光电编码器选型及同步电机转速和 转子位置测量3 于庆广 刘葵 王冲 袁炜嘉 钱炜慷 张程 清华大学 摘要:光电轴角编码器,又称光电角位置传感器,是电气传动系统中用来测量电动机转速和转子位置的核心部件。对绝对式、增量式和混合式光电轴编码器的工作原理进行了综述,介绍了光电轴编码器的选型原则、转子速度的测量和转子位置的测量方法。最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。 关键词:光电轴编码器 混合式轴编码器 同步电机转子位置 Choice of Optical2encoder and Measure of Speed and R otor Place of Synchronous Motor Yu Qingguang Liu Kui Wang Chong Yuan Weijia Qian Weikang Zhang Cheng Abstract:Optical2encoder,which is also called photoelectric angei2position sensor,is the core device in measurement of motor speed and rotor position in drive system.There summarize the operating principle of ab2 solute、incremental and hybrid encoder,introduce the choice principle of optical2encoder model and the measur2 ing method of rotor speed and rotor position.The implementation of measuring method of rotor speed and ro2 tor position in variable frequency speed2regulated system of synchronous motor is also given. K eyw ords:optical2encoder hybrid2encoder rotor place of synchronous motor 1 引言 光电轴角编码器,又称轴编码器或光电角位置传感器。光电轴编码器以高精度计量圆光栅为检测元件,通过光电转换,将输入的角位置信息转换成相应的数字代码,并与计算机等控制器及显示装置相连接,实现数字测量、数字控制与数字显示[1]。光电轴编码器具有较高的性能价格比,已普遍应用在雷达、光电经纬仪、地面指挥仪、机器人、数控机床和高精度闭环调速系统等诸多领域,是电动机等自动化设备理想的角度和速度传感器。轴编码器主要分为增量式、绝对式与混合式3种,其中增量式轴编码器主要用于测量转子速度,绝对式轴编码器主要用于测量转子的空间位置,混合式轴编码器是增量式轴编码器与绝对式轴编码器的组合。后端加入处理芯片之后,3种轴编码器都具有测量转子速度与空间位置的功能。本文综述了光电轴编码器的种类和选型原则,介绍了转速和转子位置的测量方法;最后,给出了同步电动机变频调速系统中转速和转子位置测量系统的实现。 2 光电轴编码器 2.1 增量式轴编码器 典型的光电轴角编码器结构原理如图1 所示。 图1 光电轴编码器结构图 71 3清华大学大学生SR T项目(031T0144)
第４１卷 增刊２吉林大学学报（工学版） Ｖｏｌ．４１ Ｓｕｐ．２２０１１年９月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉｌｉｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｓｅｐ ｔ．２０１１收稿日期：２０１１－０４－ １５．基金项目：“９７３”国家重点基础研究发展计划项目（２０１１ＣＢ７１１２００）． 作者简介：冯英本（１９８７－），男，硕士研究生．研究方向：电机控制．Ｅ－ｍａｉｌ：ｆｅｎｇｙｉｎｇ ｂｅｎ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ通信作者：陈慧（１９６４－），男，教授，博士生导师．研究方向：汽车底盘电子控制技术．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｉ－ｃｈｅｎ＠ｔｏｎｇｊ ｉ．ｅｄｕ．ｃｎ基于高频信号注入的ＥＰＳ用ＳＰＭＳＭ 无传感器控制 冯英本，陈 慧 （同济大学汽车学院，上海２０１８０４ ）摘 要：探讨了脉动高频信号注入法用于电动助力转向系统（ＥＰＳ）的面贴式永磁同步电机（ＳＰＭＳＭ） 转子位置观测的可行性；分析了注入的电流对于电机转矩波动造成的影响。仿真结果表明：这种方式既可以准确地观测电机转子的位置，且对电机的转矩波动影响较小。关键词：车辆工程；电动助力转向；脉动高频信号注入；面贴式永磁同步电机；凸极效应；转矩波动 中图分类号：Ｕ４６３．