高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置检测的信号采集系统

机电工程技术 !２０"０"#８ 年第 ３$%７ 卷第 ０"２! 期
研究与开发
高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置 检测的信号采集系统
陈立权， 齐 昕， 王长松， 王 辉
（ １．上海交通大学机械与动力工程学院， 上海 ２００２４０； ２．日照职业技术学院机电工程学院， 山东日照 ２７６８２６）
摘要： 本设计实现了高频信号注入法进行转子位置检测的信号采集系统。用 Ｆ２８１２ 在产生 ＰＷＭ 波同时产生注入电机的高频脉动信
中图分类号： ＴＰ２７４
文献标识码： Ａ 文章编号： １００９－ ９４９２ （２００８） ０２－ ００５５－ ０３
１ 引言
永磁同步电机 （ Ｐｅｒｍｅｎｅｎｔ－ Ｍａｇｎｅｔ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｍｏｔｏｒ） 以其高效率、结构紧凑、易维护和调速性能好等一系列 优点得到越来越广泛的应用。但传统的永磁同步电机需 要位置传感器来实现电机的换相， 如霍尔器件、光学编 码器和旋转变压器等， 这些传感器会增加电机转子轴上 的转动惯量， 加大电机空间尺寸和体积， 有的分辨率低 或运行特性不好， 有的对环境条件很敏感， 潮湿和温度 变化都会使性能下降， 使得整个传动系统的可靠性难以 得到保证。因此， 无位置传感器控制成为一个重要研究 课题。目前应用比较广泛的无传感器转子位置检测方法 是 反 电 势 法 （ Ｂａｃｋ ＥｌｅｃｔｒｏＭｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ， 简 称 为 ＢＥＭＦ） 。 但是反电势法也存在固有的局限性， 首先这种方法需要 利用基波电压和电流信号来计算转子的位置和速度， 因 此对电机参数变化很敏感， 鲁棒性差， 其次在零速或者 低速检测时会因反电势过小或根本无法检测而失败， 所 以只适用于高转速运行。为了在低速和零速下获得转子 位置的精确信息， 一些学者提出了转子凸极追踪法， 这 种方法要求电机具有一定程度的凸极性， 而且需要注入 持续高频激励。转子凸极追踪法的基本原理是： 在电机 定子绕组上注入高频电流或电压信号， 然后检测定子绕 组中对应的电压或电流信号， 再通过一系列的坐标变换 来 提 取 转 子 的 位 置 信 息 ［ １］ 。 高 频 信 号 注 入 分 为 旋 转 高 频 信号注入和脉动高频信号注入， 对于永磁同步电机来说， 脉动高频信号注入法原理清晰， 结构简单， 鲁棒性能好， 因 此 本 文 采 用 脉 动 高 频 信 号 ［２］ 。
号。采用 Ｍａｘ２７４ 的带通滤波器和用 ＯＰＡ２１３２ 设计的低通滤波器进行滤波， 然后通过 ＡＤＳ８３６４ 进行模数转换来采集信号， 以中断
的方式传送到 Ｆ２８１２。实践表明，该系统满足实际数据采集的要求。
关键词： ＡＤＳ８３６４； Ｍａｘ２７４； 有源滤波； ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２； 高频信号注入； 信号采集
４．２ 低通滤波器的设计
