宋君健,高宏洋,黃 凱,馬志軍

(中車大連電力牽引研發(fā)中心有限公司，遼寧 大連 116052)

0 引 言

永磁電機因其功率密度高、運行可靠等優(yōu)點在牽引系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，而轉(zhuǎn)子角度位置檢測是電機控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性具有重要的影響。永磁電機通常采用矢量控制方式，該控制策略需要通過坐標(biāo)變換將電機三相交流電轉(zhuǎn)換成兩相直流電，從而實現(xiàn)類似直流電機的控制效果。坐標(biāo)變換需要用到轉(zhuǎn)子位置角度，如果角度檢測不準(zhǔn)或精度不夠會對電機控制效果產(chǎn)生嚴(yán)重影響。目前永磁牽引電機常用的是位置傳感器，包括編碼器和旋轉(zhuǎn)變壓器，其中旋轉(zhuǎn)變壓器可靠性高并且抗振、抗干擾能力強，在永磁牽引電機中大量應(yīng)用。旋轉(zhuǎn)變壓器需要外界輸入一個激勵信號，其輸出是兩路正余弦模擬信號，為了實現(xiàn)數(shù)字信號處理器(DSP)對角度信息的采集，通過解碼芯片將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，從而獲得轉(zhuǎn)子角度位置實現(xiàn)永磁電機控制[1]。

傳統(tǒng)的電機控制芯片以單核為主，內(nèi)部資源受限，控制算法與邏輯保護、脈沖調(diào)制等無法實現(xiàn)分離。目前常用的DSP+現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)架構(gòu)雖通過FPGA實現(xiàn)了脈沖調(diào)制算法，但系統(tǒng)硬件成本也隨之增加，同時二者采用數(shù)據(jù)端口進行通信降低了系統(tǒng)可靠性。本文采用TMS320F28377D雙核CPU，控制算法在CPU1中執(zhí)行，轉(zhuǎn)子角度檢測、調(diào)制算法等在CPU2中執(zhí)行，二者直接通過內(nèi)部信息共享區(qū)(IPC)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，提升了控制性能。

文獻[1]基于AD2S1210對永磁電機轉(zhuǎn)子位置和速度的檢測方法進行了介紹，但沒有對其檢測誤差進行分析和補償。文獻[2]對角度位置補償種類進行了介紹，但沒有給出具體的實現(xiàn)方法。本文基于AD2S1210旋變解碼芯片對永磁電機的轉(zhuǎn)子角度位置進行檢測，通過TMS320F28377D的SPI模塊實現(xiàn)與解碼芯片間的數(shù)據(jù)交互，并采用角度分段補償對其誤差進行校正，通過半實物仿真和試驗對檢測的轉(zhuǎn)子角度信息進行了驗證。

1 旋轉(zhuǎn)變壓器工作原理

旋轉(zhuǎn)變壓器可以將永磁電機的轉(zhuǎn)子角度轉(zhuǎn)換為電信號，并通過解碼芯片轉(zhuǎn)換為數(shù)字量供DSP使用。旋轉(zhuǎn)變壓器包括三個繞組，分別是勵磁繞組、正弦繞組和余弦繞組，如圖1所示。

圖1 旋轉(zhuǎn)變壓器原理圖

勵磁繞組作為輸入繞組接收解碼芯片輸出的頻率可調(diào)的勵磁信號，正余弦繞組作為輸出繞組輸出與轉(zhuǎn)子角度有一定關(guān)系的正余弦電壓信號，供解碼芯片解碼出對應(yīng)的數(shù)字信號[2-3]。

勵磁電壓和正余弦電壓表達(dá)式如下：

(1)

式中：Ur、Usin、Ucos分別為勵磁電壓、正弦電壓和余弦電壓；E為勵磁電壓的幅值；ω為勵磁電壓角頻率；θ為轉(zhuǎn)子位置角。

電機正常運行時，旋轉(zhuǎn)變壓器根據(jù)勵磁信號反饋兩路正余弦交流信號，經(jīng)過特定的解碼芯片對其進行解碼，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)信號/數(shù)字信號轉(zhuǎn)換，通過數(shù)字量即可表征轉(zhuǎn)子角度0°～360°的變化，為數(shù)字信號處理及電機控制算法實現(xiàn)提供了保證。

2 解碼原理

2.1 特性描述

本文采用AD2S1210對旋變信號進行解碼，解碼芯片自身集成頻率可調(diào)正弦波發(fā)生器，具有模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，其輸出為二進制數(shù)據(jù)，可通過串口進行讀取，實現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)變壓器與DSP間的數(shù)據(jù)交互。該解碼芯片具有以下特性：

