浙江萬(wàn)里學(xué)院 張 偉 吳程鵬

基于單片機(jī)的永磁同步電機(jī)參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)

浙江萬(wàn)里學(xué)院 張 偉 吳程鵬

本系統(tǒng)采用STC89C52單片機(jī)對(duì)永磁同步電機(jī)的電壓、電流、轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量。系統(tǒng)集成了交流電壓測(cè)量電路、交流電流測(cè)量電路、轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和CPU控制電路。本測(cè)量系統(tǒng)主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高、速度快，從而為電機(jī)的閉環(huán)控制提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。

永磁同步電機(jī)；交流電壓測(cè)量；交流電流測(cè)量；轉(zhuǎn)速測(cè)量；模數(shù)轉(zhuǎn)換

1.引言

永磁同步電機(jī)與普通交流電機(jī)比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度等優(yōu)點(diǎn)，常用于對(duì)節(jié)能要求高的場(chǎng)合，是個(gè)環(huán)保低碳電機(jī)。永磁同步電機(jī)的種類繁多，按照定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(jī)(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)和梯形波永磁同步電機(jī)。數(shù)控機(jī)床等設(shè)備中常見(jiàn)的正弦波永磁同步電機(jī)定子由三相繞組以及鐵芯構(gòu)成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組氣隙場(chǎng)設(shè)計(jì)為正弦波，以產(chǎn)生正弦波反電動(dòng)勢(shì)，轉(zhuǎn)子采用永磁體代替電勵(lì)磁，根據(jù)永磁體在轉(zhuǎn)子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機(jī)又分為三類凸裝式、嵌入式和內(nèi)埋式。本系統(tǒng)的測(cè)量對(duì)象為正弦波永磁同步電機(jī)。[1-3]

采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)電機(jī)測(cè)量系統(tǒng)具有成本低、使用靈活、升級(jí)方便等特點(diǎn)[4,5]。永磁同步電機(jī)的電壓電流等參數(shù)是交流信號(hào)，而單片機(jī)卻只能識(shí)別單極性的信號(hào)，所以必須對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用電壓互感器將交流電壓轉(zhuǎn)換成單極性電壓信號(hào)，采用電流互感器將交流電流轉(zhuǎn)換成單極性電流信號(hào)，再對(duì)得到的波形進(jìn)行處理，得到單片機(jī)容易處理的信號(hào)。采用霍爾傳感器對(duì)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測(cè)量，霍爾傳感器是一種磁場(chǎng)傳感器，輸出電壓隨磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化而變化，磁場(chǎng)越強(qiáng)，電壓越高，磁場(chǎng)越弱，電壓越低?；魻杺鞲衅骶哂徐`敏度高、抗應(yīng)力、電壓范圍寬、高溫高壓下確保鎖定等特點(diǎn)[6,7]。

2.系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)集成了交流電壓采集電路、電壓有效值電路、交流電流采集電路、電流有效值電路、電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、CPU控制電路等。

系統(tǒng)框圖如圖1所示，互感器得到感應(yīng)電壓電流信號(hào)送入有效值電路，得到當(dāng)前信號(hào)的有效值，再將有效值送入模數(shù)轉(zhuǎn)換電路可得到當(dāng)前信號(hào)有效值對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，最終送入CPU控制電路進(jìn)行分析和處理。轉(zhuǎn)速測(cè)量電路是先在電機(jī)上安裝磁鐵，以此提供電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)的磁信號(hào)，再利用的霍爾傳感器對(duì)磁信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，得到相應(yīng)的脈沖信號(hào)送入CPU控制電路，以完成電機(jī)參數(shù)的檢測(cè)。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.測(cè)量系統(tǒng)單元電路原理

