CN106208539A

CN106208539A - 一种磁电式编码器

Info

Publication number: CN106208539A
Application number: CN201610753417.4A
Authority: CN
Inventors: 杨凯; 王晓光
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2016-08-29
Filing date: 2016-08-29
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2036-08-29
Also published as: CN106208539B

Abstract

本发明公开了一种磁电式编码器，所述的磁电式编码器内嵌于电机铁芯内部，利用气隙磁场作为信号源，将所述的线性霍尔元件分成A、B、C三组；为消除信号3次谐波分量和直流偏移，将所述的相信号转化为线信号AB、BC、CA，参与位置解算；为提高磁电式编码器的响应速度，采用基于查表原理的位置解算方法。本发明提高了系统集成化程度，大大减少了安装空间，消除了因温度变化造成的位置解算误差，可以省去零点霍尔元件以及供零点霍尔元件产生Z信号的特殊磁钢处理，降低了成本和加工制造难度。

Description

一种磁电式编码器

技术领域

本发明属于编码器研究领域，更具体地，涉及一种集成磁电式编码器与电机铁芯一体化结构及位置解算方法。

背景技术

磁电式编码器因具有结构简单、价格低廉、可靠性高的优点被广泛地应用于电机控制领域。目前磁电式编码器的信号发生结构一般是在电机轴上套装一个单对极磁环，霍尔元件装配在磁环外侧，且与磁环同心。这种结构使得系统体积变大，同时在振动剧烈的应用场合容易损坏磁环，使编码器失效。同时，采用单对极磁环使得磁电式编码器精度和分辨率受制于AD的精度和位数，在现有AD的生产技术水平下，提高磁电式编码器的精度和分辨率变得尤为困难。而采用多对极磁钢的信号发生结构一般要增加一个零点霍尔元件以及供零点霍尔元件产生Z信号的特殊磁钢处理，增加了成本和加工制造难度，不利于磁电式编码器的使用推广。现代交流传动系统要求位置传感器具有宽温度范围，在工业应用场合中，一般为-40℃-80℃，而线性霍尔元件的磁敏系数会随着温度的变化而变化，这就导致查表相常常偏离反函数标准表，造成磁电式编码器的精度下降。

针对以上问题，授权公告号为CN104167874A的专利公开了一种带有编码器功能的伺服电机，该电机设置转子边缘齿形结构，该齿形结构作为磁电式编码器磁信号产生部件，代替传统磁电式编码器的单对极磁环。但是该结构需要对转子边缘进行特殊处理，增加了加工和制造难度。同时，由于受电枢反应等影响，磁场并不会是规则的正弦波，这大大影响了磁电式编码器的精度。其位置解算方法没有考虑因温度变化而造成的查表相偏离反函数标准表，在温度变化比较大的应用场合，磁电式编码器的精度会大大降低。为实现多对极磁电式编码器的位置解算，上述专利增加了零点霍尔元件以及供零点霍尔元件产生Z信号的特殊磁钢处理，增加了成本和加工制造难度。授权公告号为CN103115641A的专利公开了一种单对磁极磁编码器中的误差处理方法，但其运算量巨大，在线补偿耗时较长，不宜用于高速场合。磁电式编码器的精度和分辨率是制约其发展的关键指标，同时抗振动能力和安装空间在某些特殊应用场合如航空航天、电动汽车等场合也尤为重要。因此，研究如何解决上述问题具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出一种磁电式编码器，以解决现有技术体积较大、精度受温度影响大问题，降低加工制造难度和成本。

本发明提出一种磁电式编码器，包括若干个线性霍尔元件绕转子轴线均匀排列组成的环形结构和信号处理模块；其中：

所述环形结构包括嵌在电机定子齿中的各线性霍尔元件，其数量及安装位置与电机定子铁芯齿对应；各线性霍尔元件结构与材料相同，用于检测电机转子与定子之间气隙磁场；各线性霍尔元件按电机绕组分相原理分成三组，各组交叉间隔，连接信号处理模块；