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１－５４９７（２０１１）Ｓｕｐ． ２－００６５－０５Ｓｅｎｓｏｒｌｅｓｓ ｄｒｉｖｅ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ＰＭＳＭ ｆｏｒ ＥＰＳ ｂａｓｅｄｏｎ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎＦＥＮＧ Ｙｉｎｇ －ｂｅｎ，ＣＨＥＮ Ｈｕｉ（Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｏｎｇｊｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇ ｈａｉ ２０１８０４，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｄｅｔｅｃｔｉｎｇ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｓｃｈｅｍｅ ｗａｓ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ ｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｉｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｒｏｔｏｒ ｐｏｓｉｔｉｏｎａｃｃｕｒａｔｅｌｙ ａｎｄ ｈａｖｅ ｌｉｔｔｌｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｅｈｉｃｌｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｏｗｅｒ ｓｔｅｅｒｉｎｇ（ＥＰＳ）；ｈｉｇｈ－ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｉｇｎａｌ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ；ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ ｍｏｔｏｒ（ＳＰＭＳＭ）；ｓａｌｉｅｎｃｙ ｅｆｆｅｃｔｓ；ｔｏｒｑｕｅ ｒｉｐｐｌｅ 电动助力转向系统（ ＥＰＳ）系统的核心部件助力电机大多采用高效率、大功率密度、控制性能和对环境鲁棒性良好的表面式永磁同步电机（Ｓｕｒｆａｃｅ－ｍｏｕｎｔｅｄ ｐｅｒｍａｎｅｎｔ ｍａｇｎｅｔ ｓｙ ｎｃｈｒｏｎｏｕｓｍｏｔｏｒ，ＳＰＭＳＭ）［１ ］，相应的位置观测传感器大多选用旋转变压器或者霍尔编码器。但旋转变压器成本高， 霍尔编码器的温度适应性差，且两种方案均有７至１２根信号及电源线与控制器相连，工作环境复杂，降低了系统的可靠性。从降低成本、提 高系统可靠性的角度考虑，无位置传感器的控制策略在ＥＰＳ中的应用很有价值。高频信号注入法作为无位置传感器控制策略的一种，由于其不受电机参数变化影响，可以实现电机零速及低速段的控制，受到越来越多人的关注。 高频信号注入法是利用交流电机的空间凸极 效应，通过在电机内部注入连续的高频信号来追踪电机的凸极位置，实现对电机转子位置的追踪，根据注入信号方式的不同可以分为旋转高频信号
科研训练 设计题目：高速数字信号的信号完整性分析专业班级：科技0701 姓名：张忠凯 班内序号：18 指导教师：梁猛 地点：三号实验楼236 时间：2010.9.14~2010.11. 16 电子科学与技术教研室
摘要： 在高速数字系统设计中，信号完整性（SI）问题非常重要的问题，如高时钟频率和快速边沿设计。本文提出了影响信号完整性的因素,并提出了解决电路板中信号完整性问题的方法。 关键词：高速数字电路；信号完整性；信号反射；串扰 引言： 随着电子行业的发展，高速设计在整个电子设计领域所占的比例越来越大，100 MHz 以上的系统已随处可见，采用CS(线焊芯片级BGA)、FG(线焊脚距密集化BGA)、FF(倒装芯片小间距BGA)、BF(倒装芯片BGA)、BG(标准BGA)等各种BGA封装的器件大量涌现，这些体积小、引脚数已达数百甚至上千的封装形式已越来越多地应用到各类高速、超高速电子系统中。 从IC芯片的封装来看，芯片体积越来越小、引脚数越来越多；这就带来了一个问题，即电子设计的体积减小导致电路的布局布线密度变大，同时信号的上升沿触发速度还在提高，从而使得如何处理高速信号问题成为限制设计水平的关键因素。随着电子系统中逻辑复杂度和时钟频率的迅速提高，信号边沿不断变陡，印刷电路板的线迹互连和板层特性对系统电气性能的影响也越发重要。对于低频设计，线迹互连和板层的影响可以不考虑，但当频率超过50 MHz时，互连关系必须考虑，而在评定系统性能时还必须考虑印刷电路板板材的电参数。因此，高速系统的设计必须面对互连延迟引起的时序问题以及串扰、传输线效应等信号完整性问题。 1．信号完整性的概念： 信号完整性是指信号未受到损伤的一种状态，良好的信号完整性是指在需要时信号仍然能以正确的时序和电压电平值做出响应。差的信号完整性不是由某一单一因素导致的，而是板级设计中多种因素共同引起的。 2．信号完整性问题的分析： 高速不是就频率的高低来说的，而是由信号的边沿速度决定的，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号。信号完整性问题的起因是由于不断缩小的上升和下降时间。假如信号的上升沿和下降沿变化比较缓慢，则电路结构和元器件所造成的影响不大，可以忽略。 当信号的上升沿和下降沿变化加快时，整个电路则会转化为传输线问题，即电路的延迟、反射等问题；当电路中有大的电流涌动时会引起地弹,如大量芯片的输出同时开启时,将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过,芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声,这样会在真正的地平面( 0 V)上产生电压的波动和变化,犹如从地面弹回电路的信号一样；通常表现为在一根信号线上有信号通过时,在上与之
