第18卷第3期
总 第 69期
1996年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang Polytechnic University Vol. 18No. 3 Sum No. 69 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. 2
0 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U 1、U 2来激磁.
U 1(t ) =U a sin (ω0t )
本文收到日期:1994-12-03 第一作者. 男. 56. 教授
8沈阳工业大学学报第18卷 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
U 为旋变的输出信号:为正弦信号的最大值:
为旋变励磁信号角频率:
为电机转子角速度. ω0ωt
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
第3期郭庆鼎等:永磁同步电机的位置和速度检测方法9
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 G211C 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 .
10沈阳工业大学学报第18卷
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. U 1的D 端信号来自PROM 的输出端Q 5,U 1的D 端信号来自PROM 的输出端Q 7, 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,U 1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,U 1电平变化一个周期, 即U 1输出端Q 端信号的周期应是电机旋转的周期. 同理U 1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.
12沈阳工业大学学报第18卷位相反的方波信号, 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 ’95,1995,30～34
2 郭庆鼎, 王成元编著. 交流伺服系统. 机械工业出版社,1994
A Detecting of Method Position and Speed of
Permanent Magnet Synchromous Motor
Guo Qi ngdi ng , L uo R rif u W angL i mei
(Dept. of Mechanical Engineering ,SPU )
Abstract
This paper imtrocducs a new method of dectecting absolute position and analogy velocity with re 2solver. 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 high 2per 2formance AC servo system.
K ey w ords :sping ;tronsformers ;servo system ;measuring
第18卷第3期
总 第 69期
1996年9月沈阳工业大学学报Journal of Shenyang Polytechnic University Vol. 18No. 3 Sum No. 69 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. 2
0 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U 1、U 2来激磁.
U 1(t ) =U a sin (ω0t )
本文收到日期:1994-12-03 第一作者. 男. 56. 教授
8沈阳工业大学学报第18卷 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
U 为旋变的输出信号:为正弦信号的最大值:
为旋变励磁信号角频率:
为电机转子角速度. ω0ωt
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
第3期郭庆鼎等:永磁同步电机的位置和速度检测方法9
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 G211C 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 .
10沈阳工业大学学报第18卷
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. U 1的D 端信号来自PROM 的输出端Q 5,U 1的D 端信号来自PROM 的输出端Q 7, 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,U 1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,U 1电平变化一个周期, 即U 1输出端Q 端信号的周期应是电机旋转的周期. 同理U 1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.
12沈阳工业大学学报第18卷位相反的方波信号, 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 ’95,1995,30～34
2 郭庆鼎, 王成元编著. 交流伺服系统. 机械工业出版社,1994
A Detecting of Method Position and Speed of
Permanent Magnet Synchromous Motor
Guo Qi ngdi ng , L uo R rif u W angL i mei
(Dept. of Mechanical Engineering ,SPU )
Abstract
This paper imtrocducs a new method of dectecting absolute position and analogy velocity with re 2solver. 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 high 2per 2formance AC servo system.
K ey w ords :sping ;tronsformers ;servo system ;measuring