低 频 率 波 的 波 形 大 约 在 ５０Ｈｚ 左 右 ， 因 为 ＭＡＸ２７４ 的 工作频率＞１００Ｈｚ 所以无法达到要求， 因此 采 用 了 ＢＢ 公 司 的 ＯＰＡ２１３２ 运 算 放 大 器 设 计 了 ６ 阶 有 源 滤 波 器 。ＯＰＡ１３２ 系 列 是 ＦＥＴ 输 入 ， 高 ＳＲ 并 有 卓 越 直 流 性 能 的 运 放 ， 它 具 有 高 ＳＲ、 宽 带 、 建 立 时 间 短 的 特 点 ， 有 单 、 双 、 四 运 放 性能一致， 可稳定用于单位增益状态。该芯片具有超宽电 源 范 围 （ ±２．５Ｖ～±１８Ｖ） 、 高 积 增 益 带 宽 （ ８ＭＨｚ） 、 高 转 换 速 度 （ ２０Ｖ ／μｓ） 、 低 噪 声 （ ８ｎＶ ／Ｈｚ ａｔ １ｋＨｚ） 、 超 低 失 真 （ ＴＨＤ＋Ｎ： ０．００００８％） 、 共 模 抑 止 比 （ １００ｄＢ） 、 开 环 增 益 （ １３０ｄＢ） 等特点。其原理图如图 ５ 所示。
输出方式， 并且对每个通
道转换结果的读取通过地
址 线 Ａ０、 Ａ１、 Ａ２ 来 选 择 。
ＡＤＳ８３６４ 的 ＥＯＣ 与 Ｆ２８１２
的 中 断 引 脚 ＸＩＮＴ１３ 相 连 当
转 换 结 束 时 ＥＯＣ 会 产 生 一
个脉冲信号， 从而触发
Ｆ２８１２ 进 入 中 断 处 理 程 序 ，
将 ＲＤ 和 ＣＳ 引 脚 置 低 读 取
比雪夫和椭圆函数型滤波器所需二阶节数少于巴特沃斯、
贝塞尔型。由于 ＭＡＸ２７４ 不支持椭圆函数 型 带 通 滤 波 器 结
图 ４ 二阶滤波单元的原理图
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研究与开发
图 ５ 六阶低通滤波器原理图
构， 所以， 我们选择设计了高阶切比雪夫带通滤波器结 构。图 ４ 是二阶滤波单元的原理图。
图 ６ 频率响应特性和建立时间响应特性 （ 下转第 ８４ 页）
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应用技术
机电工程技术 ２!"０"０８# 年第 $３７% 卷第 ０"!２ 期
将 ４ 个 二 阶 节 合 而 为 一 ， 最 高 中 心 设 计 频 率 可 达 １５０ｋＨｚ
［ ５］ 。 该 滤 波 器 不 需 要 外 置 电
容， 每个单元二阶节的中心
频 率 Ｆ０、 Ｑ 值 、 放 大 倍 数 均
可 由 其 外 接 电 阻 Ｒ１～Ｒ４ 的 设
计来确定。集成化后的二阶
节较之由运放和 Ｒ、Ｃ 电路组
成的二阶节， 其外接元件少、
参数调节方便Βιβλιοθήκη 不受运放频响影响， 对电路杂散电容也
有 更 好 的 抗 干 扰 性 。ＭＡＸ２７４
内部有数个 ２ 阶状态可变滤
波器单元， 可实现巴特沃斯
型、贝塞尔型及切比雪夫全
通 型 滤 波 器 。 采 用 ＭＡＸ２７４～
２７５ 芯片设计高阶的带通滤波
器， 对于相同设计指标， 切
数 据 。 ＡＤＳ８３６４ 的 工 作 流
程图如图 ３ 所示。
４ 滤波器的设计
图 ３ ＡＤ 工作流程图
４．１ 带通滤波器的设计
由 于 带 通 的 采 样 频 率 为 １ｋＨｚ±２００Ｈｚ， 加 上 带 宽 比 较
窄而且对截至频率要求比较高。因此我们选择了美国
ＭＡＸＩＭ 公 司 开 发 的 ８ 阶 连 续 时 间 有 源 滤 器 芯 片 ＭＡＸ２７４
图 ６ 为低通滤波器的频率响应曲线和建立时间响应曲 线图， 由图中曲线可以看出， 低通滤波器有良好的截至频 率， 并且建立时间比较短。
５ 系统延迟分析
本系统中有源滤波器、ＡＤ 转换器都 会 产 生 相 位 滞 后 。 为了实现高精度的转子位置检测， 将系统的延迟即相位滞 后进行总体分析然后进行角度补偿必不可少。
