CN104079218B - 一种电机转子位置角度获得方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电机转子位置角度获得方法，针对电机定子上霍尔转子位置传感器的安装误差进行校正，结构简单，思路清晰，操作方便，能够准确获得电机转子的实时位置角度，解决了现有技术中霍尔转子位置传感器安装误差检测方法的效率低、工程实现复杂等缺陷和不足，且成本低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机转子位置角度获得方法。
背景技术
在电机控制技术领域，为了实现伺服电机的精确定位以及位置、转速、电流的三闭环控制，往往需要知道电机转子的位置或速度信息，这可以通过安装转子位置检测器来获得。通常转子位置检测器包括光电编码盘、旋转变压器、感应同步器、线性霍尔、开关霍尔等传感器件。除开关型霍尔传感器，其它几种位置检测器检测精度高，但价格昂贵，对成本要求苛刻的运动控制领域并不适合。
为了拓展电机在低成本电力拖动系统中的应用，采用体积小、无触点、易于安装、位置信息解调电路简单的开关型霍尔传感器配置合适的转子位置估算方法可以满足低成本的永磁同步电机驱动应用。基于开关型霍尔传感器的转子位置检测技术根据所用开关霍尔的个数可以分为三种，分别为基于三相对称开关霍尔、基于两相正交开关霍尔和基于单个开关霍尔的检测技术。利用霍尔传感器进行转子位置检测，是在电机定子上安装霍尔传感器，然而，霍尔转子位置传感器在安装时的装配误差(单个霍尔不存在安装误差)会导致电机实际转子位置与通过霍尔传感器检测到的转子位置之间存在误差，这种检测误差的存在会引起估算的电角度波形不是理想的锯齿波，采用该电角度参与运算产生的驱动信号会导致电机相电流畸变，降低电机的调速性能。
目前对霍尔型电机转子位置传感器安装误差的检测通常使用人工实验的方法来调整霍尔位置传感器的安装位置，该方法受调试人员的经验限制导致调试结果不一，整个过程效率低，费时费力。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种针对电机定子上霍尔转子位置传感器的安装误差进行校正，能够准确获取电机转子实时位置角度的电机转子位置角度获得方法。
本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种电机转子位置角度获得方法,针对电机转子位置角度，采用安装于电机定子上的三个霍尔转子位置传感器a、b和c实现误差的获取，包括如下步骤：
步骤001.获取三个霍尔转子位置传感器a、b和c的霍尔信号上升沿间的相位Wab、Wbc和Wca，并分别根据Wab、Wbc、Wca与120°的差值获取三个霍尔转子位置传感器的安装位置误差ERab、ERbc、ERca；
步骤002.根据三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态，将电机转子所对应的360°电角度划分为6个霍尔区间，获得电机转子所处的6个霍尔区间状态如下所示，其中，WP为每一个霍尔区间的相位宽度；
第I霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、1；正转起始角度：0°，或反转起始角度：60°-ERca；WP：60°-ERca；
第II霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、0；正转起始角度：60°-ERca，或反转起始角度：120°+ERab；WP：60°-ERbc；
第III霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、1、0；正转起始角度：120°+ERab，或反转起始角度：180°；WP：60°-ERab；
第IV霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、0；正转起始角度：180°，或反转起始角度：-120°+ERca；WP：60°-ERca；
第Ⅴ霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、1；正转起始角度：-120°+ERca，或反转起始角度：-60°+ERab；WP：60°-ERbc；
第VI霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、0、1；正转起始角度：-60°+ERab，或反转起始角度：0°；WP：60°-ERab；
步骤003.针对三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出波形，按时间序列进行异或处理，获得霍尔异或波形；
步骤004.分别根据霍尔异或波形各个上升沿、下降沿前后时刻所对应三个霍尔转子位置传感器的信号输出状态变化过程，获取各个上升沿、下降沿之后时刻所对应电机转子所处的霍尔区间、以及电机转子的转动方向；
步骤005.依时间序列分别针对霍尔异或波形上各个上升沿、下降沿作如下操作：