说明书摘要 本发明公开一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，步骤是：首先利用脉振高频电压注入法得到初次估计的转子位置，然后在初次估计的交轴上注入一个正方向扰动信号，再估计转子位置，根据估计得到的转速方向判断磁极极性，得到电机转子初始位置。此种方法可解决脉振高频电压信号注入法检测转子初始位置时磁极极性的收敛问题，无需在直轴上注入正负方向的脉冲电流，可以有效地实现转子初始位置估算。
摘要附图
1、一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特征在于包括如下步骤： （1）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，给定?q 轴电压?0q u =； （2）检测电机的两相电流，并经过Clarke 和Park 坐标系变换，得到??d q -估计同步旋转坐标系的?q 轴电流?q i ，并依照以下步骤估计转子的位置和转速：首先，将检测得到的?q 轴电流?q i 乘以调制信号cos()t h u t ω=；然后，对相乘后所得的信号低通滤波，得到?q 轴电流?q i 的幅值信号()f θ?；最后，对该幅值信号()f θ?进行PI 调节，得到估计转速?ω ，对估计转速?ω积分得到估计的转子位置； （3）重复步骤（2），直至估计的转子位置收敛为一恒定值，即为初次估计 的转子位置?first θ； （4）在??d q -估计同步旋转坐标系的?d 轴上注入高频电压信号?cos()d mh h u U t ω=，在?q 轴注入一个正方向扰动信号，重复步骤（2），直至电机转过一定角度γ，0γ>； （5）根据步骤（3）估计得到的转速方向判断磁极极性，当转速为正时，收 敛的磁极极性为N 极，转子初始位置??=initial first θθ；当转速为负时，收敛的磁极极性为S 极，转子初始位置??=initial first θθπ+。 2、如权利要求1所述的一种永磁同步电机转子初始位置的判断方法，其特 征在于：所述步骤（1）中，采用转子的估计位置?θ进行Park 逆变换，获得实际两相静止坐标系下电压的给定值?u α和?u β。
高速电路中的信号完整性问题 许致火 （07级信号与信息处理 学号 307081002025) 1 信号完整性问题的提出 一般来讲，传统的低频电路设计对于电子工程师并不是多么复杂的工作。因为在低于30MHz的系统中并不要考虑传输线效应等问题，信号特性保持完好使得系统照常能正常工作。但是随着人们对高速实时信号处理的要求，高频信号对系统的设计带来很大的挑战。电子工程师不仅要考虑数字性能还得分析高速电路中各种效应对信号原来 面目影响的问题。 输入输出的信号受到传输线效应严重的影响是我们严峻的挑战 之一。在低频电路中频率响应对信号影响很小，除非是传输的媒介的长度非常长。然而伴随着频率的增加，高频效应就显而易见了。对于一根很短的导线也会受到诸如振玲、串扰、信号反射以及地弹的影响，这些问题严重地损害了信号的质量，也就是导致了信号完整性性能下降。 2 引起信号完整性的原因 2.1 传输线效应 众所周知，传输线是用于连接发送端与接收段的连接媒介。传统的比如电信的有线线缆能在相当长的距离范围内有效地传输信号。但是高速的数字传输系统中，即使对于PCB电路板上的走线也受到传输线效应的影响。如图1所示，对于不同高频频率的PCB板上的电压分布是不同的。 图 1 PCB在不同频率上的电压波动
因为低频电路可以看成是一个没有特性阻抗、电容与电感寄生效应的理想电路。高速电路中高低电平的快速切换使得电路上的走线要看成是阻抗、电容与电感的组合电路。其等效电路模型如图2所示。导线的阻抗是非常重要的概念，一旦传输路径上阻抗不匹配就会导致信号的质量下降。 图 2 传输线等效电路模型 由图2的模型可得电报方程： 2.2 阻抗不匹配情况 信号源输出阻抗（Zs）、传输线上的阻抗（Zo）以及负载的阻抗（ZL）不相等时，我们称该电流阻抗不匹配。也这是说信号源的能量没有被负载全部吸收，还有一部分能量被反射回信号源方向了。反射后又被信号源那端反射给负载，除了吸收一部分外，剩下的又被反射回去。这个过程一直持续，直到能量全部被负载吸收。这样就会出现过冲与下冲(Overshoot/Undershoot)、振铃(ring)、阶梯波形(Stair-step Waveform)现象，这些现象的产生导致信号出现错误。 当传输媒介的特性阻抗与负载终端匹配时，阻抗就匹配了。对于PCB板来说，我们可以选取合适的负载终端策略及谨慎地选择传输介
