基于單片機的永磁同步電機參數測量系統

浙江萬里學院 張 偉 吳程鵬

基于單片機的永磁同步電機參數測量系統

浙江萬里學院 張 偉 吳程鵬

本系統采用STC89C52單片機對永磁同步電機的電壓、電流、轉速進行測量。系統集成了交流電壓測量電路、交流電流測量電路、轉速測量電路、模數轉換電路和CPU控制電路。本測量系統主要特點是測量精度高、速度快，從而為電機的閉環控制提供準確的數據。

永磁同步電機；交流電壓測量；交流電流測量；轉速測量；模數轉換

1.引言

永磁同步電機與普通交流電機比具有高效率、高力矩慣量比、高能量密度等優點，常用于對節能要求高的場合，是個環保低碳電機。永磁同步電機的種類繁多，按照定子繞組感應電動勢的波形的不同，可以分為正弦波永磁同步電機(Permanent Magnet Synchronous Motor，PMSM)和梯形波永磁同步電機。數控機床等設備中常見的正弦波永磁同步電機定子由三相繞組以及鐵芯構成，電樞繞組常以Y型連接，采用短距分布繞組氣隙場設計為正弦波，以產生正弦波反電動勢，轉子采用永磁體代替電勵磁，根據永磁體在轉子上的安裝位置不同，正弦波永磁同步電機又分為三類凸裝式、嵌入式和內埋式。本系統的測量對象為正弦波永磁同步電機。[1-3]

采用單片機實現電機測量系統具有成本低、使用靈活、升級方便等特點[4,5]。永磁同步電機的電壓電流等參數是交流信號，而單片機卻只能識別單極性的信號，所以必須對信號進行轉換。本系統采用電壓互感器將交流電壓轉換成單極性電壓信號，采用電流互感器將交流電流轉換成單極性電流信號，再對得到的波形進行處理，得到單片機容易處理的信號。采用霍爾傳感器對電機進行轉速測量，霍爾傳感器是一種磁場傳感器，輸出電壓隨磁場強度的變化而變化，磁場越強，電壓越高，磁場越弱，電壓越低。霍爾傳感器具有靈敏度高、抗應力、電壓范圍寬、高溫高壓下確保鎖定等特點[6,7]。

2.系統框圖

本系統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、電機轉速測量電路、模數轉換電路、CPU控制電路等。

系統框圖如圖1所示，互感器得到感應電壓電流信號送入有效值電路，得到當前信號的有效值，再將有效值送入模數轉換電路可得到當前信號有效值對應的數字量，最終送入CPU控制電路進行分析和處理。轉速測量電路是先在電機上安裝磁鐵，以此提供電機旋轉時的磁信號，再利用的霍爾傳感器對磁信號進行檢測，得到相應的脈沖信號送入CPU控制電路，以完成電機參數的檢測。

圖1 系統原理框圖

3.測量系統單元電路原理

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成，如圖2所示。電流互感器得到交流電流的感應電信號，經過差分電路去除共模信號，得到真實的交流電流量，再通過有效值電路得到當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成，如圖3所示。電壓互感器得到交流電壓的感應電信號，再通過有效值電路得到當前電壓的有效值，因為電壓傳感器的輸出端阻抗較小，不能直接使用差分電路，故采用一級射級跟隨器進行輸入隔離，以滿足阻抗匹配，再通過差分電路去除共模信號，得到真實的交流電流量，再通過有效值電路得到當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 模數轉換電路圖

3.3 模數轉換電路

本系統采用ADS1248模數轉換芯片，ADS1248芯片性能優越，可以雙電源工作的24位ADC芯片，內置2.048V基準電源，具有功耗低，轉換速率高的特點，由于是SPI串行方式工作，使用起來非常方便。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芯片REF5040。24位ADC的計算公式如下：

得到的AINX的值就是ADS1248對應端口測得的電壓值，再根據傳感器規定的換算方法計算，就可以得到真實電壓電流值。

圖5 轉速檢測

3.4 轉速檢測電路

轉速檢測電路如圖5所示。本系統安裝的轉速信號產生系統能在電機旋轉一圈產生5個信號，即霍爾傳感器能檢測到5個磁場峰值。轉速測量采用定時的方法，通過定時器記錄脈沖的周期T，這樣每分鐘的轉速：M=60/T。該方案所產生的誤差主要是標準誤差，并且使采樣時間降到最短，誤差γ=[60/（T±1）-60/T]，設電機速度在120—6000轉/分之間，那么0.01s≤T≤0.5s，代入公式得：0.00024≤|γ|≤0.6（轉/分）。該測量方法在測量精度及提高系統控制靈敏度上較優秀。因此，電機轉速與霍爾傳感器測得的頻率量具有如下關系：

4.結語

本系統利用電壓電流等傳感器，設計了專門的永磁同步電機參數測量電路，用以永磁同步電機閉環調速系統的信號反饋環，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，可以令測量精度逼近傳感器精度，若能提升傳感器精度則能令測量精度進一步提高，本系統適用于對測量精度要求高的場合。

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[6]張玲娜.基于霍爾傳感器的電機轉速測量與調速系統設計和研究[D].西安:西安石油大學,2016.

[7]張玲娜,毛敏.基于霍爾傳感器的電機轉速測量系統設計[J].山東工業技術,2015,(21):145-146.

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，浙江萬里學院副教授，研究方向為電機控制理論與技術。

吳程鵬（1996—），男，浙江樂清人，浙江萬里學院電子信息工程2016級本科生。