ＡＤＳ８３６４ 是高速、低功耗、 六 通 道 同 时 采 样 和 转 换 的 十六位模数转换器。采用＋５Ｖ 工作电压， ８０ｄＢ 共模抑制的 全 差 分 输 入 通 道 ， 还 包 括 六 个 ４μｓ 连 续 近 似 的 模 数 转 换 器 ， 六 个 差 分 采 样 放 大 器 ， 带 ＲＥＦＩＮ 和 ＲＥＦＯＵＴ 引 脚 的 内 部＋２．５Ｖ 参 考 电 压 ， 以 及 高 速 并 行 接 口 。 六 个 模 拟 输 入 分为三组 （ Ａ， Ｂ 和 Ｃ） 每个输入端有一个 ＡＤＣｓ 和保持信 号用来保证几个通道能同时进行采样和转换， 采样频率可 以达到 ２５０ｋＳＰＳ。差分输入范围可从－ ＶＲＥＦ 到＋ＶＲＥＦ 之间 变 化 ［４］ 。 触 发 ＡＤＳ８３６４ 的 ＲＳＴ 引 脚 可 以 确 保 读 指 针 指 向 每 个 通 道 的 第 一 个 转 换 的 数 据 。ＡＤＳ８３６４ 的 ＨＯＬＤｘ 低 电 平 有 效 ， 如 果 同 时 将 ３ 个 ＨＯＬＤ 置 低 ， ６ 个 通 道 将 同 时 采 样 。 图 ２ 为 ＡＤＳ８３６４ 与 ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２ 的 接 口 电 路 ， 系 统 采 用 Ｆ２８１２ 的 ＡＤＣＬＫ 经 过 倍 频 产 生 占 空 比 为 ５０％ 的
２ 系统要求及设计
高 频 信 号 注 入 频 率 一 般 为 ０．５ｋ～５ｋＨｚ 远 高 于 电 机 基 波 频率， 所产生的附加转矩是一个高频扰动转矩， 对转速不 产生影响， 在本系统中需要采样的定子绕组中的电流信号 为 小 于 １００Ｈｚ 和 １ｋＨｚ 两 种 信 号 ， 并 且 需 要 过 滤 掉 注 入 高 频信号以及其他一些噪声。系统结构如图 １ 所示。
图 ２ ＡＤＳ８３６４ 接口电路图
４．４ＭＨｚ 的 时 钟 ， 为 ＡＤＣ 提 供 时 钟 。 使 用 ＸＺＣＳ２ 作 为 ＡＤＳ８３６４ 的 片 选 信 号 。 由 于 Ｆ２８１２ 使 用 ＸＺＣＳ２ 作 为 其 ＸＩＮＴＦ 区 域 ２ （ ０ｘ０００８ ～ ００００ 至 ０ｘ００１０ ～００００） 的 片 选 。 因 此 ＡＤＳ８３６４ 与 Ｆ２８１２ 通 过 ＸＩＮＴＦ 区 域 ２ 实现无缝连接而不 需要额外的解码。图 ２ 中 的 ＰＴＯＵＴ 为 模 拟 信 号 的输入， 经过差分电路 输 入 到 ＡＤＳ８３６４ 的 模 拟 输 入 通 道 Ａ０。 ＡＤＳ８３６４ 的 ＡＤＤ 和 ＢＹＴＥ 引 脚 接 地 ， 因 此 选 择 １６ 位 数 据
其 中 ＢＰＯ、 ＬＰＯ 分 别 为 带 通 和 低 通 输 出 ， 后 一 个 运 放 输 入 端 的 ５ｋ 电 阻 将 积 分 电 容 与 外 管 脚 的 寄 生 电 阻 隔 离 ， 大 大 提 高 了 滤 波 器 极 点 的 精 度 。 ＢＰＩ 为 带 通 输 入 ， Ｆｃ 为 工 作 方 式 及 频 率 选 择 。 不 用 外 接 电 容 ， 只 需 外 接 电 阻 ， 就 可 实 现 工 作 频 率 从 １００Ｈｚ 到 １５０ｋＨｚ 的 低 通 、 带 通滤波器， 其中心频率、转折频率、Ｑ 值、放大倍数等 均可由外接电阻加以确定， 参数调整十分方便， 且由于 是单片结构， 高频工作时基本不受杂散电容的影响。另 外 ， 电 源 电 压 （ Ｖ＋ ／Ｖ－ ） 为 ±２．３７Ｖ～±５．５０Ｖ， 电 源 电 流 不 超 过 ３０ｍＡ， Ｒ１～Ｒ４ 阻 值 大 小 均 由 Ｍａｘｉｍ 公 司 专 用 软 件设计得到。