sinusoidal output waveform and high torque density, flux switching permanent magnet motor (FS-PMSM) has a broad application prospect in the field of electric vehicles. Its operating characters are depended on its control strategy. In order to overcome the disadvantage of narrow operating range of the FSPMSM, the corresponding maximum torque current ratio and q-axis flux weakening control strategy for the motor are proposed. Firstly,the working principle, characteristics of the motor are analyzed, and the corresponding mathematical model with the stator and rotor as the coordinate system is established. Secondly, according to the characteristics of different operation areas, the motor can operate efficiently and broaden its operation range at the same time through simulation calculations and analysis. Finally, an experimental system is built to verify the proposed control strategy based on a 1 kW prototype test system. The results of torque and power output show that the收稿日期: 2021-07-04；收到修改稿日期: 2021-10-11基金项目: 国家自然科学基金面上项目（62173126）；河南省高校科技创新团队支持计划（21IRTSTHN017）；河南省自然科学基金（212300410127）；河南省科技攻关项目（212102210022）；河南工程学院博士培育基金（D2022012）作者简介: 郭新军（1968-），男，河南长葛市人，教授，硕士，研究方向为永磁电机设计、电力电子在新型控制系统中的应用。
永磁同步电机高精度转速测量技术研究
第52卷第6期2012年11月大连理工大学学报J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yV o l .52,N o .6N o v .2012文章编号:1000-8608(2012)06-0890-06永磁同步电机高精度转速测量技术研究林瑶瑶*, 仲崇权(大连理工大学电子信息与电气工程学部,辽宁大连 116024)摘要:针对永磁同步电机闭环调速系统对速度反馈的要求,研究了M 法㊁T 法和M /T 法电机测速的原理,采用基于增量式光电编码器的T 法测速,进一步研究了光电编码器和T 法在测速中的对应关系,给出了机械误差和测速干扰误差对该测速方法测速精度的影响.通过限幅滤波与分段式限速滤波相结合的方法降低传感器固有机械误差,采用低通滤波算法减小测速干扰误差.最后给出了T 法测速的测量电路和算法实现.通过实验验证了测速系统克服干扰误差影响的效果,提高了测速性能.关键词:永磁同步电机;T 法测速;数字滤波;光电编码器中图分类号:T P 273文献标志码:A收稿日期:2011-04-04; 修回日期:2012-09-25.作者简介:林瑶瑶*(1982-),男,博士生,E -m a i l :b i l l _l i n y y@139.c o m ;仲崇权(1966-),男,博士,教授,博士生导师.0 引 言高精度伺服驱动器是现代运动控制技术的重要组成部分,广泛应用于工业机器人及数控加工中心[1]等自动化设备中.在当前交流伺服驱动器设计中普遍采用基于矢量控制[2]的电流㊁速度㊁位置三闭环控制算法.在伺服驱动器速度闭环控制中,电机转速实时检测性能对于改善速度闭环控制动静态特性至关重要.目前关于永磁同步电机测速的方法很多,但主要分为模拟测速和数字测速[3].模拟测速元件主要有旋转变压器和测速发电机等[4].由于制造和安装等原因,基于旋转变压器的测速系统不可避免地引入一定的位置测量误差,并且其输出信号复杂,需要专用电路处理,而测速发电机则温漂大,测速范围小.