２００８３７０２机电工程技术!""#年第$%卷第"!期高频信号注入法进行永磁同步电机转子位置 检测的信号采集系统 陈立权，齐 昕，王长松，王辉（１．上海交通大学机械与动力工程学院，上海２００２４０；２．日照职业技术学院机电工程学院，山东日照２７６８２６）收稿日期：２００７－０９－２１摘要：本设计实现了高频信号注入法进行转子位置检测的信号采集系统。用Ｆ２８１２在产生ＰＷＭ波同时产生注入电机的高频脉动信号。采用Ｍａｘ２７４的带通滤波器和用ＯＰＡ２１３２设计的低通滤波器进行滤波，然后通过ＡＤＳ８３６４进行模数转换来采集信号，以中断的方式传送到Ｆ２８１２。实践表明，该系统满足实际数据采集的要求。 关键词：ＡＤＳ８３６４；Ｍａｘ２７４；有源滤波；ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２；高频信号注入；信号采集 中图分类号：ＴＰ２７４文献标识码：Ａ文章编号：１００９－９４９２（２００８）０２－００５５－０３ １引言 永磁同步电机（Ｐｅｒｍｅｎｅｎｔ－ＭａｇｎｅｔＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＭｏｔｏｒ） 以其高效率、结构紧凑、易维护和调速性能好等一系列 优点得到越来越广泛的应用。但传统的永磁同步电机需 要位置传感器来实现电机的换相，如霍尔器件、光学编 码器和旋转变压器等，这些传感器会增加电机转子轴上 的转动惯量，加大电机空间尺寸和体积，有的分辨率低 或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，潮湿和温度 变化都会使性能下降，使得整个传动系统的可靠性难以 得到保证。因此，无位置传感器控制成为一个重要研究 课题。目前应用比较广泛的无传感器转子位置检测方法 是反电势法（ＢａｃｋＥｌｅｃｔｒｏＭｏｔｉｖｅＦｏｒｃｅ，简称为ＢＥＭＦ）。 但是反电势法也存在固有的局限性，首先这种方法需要 利用基波电压和电流信号来计算转子的位置和速度，因 此对电机参数变化很敏感，鲁棒性差，其次在零速或者 低速检测时会因反电势过小或根本无法检测而失败，所 以只适用于高转速运行。为了在低速和零速下获得转子 位置的精确信息，一些学者提出了转子凸极追踪法，这 种方法要求电机具有一定程度的凸极性，而且需要注入 持续高频激励。转子凸极追踪法的基本原理是：在电机 定子绕组上注入高频电流或电压信号，然后检测定子绕 组中对应的电压或电流信号，再通过一系列的坐标变换 来提取转子的位置信息［１］。高频信号注入分为旋转高频信号注入和脉动高频信号注入，对于永磁同步电机来说， 脉动高频信号注入法原理清晰，结构简单，鲁棒性能好， 因此本文采用脉动高频信号 ［２］。 ２系统要求及设计高频信号注入频率一般为０．５ｋ～５ｋＨｚ远高于电机基波频率，所产生的附加转矩是一个高频扰动转矩，对转速不产生影响，在本系统中需要采样的定子绕组中的电流信号为小于１００Ｈｚ和１ｋＨｚ两种信号，并且需要过滤掉注入高频信号以及其他一些噪声。系统结构如图１所示。Ｔｉ公司的ＴＭＳ３２０Ｆ２８１２与其他ＤＳＰ相比，其突出的特点是有两个事件管理器和模数转换模块，事件管理器是数字电机控制应用使用的非常重要的外设，能够实现电机设备控制的多种必要的功能［３］。每个事件管理器模块包括：定时器、比较器、捕捉单元、ＰＷＭ逻辑电路、正交编码脉冲电路以及中断逻辑电路等。ＡＤＣ模块将外部的模 拟信号转换成数字量，且可以将一个控制信号进行滤波或图１系统结构图研究与开发
无刷直流电机转子位置检测的新方法 作者：山东大学陈瑜黄玉王兴华 要 摘要：介绍了无刷直流电机无位置传感器转子位置检测的一种新方法。该方法利用非导通相反电势逻辑电平经逻辑处理后得到一脉冲列，采用PLL锁相技术将脉冲列倍频，通过倍频电路计数器的计数值可以精确检测转子位置。利用数字比较技术将计数值与锁存器中的预置数值比较，可以精确控制绕组电流的最佳换向时刻。通过调节锁存器中的预置值可以方便地调节换向角，非常适用于无刷直流电机的各种控制算法。同时该方法克服了外同步起动过程中易产生的振荡和失步现象。通过实验证明该方法是正确的、有效的。 关键词：无刷电机；无位置传感器；检测 1引言 无刷直流电机运行时需要采用位置传感器检测转子磁场位置信号，以控制逆变器功率管的换流，实现电机的自同步运行。传统的位置传感器是采用电子式或机电式传感器件直接测量，如霍尔效应器件（HED）、光学编码器、旋转变压器等。然而，这些传感器有以下缺点： ①分辨率低或运行特性不好，有的对环境条件很敏感，如振动、潮湿和温度变化都会使性能下降。 ②增加了电气连接数目，给抗干扰设计带来一定困难。 ③占用电机结构空间，限制了电机的小型化。 因此，无刷直流电机的无位置传感器化技术近年来日益受到人们的关注，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究，提出了诸多方法，主要可分为反电势法、电感法、磁链法、旋转坐标系法、观测器法、卡尔曼滤波器法等［1～4］。反电势法简单、可靠，得到了广泛应用，其它方法由于计算复杂、对参数的鲁棒性差等原因应用较少。但反电势法的缺点是： ①低速时反电势小，难以得到有效转子位置信号，系统低速性能差。 ②需用低通滤波器去掉端电压中高频噪声并移相30°以满足换流要求，对滤波器要求较高，同时滤波器容易产生移相误差，而且移相误差大小与速度有关，难以补偿［5］。 ③对换相角调节困难，无法控制换相角γ（超前或滞后）的大小。 ④若采用外同步脉冲起动，当驱动信号由外同步脉冲驱动向内同步脉冲驱动切换时，由于切换点的相位误差易产生振荡甚至失步［6］。 针对以上问题，本文提出了一种新型转子位置检测的方法，以三相6拍运行的无刷直
信号完整性中抖动、噪声研究和发展