步骤00501.根据该上升沿或下降沿通过所述步骤004所获得对应电机转子所处霍尔区间、以及电机转子的转动方向，获得电机转子对应该上升沿或下降沿脉冲宽度调制周期的实时位置角度θ＝θ0，θ0为对应转动方向上电机转子所处霍尔区间的起始角度，θ0由所述步骤002获得；
步骤00502.根据当前电机转子所处霍尔区间的维持时间Tθ、相位宽度WP、以及脉冲宽度调制周期TPWM，判断该霍尔区间相位宽度WP是否小于脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ＝θ0；否则通过获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ；计算的值并赋予相位宽度WP；
步骤00503.判断此时相位宽度WP是否小于此时脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ＝θold；否则通过获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ；其中，θold为按时间序列上一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度；
步骤00504.计算的值并赋予相位宽度WP，返回步骤00503。
作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，通过示波器获取三个霍尔转子位置传感器a、b和c的霍尔信号上升沿间的相位Wab、Wbc和Wca，示波器与所述三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出端相连。
本发明所述一种电机转子位置角度获得方法采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计的电机转子位置角度获得方法，针对电机定子上霍尔转子位置传感器的安装误差进行校正，结构简单，思路清晰，操作方便，能够准确获得电机转子的实时位置角度，解决了现有技术中霍尔转子位置传感器安装误差检测方法的效率低、工程实现复杂等缺陷和不足，且成本低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
附图说明
图1是本发明设计中电机转子上三个霍尔转子位置传感器a、b和c的安装位置示意图；
图2是理想情况下电机转子上三个霍尔转子位置传感器输出信号与电角度的对应关系示意图；
图3是实际情况下电机转子上三个霍尔转子位置传感器不对称输出信号与电角度的对应关系示意图；
图4是本发明设计中三个霍尔转子位置传感器输出信号按时间序列进行异或处理的示意图；
图5是基于本发明设计方法下电机转子上三个霍尔转子位置传感器输出信号与电角度的对应关系示意图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
针对电机转子的位置角度问题，采用安装于电机定子上的三个霍尔转子位置传感器a、b和c进行获取，如图1所示，但是实际应用中，A、B、C为三相定子绕组所对应的坐标系，霍尔转子位置传感器在安装时的装配误差(单个霍尔转子位置传感器不存在安装误差)会导致电机转子实际位置与通过霍尔转子位置传感器检测到的电机转子位置之间存在误差，因此我们设计了针对这种误差进行校正的电机转子位置角度获得方法。
对于在电机定子上安装的三个霍尔转子位置传感器，如图1所示，理想情况下，即在不存在误差的情况下，三个霍尔转子位置传感器a、b和c在空间上相差120°(如图1中实线所示相差120°)；对于实际应用情况下，由于三个霍尔转子位置传感器a、b和c存在安装误差，因此实际安装中，三个霍尔转子位置传感器a、b和c在空间上相差可能就不是120°(如图1中虚线所示)。
本发明设计的电机转子位置角度获得方法,针对电机转子位置角度，采用安装在电机定子上的三个霍尔转子位置传感器a、b和c实现误差的获取，包括如下步骤：
步骤001.示波器与所述三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出端相连，通过示波器获取三个霍尔转子位置传感器a、b和c的霍尔信号上升沿间的相位Wab、Wbc和Wca，并分别根据Wab、Wbc、Wca与120°的差值获取三个霍尔转子位置传感器的安装位置误差ERab、ERbc、ERca，即ERab＝Wab-120°，ERbc＝Wbc-120°，ERca＝Wca-120°；例如Wab＝115°、Wbc＝121°、Wca＝124°，则ERab＝-5°、ERbc＝1°、ERca＝4°；
步骤002.根据三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态，将电机转子所对应的360°电角度划分为6个霍尔区间，获得电机转子所处的6个霍尔区间状态如下表1所示，其中，WP为每一个霍尔区间的相位宽度，其中，电角度＝机械角度×极对数，因此当极对数为1时(1个N极、1个S极，如图1所示)，电角度＝机械角度；如果极对数为2，则机械角度为180°，对应于电角度为360°；
表1
对于6个霍尔区间，当三个霍尔转子位置传感器a、b和c处于理想情况下，即在不存在误差的情况下，三个霍尔转子位置传感器a、b和c在空间上相差120°，三个霍尔转子位置传感器a、b和c输出信号与电角度的对应关系如图2所示；对于三个霍尔转子位置传感器a、b和c的实际安装过程中，三个霍尔转子位置传感器a、b和c存在安装误差，则三个霍尔转子位置传感器a、b和c输出信号与电角度的对应关系如图3所示。