同时这两种传感器都会增大电机转轴的转动惯量[5].数字测速元件主要有霍尔位置传感器[6]和旋转编码器[3]等.霍尔位置传感器属于非接触式传感器,但其只能给出转子位置区间信息和特定的位置角,而不能给出测速系统所需的全面详细的位置信息.旋转编码器是现在使用最广泛的位置速度检测元件之一[7].文献[5,8]提出一些无位置传感器的测速方法,该方法虽然省去了机械位置传感器,但估算算法比较复杂,并且需要对启动时刻的位置单独进行测算,而且由于理论尚不很完善,测速范围受到很大限制,低速情况下有时会不太可靠,实时性也难以保证.综上所述,兼顾测量精度与抗干扰等问题,本文给出一种以增量式光电编码器作为测速传感器的高精度T 测速算法.采用数字滤波来抑制光电编码器固有机械误差和测速干扰误差,有效滤除高㊁低频干扰对速度测量的影响,并给出一种基于D S P 的速度测量软㊁硬件实现.1 测速原理旋转编码器与电动机轴相连,电动机转动时,带动码盘旋转,便发出转速或转角的信号.旋转编码器分为绝对式和增量式两种,系统测速传感器采用增量式光电编码器.增量式编码器输出的信号共为A ㊁B ㊁Z 三相,A 和B 相为互差90ʎ的方波信号,Z 相为圆周位置校正信号.基于增量式光电编码器的测速方法主要有3种:M 法㊁T 法和M /T 法[7].M 法测速[9]的优势在于高速测量,高速时采样时间内的脉冲数多,测速误差较小,转速降低则误差随之增大.T 法则在低速段精度较高.M /T 法适用范围较广,但实现比较复杂.目前基于光电编码器的电机测速较多采用M 法测速[10].伺服系统每经过一个P WM 周期会进入一次中断程序,利用该中断可实现M 法测速.但伺服器的P WM 周期普遍较短,可计的脉冲少,测速精度较低.同时,M 法测量的是平均速度,不能及时反映电机的运行情况.采用T 法,在0~3000r /m i n 都具有比较高的测速精度,同时还比M /T 法占用更少的系统资源.在编码器两个相邻输出脉冲的间隔时间内,用一个计数器对已知频率为f 0的高频时钟脉冲进行计数,并由此来计算转速,称作T 法测速[11],如图1所示.在这里,测速时间源于编码器输出脉冲的周期,所以又称周期法.测速时间T t 是由已知频率的高频计时时钟脉冲个数M 2测得,即T t=M 2/f0,则电动机转速n =60P T t =60f0P M 2(1)n 的单位为r /m i n ,P 为光电编码器的光编线数.图1中s t 为光电编码器输出的待测脉冲;s 0为高频基准时钟,其频率就是f 0.图1 T 法测速F i g .1 T m e a s u r i n g s pe e d 2 误差分析及滤除误差算法采用T 法测速时,产生误差的原因主要有两个:一是编码器输出脉冲前沿与高频脉冲前沿时差所造成的误差,即实际测速时s t 和s 0的上升沿,如图1所示,不能完全同步,且每次测速采样时都存在不等的误差.该误差只能通过无限提高s 0的频率来减小,但更高频率信号的获得受到硬件条件的限制.M 2的极限误差为f 0的1个周期.因此T 法测速的最大误差值为δm a x =60f 0P (M 2-1)-60f 0P M 260f 0P M 2=1M 2-1ˑ100%(2)M 2取值越小,转速越高,误差越大.电机的额定转速为3000r /m i n ,每周的光编线数P 是2500,因此M 2的最小值是1200,比该值还小的值被认为是误差信号,采用限幅滤波方法将其剔除,因此由式(2)计算可得系统最大误差是1/1199,高于千分之一的测速精度是系统所允许的.误差随着转速的降低会不断减小,在60r /m i n 以内时,M 2值大于60000,代入式(2)计算可知系统误差小于1/60000,精度更高.误差产生的另一个原因是由于编码器的机械制造精度有限和机械振动,使输出信号夹杂毛刺干扰而产生测量偏差.例如有时光栅在该导通的地方未导通造成丢失脉冲,此处的转速测量值就会突然减小一半;编码器产生的方波还可能混入一些毛刺信号,使一个方波周期内含有多个高频假脉冲,进入计数电路就会导致短时间内触发多次捕获.图2中被圈住的部分就是这两种误差作用时速度测量的误差信号.图2(a )中转速最大值出现大于9000的值,显然这是一个超限误差信号,图2(b )中在1500r /m i n 匀速运行时突然出现700r /m i n 左右的速度值,说明它是一个由于丢失脉冲而引起的干扰信号.(a )300r /m i n时连续两次捕获造成的误差(b )1500r /m i n 时丢失脉冲造成的误差图2 两种误差下的速度曲线F i g .2 V e l o c i t y cu r v e i n t w ok i n d s o f e r r o r s 在数字测速中,硬件电路只能对编码器输出脉冲进行整形㊁倍频,提高信号的质量,也能起到一定的滤除编码器干扰信号的作用.但对于速度信号的毛刺和测速干扰误差却很难起大的作用.数字滤波[11]则能实现硬件滤波器无法实现的功能.