信号完整性中抖动、噪声研究和发展 1 引言 随着现代电子产品的开发周期越来越短,工作频率越来越高,尺寸越来越小,产品结构越来越复杂，数字技术的发展日新月异。在20世纪90初，几十兆主 频的X86还是很新鲜的事物，而到如今，频率高达3GHZ的CPU已成为个人电脑的标准配置[1]。手机处理器在10年前ARM7主频还是20MHz，而到了现在2GHz、多核的手机处理器在移动设备上广泛的被应用。处理器遵循着摩尔定律开速的 发展，主频从数十MHz上升到现在的3GHz只用了20年的时间。而在数字产品中，随着工艺的不断改进提升，20前的制造工艺还是微米数量级，而现在已经 步入到了14纳米级工艺。 可见如今的数字电路设计中，芯片的趋势——处理速度越来越快，面积越 来越小，密度却越来越大。数字电路系统的信号速率、时钟频率和集成电路开 关速度[2]的持续增加。这在给广大用户带来更好体验，更便捷应用的同时，也给数字设计者提出了巨大的挑战[3]。信号完整性对于高速电路板和深亚微米(低于0.35微米)芯片设计都是需要考虑的问题[4]。以前在低速设计中可以应 用的方法，在高速电路设计中就编的举步维艰、寸步难行；理论上在设计方法 上应该是正确的，但在实践中却达不到理想的效果。这就涉及到了高速数字电 路设计的问题。I/O速度的提高使得链路总的可用最大抖动预算——单元区间（UI）必将相应的减小。而为了保证设计的整个链路系统有比较好的误码率， 面临的最大挑战就是降低抖动。特征尺寸减小带来的另一个严峻挑战就是功率 损耗和功率密度必须小于某一约束限度，或者说就是使用低功耗设计。 关于抖动的话题对于通信系统的合理设计变得越来越重要，如今，一个通 讯系统的时钟抖动已经成为了影响系统性能的基本限制。时钟抖动的范围与当 今高速串行总线紧密相关，并且数据连接在数字电路系统的设计中，对抖动的 严加控制是必须解决的问题。这是在这种情况下，抖动成为了高速数字通信系 统中，电路设计的一个基本指标。认识什么是抖动，如何描述抖动，成为配置 一个满足性能要求的高速数字系统必不可少的一步。
什么是高速数字信号？ 高速数字信号由信号的边沿速度决定，一般认为上升时间小于4倍信号传输延迟时可视为高速信号，而高频信号是针对信号频率而言的。高速电路涉及信号分析、传输线、模拟电路的知识。错误的概念是：8KHz帧信号为低速信号。多高的频率才算高速信号？ 当信号的上升/下降沿时间< 3~6倍信号传输时间时,即认为是高速信号. 对于数字电路，关键是看信号的边沿陡峭程度，即信号的上升、下降时间,信号从10%上升到90%的时间小 于6倍导线延时,就是高速信号! 即使8KHz的方波信号,只要边沿足够陡峭,一样是高速信号,在布线时需要使用传输线理论。 信号完整性研究：什么是信号完整性? 时间:2009-03-11 20:18来源:sig007 作者:于博士点击:1813次 信号完整性主要是指信号在信号线上传输的质量，当电路中信号能以要求的时序、持续时间和电压幅度到达接收芯片管脚时，该电路就有很好的信号完整性。当信号不能正常响应或者信号质量不能使系统长期稳定工作时，就出现了信号完整性问题，信号完整性主要表现在延迟、反射、串扰、时序、振荡等几个方面。一般认为，当系统工作在50MHz时，就会产生信号完整性问题，而随着系统和器件频率的不断攀升，信号完整性的问题也就愈发突出。元器件和PCB板的参数、元器件在PCB板上的布局、高速信号的布线等 这些问题都会引起信号完整性问题，导致系统工作不稳定，甚至完全不能正常工作。 1、什么是信号完整性（Singnal Integrity）？ 信号完整性（Singnal Integrity）是指一个信号在电路中产生正确的相应的能力。信号具有良好的信号完整性（Singnal Integrity）是指当在需要的时候，具有所必须达到的电压电平数值。主要的信号完整性问题包括反射、振荡、地弹、串扰等。常见信号完整性问题及解决方法： 问题可能原因解决方法其他解决方法 过大的上冲终端阻抗不匹配终端端接使用上升时间缓慢的驱动源 直流电压电平不好线上负载过大以交流负载替换直流负载在接收端端接，重新布线或检查地平面
摘要:介绍了一种基于电机空间凸极追踪转子位置无传感器自检测方法。该方法采用高频电压载波注入法，采用外差法转子位置跟踪观测器完成了转子位置信息提取,实现无机械位置传感器电机转子位置检测。并仿真证明了这种方法可行性。 自20世纪80年代以来，现代电机技术、现代电力电子技术、微电子技术、控制技术及计算机技术等支撑技术快速发展，交流伺服控制技术发展以极大迈进，使先前困扰着交流伺服系统电机控制复杂、调速性能差等问题取了突破性发展，交流伺服系统性能日渐提高，价格趋于合理，使交流伺服系统取代直流伺服系统尤其是高精度、高性能要求伺服驱动领域成了现代电伺服驱动系统一个发展趋势。满足高性能系统技术要求.以永磁同步电机电力传动系统为例,实现高精度、高动态性能速度和位置控制,一般应采用磁场定向矢量控制或直接转矩控制.采取哪种控制方案,都需要测量转子速度和位置,一般是机械式传感器(编码器、解算器和测速发电机)来实现.,这类传感器有安装、电缆连接、故障等问题,并影响系统可靠性和限制系统使用范围,不符合集成应用系统要求。 解决机械传感器给调速系统带来各种缺陷,许多学者开展了无机械传感器交流调速系统研究.无机械传感器交流调速系统是指利用电机绕组中有关电信号,适当方法估计出转子位置和转速,实现转子位置自检测.曾有很多文章提出了各种转子位置和速度检测方法,其中大多数都是检测基波反电势来获转子位置信息.这种基于基波激励方法实施简单,但零速或低速时因反电势过小而根本无法检测,只适用于高转速运行.另外,这些方法要利用基波电压和电流信号计算转子位置和速度,它们对电机参数变化很敏感,鲁棒性差。 包括零速内任何速度下都能够获精确转子位置信息,一些文献提出了一种新转子位置自检测方法,即转子凸极追踪法.这种方法要求电机具有一定程度凸极性,需要有持续高频激励,可以实现电机全速度范围内转子位置检测.这种方法追踪是电机转子空间凸极效应,对电机参数变化不敏感,鲁棒性好.