5.5 转子磁极位置检测和速度检测

根据PMSM的矢量控制原理可知,高精度的转子磁极位置检测和速度检测对于永磁同步电动机伺服控制系统有着重要的意义,直接影响系统的性能。而基于DSP的永磁同步电动机转子位置检测和速度检测方法充分利用了DSP资源，实现简单，性能可靠，与传统方法相比简化了系统硬件设计，提高系统性能的价格比。

5.5.1 DSP内部资源分配

在DSP的三个定时器中，TIMER1用作定时器，在系统设计中用来控制电流环采样周期、计算周期和速度环计算周期。TIMER2工作于比较模式用来产生比较中断实现MT法速度检测。TIMER3用作计数器，工作模式设定为双向循环计数，配合QEP电路，对四倍后的光电脉冲信号进行加、减计数。

TMS320F2812的CAP1和CAP2管脚是复用管脚，可用于俘获单元或QEP电路，在本系统中用于QEP电路，在DSP内部进行四倍频，定时器3计数寄存器（T3CNT）对四倍频后的信号进行累加或累减计数。当进行累加操作时寄存器GPTCON的最高位自动置1，反之清0，是加运算还是减运算由电机的旋转方向决定，由此可认为GPTCON的最高位体现了电机的旋转方向。CAP3和CAP4用作俘获单元，在软件中将其定义为检测脉冲的双边沿，当有边沿来临，无论是上升沿还是下降沿都触发外部中断。

C1连接到硬件中断检测管脚XINT2和XINT3上，XINT2负责检测C1信号的上升沿，XINT3负责检测C1的下降沿，每当检测到C1边沿就触发一个外部中断。因为C1、C2、C4、C8被连接到IO端口A的低四位引脚，因此通过读IO端口A即可确定格雷码信号当前值。 5.5.2 MT法测速

速度检测的精度直接限制了伺服系统的性能，而采用增量式光电码盘作为速度检测器件具有一系列优点，包括输出天然的数字量，容易和数字电路匹配，高精度；可以做到很高的分辨率，有可以做到大量程的工作范围；抗干扰能力强；信号处理电路简单、容易、惯量小。

基于光电码盘基础上的数字测速法有M法、T法、MT法。其中M法是用计数装置记取时间间隔内光电码盘输出的脉冲数来计算速度。该方法由于低速时脉冲

数少，在低速运行时检测精度低。而T法采用记时器记取码盘信号相邻的两个脉冲间的时间间隔来计算速度，该方法由于高速时间脉冲时间间隔很短，在电机高速运行时很不方便。而MT法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段都具有较高的分辨率。

设所用测速码盘每转产生个脉冲，在测速时间时间内，测速脉冲记数值为m1，时间基准脉冲为m2，则电动机转速为： ，其中为时间基准脉冲频率。 实现MT法测速的关键是测量m1和m2，用定时器2充当高频脉冲源，时钟周期设定为0.8，定时器2计数寄存器（T2CNT）累计m2，定时器3计数寄存器（T3CNT）负责累计测速光电脉冲和计算m1，其速度检测精度达到0.1转分钟。

图5-5 MT法测速原理

5.5.3 转子磁极位置计算

为了提高系统的性能,采用粗精结合的转子磁极位置测量方法,即是用格雷码信号进行粗定位,再用增量式光电脉冲信号进行精定位。

以一极电机为例，单独利用4个格雷码信号测量转子磁极位置，电机每旋转一周生成16个绝对位置信息，每两个相邻位置之间相差22.5度，位置检测误差可达到22.5度。单独应用增量式码盘，无法进行初始定位，且在累加过程中误差不断累计必然导致矢量解耦条件破坏，从而造成系统失控。为了克服上述问题，将转子位置检测分两部分处理：永磁同步电动机转子磁极位置的初始定位通过读取格雷码信号获得，最大检测误差为11.25度，电机开始旋转后，第一个C1边沿到来后，系统进入精确定位状态。精确定位应用格雷码信号确定8个精确的转子磁极位置，并用这8个精确的转子磁极位置将一个电角度周期划分为8个区间，每一个区间的初始位置就是格雷码信号C1发生变化的位置。格雷码信号与转子位置对应关系如下图所示，当格雷码信号由1000变为1001时C1的边沿发生跳变，触发中断，表明电机位置进入区间2，在中断时刻，电机转子磁极位置角为22.5度。

图5-6 格雷码信号与转子位置对应关系

每当C1触发中断，在确定中断时刻转子磁极位置的同时，读取T3CNT中当前的增量光电信号的计数值作为基值，写入CNT0。在下一次C1发生变化前每次计算转子磁极位置时，首先确定当前时刻的增量脉冲的计数值CNT1。由CNT0和CNT1可以确定相对于C1跳变时刻时的转子磁极位置变化量。通过格雷码信号和光电式脉冲信号就可以得到任意时刻的转子磁极位置。转子磁极位置计算公式为（5-12）其中是第i个区间的初始位置角，???i?k?(CNT1?CNT0),i?1,2....8 式

也就是C1发生变化时转子磁极的精确位置，是变化系数。

在实际系统中从转子磁极位置的检测到输出控制经过一系列运算，存在一个平均延迟时间导致控制输出滞后于检测。如果直接将检测得到的磁极位置角用于系统控制会降低系统控制精度，严重时时系统工作不正常。为此在系统中要加入转子磁极位置修正环节。当电机以角速度运行时，从采样到输出经历时

间

（5-13）

其中为转子磁极位置采样时间，为计算时间，为控制输出时间。转子磁极位置在此时间段变化了

（5-14）

根据式（5-14）可得转子磁极位置校正计算公式为 （5-15）

经过修正后，减少了因为转子磁极位置检测滞后和控制滞后对永磁同步电动机矢量控制的影响，直接提高了系统的控制精度。

6 系统实验结果

6.1 SVPWM相电压的波形

6.2开环两相电流的波形

6.3电流闭环的波形

全文总结

近年来，由于新材料、微处理器、电力电子器件的发展和控制技术的进步，

对永磁同步电动机向低成本、全数字化、无速度传感器化的发展产生了巨大的推动作用。本文从伺服系统工程实际出发，对永磁同步电动机矢量控制的全数字控制进行探讨，在系统的软、硬件设计，控制策略作了相关的工作，并取得了预期的效果。

通过对永磁同步电动机数学模型的分析，建立了永磁同步电动机的控制方案。主控制器采用了TI公司最先进的控制电机专用DSP芯片TMS320F2812A，转子位置信号和电机电流信号均为数字信号，为最终实现全数字矢量控制算法提供了保证。

致谢

四年的大学生活即将结束，借此，我向四年来所有给我帮助和支持的人表示衷心的感谢。

感谢母校——韶关学院，给我提供接受高等教育的机会，并创造了良好的学习环境。 感谢我的指导老师宁宇副教授在学习、工作和生活上给予我的指导、支持和关怀。宁宇老师严谨的治学态度、兢兢业业的工作态度一直引领着我的学习和生活。在与宁宇老师接触的过程中，不仅使我懂得应该如何去学习知识，而且让我明白了在为人处世、待人接物时应该遵从的人生道理，相信这对我以后的学习和工作有很大的促进作用。此外，向所有曾给予我帮助的老师、同学、朋友和亲人，表示衷心的感谢！

参考文献

[1] 陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2006年第3版

[5] 谷爱昱，王春茹.DSP在电机控制领域的应用展望[M].北京:机械工业出版社,2001.22-36

[6] 李烨,严欣平.永磁同步电动机伺服系统研究现状及应用前景[M].北京:机械工业出版