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无刷直流电机转速检测方法综述
发布时间:2015-10-08 18:03 作者: 来源:期刊论文投稿网

无刷直流电机转速检测方法综述

崔儒飞

 

(长安大学  工程机械学院  陕西 西安  710064)

摘要:测量是控制的基础,如果测量不准确好的控制算法也不会取得好的控制效果。为了更好的实现对无刷直流电机(BLDCM)转速的控制,在好的算法的同时,对电机转速的检测是十分重要的。本文总结了无刷直流电机转速的测量方法,论述了各种有效的检测手段,做出了归纳。

关键词:无刷直流电机;转速;检测;综述

 

Review on Brushless DC Motor Speed Detection Method

Abstract: Measurement is the basis of the control, if inaccurate measurement control algorithm also won't get good control effect. In order to better realize the brushless DC motor (BLDCM) speed control, at the same time, in a good algorithm to detect motor speed is very important. This article summarizes the brushless dc motor speed measurement method , this paper discusses the various effective detection means and made the induction.

Key words: brushless DC motor (BLDCM ) ; rotate speed; detection; review

 

0 引言

   无刷直流电机近年来得到广泛的应用,其具有控制简单、效率高、调速性能好、输出转矩大等特点。在机器人、航天航空、精密电子仪器与设备等对电机性能、控制精度要求较高的场合和领域, 无刷直流电机的应用和研究受到了广泛的重视。随着无刷直流电机应用的不断发展,人们对电机的控制系统设计要求越来越高,为了实现速度闭环控制,需要测出电机转速大小。检测电机转速的方法有很多,按照检测所采用的工作原理通常可分为三种:模拟式、同步式和计数式[1]。无刷直流电机又分为两类:有位置传感器的无刷直流电机和无位置传感器的无刷直流电机。由于多数无刷直流电机的容量都很小,一般不宜在轴上安装如测速电动机或光电编码盘等测速装置,为此研究人员提出了很多方法以间接得到无刷直流电机的转速信息,然而各种方案都具有优缺点,并不是适用于所有电机,所以有必要对无刷直流电机转速的检测方法进行归纳总结,本文重点阐述无外接传感器测速的研究,这对研究新方法以及实践应用都具有借鉴和指导意义。

 

1 安装光电编码器的电机测速方法

M法测速: M法的原理是在一定时间T内检测编码器脉冲的个数M,计算这段时间内的平均转速。电机每转一圈编码器共产生Z个脉冲,计算公式为:

                  (1)  

T法测速:T法的原理是在编码器一个输出脉冲的周期内,用计数器对已知频率为的高频时钟脉冲进行计数,用来计算转速。测速时间T是用所得的高频时钟脉冲个数计算,,转速n的计算公式为:

          (2)

M/T法测速:M/T法的原理是将M法和T法结合。检测T时间内编码器输出的脉冲个数M的同时检测高频时钟脉冲个数。转速n的计算公式为:

       (3) 

文献[2]对三种测速方法进行分析并完成了测试,得出M法适用于高速测速,T法适用于低速测速,M/T法测速范围较广,算出的转速准确。

2 有位置传感器的无刷直流电机转速检测

对于有位置传感器的无刷直流电机,在不安装外接传感器的基础上可以利用转子位置传感器产生的脉冲信号计算速度。通常的位置传感器有霍尔传感器和光电式传感器,根据转子位置信号设计简单的算法就可以计算出转速,通常这种方法被称为软件测速法。计算依据公式为:

     (4)

公式中,为电机转速,为转一圈所用时间,为电机极对数。

文献[3]在基于数字信号处理器(DSP)无刷直流电机控制系统中提出窗口过滤的软件测速法。窗口过滤测速法是指通过设定一个一定大小的数组, 例如该系统中采用SpeedSample[n ],n=100,将每次中断捕获的速度值SpeedTemp依次存入数组中,当填满该数组时,如果再有速度值进入,数组指针将向后自动移一位,记入第101个值,并减去第1个值,依此类推。测得的实际速度值由数组中所存速度值的平均值给出。窗口过滤测速法准确、稳定可靠,并能够充分发挥DSP指令速度快的优势[3]。

文献[4]提出了基于霍尔信号的两种测速方法:

2.1 霍尔测频测速法

如果使用1路霍尔信号进行转速测量,由于其反馈信号测速周期与霍尔信号周期一致,低速系统中较长的测速周期可能会造成系统的不稳定。为了提高测速频率,可以先将霍尔信号三倍频。捕捉三倍频霍尔信号的上升沿和下降沿,再利用高频计数器从上升沿开始计数,下降沿停止计数,同时开始下次计数,测得三倍频后霍尔信号的频率,根据公式进行一定的数学运算得到与电机转速成正比的数字信号。

2.2 频/压转换测速法

频/压转换测速法是通过捕捉三倍频霍尔信号的上升沿和下降沿,每次上升沿或下降沿到来时,利用单稳态触发器发出1个固定高度、固定宽度的脉冲,然后对脉冲信号进行频/压转换,得到模拟的电机转速信号,即可实时反映电机的转速。频/压转换测速法可选用专用的频/压转换芯片实现[4]。

3 无位置传感器的无刷直流电机转速检测

3.1 文献[5]在介绍无刷直流电机机械特性检测原理的基础上,通过分析无刷直流电机的换相过程,得到无刷直流电机换相频率与转速、转矩之间的关系。通过小波分析方法对采集到的启动过程的相电流进行去噪,提取瞬时换相频率代入公式 中计算转速。

3.2.数字、模拟混合法测速

文献[6]研究了一种基于数字信号处理器(DSP)的高速运行下无位置传感器无刷直流电机的控制和测速方法,采用数字、模拟混合法来实现对高速运行下的无刷直流电机转速的测量。

 

图1   数模混合法测速原理图

图中u1是稳定运行下电机的电动势经过放大整形后得到的方波信号,该方波信号的频率为f,通过计数控制,在方波信号的正半周期,计数器对标准时钟脉冲u2 进行计数,在方波下降沿停止计数,并将计数器中的数字量m存入锁存器,然后清零计数器,为下一个周期计数作准备。只要对锁存器中的数字量进行数-模转换,并用除法电路求其倒数,即可得到与电动势频率成正比的模拟电压信号,也就测得电机的转速n。

                (5)

公式中,为标准时钟脉冲频率,为电机极对数。显然,只要测得与电动势频率成比例的模拟电压信号,即可检测到电机转速[6]。

 

结束语:在对无刷直流电机进行间接的测试过程中对信号采样、分析和处理存在着截断误差和量化误差,精度一般不如直接法。但随着电子技术的发展和更好的算法的出现,无传感器模块化测速的应用会越来越多。

参考文献:

[1] 刘丹. 基于虚拟仪器的无刷直流电机检测系统研究[D].安徽大学,2010.

[2] 王翔,赵香桂.基于DSP的三种电机转速测量方法研究.电气传动自动化,2011,33(1)

[3] 皇甫宜耿,马瑞卿,杨永亮.窗口过滤测速法在无刷直流电机测控系统中的应用,2006,25(9)

[4] 翟猛,马瑞卿,张庆超.无刷直流电机两种测速方法研究.机电一体化,2013.3

[5] 何建华,何文辉,邓小敏.一种新的无刷直流电机机械特性检测方法.中国计量学院学报,2011.9

[6] 王京锋,孙纯祥,林洪怡,马隽.高速无刷直流电机控制与无传感器测速研究,2006.10

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