对于实际应用中三个霍尔转子位置传感器a、b和c安装误差，如表1所示，第I霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、1；起始角度(正转)：0°，或起始角度(反转)：60°-ERca；WP：60°-ERca；
第II霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、0；起始角度(正转)：60°-ERca，或起始角度(反转)：120°+ERab；WP：60°-ERbc；
第III霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、1、0；起始角度(正转)：120°+ERab，或起始角度(反转)：180°；WP：60°-ERab；
第IV霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、0；起始角度(正转)：180°，或起始角度(反转)：-120°+ERca；WP：60°-ERca；
第Ⅴ霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、1；起始角度(正转)：-120°+ERca，或起始角度(反转)：-60°+ERab；WP：60°-ERbc；
第VI霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、0、1；起始角度(正转)：-60°+ERab，或起始角度(反转)：0°；WP：60°-ERab；
步骤003.如图4所示，针对三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出波形，按时间序列进行异或处理，获得霍尔异或波形；
步骤004.分别根据霍尔异或波形各个上升沿、下降沿前后时刻所对应三个霍尔转子位置传感器的信号输出状态变化过程，获取各个上升沿、下降沿之后时刻所对应电机转子所处的霍尔区间、以及电机转子的转动方向；其中，对于霍尔异或波形上的各个上升沿、下降沿来说，各个上升沿、下降沿存在位于其前后时刻的霍尔转子位置传感器信号输出状态变化，每一个上升沿或下降沿位置之前时刻会对应一种由三个霍尔转子位置传感器的信号输出组成的信号组合，每一个上升沿或下降沿位置之后时刻会对应另一种由三个霍尔转子位置传感器的信号输出组成的信号组合，根据这上升沿或下降沿之前时刻与之后时刻对应的两种信号组合的变化，既可以获得电机转子的转动方向，根据这上升沿或下降沿之后时刻对应的信号组合，既可以获得电机转子所处的霍尔区间；
步骤005.依时间序列分别针对霍尔异或波形上各个上升沿、下降沿作如下操作：
步骤00501.根据该上升沿或下降沿通过所述步骤004所获得对应电机转子所处霍尔区间、以及电机转子的转动方向，获得电机转子对应该上升沿或下降沿脉冲宽度调制周期的实时位置角度θ＝θ0，θ0为对应转动方向上电机转子所处霍尔区间的起始角度，θ0由所述步骤002获得，即从表1中可以查询到；
步骤00502.根据当前电机转子所处霍尔区间的维持时间Tθ、相位宽度WP、以及脉冲宽度调制周期TPWM，判断该霍尔区间相位宽度WP是否小于脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ＝θ0；否则通过获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ；计算的值并赋予相位宽度WP；
步骤00503.判断此时相位宽度WP是否小于此时脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ＝θold；否则通过获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ；其中，θold为按时间序列上一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度；
步骤00504.计算的值并赋予相位宽度WP，返回步骤00503。
综上，基于以上本发明设计电机转子位置角度获得方法中，针对三个霍尔转子位置传感器a、b和c的安装误差进行校正后，三个霍尔转子位置传感器输出信号与电角度的对应关系如图5所示，能够准确获取电机转子的实时位置角度，解决了现有技术中霍尔转子位置传感器安装误差检测方法的效率低、工程实现复杂等缺陷和不足，且成本低，实用性强，使用效果好，便于推广使用。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (2)
1.一种电机转子位置角度获得方法,针对电机转子位置角度，采用安装于电机定子上的三个霍尔转子位置传感器a、b和c实现误差的获取，且三个霍尔转子位置传感器a、b和c在空间上相差120°，其特征在于：包括如下步骤：
步骤001.获取三个霍尔转子位置传感器a、b和c的霍尔信号上升沿间的相位Wab、Wbc和Wca，并分别根据Wab、Wbc、Wca与120°的差值获取三个霍尔转子位置传感器的安装位置误差ERab、ERbc、ERca；
