采用磁编码器实现电机转速与位置检测方法

采用磁编码器实现电机转速与位置检测方
法
《御&控{舔国羲
采用磁编码器实现电机转速与位置检测方法
引言
全数字化是伺服驱动技术发展的
必然趋势,而编码器到伺服驱动单元
的数字化连接接口是全数字化伺服驱
动技术的重要标志之一.伺服永磁同
步电动机(PMSM)近几年来在伺服驱
动系统中得到了广泛的应用.伺服永
磁同步电动机需要精确的转子磁极位
置实现磁场定向和准确的速度反馈进
行控制.目前检测转子位置的方法有
两类:无传感器技术和传统的机械传
感器控制.无传感器技术是近几年研
究的热点,主要是利用电机绕组中相
关的变量如定子电压,定子电流等,来
估算转子的位置和速度_】l,此法虽然省
掉了机械传感器,但是该法存在计算
量大,不能满宽范围调速要求,对电机
的结构有要求等问题,影响了它的应
用范围.而传统的方法多采用光电编
码器,该方法精度很高l2】,但由于采用
的发光元件,其寿命不长,成本高.本
文采用一种新型磁编码器对永磁同步
电动机转子速度和位置进行检测,实
深圳航天技术创新研究院漆亚梅李铁才
摘要:针对采用磁编码器作为电机位置检测问题,介绍了磁编码器工作原理和输出模式,及电机转子速度和转子位置测量的几种方法,并在基于DSP~tJPMSM控制
系统中进行了实验研究.其研究结果表明:该磁编码器能高精度的,同时完成速度和位置全数字反馈控制,且性价比较高.
关键词:磁编码器PMSM转速检测转于位置检测
现了高精度的,同时完成速度和位置
全数字反馈控制,且性价比较高.
磁编码器工作原理
编码器的设计采用了无接触磁编
码器芯片AS5040.该芯片是一款世界
上最小的l0位多输出旋转磁性编码器
集成电路将现场传感霍尔元件,A/D
转换,数字信号处理和输出接口集成
到单个芯片.因此省去许多磁编码器
的外围设备,使其体积给小,成本更低,
并且由于采用了无接触传感,因而可以
完美的应用于油,灰尘,温度变化大等工
况【3】.编码器
实物图片如图
1所示.
编码器工
作原理:在芯
一片上固定一图1磁编码器实物图片
个可产生正弦磁场的两极磁钢,使其
围绕芯片中心旋转即可测量角度,可
通过磁体的360度旋转探测l024个绝对
位置,测量分辨率可达l0位,可测最高
转速l0000转/分,可以同时提供增量
输出和绝对数出.并且提供了正交编
码A/B输出,单通道输出和针对一对
或两队极直流无刷电动机U一,厂一w三种不同的增量输出模式,可根据需要
通过OTP进行配置;同时还提供了绝对位置数据同步串行接口(SSI),与角度
成正比的工作周期PwM输出,提供可
编程的起始位置和标记过零信号.该
器件能够允许磁场为校准和偏磁,并
具有故障自诊断功能,因此其测量精
度和可靠性都很高,测速范围宽,能在
恶劣环境下工作,与相同分辨率的光
电编码器相比,成本只是光电编码器
的几分之一3.
测速原理与方法
转速测量选用磁编码器模式1的
增量输出,即将其配置成正交编码A/
B模式,该模式下随着电机旋转产生与
转速成正比相位差90的正交编码脉冲输出A/B及index信号理想波形,如图
2所示,电机每旋转一周indeX输出～ServoControl49
智能检测
个脉;中,而A/B输出256个脉冲.转子
的正反转可以根据A,B两路脉冲信号
的相位先后来判断,转速可由如图2方
法计算得出.
r_1厂]f_]广]-『_]厂]厂]
几厂_1厂]r-1:厂]厂]厂
一n!:f_]广]
图2正交编码A/B及index输出
对符号假定时钟频率为f,磁编码
器每转脉冲数为N,倍频系数k,n为转速,最大误差率,T为时间间隔,
M1在T内对编码器脉;中计数值,M2对时钟脉冲计数值(见图37.