对于光电编码器固有机械误差,实现了以限幅滤波与分段式限速滤波相结合的滤波算法.由于198 第6期林瑶瑶等:永磁同步电机高精度转速测量技术研究电机具有最高转速,超过此值的转速就可以认为是毛刺信号,将其剔除就能实现限幅滤波.限幅滤波公式为n (k )=n (k -1);n (k )>n m a xn *(k );0<n (k )<n m a x{(3)式中:n *(k )为第k 次测量得到的速度值,n (k -1)为第k -1次滤波速度输出值,n (k )为第k 次滤波速度输出值,n m a x 为最高转速.该滤波法能滤除所有的超高速误差,而对于低于最高转速的毛刺信号则无能为力;分段式限速滤波则可以较好地解决这个问题.由于电机转速在一个速度检测周期内不可能大幅度改变,当实测速度n f b d 与给定速度n r e f 之比的绝对值n f b d /n r e f 在C m i n ~C m a x ,两次速度采样的偏差绝对值Δn 不能大于S m a x ,否则就认为该值并非速度的真实值,而是毛刺信号,也将其剔除.n f b d /n r e f 在此范围之外则认为电机在加减速中,则跳过此限速滤波程序.分段限速滤波n (k )=n *(k );n f b d n r e f <C m i n 或n f b d n r e f >C m a x {}或{C m i n <n f b dn r e f <C m a x 且n *(k )-n (k -1)ɤS m a x }n (k -1);C m i n <n f b dn r e f<C m a x 且 n *(k )-n (k -1)>S m a xìîíïïïïïïïïïïïï(4)限幅与分段式限速滤波相结合的方法很好地兼顾了突然加减速时速度测量的跟随性和速度波动较小时的测速平滑性,合理有效滤除了速度信号中的毛刺.在采样的位置信号中含有一些由于光电编码器脉宽不均匀造成的干扰信号.采用一阶低通滤波法可对检测的转速值进行数字滤波.一阶低通滤波器开环传递函数为1/(1+T e s ),T e 是滤波时间常数,可取2πˑ30ˑΔT ,ΔT 为P WM 周期.为了方便程序实现将其离散化后可以转换为以下公式:n (k )=T e 1+T e n *(k )+11+T en (k -1)(5)实验证明,如果T e 取值过大,不能实现消除干扰信号的作用,取值过小,会使速度输出值很难快速逼近真实值.所选T e 要既能快速跟随实际速度变化,又能有效滤除杂波信号的干扰.3 硬件电路采用T M S 320F 2812数字信号处理器(D S P )作为主控制器[12].其拥有两个事件管理器[13]:E V A 和E V B .D S P 的事件管理器[14]是专为光电编码器输入信号而设计的.速度测量主要用的是事件管理器的正交编码脉冲(Q E P )电路.它可以方便地与光电编码器相连,并实施解码获取位置和转速.测速传感器选用2500线增量式光电编码器,输出A ㊁B ㊁Z 三相差分信号.由于D S P 不能接收差分信号,需经MA X 3095总线收发器转换成方波脉冲Q E P A ㊁Q E P B 和Q E P Z ,电路如图3所示.图3 差分信号处理电路F i g .3 D i f f e r e n t i a l s i g n a l p r o c e s s i n g el e c t r i c c i r c u i t MA X 3095输出高电平为+5.0V ,而T M S 320F 2812的输入输出口的高电平为+3.3V ,需要进行电压转换.并且MA X 3095输出波形的边沿有比较严重的抖动,影响测量,需要进行去抖和滤波.采用飞利浦公司生产的高速施密特触发器74L V C 14A D 进行限幅和整形.C A P 1和C A P 2为两路0~3.3V 正交脉冲信号,相位差90ʎ,接到D S P 的捕获1口和捕获2口,组成一组QE P 电路,两路信号经过D S P 内部的倍频电路进行4倍频后,用于位置检测和判断电机当前转向.C A P 3为零位信号,接到捕获3口,用以重新给出一个基准0位置.C A P 4与C A P 1短接接到捕获4口.使用事件E V B 来对系统测速,将A 相信号引到捕获口C A P 4.将定时器4的计数值作为C A P 4捕获值.定时器4的计数脉冲来自于D S P 的高速时钟频率即150MH z .C A P 4F I F O 具有两级深度捕捉F I F O 堆栈4,通过设置C A P 4的相关298大连理工大学学报第52卷寄存器就能在每次检测到捕获时,将定时器4计数值存储在C A P 4F I F O 的堆栈中.再用T 法就可以求出转速.使用正交倍频电路可以对编码器输出信号4倍频,相同转速下可以缩短T 法测速时间,提高测速实时性.