步骤002.根据三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态，将电机转子所对应的360°电角度划分为6个霍尔区间，获得电机转子所处的6个霍尔区间状态如下所示，其中，WP为每一个霍尔区间的相位宽度；
第I霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、1；正转起始角度：0°，或反转起始角度：60°-ERca；WP：60°-ERca；
第II霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、0、0；正转起始角度：60°-ERca，或反转起始角度：120°+ERab；WP：60°-ERbc；
第III霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：1、1、0；正转起始角度：120°+ERab，或反转起始角度：180°；WP：60°-ERab；
第IV霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、0；正转起始角度：180°，或反转起始角度：-120°+ERca；WP：60°-ERca；
第Ⅴ霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、1、1；正转起始角度：-120°+ERca，或反转起始角度：-60°+ERab；WP：60°-ERbc；
第VI霍尔区间：对应霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出状态：0、0、1；正转起始角度：-60°+ERab，或反转起始角度：0°；WP：60°-ERab；
步骤003.针对三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出波形，按时间序列进行异或处理，获得霍尔异或波形；
步骤004.分别根据霍尔异或波形各个上升沿、下降沿前后时刻所对应三个霍尔转子位置传感器的信号输出状态变化过程，获取各个上升沿、下降沿之后时刻所对应电机转子所处的霍尔区间、以及电机转子的转动方向；
步骤005.依时间序列分别针对霍尔异或波形上各个上升沿、下降沿作如下操作：
步骤00501.根据该上升沿或下降沿通过所述步骤004所获得对应电机转子所处霍尔区间、以及电机转子的转动方向，获得电机转子对应该上升沿或下降沿脉冲宽度调制周期的实时位置角度θ＝θ0，θ0为对应转动方向上电机转子所处霍尔区间的起始角度，θ0由所述步骤002获得；
步骤00502.根据当前电机转子所处霍尔区间的维持时间Tθ、相位宽度WP、以及脉冲宽度调制周期TPWM，判断该霍尔区间相位宽度WP是否小于脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ＝θ0；否则通过获得按时间序列下一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度θ；计算的值并赋予相位宽度WP；
步骤00503.判断此时相位宽度WP是否小于此时脉冲宽度调制周期电机转子角度变化量是则获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ＝θold；否则通过获得按时间序列下一时刻电机转子的实时位置角度θ；其中，θold为按时间序列上一脉冲宽度调制周期电机转子的实时位置角度；
步骤00504.计算的值并赋予相位宽度WP，返回步骤00503。
2.根据权利要求1所述一种电机转子位置角度获得方法，其特征在于：所述步骤001中，通过示波器获取三个霍尔转子位置传感器a、b和c的霍尔信号上升沿间的相位Wab、Wbc和Wca，示波器与所述三个霍尔转子位置传感器a、b和c的信号输出端相连。
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Address after: No. 29, Qinhuai District, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Patentee after: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Patentee after: JIANGSU SIMAND ELECTRIC APPLIANCE Co.,Ltd. Address before: No. 29, Qinhuai District, Qinhuai District, Nanjing, Jiangsu Patentee before: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics Patentee before: JIANGSU XIN AN ELECTRIC APPLIANCE Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20160720 |