(a)M法测速原理
(b)T法测速原理
(c)M/T法测速原理
图3各种测速法原理
"M法'铡速
通过测量一段固定时间间隔的编
码脉冲数来计算转速,适用于高速场
合如图3(a)转速为:
60M.
n—(1)七xN×T
相对误差率:
==
嘉x100%%(2)
"T法'0速
通过测量编码器相邻脉冲时间间
隔来计算转速,适用于低速场合,当速
度较高时其准确性较差.由图3b)可
得到:
60f
—
k~N—~M(3)
2
相对误差率:
‰=等=×l00%(4)ax×0o%(4)
"M/T法'测速
"M/T法"测速是上面两种方法的
结合,同时测量一定个数编码器脉;中
和产生这些脉;中所花的时间,在整个
速度范围内都有较好的准确性,但对
于低速,该方法需要较长的检测时间
才能保证结果的准确性,无法满足转
速检测系统的快速动态相应指标.针
对于此有提出了变"M/T法"测速法,
即M1是可变化的,随着转速的降低M1 将降低,以提高其实时性要求【.
如图3(C)为M/T法测速原理,可
得转速:
6O.
k×(5)
xNM,J,
相对误差率:
~max=-An
=
×l00%(6)×0u%(6)
磁编码器转子位置检测
同步串行接R(ss1)输出绝对位置
当CSn由逻辑高电平变为逻辑低
电平时,数据输出(DO)将由高阻态变
为逻辑高电平并开始读出数据.数据
在时钟信号第一个下降沿来临时写入转换寄存器,每个后续时钟信号上升
沿来临时输出一位数据.连续字节包
^竺^竺^!:^!^!^l竺^!
:角位置数据状态位
图4同步串口输出时序图
50SewoControl
r———一
括16位,头1O位是角度信息D【9:0],后续的6位为系统信息,用于校验数据.
其中,D9一DO为绝对角位置数据(最高有效位在第一个时钟信号之后).如图
4所示.
脉宽调制信号输出绝对位置
可以输出一个频率为0.9756KHz
的脉宽调制信号,其脉冲宽度与测量
角度成比例:
d-一1(7)
t(+oE)…
脉宽调制信号信号周期为l025微
秒,最小脉宽为】微秒,对应位置为0,对应角度为O度;最大脉宽为1024微秒,对应位置l023,对应角度359.65度,精度
可达0.35度.如图5所示,PWM的最小输出脉宽为1US.
.-_■●峨一..哪.....一...
:;i
………;'.…;.…:'
■:?…;??,??…:?……!一?:? .…j…i,.一一..;...
■.:....:....:...:....:....:....:...:….:..
一,'—-_一—,——t—''….…''…'………'…..'
''
!…''一一.'一''.' ;….;…….;…0…;…0……0…..
::::::::::
''…
d''…'
图5脉宽调制信号的最小输出脉宽波形
实验研究
把磁编码器应用于基于
TMS320LF2407A永磁同步电动机FOC
控制系统的转子速度和位置中,图6基
于TMS320LF2407A的永磁同步电动机
FOC控制系统中转速和转子位置测量
单元结构图(见图6).该在本系统中主
要应用了TMS320LE2407A的EVA模块
的捕获单元和正交编码电路,以及模
数转换单元ADC.
图6PMSM控制系统的转速和转子位置测量单元硬件结构图
本方案采用M法.磁编码器的将每
转产生的256个脉;中A/B正交信号被
送入DSP的QEP1~DQEP2,由DSP的QEP
正交编码电路自动利用脉冲的4个沿
对输入的信号4倍频转换,可以使每转
得到1024个脉冲.输入的4倍频脉;中存
deX的输出实验测试波形,电机转子每
旋转一周,A,B各输出256个脉冲,两相
脉冲相差90.,indeX输出一个Jlg;~.
模拟输出由PWM输出外接低通滤
.j田了_帅,皿唧-■■-豫
入到EVA中的TIME2的计数器T2CNT
中,根据转向进行增减计数,转向可通
过查询GPTCON寄存器I4位获得.i15一
dex信号被送入捕捉CAP3,每当indeX
发生跳变时,计数器对计数器T2CNT清
零,以消除累积误差.根据M法测速算
法进行软件编程即可实现速度检测.