(1) 數(shù)據(jù)分辨率可調(diào)，用戶根據(jù)需要有10/12/14/16位分辨率選擇；

(2) 差分輸入，抗干擾能力強；

(3) 勵磁頻率2～20 kHz可編程；

(4) 串行/并行10～16位數(shù)據(jù)接口；

(5) 兼容SPI接口標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 解碼原理

AD2S1210芯片為了實現(xiàn)對轉(zhuǎn)子位置角θ的跟蹤，自身會產(chǎn)生一個估算角度φ，φ的反饋值用來與θ相比較，解碼芯片對估算角度φ不斷進行調(diào)整。為了表征角度差，對式(1)作如下處理：

(2)

將式(2)的兩式作差可得：

e=Ursinθcosφ-Urcosθsinφ=

Ursin(θ-φ)

(3)

當(dāng)θ與φ接近時兩個角度的差值趨向零，此時sin(θ-φ)≈θ-φ，直至φ=θ時完成解碼[4-5]。

2.3 解碼配置

AD2S1210解碼后的二進制數(shù)據(jù)通過并口或串口通信方式與DSP進行數(shù)據(jù)交互，解碼數(shù)據(jù)包括位置和速度信息，通過軟件配置工作模式即可對所需數(shù)據(jù)進行提取。具體配置如表1所示。

表1 工作模式設(shè)置

其中配置模式可對芯片寄存器進行讀寫操作，本文通過配置模式將勵磁頻率設(shè)置為6 kHz，并將分辨率設(shè)置為12位，其中勵磁頻率寄存器(地址為0x91)值計算公式如下：

(4)

式中：f為要設(shè)定的勵磁頻率；fclk為解碼芯片的時鐘頻率，本文采用8.192 MHz的晶振頻率作為時鐘頻率。

AD2S1210與DSP間采用SPI串行通信，根據(jù)芯片工作時序?qū)υ谄胀Ｊ较碌奈恢煤退俣葦?shù)據(jù)進行串行方式讀取[6]。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件電路

AD2S1210解碼芯片具有豐富的可編程數(shù)字接口，采樣分辨率及模式選擇均可以通過輸入/輸出接口對相應(yīng)的引腳進行配置。解碼芯片的模擬量接口包括勵磁輸出和正余弦輸入兩部分。其電路原理如圖2所示。

圖2 AD2S1210電路原理圖

3.2 數(shù)據(jù)交互

AD2S1210解碼芯片的輸出為二進制數(shù)據(jù)，本文主控芯片采用TMS320F28377D，具有豐富的數(shù)字接口。數(shù)據(jù)交互方案如圖3所示。

3.3 軟件實現(xiàn)方法

采用TMS320F28377D雙核CPU，其中CPU1核實現(xiàn)模擬量采樣、控制算法及保護邏輯，CPU2核實現(xiàn)轉(zhuǎn)子角度檢測及速度計算、脈沖調(diào)制，雙核間通過IPC實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，如圖4所示。兩核以尋址方式讀取彼此在共享區(qū)存儲的數(shù)據(jù)，從而優(yōu)化了CPU資源，同時解決了傳統(tǒng)控制方式需要外接通信接口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互的問題。

圖4 TMS320F28377D軟件控制框圖

3.4 轉(zhuǎn)子角度誤差校準(zhǔn)

轉(zhuǎn)子角度誤差與旋轉(zhuǎn)變壓器安裝精度、制造工藝以及所處的電磁環(huán)境等因素有關(guān)，誤差分布相對固定。該誤差會導(dǎo)致控制系統(tǒng)電流波動，因此需要對控制器采集到的轉(zhuǎn)子角度位置進行校準(zhǔn)，從而提升控制系統(tǒng)輸出精度，保證系統(tǒng)全速度范圍穩(wěn)定運行。

本文解碼芯片采用12位分辨率，數(shù)據(jù)記錄長度為2 000個點，因此旋變采樣值在0～4 095之間周期性變化?？刂破鞑杉降慕獯a芯片輸出的旋變采樣值波形如圖5所示。