可以看出,这种转子位置无传感器自检测方法学术思想新颖,其研究具有重要理论意义和工程实用价值。 本文基于转子凸极追踪思想,介绍了采用高频电压载波注入法对内插式永磁IPM同步电机转子凸极位置实现跟踪原理,详细讨论了SPWM电压励磁条件下转子自检测方法实现技术,利用Mat-lab建立了凸极效应自检测过程仿真模型,给出了高、低速运行下转子位置自检测结果。 1 基于电机空间凸极追踪转子位置检测原理 面贴式外,一般永磁同步电机均会呈现出一定凸极性,为注入高频载波信号来跟踪转子凸极提供可能. 高频载波信号注入法可分为电流注入法和电压注入法,其中电压注入法实现较为简单.设注入三相平衡电压用一个以载波信号频率旋转载波电压矢量来表示 此主题相关图片如下： 式中：为静止d-q坐标系中注入高频载波电压，为载波电压矢量幅值。 SPWM电压源型逆变器供电拖动系统中，可以逆变器将高频载波信号直接加电机基波励磁上，如图1所示。此时，电机端电压为 此主题相关图片如下：
采用增量式光电编码器作为位置检测元件的PMSM伺服电机，必须要在系统刚上电时就测得电机精确的初始位置。因为在永磁伺服驱动系统中，电机转子的位置检测与初始定位是系统构成与运行的基本条件，也是矢量控制解耦的必要条件。只有永磁同步电机的转子位置能够准确知道，才可以按照矢量控制的一系列方程，将永磁同步电机等效变换成dq坐标系上的等效模型，系统才能按照类似他励直流电机的控制方法对永磁同步电机进行控制，从而可以达到他励直流电机构成的伺服传动系统的性能指标要求。使用增量式光电编码器测量电机位置的伺服系统中, 系统上电后需要先检测出电机的初始位置。电机的初始位置不仅影响伺服系统的定位精度, 而且会对电机的快速启动性能造成一定的影响。 在系统刚刚上电，电机尚未运行时，系统开始测量转子的初始位置，此过程只需要电流环工作，根据伺服系统运行要求，在寻找初始位置的过程中，只允许有很微小的抖动，并且要求很快回归原位。 假设，采用H45-8-2500-WL型光电编码器，电机转动过程中，编码器输出的信号：A（/A）、B（/B）、Z（/Z）、U（/U）、V（/V）和W（/W），如图1（b）所示。其中A（/A）、B（/B）两组信号为相差相位角的同频率信号，分辨率为2500PPR，通过判断两组脉冲的相位可以判断出电机的旋转方向，这两组信号经4倍频之后，电机空间位置的分辨率变为10000PPR。脉冲Z （/Z）是同步信号，电机每旋转一周产生一个信号，其产生的位置固定，即电机转子转到该位置时发出信号（零位信号）。 如图1所示为伺服电机混合式光电编码器的码盘结构及输出信号波形。码盘的中间码道为刻有高密度的增量式透光缝隙（2000，2500，3000PPR等），两边分布两组互成的三个缝隙，受光元件（Photo-Diode Array）接收到发光元件（LED）通过缝隙的光线而产生互差的三相信号，经过放大整形后输出矩形波信号U（/U）、V（/V）和W（/W）。利用这些信号的组合状态来分别代表磁极在空间的不同位置。U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲信号每转的脉冲个数与电机的极对数相一致。根据U（/U）、V（/V）和W （/W）三相脉冲的高低电平关系可以判断电机磁极的当前位置。其过程是：电机启动前，通过U（/U）、V（/V）和W（/W）三相脉冲的状态估算出电机磁极位置，即当前的角度，一旦电机旋转起来，光电编码器的增量式部分可以精确地检测出位置值。这里，伺服电机极对数为4对极，则每相输出信号U（/U）、V（/V）和W（/W）的周期为空间，在每个周期中可以组合成6种状态，每种状态代表空间角度范围为。
2017年7月电工技术学报Vol.32 No. 13 第32卷第13期TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Jul. 2017 DOI: 10.19595/https://www.doczj.com/doc/b513263254.html,ki.1000-6753.tces.L70030 基于无滤波器方波信号注入的 永磁同步电机初始位置检测方法 张国强王高林徐殿国 （哈尔滨工业大学电气工程及自动化学院哈尔滨 150001） 摘要针对无位置传感器内置式永磁同步电机（IPMSM）初始位置检测中，传统的基于凸极跟踪的短脉冲电压注入法难以确定脉冲宽度和幅值、实现困难、二次谐波分量法信噪比低的缺点，提出一种基于无滤波器方波信号注入的IPMSM初始位置检测方法。首先通过向观测的转子d轴注入高频方波电压信号，采用无滤波器载波信号分离方法解耦位置误差信息，通过位置跟踪器获取磁极位置初定值；然后基于磁饱和效应，通过施加方向相反的d轴电流偏置给定，比较d轴高频电流响应幅值大小实现磁极极性辨识；最后，通过2.2kW IPMSM矢量控制系统对提出的基于无滤波器方波信号注入的初始位置检测方法进行实验验证。结果表明，所提方法收敛速度较快，可在IPMSM转子静止或自由运行状态实现初始位置辨识和低速可靠运行，位置观测误差最大值为6.9°。 