基于单片机的永磁同步电机参数测量系统

基于单片机的永磁同步电机参数测量系统
张伟;吴程鹏
【摘要】本系统采用STC89C52单片机对永磁同步电机的电压、电流、转速进行测量.系统集成了交流电压测量电路、交流电流测量电路、转速测量电路、模数转换电路和CPU控制电路.本测量系统主要特点是测量精度高、速度快,从而为电机的闭环控制提供准确的数据.
【期刊名称】《电子世界》
【年(卷),期】2017(000)019
【总页数】2页(P119-120)
【关键词】永磁同步电机;交流电压测量;交流电流测量;转速测量;模数转换
【作者】张伟;吴程鹏
【作者单位】浙江万里学院;浙江万里学院
【正文语种】中文
永磁同步电机与普通交流电机比具有高效率、高力矩惯量比、高能量密度等优点，常用于对节能要求高的场合，是个环保低碳电机。

永磁同步电机的种类繁多，按照定子绕组感应电动势的波形的不同，可以分为正弦波永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)和梯形波永磁同步电机。

数控机床等设备中常见的正弦波永磁同步电机定子由三相绕组以及铁芯构成，电枢绕组常以Y型连接，采用短距分布绕组气隙场设计为正弦波，以产生正弦波反电动势，转子采用永磁体代替电励磁，根据永磁体在转子上的安装位置不同，正弦波永磁同步电机又
分为三类凸装式、嵌入式和内埋式。

本系统的测量对象为正弦波永磁同步电机。

[1-3]
采用单片机实现电机测量系统具有成本低、使用灵活、升级方便等特点[4,5]。

永
磁同步电机的电压电流等参数是交流信号，而单片机却只能识别单极性的信号，所以必须对信号进行转换。

本系统采用电压互感器将交流电压转换成单极性电压信号，采用电流互感器将交流电流转换成单极性电流信号，再对得到的波形进行处理，得到单片机容易处理的信号。

采用霍尔传感器对电机进行转速测量，霍尔传感器是一种磁场传感器，输出电压随磁场强度的变化而变化，磁场越强，电压越高，磁场越弱，电压越低。

霍尔传感器具有灵敏度高、抗应力、电压范围宽、高温高压下确保锁定等特点[6,7]。

本系统集成了交流电压采集电路、电压有效值电路、交流电流采集电路、电流有效值电路、电机转速测量电路、模数转换电路、CPU控制电路等。

系统框图如图1所示，互感器得到感应电压电流信号送入有效值电路，得到当前
信号的有效值，再将有效值送入模数转换电路可得到当前信号有效值对应的数字量，最终送入CPU控制电路进行分析和处理。

转速测量电路是先在电机上安装磁铁，以此提供电机旋转时的磁信号，再利用的霍尔传感器对磁信号进行检测，得到相应的脉冲信号送入CPU控制电路，以完成电机参数的检测。

交流电流采集电路由交流电流采集电路和电流有效值电路构成，如图2所示。

电
流互感器得到交流电流的感应电信号，经过差分电路去除共模信号，得到真实的交流电流量，再通过有效值电路得到当前交流电流的有效值。

交流电压采集电路由电压有效值电路构成，如图3所示。

电压互感器得到交流电
压的感应电信号，再通过有效值电路得到当前电压的有效值，因为电压传感器的输出端阻抗较小，不能直接使用差分电路，故采用一级射级跟随器进行输入隔离，以满足阻抗匹配，再通过差分电路去除共模信号，得到真实的交流电流量，再通过有
效值电路得到当前交流电流的有效值。

本系统采用ADS1248模数转换芯片，ADS1248芯片性能优越，可以双电源工作的24位ADC芯片，内置2.048V基准电源，具有功耗低，转换速率高的特点，由于是SPI串行方式工作，使用起来非常方便。

电路图如图4所示。

为得到更高的精度，此处采用精度更高的电压基准芯片REF5040。

24位ADC的计算公式如下：
得到的AINX的值就是ADS1248对应端口测得的电压值，再根据传感器规定的换算方法计算，就可以得到真实电压电流值。

转速检测电路如图5所示。

本系统安装的转速信号产生系统能在电机旋转一圈产生5个信号，即霍尔传感器能检测到5个磁场峰值。

转速测量采用定时的方法，通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：M=60/T。

该方案所产生的误差主要是标准误差，并且使采样时间降到最短，误差γ=[60/（T±1）-60/T]，设电机速度在120—6000转/分之间，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：
0.00024≤|γ|≤0.6（转/分）。

该测量方法在测量精度及提高系统控制灵敏度上较优秀。

因此，电机转速与霍尔传感器测得的频率量具有如下关系：
本系统利用电压电流等传感器，设计了专门的永磁同步电机参数测量电路，用以永磁同步电机闭环调速系统的信号反馈环，此处采用的电流和电压互感器精度为千分之五，后采用有效值芯片，可以令测量精度逼近传感器精度，若能提升传感器精度则能令测量精度进一步提高，本系统适用于对测量精度要求高的场合。

[1]李红梅,陈涛.永磁同步电机参数辨识研究综述[J].电子测量与仪器学
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[6]张玲娜.基于霍尔传感器的电机转速测量与调速系统设计和研究[D].西安:西安石油大学,2016.
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术,2015,(21):145-146.
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[7]张玲娜,毛敏.基于霍尔传感器的电机转速测量系统设计[J].山东工业技术,2015,(21):145-146. Abstract：A voltage，current and speed measurement system for permanent magnet synchronous motor is proposed in this paper based on single-chip STC89C52.The System consists of ac voltage measurement circuit，ac current measurement circuit，speed measurement circuit，analog-to-digital conversion circuit and CPU control circuit.The measurement system is mainly characterized by high measuring accuracy，high speed，so as to provide accurate data for closed-loop control of the motor.。