圖5 旋變采樣值波形

對于理想的旋轉(zhuǎn)變壓器，在一個周期內(nèi)的所有采樣點均落在同一條直線上。旋變實際的采樣值與理想情況下的采樣值的差值即為旋變誤差，如圖6所示。

圖6 轉(zhuǎn)子角度誤差分布圖

當(dāng)旋轉(zhuǎn)變壓器自身存在圖6所示的位置誤差時，采樣結(jié)果會分布在理想直線的兩側(cè)。由于位置角度變化的周期性，可以取采樣結(jié)果的0(對應(yīng)0°)和4 095(對應(yīng)360°)兩個點為起止參照點，并以此構(gòu)建理想直線，進而可以得到采樣值與理想值波形間的誤差分布。

將誤差數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件，通過軟件自帶的數(shù)學(xué)工具對數(shù)據(jù)進行分析擬合，得到誤差分布曲線表達(dá)式如下：

(5)

式中：x為轉(zhuǎn)子位置角度采樣點；a、b、c、d分別為擬合曲線系數(shù)。

將式(5)作為補償項對采集到的轉(zhuǎn)子位置角度進行反向補償，以此抵消采集結(jié)果中疊加的誤差，可以得到誤差校準(zhǔn)后的電機位置角度。

4 仿真和試驗結(jié)果

為了驗證本文提出的轉(zhuǎn)子角度檢測方案的可行性，進行了仿真和試驗。系統(tǒng)所用電機參數(shù)如表2所示。旋變型號為132XU9732A。

表2 系統(tǒng)采用電機的參數(shù)

4.1 仿真結(jié)果

通過半實物仿真平臺模擬旋轉(zhuǎn)變壓器，根據(jù)AD2S1210解碼芯片輸出的6 kHz勵磁信號與轉(zhuǎn)子實際角度的正余弦乘積得到解碼芯片所需的正余弦輸入信號，其中轉(zhuǎn)子角度可通過模型對電機頻率進行修改得到。1 500 r/min勵磁信號及正余弦信號波形如圖7所示。

圖7 旋轉(zhuǎn)變壓器信號波形

圖7中，勵磁為6 kHz正弦信號，旋轉(zhuǎn)變壓器輸出信號是包絡(luò)為100 Hz的正余弦信號。為了驗證主控芯片采集到的角度正確性，通過芯片內(nèi)部RAM對采樣數(shù)據(jù)進行記錄，記錄長度為2 000，角度/電流采樣值如圖8所示。

圖8 角度/電流采樣值波形

通過數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，角度采樣值在0～4 095間周期性遞增，無毛刺和數(shù)據(jù)跳變現(xiàn)象，轉(zhuǎn)子位置0°角對應(yīng)電機U相電流相位-π/2，電流相位與轉(zhuǎn)子角度相對應(yīng)，驗證了角度采樣的正確性。

4.2 試驗結(jié)果

針對上述轉(zhuǎn)子角度檢測方法的分析和仿真結(jié)果，依托某有軌電車項目，搭建試驗平臺，對此方法進行驗證，如圖9所示，其中TCU為系統(tǒng)的控制單元，包括信號采集板、數(shù)字輸入/輸出板和CPU板，本文采用的TMS320F28377D及AD2S1210芯片均在CPU板。

圖9 電機控制試驗臺

為了驗證轉(zhuǎn)子角度誤差對系統(tǒng)的影響，電機在3 000 r/min時分別對未進行轉(zhuǎn)子位置角度校準(zhǔn)和進行校準(zhǔn)后的電流波形進行分析，如圖10、圖11所示。

圖10 未校準(zhǔn)U、V相電流波形

圖11 校準(zhǔn)后U、V相電流波形

從波形對比可以發(fā)現(xiàn)，采用轉(zhuǎn)子角度位置補償校準(zhǔn)消除了轉(zhuǎn)子位置采集過程中所疊加的誤差，電機電流無波動。本文提出的轉(zhuǎn)子角度檢測方法可以較好地實現(xiàn)永磁同步電機矢量控制，電機轉(zhuǎn)矩控制平穩(wěn)，驗證了方法的可行性。

5 結(jié) 語

本文提出的轉(zhuǎn)子角度檢測方法可有效對永磁同步電機轉(zhuǎn)子位置信息進行采集并對其誤差進行校準(zhǔn)，實現(xiàn)方法簡單且精度高。介紹了旋轉(zhuǎn)變壓器的工作原理、AD2S1210芯片的解碼配置以及數(shù)據(jù)交互實現(xiàn)方式，然后對系統(tǒng)進行了詳細(xì)的設(shè)計，最后通過半實物仿真和試驗對所提的轉(zhuǎn)子角度檢測方法進行了功能驗證。仿真和試驗結(jié)果驗證了該方法的正確性和有效性，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，滿足永磁電機高精度位置檢測要求。