关键词：内置式永磁同步电机无位置传感器无滤波器方波注入初始位置检测 中图分类号：TM351 Filterless Square-Wave Injection Based Initial Position Detection for Permanent Magnet Synchronous Machines Zhang Guoqiang Wang Gaolin Xu Dianguo （School of Electrical Engineering and Automation Harbin Institute of Technology Harbin 150001 China） Abstract With regard to the initial position detection for position sensorless interior permanent magnet synchronous machine (IPMSM) drives, existing saliency-tracking-based methods have difficulties to determine the amplitude and width of the pulses for the short pulses injection method, and also have low signal-noise ratio for the position-dependent secondary-harmonics-based method. Hence, this paper presents a filterless square-wave voltage injection based initial position detection scheme for position sensorless IPMSM drives. A high-frequency square-wave voltage vector is injected in the estimated d-axis, then the position error information is demodulated through filterless carrier signal separation, and the position tracking observer is adopted to obtain the initial position. Based on the magnetic saturation effect, the magnetic polarity can be identified by comparing the amplitudes of the induced d-axis high-frequency current with two given d-axis current offsets which are equal in value but opposite in direction. Experiments on a 2.2kW IPMSM sensorless vector controlled drive have been carried out to verify the proposed scheme. The experimental results show that the initial position detection for standstill and free-running rotor applications as well as the stable operation at 国家自然科学基金（51522701）和台达环境与教育基金会电力电子科教发展计划（DREK2015002）资助项目。 收稿日期 2016-07-14 改稿日期 2016-12-09
基于高频电压注入法的永磁同步电机转子初始位置检测 Initial Rotor Position Inspection of PMSM Based on Rotating High Frequency Voltage Signal Injection 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院蔡名飞周元钧 摘要:为了解决新型无位置传感器永磁同步电机的起动问题，提出了一种在电机静止状态下检测转子位置的新方法。 该方法在算法上改进了传统的旋转高频电压注入法，使得可以更为快速、准确的检测出转子初始(均扫位置。并且针对传统旋转高频电压注人法无法检测出转子永磁体极性问题，在dq旋转坐标系下，通过分析永磁同步卜匕机d轴磁链和定子电流之间的关系，利用d轴电流的泰勒级数展开，提出J’根据定子铁芯非线性磁化特性获得判另}J N/S极极性信息的新方一案。最后，建立了系统仿真模型。仿真结果验证了这种方法的有效性和可行性。此方法同样适用于永磁同步电机在中、低速时的转子位置检测。 关键词:永磁同步电机转子初始位置旋转高频注人非线性磁化特性N/S极极性 1引言 永磁同步电机高精态、高动态性能的速度、位置控制，都需要准确的转子位置信息。如果位置检测误差较大，会导致电机不能正常起动、运行。传统方法是通过机械式传感器来测量转子的速度和位置。但机械式传感器减低了系统的可靠性，增加了系统的成本;同时传感器对环境有着严格的要求，电磁干扰、温度、湿度、振动对它的测量精度都有影响。特别针对某些航空伺服电机，长期工作在恶劣、复杂的环境中，所以研究无位置传感器不仅可 以减少航空电机成本，而且可以减少不必要的引线，将大大提高整个系统的可靠性〔‘]。 最简单的无位置传感器控制方法是文献「2]提出的基于对检测到的电机反电动势进行积分，这种方法虽然简单，但是在零速或低速阶段因为反电动太小，难以检测而失败。后来人们又提出了高频注人法，其主要思想是用电机固有的空间凸极或凸极效应可以实现对转子位置的检测，这种方法与转速没有直接关系，有效克服了反电动势法的 缺陷。