对于位置的检测,对磁编码器的
脉宽调制信号进行变换,通过一个低
通滤波器变成0～4.5V与转子位置角
成正比的模拟信号直接给DSP的模拟
输入ADCINO1,对其位置角进行检测.
软件流程图如图7所示.
图8,9为磁编码器增量A/B,in一
一
c—
jnto
……一……一一～一
TM$320LF24047芯片初始化…一一一一…～…程序参数初始亿}
………
ADC初始化程序
～,一Z…一…
EvA初始化程序
…一!一……
中断允许(int2)l
～一一一一…
主程序循环初始化
速度检测子程序.
一一!…一一一一,～
启动AID转换程序一I■.IlNT2 …～
一…一一
,
结束
图7主程序流程图
!譬:■:-:::蔓'
}??--?:::一
'B
'…j…:..…'…
''…
d'叠矗
图8正交A和index输出波形图一
1哼己_kH圈姗16己kHz
t,■●■-■■■■
t口l-:_}
一.蚺
.
e§垒!曼盎I墅曼蹩g!f!堡
图9正交信号A/B输出波形
一町0.胚勘.
,
a??-,?-?…?……?………………:…? .;t:i
一
|l__0一
≯l.t.Ii
0÷善…■
;l1_'il;
.≥t.…
图10模拟输出
(《1司服控翩》
波器来实现,其实测波形如图10所示, 0—4.5V电压与旋转角度成正比,因此
可以通过任意时刻的电压值未读取角
度值.
结语
本文介绍的磁编码器实现了高精
度的,同时完成速度和位置全数字反
馈控制,且性能与价格比较高.在目前
应用最广泛的DSP硬件平台上可直接
将磁编码器的测量信号,通过软件编
程完成对电机转速和位置的检测与控
制,使系统的集成性获得提高.是全数
字伺服控制系统的优选器件.
作者简介
漆亚梅(1962一)男硕士,研究
方向为电机与驱动控制.
参考文献
【1】于庆广.刘葵,王冲,袁炜嘉,钱炜慷,张程等.光电编码器选型及同步电机转速和转
子位置测量【J】.电气传动.2006,36(4): 17—19
[2】吕德刚李铁才,杨贵杰等.高性能磁编
码器设计….仪器仪表,2Oo6,27(6):
1347～l350
【3]江庆明,杨旭,甘永梅.王晓钰.王兆安等
一
种基于光电编码器的高精度测速和测加
速度方法Ⅲ.微计算机信息,20042o(6):
48～49
--…__…__…●-…-_…_.…..…..…..…..…_'…_●…(上接第46页)
取速度.所以在此处还需要完善.
2.组态王作为堆垛机监控系统的
上位监控软件,具有实现在线实时监
控堆垛机的工作状态,立体仓库的存
储状况,绑定底层数据库实现设置堆
垛机连续作业,联网实现网络控制与
管理等功能,上位机对下位设备状态
的动画模拟显示还应进一步完善,从
而更形象直观地对现场设备进行状态
监控.
堆垛机快速存取系统,提高了工
作效率,达到了设计要求,随着物流
业在我国的迅速兴起,对堆垛机控制
系统将提出更高的要求.由于组态软
件的控制系统可对系统进行分布式
控制与集中管理,它将得到更广泛的
应用.
作者简介
朱帅男研究生,研究方向为
智能电气与安全
参考文献
n】刘毅.自动化立体仓库管理与监控系统研究[D].太原:太原理工大学,2008,I7.
[2]彭魏臻.麻红昭PII协议分析[J】化工自动化及仪表,20O6,33(4).
【3]秦明森实用物流技术[M].北京:中国物资出版社.2001,38
【4】彭魏臻麻红昭PPI协议分析[J]化工自动化及仪表,2006,33(4):8—12,
[5】龙永辉,孙中生SiomensPPI协议分析….工业控制计算机._-K~05,18(7):】10}12. ServoControI51。