所述信号处理模块安装在所述环形结构上，用于实现转子位置解算；该模块包括数据采集模块、Clark变换模块、温漂校正模块、查表模块和基准表模块；其中：

所述数据采集模块、Clark变换模块、温漂校正模块和查表模块依序串接；所述数据采集模块用于采集、合成三组霍尔元件传来的三路对称的正弦信号；所述Clark变换模块用于对数据采集模块输出的三路信号进行Clark变换后送入温漂校正模块；所述温漂校正模块用于校正温度变化引起的误差；所述基准表模块用存储预选标定的三路对称正弦信号与转子角度一一对应关系的基准表；所述查表模块用于将温漂校正模块输出信号映射到基准表，从而确定转子角度。

进一步的，所述的磁电式编码器工作时，所述数据采集模块将线性霍尔器件采集的信号合成为三路正弦信号，分别经过Clark模块、温漂校正模块处理后，送入查表模块；查表模块查询基准表得到-30°-30°之间的转子角度，通过查表相映射和角度区间转换，得到0°-360°的转子位置角。

进一步的，所述数据采集模块进行以下操作：

(1)将所述的三组霍尔元件采集到的电信号经信号处理模块采样数据后，按下式求合成后的相磁感应强度B_A标定、B_B标定、B_C标定：

其中，B_Ai标定、B_Xi标定、B_Bj标定、B_Yj标定、B_Ck标定、B_Zk标定表示中每个定子槽中霍尔元件感应到的磁感应强度，A与X，B与Y及C与Z分别表明三个绕组的两端，i，j，k表示槽号；

(2)将B_A标定、B_B标定、B_C标定三个相磁感应强度转化为三个线相磁感应强度B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定，用于消除信号三次谐波分量和直流偏移，提高磁电式编码器的精度和分辨率：

其中，B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定表示标定过程中的线磁感应强度；

(3)将B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定进行三相归零重构，从而将个别角度区间较大的解算误差由各角度区间共同分担，减小最大解算误差；

其中，B_x标定、B_y标定、B_z标定表示标定过程中经三相归零重构后的线磁感应强度。

进一步的，所述Clark模块进行以下操作：

将B_x标定、B_y标定、B_z标定信号经Clark变换求得B_α标定、B_β标定：

其中，B_α标定、B_β标定表示经Clark变换后的线磁感应强度；

由B_α标定、B_β标定求得标定正弦信号幅值为：

其中，B₁是B_x标定、B_y标定、B_z标定的幅值。

进一步的，所述温漂模块进行以下操作：

在工作时，设通过Clark模块信号幅值B₂，用其除标定时通过Clark模块信号幅值B₁，即得温漂系数K；将Clark模块输出的三路对称正弦信号B_x实际、B_y实际、B_z实际进行温漂校正，即得到消除温漂后的待查表信号B_x、B_y、B_z；

进一步的，所述查表模块进行以下操作：

区间划分：将转子角度与下述区间一一对应：

0°～60°为区间Ⅲ，60°～120°为区间Ⅱ，120°～180°为区间Ⅵ，180°～240°为区间Ⅳ，240°～300°为区间Ⅴ，300°～360°为区间Ⅰ；

角度转换合成：在各区间中，选择三路信号中对角度斜率最大的一路作为查表相，分区间查标准表，求得分布在角度区间-30°-30°之间的转子角度，将该角度向0°-360°的绝对角度进行转换合成；所述转换合成是通过在不同的角度区间加一个固定的角度来实现；其中：区间Ⅲ加30°，区间Ⅱ加90°，区间Ⅵ加150°，区间Ⅳ加210°，区间Ⅴ加270°，区间Ⅰ加330°，得到最终的位置角。

进一步的，所述多对极电机位置解算进行以下操作：

对于多对极电机而言，一个机械角度周期对应p个电周期，其中p代表电机极对数。这就意味着同样大小的待查表信号对应p个机械角度。从这p个机械角度中任选一个作为初始位置角，随着电机转子旋转，位置角将在该初始角度的基础上进行查询，在三相信号的交点位置对位置角进行强制整定，以消除累积误差。

进一步的，所述基准表是用一个高精度基准编码器对所述的磁电式编码器进行标定而成。

进一步的，所述基准表是用磁电式编码器与一个高精度的基准光电编码器同轴连接，旋转一圈后，得到B_x标定、B_y标定、B_z标定与转子角度一一对应的表。

总体而言，按照本发明的上述技术构思与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、安装空间大大减小，同时提高了磁电式编码器的抗冲击能力。

