本發(fā)明屬于中大功率電氣傳動領域，具體涉及一種永磁電機轉子位置-轉速檢測裝置。

背景技術：

隨著新型永磁材料的發(fā)展和推廣應用，以永磁同步電機為代表的新型機電轉換設備成為了電氣傳動領域的重要組成部分。永磁同步電機以其高功率密度、高可靠性、良好的控制性能、低振動噪音等優(yōu)點，在汽車動力、機車牽引、船舶工業(yè)領域得到了廣泛的應用。特別是對振動噪聲要求較高的應用場合，永磁電機具有常規(guī)交流電機無法比擬的優(yōu)勢。

在永磁同步電機控制中，控制變頻器需根據(jù)電機轉子實時位置，確定旋轉坐標系坐標軸，并基于轉子位置角和轉速實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。因此，轉子位置-轉速檢測成為永磁電機控制的基本條件之一。在電機控制領域，常用的轉子位置-轉速檢測元件有光柵編碼器和旋轉變壓器。其中，光柵編碼器在靜止狀態(tài)下無法獲得轉子位置初始角，僅能實現(xiàn)動態(tài)轉子位置-速度的檢測，需采用額外控制算法獲得初始角，該方法復雜，且容易產(chǎn)生微振動，故較少用于永磁同步電機轉子位置-速度檢測。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術的缺陷，提供一種永磁電機轉子位置-轉速檢測裝置，。

本發(fā)明提供了一種永磁電機轉子位置-轉速檢測裝置，其特征在于：它包括時序控制器、外圍通信接口、數(shù)字轉換器、勵磁信號調理電路、旋轉變壓器、反饋信號調理電路：其中，

旋轉變壓器作為位置傳感器，包含定子和轉子；其中，定子包含1套勵磁繞組和2套反饋繞組；當勵磁繞組通入交流勵磁電流后，反饋繞組將輸出包含轉子位置信息的模擬信號至反饋信號調理電路；

反饋信號調理電路包括高頻濾波電路和電壓幅值調理電路組成；高頻濾波電路濾除旋轉變壓器輸出的模擬信號中的高頻干擾；電壓幅值調理電路將模擬信號中的反饋電壓幅值調整到數(shù)字轉換器合理的輸入范圍內并將調整后的模擬信號輸出至數(shù)字轉換器；

數(shù)字轉換器提供旋轉變壓器所需的勵磁信號，并按照Type II跟蹤閉環(huán)原理，將反饋的模擬信號轉換成位置、轉速、檢測裝置故障的數(shù)字信號并輸出至勵磁信號調整電路和時序控制器；同時接收來自時序控制器的數(shù)據(jù)命令；

勵磁信號調理電路利用內部運放電路實現(xiàn)數(shù)字轉換器輸出數(shù)字信號的電壓幅值和功率的放大，以滿足旋轉變壓器的驅動功率需求；并將調整后的數(shù)字信號輸出至旋轉變壓器；

時序控制器實現(xiàn)數(shù)字轉換器的初始化配置和位置、轉速、轉換故障信號的讀取，以及通過外圍通信接口接收來自上層控制器的數(shù)據(jù)命令通信；并將接收到的數(shù)據(jù)命令輸出至數(shù)字轉換器；

外圍通信接口主要由光纖發(fā)送驅動器和光纖收發(fā)器組成；驅動器將時序控制器發(fā)送的電信號功率放大，并驅動光纖發(fā)送器實現(xiàn)電-光信號轉換；光纖接收器將轉換后的光信號輸出值上層控制器，同時將接收到的來自上層控制器的光信號轉換成電信號，傳遞給時序控制器。

所述時序控制器以FPGA為控制核心，編程實現(xiàn)數(shù)字轉換器的勵磁頻率、工作模式、分辨率、故障閾值的初始化設定和位置、轉速、故障數(shù)據(jù)的讀取時序控制以及故障清除；時序控制器實現(xiàn)數(shù)字轉換器和上層控制器之間通信的曼徹斯特編解碼。