文献〔3]提出通过处理电流高频响应，采取求导取极值计算电机的初始位置，但这种方法存在震荡现象，高频电流也会因滤波器移相导致检测误差，并且也没有给出电 机N/S极极性检测方法。文献【4]提出在电机中注人幅值相同、方向不同的系列脉冲，检测并比较相应电流的大小来估计转子的位置。这种方法可行但是对注入脉冲的电压幅 值和时间控制要求比较高，操作复杂，检测时间过长。文献[[5][6]通过注人高频信号引起PMSM的d,q轴磁链饱和程度差异实现初始位置检测，这种方法高频电流信号提取复 杂，容易带来计算误差，难以做到转子位置的实时检测跟踪。文献〔7l所使用的电机经过特殊设计，不具普遍性，仅适用于理论研究。 为了解决以上方法的存在的问题，本文提出了一种基于旋转高频电压注人法的永磁同步电机转子初始位置检测的新方法。在电机静止状态下，通过向电机定子三相绕组中注入高频电压信号，利用电机凸极效应，通过处理高频电流响应，得出转子的位置信号。为此，本文进行了仿真研究，实现了转子d轴位置和N/S极极性的快速、准确检测。 2高频激励下的永磁同步电机的数学模型
板级多负载端接的高速数字电路的信号完整性分析随着电子系统功能日益复杂,信号速率的不断提升,迫使终端设备所消耗的内存资源也不断提升,对DDR电路设计的要求也更加苛刻。并行高速总线DDR中有众多不同功能的信号线,所挂载的负载颗粒数量也不相同。 板级多负载高速电路中存在多处阻抗不连续,使信号完整性问题日益突出。由于板级电路布线空间的局限性和芯片封装结构的复杂性,板级多负载电路的设计难度越来越大。 成本控制与性能提升是当前高速电路设计领域的最大矛盾,也是推动信号完整性学科发展的一个关键因素。本文分别针对板级多负载电路设计中不连续互连引起的反射和多线网中的串扰提出了优化设计方法,在低成本设计的要求下实现信号传输性能的提升。 (1)针对多负载电路中的反射问题,从电磁波的角度分析了反射的形成机理,反射问题的主要矛盾是端接优化和成本控制。本文重点针对Fly-by拓扑,提出了一种新的反射优化方法,通过控制时序延时使各反射节点的正负反射相互抵消,减小端接阻抗的数量。 首先根据信号的传输路径,理论推导了Fly-by拓扑结构中各反射节点的反射系数和传输系数表达式;然后通过分析桩线时延和主传输线时延对信号传输性能的影响,给出了抵消各反射节点的正负反射信号的设计方法;最后通过仿真验证了本方案的可行性和有效性,有效地改善了接收端信号的质量且减少了端接阻抗的使用数量。(2)针对多负载电路中的串扰问题,工程上经常采用添加带短路过孔的防护布线来抑制串扰,引入短路过孔的同时也增加了电路的设计成本。 本文理论分析了防护布线在串扰噪声抑制中的重要角色,重点针对微带线和
共面线的防护线上的短路过孔进行了研究,给出了防护线短路过孔数目的控制方法,以消除防护布线过设计导致的高花费。首先针对有地平面参考的微带线,通过分析串扰形成的机理确定了防护线上最优的过孔数量。 然后针对无地平面参考的共面线结构,通过提取共面线的电路参数分析信号的传输路径,确定了共面线防护线上最优的过孔数量。共面线的防护布线上只在两端添加短路过孔即可使远端串扰达到最小。 最后通过三维仿真软件HFSS验证了微带线和共面线的防护布线上过孔数量优化方法的有效性。通过本文的研究,降低了多负载高速数字电路中的反射和串扰噪声,并且优化了防护布线上短路过孔的数量,既提高了电路的传输性能,又有效地降低了电路的设计成本。 研究成果均通过仿真进行了验证,该成果可直接应用于多负载高速数字电路的工程设计中。
关于走线的参考平面问题探讨 很多人对于PCB走线的参考平面感到迷惑，经常有人问：对于内层走线，如果走线一侧是VCC，另一侧是GND，那么哪个是参考平面？ 要弄清楚这个问题，必须对了解传输线的概念。我们知道，必须使用传输线来分析PCB 上的信号传输，才能解释高速电路中出现的各种现象。最简单的传输线包括两个基本要素：信号路径、参考路径（也称为返回路径）。信号在传输线上是以电磁波的形式传输的，传输线的两个基本要素构成了电磁波传输的物理环境。从电磁波传输的角度来讲，信号路径和参考路径一道构成了一个特殊物理结构，电磁波在这个结构中传输。从电流回路角度来讲，信号路径承载信号电流，参考路径承载返回电流，因此参考路径也称为返回路径。 对于PCB上的表层走线，走线和下面的平面层共同构成了电磁波传输的物理环境。这里，走线下面的平面到底是什么网络属性无所谓，VCC、GND、甚至是没有网络的孤立铜皮，都可以构成这样的电磁波传输环境，关键在于下面的平面是导体，这就够了。信号路径是表层走线，所以下面的平面就是参考路径。对于PCB上这一特殊结构，参考路径是以平面的形式出现的，所以也叫参考平面。从电流回路的角度来说，参考平面承载着信号的返回电流，所以也叫返回平面。下面的图显示了表层走线的场分布和电流分布。这里参考平面的作用应该很清楚了：作为电磁波传输物理环境的一部分（从电磁波传输角度）、作为电流返回路径（从电流回路角度）。 如果搞懂了上面的逻辑，那么内层走线的参考平面在哪就很清楚了，走线、上方平面、下方平面3者共同构成了电磁波传输的物理环境，所以上下两个平面都是信号的参考路径，也就是参考平面，从下面的场分布图中可以很清楚的看到物理环境和场分布的关系。从构成电流回路的角度来看，下图的电流分布图也很清晰的显示出返回电流的分布，如果两个平面和走线之间的间距近似相等，那么两个平面上的返回电流也近似相等，此时，两个平面同样重要。从这个角度也能很好的理解两个平面都是参考平面。如果还是无法理解为什么两个平