2、具有温度补偿功能，可消除因温度变化引起的动态误差，磁电式编码器精度高。

3、提出一种简单的多对极磁电式编码器位置解算方法，可以省去零点霍尔元件以及供零点霍尔元件产生Z信号的特殊磁钢处理，降低了成本和加工制造难度。

附图说明

图1是本发明线性霍尔元件分相示意图；

图2是某一路霍尔元件感应到的磁感应强度波形图；

图3是经分相处理后得到的相磁感应强度波形图；

图4是线磁感应强度波形图；

图5是不同角度区间查表相示意图；

图6是分区间查表法求解曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的磁电式编码器安装方式如图1所示，所述磁电式编码器包括若干个线性霍尔元件绕转子轴线均匀排列组成的环形结构和信号处理板；

所述环形结构中各线性霍尔元件嵌在电机定子齿中，其数量及安装位置与电机定子铁芯齿对应，各线性霍尔元件结构与材料相同，用于检测电机转子与定子之间气隙磁场；各线性霍尔元件按绕组分相原理分成三组，各组交叉间隔，接信号处理模块；

所述信号处理模块安装在所述环形结构上，用于实现转子位置解算。

所述线性霍尔元件分组结构为：分组结构可分成两类情况进行分析，设每极每相槽数其中，p为极对数，m为相数，z为槽数。将q分别为整数和分数的情况进行分析：

a)q为整数：设槽距角则槽距电角α₁＝pα，采用60°相带分相法进行分相，每个相带所占的槽数相带排列顺序为：A、Z、B、X、C、Y。以4极36槽电机为例，α₁＝pα＝2×10°＝20°，每个相带所占的槽数分相情况如下表所示。

A	Z	B	X	C	Y
						1，2，3	4，5，6	7，8，9	10，11，12	13，14，15	16，17，18
19，20，21	22，23，24	25，26，27	28，29，30	31，32，33	34，35，36

b)q为分数：设每极每相槽数如果c＝1或c＝d-1时，在每一次转换中有d个线圈组，其中c个大线圈组，每组有(b+1)个线圈，(d-1)个小线圈组，每组b个线圈。以2极9槽电机为例，b＝1，c＝1，d＝2，分相情况如下表所示。

A	Z	B	X	C	Y
						1，2	3	4，5	6	7，8	9

本发明基本工作原理是利用霍尔元件将载有转子位置信号的气隙磁场转化为模拟电信号，通过信号处理电路将电信号转化为数字量，并通过查表的方式将转子位置信号解算出来。在查表过程中，需实时计算三路正弦信号的实际幅值，由此得到霍尔元件的温漂系数，将实际信号幅值乘以该温漂系数后再进行查表即可消除因温度变化造成的位置解算误差。

本发明针对上述磁电式编码器与电机铁芯的一体化结构提出一种位置解算方法，以2极9槽电机为例，具体包括以下步骤：

(1)标定：将所述的三组霍尔元件采集到的电信号进行合成、重构后得到三路对称的正弦信号，将这三路对称的正弦信号进行Clark变换后求得信号幅值，存储于MCU。用一个高精度编码器对所述的磁电式编码器进行标定，得到转子角度和上述三路对称的正弦信号一一对应的标准表。

(1-1)将所述的三组霍尔元件采集到的电信号经信号处理模块样后按下式求合成后的相磁感应强度B_A标定、B_B标定、B_C标定：

(1-2)将B_A标定、B_B标定、B_C标定三个相磁感应强度转化为三个线相磁感应强度B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定，以消除信号三次谐波分量和直流偏移，提高磁电式编码器的精度和分辨率；

(1-3)将B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定进行三相归零重构，从而将个别角度区间较大的解算误差由各角度区间共同分担，减小最大解算误差；