所述通信接口由采用74ACT00驅動的HFBR-1414TZ光纖發(fā)送器、AFBR-2418TZ光纖接收器及其外圍電路組成。

所述數(shù)字轉換器包括AD2S1210及其電源和晶振源及其外圍電路組成；AD2S1210所有可配置引腳均和FPGA的通用IO相連。

所述勵磁信號調理電路的輸入端連接AD2S1210勵磁正負輸出端，其輸出端連接旋轉變壓器的勵磁繞組；勵磁信號調理電路包括AD8397運算放大器和外圍電阻電容；運算放大器的正極輸入端經(jīng)電阻R3接地，運算放大器的正極輸入端經(jīng)電阻R2連接12V直流電源；運算放大器的負極輸入端經(jīng)電阻R4連接AD2S1210勵磁正負輸出端；運算放大器的負極輸入端經(jīng)電阻R4與運算放大器的輸出端連接；電阻R4與電容C1并聯(lián)；電阻R2、R3用于設定運算放大器輸出的偏置電壓；R4與R1的比值為運算放大器運放電壓幅值放大系數(shù)；R4、C1用于濾除勵磁信號的諧波干擾。

所述反饋信號調理電路，其兩個輸入端分別連接旋轉變壓器的2個反饋繞組，其兩個輸出端分別連接AD2S1210的反饋信號兩個輸入接口；反饋信號調理電路的第一輸入端經(jīng)電阻R7和電阻R9與第一輸出端連接；反饋信號調理電路的第二入輸出端經(jīng)電阻R8和電阻R10與第二輸出端連接；接地端經(jīng)穩(wěn)壓管D1連接于電阻R7和R9之間，接地端經(jīng)穩(wěn)壓管D2連接于電阻R8和R10之間；接地端經(jīng)電容C2連接于電阻R9和第一輸出端之間；接地端經(jīng)電容C3連接于電阻R10和第二輸出端之間；第一輸入端經(jīng)電阻R5、R6連接于第二輸入端，2.5V直流電源連接于電阻R5、R6之間；第一輸出端經(jīng)電阻R11連接于第二輸出端；反饋信號首先經(jīng)電阻R1、R2上拉至2.5V參考電壓，用于反饋信號丟失檢測；電阻R3、R4、R5、R6用以調整輸入AD2S1210的電壓信號幅值；電阻R5、電容C2和電阻R6、電容C3分別組成低通濾波器，濾除反饋信號中的高頻干擾；穩(wěn)壓管D1、D2用以反饋信號過壓保護。

所述時序控制器在檢測裝置上電或復位后，進行數(shù)字轉換器的配置，包括勵磁頻率、工作模式、分辨率、LOS閾值、DOS超量程閾值、DOS失配閾值、DOS復位最大和最小閾值、LOT上限、LOT下限、控制字的寄存器配置；根據(jù)數(shù)據(jù)讀取時序，分時讀取轉換得到的位置、轉速、故障數(shù)據(jù)；查看故障數(shù)據(jù)是否顯示錯誤，若存在錯誤，則清理故障，并重新讀取錯誤數(shù)據(jù)；將讀取得到的數(shù)據(jù)保存在FPGA內部的寄存器中；在收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，按照曼徹斯特編碼規(guī)則，將并行數(shù)據(jù)編碼成串行數(shù)據(jù)，并通過光纖發(fā)送器將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送至上層控制器。

所述上層控制器利用接收到的編碼數(shù)據(jù)碼流，F(xiàn)PGA編程提取數(shù)據(jù)流中的有效跳變沿，并將有效跳變沿統(tǒng)一成上升沿，再利用有效上升沿采樣原始碼流從而實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)提取，最終實現(xiàn)自同步解碼。