但由于A ㊁B 两相信号并非是精准的50%占空比和90ʎ相位差,同时电机运行还存在振动等问题,采用倍频电路反而会增大T 法测速结果的波动,不能反映速度的真实值.4 测速软件测速软件主要包括3个模块:初始化模块㊁数据处理模块和中断模块.在初始化部分除了常规的时钟㊁P I E 等初始化设置外,还要进行相关定时器和捕获的初始化设置.数据处理模块包括速度计算程序㊁限幅限速和数字滤波等程序.测速程序流程如图4所示.图4 测速程序流程图F i g .4 V e l o c i t y m e a s u r e m e n t p r o gr a mf l o w c h a r t 由于在进入主中断之后才需要用到速度值参与计算,同时最近一次检测得到的速度信息对S V P WM 计算最有效,设置捕获4为只捕获不中断.速度计算程序放在P WM 周期中断中运行,将前后两次捕获的值C 4f 2和C 4f 1相减得到M '2,再将M '2的值进行一定的调整,运用限幅滤波算法对毛刺信号进行剔除.f 0是150MH z ,代入式(1)就可求得转速采样值,将该值进行数字滤波就得到最终的速度输出值.F 2812通用定时器的计数寄存器都是16位的,即计数范围是0~65535,根据式(1)可知,其最小测速值为54.932r /m i n .这显然不能满足系统低速运行的要求,扩大其测速范围的方法主要有两种:一是在主程序中设置一个用于记录计数器溢出次数的变量T 4f l a g ,将该变量代入式(5)就可以计算出M 2的真实值,M '2为按未出现溢出求得的脉冲差值.M 2=M '2+T 4f l a g ˑ65536(5)二是根据前次的速度值合理调整计数器预定标因子.这种方式使计数器的计数范围始终在0~65535,无需使用溢出计数变量T 4f l a g ,简化了计算,但却使测速精度只能在1/60000以内,然而如此高的测速精度也已完全满足需要了.测速范围太大,测速实时性将受到很大影响,因此设置其测速范围为0.9~3000r /m i n .5 验证与分析在实验平台上进行了测速实验,实验电机为小惯量㊁200W 交流永磁同步电机,电机转子为4对极,非负载侧带分辨率为2500脉冲/转的增量式光电编码器.图5为永磁同步电动机转速1500r /m i n 时的一组实测速度曲线.n 为只使用限幅滤波来消除误差的测速结果.图5速度曲线没有出现大的超限毛刺信号,说明软件限幅程序对编码器输出信号边沿连续跳变的高频假脉冲有很好的抑制作用.曲线出现一个毛刺信号,而且它的出现具有周期性特点,其余转速信号则有小幅波动.该毛刺是由光电编码器丢失输出脉冲造成的,信号的小幅波动则是因为光电编码器和T 法测速存在测速干扰误差.经过分段式限速滤波和低通滤波后,这些误差信号被398 第6期林瑶瑶等:永磁同步电机高精度转速测量技术研究有效滤除.图5 1500r /m i n 实测速度曲线F i g .5 M e a s u r e d s pe e d c u r v e (1500r /m i n )图6为经过数字滤波后的1500r /m i n 实测速度曲线图.图7为经过数字滤波后120r /m i n 时的速度测量曲线.对比图2和5的通用T 法测速的测速结果,图6和7中大部分速度测量值仅在ʃ1r /m i n 范围内微幅波动,没有出现超限和丢失脉冲引起的速度毛刺,有效提高了测速精度.图6 滤波后1500r /m i n 实测速度曲线F i g .6 M e a s u r e d s pe e d c u r v ef i l t e r e d (1500r /m i n)图7 滤波后120r /m i n 实测速度曲线F i g .7 M e a s u r e d s pe e d c u r v ef i l t e r e d (120r /m i n )由实验曲线图可见,该速度测量方法无论在高速段还是低速段,都克服了传感器固有误差和机械振动等因素影响,抗干扰能力强,测速误差也在系统允许的范围内.6 结 语高精度转速测量是伺服器实现全闭环驱动控制的关键技术.基于光电编码器的T 法测速具有测速范围宽㊁精度高等特点.本文给出了基于D S P 的测量电路和测量程序,分析了测速方法产生误差的原因,并从软㊁硬件两方面对测量误差和计算误差进行了校正.通过实验证明该测速法能够满足伺服系统对速度测量的精度要求.该方法对于实现伺服驱动器高精度速度控制具有重要意义.参考文献:[1]严帅.永磁交流伺服系统及其先进控制策略研究[D ].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2009.Y A NS h u a i .R e s e a r c ho nP M S M s e r v os ys t e ma n d a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e gi e s [D ].H a r b i n :H a r b i n I n s t i t u t e o fT e c h n o l o g y,2009.