其中，B_x标定、B_y标定、B_z标定表示标定过程中经三相归零重构后的线磁感应强度；

(1-4)将B_x标定、B_y标定、B_z标定信号经Clark变换求得B_α标定、B_β标定为：

其中，B_α标定、B_β标定表示经坐标变换后的线磁感应强度；

(1-5)由B_α标定、B_β标定求得标定正弦信号幅值为：

其中，B1是B_x标定、B_y标定、B_z标定的幅值；

(1-6)将所述的磁电式编码器与一个高精度的光电编码器同轴连接，旋转一圈后，得到B_x标定、B_y标定、B_z标定与转子角度一一对应的标准表。

(2)查询：实际温度与上述标定温度不同时，霍尔元件的磁感应系数会发生变化，采用与步骤(1)相同的方法求得当前三路正弦信号幅值，由此得到温漂系数，将三路正弦信号乘以此温漂系数得到最终待查表信号，将所述待查表信号信号代入到步骤(1)中所得到的标准表中进行查询，得到转子位置角。

(2-1)实际温度与上述标定温度不同时，霍尔元件的磁感应系数会发生变化，这会造成查表误差，采用步骤(1-1)～(1-5)对当前霍尔元件采集到的电信号进行合成、重构后得到三路对称的正弦信号B_x实际、B_y实际、B_z实际，将这三路对称的正弦信号进行Clark变换后求得信号幅值，记为B₂，由当前信号幅值B₂和步骤(1)中所得的标准信号幅值B₁相除即可求得温漂系数K为：

K＝B₁/B₂

(2-2)将步骤(2-1)中所得到的三路对称正弦信号B_x实际、B_y实际、B_z实际向标准表投影以消除因温漂带来的查表误差，投影比例为K：

其中，B_x、B_y、B_z为消除温漂后的待查表信号。

(2-3)为提高磁电式编码器分辨率，需在不同的角度区间选择不同的查表相，选择查表相的原则是选择三相信号中对角度斜率最大的那一相作为查表相，不同角度区间的查表相如图5所示，为了方便程序处理，按下式设计角度区间编号：

Num＝x+2y+4z

其中，如果B_x>B_y，则x＝1，否则x＝0；如果B_y>B_z，则y＝1，否则y＝0；如果B_z>B_x，则z＝1，否则z＝0。

(2-4)如图6所示，各角度区间直接由查表相分区间查标准表求得的角度区间为-30°-30°，需要将该角度向0°-360°的绝对角度进行转换合成，才可以得到最终的位置角。转换合成的关系式为：

γ＝γ_Num+sign(v_Num)γ_Table

式中，γ_Num为各角度区间的识别角，各角度区间Ⅲ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅰ对应的区间识别角依次为30°、90°、150°、210°、270°和330°；sign(v_Num)为各区间查表相的符号；γ_Table为经查表得到的角度值。

上述实施方式为本发明的一个较优实施实例，但本发明的实施方式并不受上述实施实例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁电式编码器，其特征在于，其包括若干个线性霍尔元件绕转子轴线均匀排列组成的环形结构和信号处理模块；其中：

2.根据权利要求1所述的磁电式编码器，其特征在于：工作时，所述数据采集模块将线性霍尔器件采集的信号合成为三路正弦信号，分别经过Clark模块、温漂校正模块处理后，送入查表模块；查表模块查询基准表得到-30°-30°之间的转子角度，通过查表相映射和角度区间转换，得到0°-360°的转子位置角。

3.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述数据采集模块进行以下操作：

(2)将B_A标定、B_B标定、B_C标定三个相磁感应强度转化为三个线磁感应强度B_AB标定、B_BC标定、B_CA标定，用于消除信号三次谐波分量和直流偏移，提高磁电式编码器的精度和分辨率：

4.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述Clark模块进行以下操作：

其中，B_α标定、B_β标定表示经Clark变换后的线磁感应强度；

由B_α标定、B_β标定求得标定正弦信号幅值为：

其中，B₁是B_x标定、B_y标定、B_z标定的幅值。

5.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述温漂模块进行以下操作：

。

6.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述查表模块进行以下操作：

区间划分：将转子角度与下述区间一一对应：

7.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述基准表是用一个高精度基准编码器对所述的磁电式编码器进行标定而成。

8.根据权利要求1或2所述的磁电式编码器，其特征在于，所述基准表是用磁电式编码器与一个高精度的基准光电编码器同轴连接，旋转一圈后，得到B_x标定、B_y标定、B_z标定与转子角度一一对应的表。