所述曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳輸幀格式為3bit的1碼元作為數(shù)據(jù)幀的同步幀頭，3bit的0碼元作為幀尾；在同步幀頭后采用2bit碼元的01作為數(shù)據(jù)起始位；數(shù)據(jù)/狀態(tài)對應n個原始數(shù)據(jù)字的32*n個碼元；數(shù)據(jù)/狀態(tài)奇偶校驗為表征2位奇偶校驗數(shù)據(jù)的4bit碼元；校驗規(guī)則由收發(fā)雙方自定義形成。

本發(fā)明將電子線路鄰域的信號處理、數(shù)字控制以及曼徹斯特編碼技術應用于電氣傳動測量領域，實現(xiàn)了強電磁環(huán)境下的永磁電機轉子位置-轉速的精確檢測。本發(fā)明環(huán)境適應能力強。本發(fā)明用于電機轉子位置-轉速檢測，處于高溫、高濕、強電磁干擾環(huán)境下，采用旋轉變壓器和配套的數(shù)字轉換系統(tǒng)，有效實現(xiàn)本地模擬電信號向數(shù)字光信號的轉換。本發(fā)明檢測精度高，采用高精度旋轉變壓器及其數(shù)字轉換器，結合勵磁放大電路、高頻濾波電路，有效消除勵磁信號的諧波干擾和反饋信號中的高頻電磁干擾，位置信號的檢測精度為角分級，并能實現(xiàn)檢測裝置故障信號的準確定位。本發(fā)明的通用性和適應性強；整個電機轉子位置-轉速檢測裝置能夠根據(jù)應用需求，同時提供位置、轉速、裝置故障信號；采用數(shù)字編成配置和光纖通信接口，可以根據(jù)不同的應用環(huán)境對數(shù)字轉換器進行配置，實現(xiàn)不同數(shù)據(jù)采樣率、轉換精度、分辨率的數(shù)據(jù)采集；根據(jù)通信接口類型，可以配置實現(xiàn)不同速率的串口通信、單光纖曼徹斯特碼通信以及其他自定義通信方式。本發(fā)明采用單光纖高速曼徹斯特碼通信。本發(fā)明將數(shù)字通信鄰域的曼徹斯特編解碼技術應用于電氣傳動領域。采用編程實現(xiàn)的數(shù)據(jù)編解碼，具有硬件結構簡單，通信速率和數(shù)據(jù)量配置靈活，可擴展性好。本發(fā)明的信號調理電路簡單。采用具有大驅動電流能力的運放組成勵磁信號調理電路，避免了傳統(tǒng)推挽輸出放大電路所固有的信號失真。采用低階濾波電路和分壓電路組成的反饋信號調理電路，在濾除高頻干擾的同時，最小程度的減小信號相移，降低信號轉換誤差。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)構成框圖；

圖2為勵磁信號調理電路；

圖3為反饋信號調理電路；

圖4為時序控制器控制流程圖；

圖5為曼徹斯特編碼原理圖；

圖6為曼徹斯特碼通信數(shù)據(jù)幀格式。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構成限定。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種永磁電機轉子位置-轉速檢測裝置，其特征在于：它包括時序控制器、外圍通信接口、數(shù)字轉換器、勵磁信號調理電路、旋轉變壓器、反饋信號調理電路：其中，

旋轉變壓器作為位置傳感器，包含定子和轉子；其中，定子包含1套勵磁繞組和2套反饋繞組；當勵磁繞組通入交流勵磁電流后，反饋繞組將輸出包含轉子位置信息的模擬信號至反饋信號調理電路；旋轉變壓器為電機轉子位置-轉速傳感器件，其轉子和電機轉子同軸固定安裝，其定子和電機定子同軸固定安裝。實際安裝過程應確保旋轉變壓器的轉子、定子和電機轉子、定子的精確對中，減小安裝誤差。

反饋信號調理電路包括高頻濾波電路和電壓幅值調理電路組成；高頻濾波電路濾除旋轉變壓器輸出的模擬信號中的高頻干擾；電壓幅值調理電路將模擬信號中的反饋電壓幅值調整到數(shù)字轉換器合理的輸入范圍內并將調整后的模擬信號輸出至數(shù)字轉換器；

