电机控制器与电子测速器在电机中的应用

电机控制器与电子测速器在电机中的应用

李忠洪

开滦股份范各庄矿业分公司，河北 唐山 063100

摘要：文章主要是建立了测速用码盘的Matlab的仿真模型，同时对其码盘测速中的四种数字测速方法的精度以及其的使用范围展开了研究和探讨，望能为有关人员提供到一定的参考和帮助。

关键词：码盘；低速；测速

1 引言

当前现代电动伺服系统在快速的发展中，在我国机械制造行业当中有着十分重要的作用，已被广泛应用到其中的各个系统中。速度检测环节是电机控制系统中重要的组成部分，其的快速性以及精确度会直接影响到整个控制系统的性能。

2 基于码盘测速方法分析对比

M法、T法、M/T法以及变M/T法测速都是基于码盘信号的处理，而码盘的线数决定码盘的价格，在实验和工程设计过程中，根据不同的电机控制系统如果要选用码盘测量转速数据可能会选择不同的码盘，高线数码盘价格昂贵，而低线数码盘无法满足精度，所以码盘线数的选择给实物电机码盘的购买和安装带来一定麻烦,本文基于Matlab中的Simulink模块模拟了码盘的脉冲信号，从电机系统的转速信号输人到信号的离散化，这时的离散量由电机的线数决定,然后由离散的脉冲进行正负脉冲计数后数据处理输出正交的脉冲信号，方便后面基于码盘信号处理算法的实现。仿真过程中,实际转速,生成的码盘信号,当电机转速为负方向时,码盘信号的B相脉冲领先于A相脉冲，并且相差90°,当电机转速为正方向时,码盘信号的A相脉冲领先于B相脉冲,并且相差90°,很好地实现了AB脉冲信号的正交，同时可以实时修改码盘的线数，仿真操作简单，为真实的码盘测M法测速分辨率与转速无关，只与码盘的线数值和检测时间有关。欲提高M法测速分辨.率，就需要改用较大线数值的光电编码器或增加检测时间。从仿真速度与实际速度的误差可以看出电机转速接近零时转速误差最大，误差随着转速的升高而减小，这是由于在一段时间内测量到的脉冲信号极可能不是一个整数，这时系统的测量误差就是+1个脉冲，而在低速时测量的脉冲比高速时少,故这+1个脉冲在低速时计算出的误差更大,理论分析和仿真分析说明M法适合电机的高速测量，在电机处于低速时无法满足测速精度的要求，电机转速接近零时转速误差最小，虽然误差随着转速的升高而增大，但在零速附近转速的动态响应最慢，这是由于在相邻2个脉冲信号之间的时间脉冲个数可能不是一个整数,这时系统的测量误差就是+1个时间脉冲,而在低速时测量的脉冲比高速时多，故这+1个脉冲在低速时计算出的误差更小，但是相邻2个脉冲之间需要更多的时间导致系统的动态响应更馒,理论和仿真说明T法适合电机的低速测量，但是T法过长的延时滞后是系统不能容忍的。M/T法兼有M法和T法的优点，在高速和低速段均可获得较高的精度，但是M/T法的检测时间不能过长，否则容易引起系统的滞后。变M/T法的仿真是当电机处于低速时采用T法,即测量一个脉冲的时间来计算速度，而电机处于高速时取多个脉冲来计算，其优点是不必象M/T法那样费力地测取AT。变M/T法的测速波形无论在高速或低速,其检测性能都等于或超过M法或T法。还可以看出，电机处于低速时电机的动态响应太慢。4种测速方法的仿真对比分析表明，对分辨率而言,T法测低速时较高，随着速度的增大，分辨率变差;M法则相反,高速时较高，随着速度的降低,分辨率变差;M/T法的测速分辨率是常数,与速度无关,因此M/T法比前面两种方法都好。从测速精度上看,也以M/T法为佳。至于检测时间,在标准的M法中,检测时间与速度无关;在T法中，因为取光电脉冲的间隔时间作为检测时间，因而，随着速度的增大而减小;M/T法检测时间相对前两种方法是较长的，但是若稍微牺牲-一点分辨率，可使检测时间几乎与M法相同。通过上面的说明,可知M/T法在3种测速方法中的测速精度和测速分辨率是最好的，而变M/T法是M/T法的改进。在电机处于高速时，变M/T法的极限测速方法实际等效于M法测速，在电机处于低速时,变M/T法的极限测速方法实际等效于T法测速，故电机处于低速时最好的测速方法其实还是T法测速,但是T法测速的动态响应太慢,是高精度电机控制系统无法容忍的。

3 低速区测速方法的改进

当电机处于低速状态，那么从码盘信号检测到的脉冲信号时间间隔就会很长，而电机在这个脉冲间隔之间就不能获得有效的速度信息，从而使这段间隔成为反馈的盲区，电机便处于失控状态,这在低速的高性能电机控制系统是不允许的。为了解决这个问题，可以通过在相邻2个脉冲信号间隔之间，隔一定的时间插人估算的速度，同时在脉冲信号到来时对估算的速度值进行修正，以提高测速系统的性能。

4 仿真与实验分析

4.1 仿真验证及分析

从电机输出的转速信号首先进行码盘信号处理，然后从这个模块输出的脉冲信号输人到转速计算，转速计算模块需要检测到电流值和电压值作为参数输人来实时进行插值,本文仿真和实验中取修正参数k=1.2。电机的插值估算速度测量仿真曲线和T法的测速曲线对比，在电机处于低速时,尤其在零速附近时,T法的动态响应慢,其原因是因为在很长一段时间内检测不到码盘的脉冲，而此时插值估算法在脉冲之间对电机的转速进行了插值,提高了测速系统的动态响应,并且插人的计算值比较接近真实的速度值，对变T法在低速情况下的速度测量有一定的改进。从插值修正测速仿真曲线可以看出在k取1.2不变的情况下插值修正法很接近真实的曲线,几乎和实际转速重合，它可以在系统的每个周期进行插值和修正，比起插值估算测速法对转速性能的测量有了进一步的提升。从误差曲线也可以看出比没有改进的误差小得多，而且在系统的每个周.期都比较小，不会存在低速时检测不到脉冲的盲区。

4.2 实验验证及分析

在基于TMS320F28335 DSP的全数字化永磁同步电机伺服控制系统上，对本文提出的测速算法进行实验研究。用于实验的永磁同步电机参数如下:额定功率=550W,额定电流=2066A，最大转速=1200r/min，定子电阻=9.79n,定子q轴电感=36.36mH,额定转矩=5.25N.m,额定转速=1000r/min,极对数=4,定子d轴电感=36.36mH，转动惯量=0.00092kg.m2。在给定转速为30rad/s的空载情况下,在电机空载实验时不能忽略摩擦因子带来的影响，转矩应取考虑摩擦因子的转矩数据。带独立修正的波形明显比T法测得的波形更加平滑，也更加接近真实值,尤其是在低速情况下,T法的动态响应较慢,所以此时的转速完全是平均速度，而插值修正可以在更短的周期内插人估算的真实值，对转速的测量已经有较好的改善。

5 结语

由上可知，数字测速方法很难同时满足到电机处于低速情况下的速度测量，为此文章提出了基于T法的插值估算速度测量的方法，此方法在电机处于低速使其时的动态响应有着明显的上升，同时插入的瞬时值也比T法测量的平均速度在精度上得到了改善。

参考文献

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