3.1 交流電流采集電路

交流電流采集電路由交流電流采集電路和電流有效值電路構(gòu)成，如圖2所示。電流互感器得到交流電流的感應(yīng)電信號(hào)，經(jīng)過(guò)差分電路去除共模信號(hào)，得到真實(shí)的交流電流量，再通過(guò)有效值電路得到當(dāng)前交流電流的有效值。

3.2 交流電壓采集電路

交流電壓采集電路由電壓有效值電路構(gòu)成，如圖3所示。電壓互感器得到交流電壓的感應(yīng)電信號(hào)，再通過(guò)有效值電路得到當(dāng)前電壓的有效值，因?yàn)殡妷簜鞲衅鞯妮敵龆俗杩馆^小，不能直接使用差分電路，故采用一級(jí)射級(jí)跟隨器進(jìn)行輸入隔離，以滿足阻抗匹配，再通過(guò)差分電路去除共模信號(hào)，得到真實(shí)的交流電流量，再通過(guò)有效值電路得到當(dāng)前交流電流的有效值。

圖2 交流電流采集電路

圖3 交流電壓采集電路

圖4 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路圖

3.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路

本系統(tǒng)采用ADS1248模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，ADS1248芯片性能優(yōu)越，可以雙電源工作的24位ADC芯片，內(nèi)置2.048V基準(zhǔn)電源，具有功耗低，轉(zhuǎn)換速率高的特點(diǎn)，由于是SPI串行方式工作，使用起來(lái)非常方便。電路圖如圖4所示。為得到更高的精度，此處采用精度更高的電壓基準(zhǔn)芯片REF5040。24位ADC的計(jì)算公式如下：

得到的AINX的值就是ADS1248對(duì)應(yīng)端口測(cè)得的電壓值，再根據(jù)傳感器規(guī)定的換算方法計(jì)算，就可以得到真實(shí)電壓電流值。

圖5 轉(zhuǎn)速檢測(cè)

3.4 轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路

轉(zhuǎn)速檢測(cè)電路如圖5所示。本系統(tǒng)安裝的轉(zhuǎn)速信號(hào)產(chǎn)生系統(tǒng)能在電機(jī)旋轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生5個(gè)信號(hào)，即霍爾傳感器能檢測(cè)到5個(gè)磁場(chǎng)峰值。轉(zhuǎn)速測(cè)量采用定時(shí)的方法，通過(guò)定時(shí)器記錄脈沖的周期T，這樣每分鐘的轉(zhuǎn)速：M=60/T。該方案所產(chǎn)生的誤差主要是標(biāo)準(zhǔn)誤差，并且使采樣時(shí)間降到最短，誤差γ=[60/（T±1）-60/T]，設(shè)電機(jī)速度在120—6000轉(zhuǎn)/分之間，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：0.00024≤|γ|≤0.6（轉(zhuǎn)/分）。該測(cè)量方法在測(cè)量精度及提高系統(tǒng)控制靈敏度上較優(yōu)秀。因此，電機(jī)轉(zhuǎn)速與霍爾傳感器測(cè)得的頻率量具有如下關(guān)系：

4.結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)利用電壓電流等傳感器，設(shè)計(jì)了專門(mén)的永磁同步電機(jī)參數(shù)測(cè)量電路，用以永磁同步電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的信號(hào)反饋環(huán)，此處采用的電流和電壓互感器精度為千分之五，后采用有效值芯片，可以令測(cè)量精度逼近傳感器精度，若能提升傳感器精度則能令測(cè)量精度進(jìn)一步提高，本系統(tǒng)適用于對(duì)測(cè)量精度要求高的場(chǎng)合。

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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.

Permanent magnet synchronous motor；AC voltage measurement；AC current measurement；speed measurement；AD conversion

張偉（1969—），男，博士，浙江萬(wàn)里學(xué)院副教授，研究方向?yàn)殡姍C(jī)控制理論與技術(shù)。

吳程鵬（1996—），男，浙江樂(lè)清人，浙江萬(wàn)里學(xué)院電子信息工程2016級(jí)本科生。