數(shù)字轉換器提供旋轉變壓器所需的勵磁信號，并按照Type II跟蹤閉環(huán)原理，將反饋的模擬信號轉換成位置、轉速、檢測裝置故障的數(shù)字信號并輸出至勵磁信號調整電路和時序控制器；同時接收來自時序控制器的數(shù)據(jù)命令；

勵磁信號調理電路利用內部運放電路實現(xiàn)數(shù)字轉換器輸出數(shù)字信號的電壓幅值和功率的放大，以滿足旋轉變壓器的驅動功率需求；并將調整后的數(shù)字信號輸出至旋轉變壓器；

時序控制器實現(xiàn)數(shù)字轉換器的初始化配置和位置、轉速、轉換故障信號的讀取，以及通過外圍通信接口接收來自上層控制器的數(shù)據(jù)命令通信；并將接收到的數(shù)據(jù)命令輸出至數(shù)字轉換器；

外圍通信接口主要由光纖發(fā)送驅動器和光纖收發(fā)器組成；驅動器將時序控制器發(fā)送的電信號功率放大，并驅動光纖發(fā)送器實現(xiàn)電-光信號轉換；光纖接收器將轉換后的光信號輸出值上層控制器，同時將接收到的來自上層控制器的光信號轉換成電信號，傳遞給時序控制器。

所述時序控制器以FPGA為控制核心，編程實現(xiàn)數(shù)字轉換器的勵磁頻率、工作模式、分辨率、故障閾值的初始化設定和位置、轉速、故障數(shù)據(jù)的讀取時序控制以及故障清除；時序控制器實現(xiàn)數(shù)字轉換器和上層控制器之間通信的曼徹斯特編解碼。

所述通信接口由采用74ACT00驅動的HFBR-1414TZ光纖發(fā)送器、AFBR-2418TZ光纖接收器及其外圍電路組成。

所述數(shù)字轉換器包括AD2S1210及其電源和晶振源及其外圍電路組成；AD2S1210所有可配置引腳均和FPGA的通用IO相連。AD2S1210可根據(jù)具體應用需求，對勵磁頻率(10～20kHz)、工作模式(配置模式、數(shù)據(jù)讀取模式)、數(shù)據(jù)分辨率(10～16位分辨率)、故障閾值進行選擇性設定，并具有角分級的轉換精度。

如圖2所示，所述勵磁信號調理電路的輸入端連接AD2S1210勵磁正負輸出端，其輸出端連接旋轉變壓器的勵磁繞組；勵磁信號調理電路包括AD8397運算放大器和外圍電阻電容；AD8397是一款具有310mA電流輸出能力的高精度、高帶寬、高線性度的雙通道運算放大器。整個勵磁信號調理電路僅需一片運放。運算放大器的正極輸入端經(jīng)電阻R3接地，運算放大器的正極輸入端經(jīng)電阻R2連接12V直流電源；運算放大器的負極輸入端經(jīng)電阻R4連接AD2S1210勵磁正負輸出端；運算放大器的負極輸入端經(jīng)電阻R4與運算放大器的輸出端連接；電阻R4與電容C1并聯(lián)；電阻R2、R3用于設定運算放大器輸出的偏置電壓；R4與R1的比值為運算放大器運放電壓幅值放大系數(shù)；R4、C1用于濾除勵磁信號的諧波干擾。

