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旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用


旋转变压器在高速永磁同步电动机中的应用 黄科元,董恒,黄守道 (湖南大学,湖南长沙 4l0082) 摘要:介绍一种用于高速永磁同步电动机控制的转子位置检测方法,该方法采用旋转变压器/数字转换 器 Au6802N1,将旋转变压器输出的模拟信号转化为数字位置信号。设计了 Au6802N1 与旋转变压器和 TMs320F2812 之间的接口电路,并提出了’种具有较强容错性的位置信号数字

处理方法。试验表明,该方案 能够准确地实现电机位置和速度的检测。 O引 言 在采用磁场定向控制的永磁同步电动机调速系统中, 需要实时地检测电机转子位置及转速, 以实现转矩、 速度的闭环控制。通常的检测方法是使用光电编码器,而常用的正交光电编码器起动时需要一段时间进行 转轴定位,而且抗冲击震动性差,因此在需要快速响应的高速运行且对抗震要求较高的场合,往往使用旋 转变压器。 旋转变压器的输出是含位置信息的模拟信号, 需要将其转换为数字信号才可输入到单片机或 DsP 等控制 芯片。 本文采用多摩川公司的旋转变压器数字转换器 Au6802N1 将模拟位置信号转换成 12 位数字位置信号, 同时采用 TMs320F2812 作主控 cPu,可满足系统对转子位置与速度信号实时快速检测和处理的要求。实验 表明该方案确实可行,并具有较高的控制精度。 1 旋转变压器的原理 本系统选用的无刷旋转变压器如图 1 所示。经过无刷化设计,旋转变压器初级励磁绕组(R1 一 R2)和二相正 交的次级感应绕组(s1 一 s3,s2 一 S4)同在定子侧,转子侧是与初级绕组和次级绕组磁通耦合的特殊结构的 线圈绕组。

当旋转变压器转子随电机同步旋转、初级励磁绕组外加交流励磁电压后,次级两输出绕组中便会产生感应 电势,大小为励磁与转子旋转角的正、余弦值的乘积。旋转变压器输入输出关系如下:

式中:F0——励磁最大幅值; ω——励磁角频率; K——旋转变压器变比; θ——转子旋转角度。 2 基于 Au6802N1 的接口电路 2 1 旋转变压器与 Au6802N1 的接口电路 Au6802N1 提供给旋转变压器的交流励磁电压由 RsO—cOM 口输出,频率由引脚 FsEL1 和 FsEL2 设置,在 图 2 的电路中励磁电压信号的频率设置为 10 kHz。励磁电压的有效值通过双电源 B00ster 放大电路进行调 节。该励磁电压信号又反馈回 R1ER2E 端口,用于实现内部相位同步检测和断相检测。旋转变压器产生的 cos 和 sin 信号经过调理后分别由 s3-s1 和 s4-s2 端口进入解码芯片。参数选择:V=15 V,Ri=22 kΩ,Rf=100 kΩ,R1=R2=3. 3 kΩ,R3=R4=4. 7 Ω,Rext=12 Ω,RRl=RR2=3.3 kΩ,R11=20 kΩ,R12=200 kΩ,RBH=68 kΩ, RBL=20 kΩ;Ci=O.1μF,Cf=200 pF,Cn=100 pF,Cc=1 000 pF。

2.2 Au6802Nl 与 TMs320F2812 的接口设计 本系统采用 TMs:320F2812 作为主控 cPu,用 Au6802Nl 将旋转变压器输出的模拟位置信号(sin,cos)转换 为并行的数字信号,然后由 DSP 将数字位置信号读人并进行处理。Au6802Nl 有三种输出信号模式:脉冲 接口模式、并行 I/O 接口模式和并行总线接口模式,这三种信号输出模式可以通过其芯片引脚 OuTMD、 cSB、RDB、INTB 的电平设置来设定。脉冲接日模式是仿增量式光电编码器工作方式,输出正交编码脉冲, 同时还可以输出磁极位置信号以及转速故障信号。 并行 L/0 接口模式就是并行输出绝对式位置信号的数字 量。另外,可编程 sPI 口也为其与 DsP 之间传输电机转子的位置信号提供了理想的接口,在上述三种模式 下均可正常工作而不需要任何设置。该芯片所提供的多种信号输出模式为用户的信号接口电路设计提供了 更多的选择,可以实现不同的用途。本系统中使用绝对式输出模式,绝对式输出为 12 位位置信号,分辨率 60 000r/min;而且可以输出方向信号和错误信号,外围电路简单,只需少许元件就可以完成解码工作,输 出信号由电平转换芯片 SN74ALVcl64245 完成 Au6802N1 输出 5 v 电平到 DsP 输入 3. 3 V 电平的转换后直 接与 DsP 的 I/O 口相连。其接口电路原理图如图 3 所示。

3 信号处理及实验结果 实验电机参数:额定转速 6 000 r/min,功率 42kw,极对数 2 对极;PwM 采样频率为 5 kHz;旋转变压器 励磁信号频率 10 kHz,有效值 7 V。由于干扰的存在,信号经过 Au6802M 解码出来的数字角位置信号与实 际电机轴角不一定吻合,旋转变压器解码芯片会有丢脉冲的现象,进而影响到转子角度的精确测量,从 ccs2000 软件的观测窗口中可以看到,在角度测量斜坡线上会出现数值突变的情况,如图 4 所示。由于角度 测量的误差,会导致电流冲击。

为了克服角度测量误差,本系统采用了中位值滤波和微分限幅补值对位置信号进行了处理。实现中位值滤 波方法为:DsP 每隔 5μs 连续读取位置角 7 次,把 7 次采样值按大小排列,取中间值(第 4 次)为本次的有效 值。该方法能有效克服因偶然因素引起的波动干扰,但实验表明不能完全消除干扰。因此对中位值滤波后 的值进一步进行微分限幅补值处理,处理算法如下: (1)根据实际测试和经验,确定相邻两次采样允许的最大偏差值(设为 delta M); (2)读取本次采样值 A(n)和上次采样值 A(n-1),计算两次值的偏差的绝对值 deltaA=ABs(A(n)-A(n-1)); (3)判断: 如果 deltaA≤delta 肼, A(n)有效; 则 如果 deltaA>deltaM, 则本次值无效, A(n)=A(n-1)+delfaA(n-1)。 本系统角度采样在每个 PwM 周期进行, 采样时间间隔为 200μs, 相邻两次采样允许的最大偏差角度 delta M 设定为当前电机给定速度 ωref 在一个采样周期内角度的变化值的两倍,即: deltaM=2ωrefTs

转子数字角度的软件处理流程图如图 5 所示。经中位值滤波和微分限幅补值处理后消除了因干扰产生的角 度数值突变,如图 6 所示。

实验给定转速 6 000 r/min,IGBT 上下桥臂死区时间设置为 5μs,图 7a 为旋转变压器励磁波形;图 7b 为 旋转变压器输出信号所示;图 7c 是电动机对应的电流波形;图 7d 是电机对应的线电压波形;经检测电动 机的转速波动≤百分之零点零五。

4 结语 在高速大功率永磁同步电动机驱动系统中,以旋转变压器 Ts2225N12E102 与解码芯片 Au6802Nl 构成的高 精度位置速度检测电路,通过对转子位置的合理数字处理,能够实现转子位置转速的精确测量。实验证明, 本文设计的接口电路和数字处理方法简单,精度高,可靠性好抗干扰能力强,完全能够满足控制的要求。


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