(i nC h i n e s e )[2]Q u a n g NP ,D i t t r i c hJA.V e c t o rC o n t r o l o fT h r e e -P h a s e A C M a c h i n e s :S y s t e m D e v e l o p m e n t i n t h e P r a c t i c e [M ].N e w Y o r k :S p r i n ge r ,2008.[3]赵岩.编码器测速方法的研究[D ].长春:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,2009.Z 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e e d r e g u l a t i n g s y s t e mf o r v e l o c i t yf e e d b a c k i n p e r m a n e n tm ag n e t s y n ch r o n o u sm o t o r (P M S M ),t h em o t o r s pe e dm e a s u r e m e n t so fM m e t h o d ,T m e t h o d a n d M /T m e t h o da r es t u d i e d ,w h i l eT m e a s u r i n g s pe e d i sc a r r i e do u tb a s e do ni n c r e m e n t a l p h o t o e l e c t r i ce n c o d e r .T h ec o r r e s p o n d i n g r e l a t i o n s h i p of p h o t o e l e c t r i ce n c o d e ra n d T m e t h o di n v e l o c i t y m e a s u r e m e n ti sf u r t h e rs t u d i e d ,a n d t h ei n f e c t i o n o ft h e m e c h a n i c a le r r o r s a n d s pe e d i n t e rf e r e n c e e r r o r s ,t h em e t r i c a l p r e c i s i o no f t h e s p e e dm e t h o d i s p r e s e n t e d .T h em e t h o d i s i m p r o v e d t o r e d u c en a t u r a lm e c h a n i c a l e r r o ro f t h es e n s o rb y c o m b i n i ng l i m i t e db r e a d t hf i l t e ra n ds e gm e n t e d l i m i t s p e e df i l t e r ,t h el o w -p a s sf i l t e r i su s e dt od e c r e a s et h es p e e di n t e r f e r e n c ee r r o r .F i n a l l y ,t h e m e a s u r e m e n t c i r c u i t a n d a l g o r i t h mo f Tm e t h o d a r e p r e s e n t e d .T h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t s s h o wt h a t t h e s p e e d i n t e r f e r e n c e e r r o r i s e l i m i n a t e d ,a n d t h e s p e e dm e a s u r e m e n t p e r f o r m a n c e i s i m pr o v e d .K e y wo r d s :p e r m a n e n t m a g n e ts y n c h r o n o u s m o t o r (P M S M );T m e a s u r i n g s p e e d ;d i g i t a lf i l t e r ;ph o t o e l e c t r i c e n c o d e r 598 第6期林瑶瑶等:永磁同步电机高精度转速测量技术研究。