如圖3所示，所述反饋信號調理電路，其兩個輸入端分別連接旋轉變壓器的2個反饋繞組，其兩個輸出端分別連接AD2S1210的反饋信號兩個輸入接口；反饋信號調理電路的第一輸入端經(jīng)電阻R7和電阻R9與第一輸出端連接；反饋信號調理電路的第二入輸出端經(jīng)電阻R8和電阻R10與第二輸出端連接；接地端經(jīng)穩(wěn)壓管D1連接于電阻R7和R9之間，接地端經(jīng)穩(wěn)壓管D2連接于電阻R8和R10之間；接地端經(jīng)電容C2連接于電阻R9和第一輸出端之間；接地端經(jīng)電容C3連接于電阻R10和第二輸出端之間；第一輸入端經(jīng)電阻R5、R6連接于第二輸入端，2.5V直流電源連接于電阻R5、R6之間；第一輸出端經(jīng)電阻R11連接于第二輸出端；反饋信號首先經(jīng)電阻R1、R2上拉至2.5V參考電壓，用于反饋信號丟失檢測；電阻R3、R4、R5、R6用以調整輸入AD2S1210的電壓信號幅值；電阻R5、電容C2和電阻R6、電容C3分別組成低通濾波器，濾除反饋信號中的高頻干擾；穩(wěn)壓管D1、D2用以反饋信號過壓保護。

如圖4所示，所述時序控制器在檢測裝置上電或復位后，進行數(shù)字轉換器的配置，包括勵磁頻率、工作模式、分辨率、LOS閾值、DOS超量程閾值、DOS失配閾值、DOS復位最大和最小閾值、LOT上限、LOT下限、控制字的寄存器配置；根據(jù)數(shù)據(jù)讀取時序，分時讀取轉換得到的位置、轉速、故障數(shù)據(jù)；查看故障數(shù)據(jù)是否顯示錯誤，若存在錯誤，則清理故障，并重新讀取錯誤數(shù)據(jù)；將讀取得到的數(shù)據(jù)保存在FPGA內部的寄存器中；在收到發(fā)送數(shù)據(jù)命令后，按照曼徹斯特編碼規(guī)則，將并行數(shù)據(jù)編碼成串行數(shù)據(jù)，并通過光纖發(fā)送器將編碼數(shù)據(jù)發(fā)送至上層控制器。

圖5所示為曼徹斯特編碼規(guī)則示意圖。曼徹斯特編碼原理是將非歸零碼的“1”和“0”分別編碼成“10”和“01”兩個碼元，兩個碼元中間添加一個有效跳變沿，用以接收端實現(xiàn)有效跳變沿的提取和自同步解碼。在所述的檢測裝置中，上層控制器利用接收到的編碼數(shù)據(jù)碼流，F(xiàn)PGA編程提取數(shù)據(jù)流中的有效跳變沿，并將有效跳變沿統(tǒng)一成上升沿，再利用有效上升沿采樣原始碼流從而實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)提取，最終實現(xiàn)自同步解碼。所述上層控制器利用接收到的編碼數(shù)據(jù)碼流，F(xiàn)PGA編程提取數(shù)據(jù)流中的有效跳變沿，并將有效跳變沿統(tǒng)一成上升沿，再利用有效上升沿采樣原始碼流從而實現(xiàn)有效數(shù)據(jù)提取，最終實現(xiàn)自同步解碼。在FPGA系統(tǒng)時鐘為100MHz時，基于單光纖的曼徹斯特碼通信速率可達到40Mbps。

圖6所示為曼徹斯特碼數(shù)據(jù)傳輸幀格式。在曼徹斯特編碼中，不可能出現(xiàn)連續(xù)超過3bit的1或0的碼元。據(jù)此，設置3bit的1碼元作為數(shù)據(jù)幀的同步幀頭，3bit的0碼元作為幀尾。在同步幀頭后采用2bit碼元的01作為數(shù)據(jù)起始位。數(shù)據(jù)/狀態(tài)對應n個原始數(shù)據(jù)字的32*n個碼元。數(shù)據(jù)/狀態(tài)奇偶校驗為表征2位奇偶校驗數(shù)據(jù)的4bit碼元。校驗規(guī)則由收發(fā)雙方自定義形成。

本說明書未作詳細描述的內容屬于本領域專業(yè)技術人員公知的現(xiàn)有技術。