CN107101607A - 电机旋转角度测量设备及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一种电机旋转角度测量设备及方法。一种电机旋转角度测量设备可包括：信号调理电路，用于接收电机的三相输出电压，并分别生成第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号；处理器，用于在电机的一个旋转周期内，每当检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，其中，所述补偿脉冲的个数与电机的旋转角度相关。本发明的电机旋转角度测量设备能够提高电机旋转角度测量的精度、可靠性和稳定性，并且降低成本。

Description

电机旋转角度测量设备及方法
技术领域
本发明涉及一种电机旋转角度测量设备及方法，更具体地讲，涉及一种非接触式且能够准确测量电机旋转角度的设备和方法。
背景技术
目前，在很多工程技术领域，需要对同步电机(发电机和电动机)旋转角度进行测量，以便更好地观察同步电机运行过程中的模态，控制电机的运行过程和状态，提高电机机组的工作效率，延长电机组的寿命。
同步电机旋转角度测量的方法分为：接触式和非接触式。
接触式的同步电机旋转角度测量方法主要有：通过各种机构或者结构(比如，主轴联轴器)将电机的旋转过程传递到测量设备上，对电机的旋转角度进行测量，得出电机当前相对于零度参考点所旋转过的角度。这类方法采用的旋转角度测量设备有绝对位置型光电旋转编码器、旋转变压器、电位器。
光电旋转编码器在旋转角度测量领域应用广泛，测量分辨率高，但该设备需要专门的同步串行接口(SSI，Synchronous Serial Interface)设备才能获得测量结果，而且光电旋转编码器抗低速抖动和抗冲击能力差，同步电机运行在低速时它的测量结果噪声大，精度差，寿命短。旋转变压器可以很好的克服光电旋转编码器的缺点，但是旋转变压器应用过程中需要配备专业的调制解调器，相对成本较高。用电位器测量同步电机的旋转角度，寿命有限，可靠性差，后期维护成本较高。将电机旋转过程传递到测量设备上的各种机构或者结构(比如，主轴联轴器)，在工程应用时，还存在一定的维护量，在一定程度上降低了转角测量的可靠性、增加了系统成本。
接触式的测量方法既增加了同步电机旋转角度测量成本，又降低了系统的可靠性，对安装，维护使用带来诸多不便。
非接触式的同步电机旋转角度测量方法主要有：
磁性旋转角度传感器，其通过在旋转部件上安装磁铁，利用专门的霍尔感应芯片，感知磁铁旋转过的角度，从而测量同步电机旋转角度，但是同步电机在工作过程中会产生比较强的电磁干扰，从而影响到霍尔感应芯片，导致测量结果数据毛刺大。
在电机旋转部件上安装齿形盘、或者利用同步电机旋转部件圆周上的多个机械结构特征检测点(比如，螺栓)，采用接近开关或类似传感器对同步电机旋转角度进行测量。这种方法的好处是不需要专门的同步电机旋转测量设备，相对成本较低，应用简单，但是这种测量方法分辨率低，输出精度和测量结果更新速度受限于齿形盘或者同步电机旋转部件圆周上的特征检测点数量，同时在同步电机低速运行时，旋转角度测量结果的更新响应速度缓慢，测量结果存在较大的相位差。
发明内容
为了解决如上所述的电机旋转角度测量过程中出现的精度低、可靠性差、成本高的问题，本发明提供一种电机旋转角度测量设备和方法。
提供本发明内容以简化的形式介绍对在以下的具体实施方式中进一步描述的构思的选择。
根据本发明构思的一方面，提供一种电机旋转角度测量设备，包括：信号调理电路，用于接收电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；处理器，用于在所述电机的一个旋转周期内，每当检测到所述第一方波信号、所述第二方波信号和所述第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计所述补偿脉冲的个数，其中，所述补偿脉冲的个数与电机的旋转角度相关。
可选地，电机旋转角度测量设备还可包括：计算模块，用于每当补偿脉冲的个数更新时，基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、所述预设的补偿细分系数k和所述电机的极对数，来计算所述电机的旋转角度。
可选地，所述处理器通过将所述当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔除以所述预设的补偿细分系数k来获得特定间隔，其中，所述处理器在检测到所述下一6倍频脉冲之前，以所述特定间隔产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，直到产生k-1个补偿脉冲为止，在检测到所述下一6倍频脉冲时，将所述下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
可选地，电机旋转角度测量设备还可包括：拨码开关，用于调节所述预设的补偿细分系数k。其中，所述拨码开关通过改变拨码开关的值来调节所述预设的补偿细分系数k，当所述拨码开关的值为dm时，所述预设的补偿细分系数k等于2dm。
可选地，所述计算模块根据以下等式计算所述电机的旋转角度θ：
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为所述电机的极对数。
可选地，在所述电机上设置有零度参考点，其中，所述零度参考点指示所述电机的一个旋转周期的起始点，当所述零度参考点接近于设置在所述电机旋转角度测量设备外部的传感器时，所述传感器产生零度参考点复位信号，其中，所述处理器响应于所述零度参考点复位信号，将脉冲补偿的个数清零。
可选地，所述电机旋转角度测量设备还包括：传感器接口，用于从所述传感器接收所述零度参考点复位信号，并且将所述零度参考点复位信号调整为满足所述处理器工作所要求的电压的信号。
可选地，所述电机旋转角度测量设备还包括：数字模拟转换器，用于根据以下等式获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout：
Vout＝(n/2m)×Vref，
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为所述数字模拟转换器将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数，Vref为所述数字模拟转换器的参考电压。
可选地，当所述电机的旋转速度小于预定值时，所述处理器不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。
根据本发明构思的另一方面，提供一种电机旋转角度测量方法包括：在电机的一个旋转周期内，每当检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计所述补偿脉冲的个数，其中，所述补偿脉冲的个数与所述电机的旋转角度相关，其中，所述第一方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UA与UB之间的差UA-UB，所述第二方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UB与UC之间的差UB-UC，所述第三方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UC与UA之间的差UC-UA。
可选地，所述电机旋转角度测量方法还包括：每当补偿脉冲的个数更新时，基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、所述预设的补偿细分系数k和所述电机的极对数，来计算所述电机的旋转角度。
可选地，所述在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数的步骤包括：通过将所述当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔除以所述预设的补偿细分系数k来获得特定间隔；在检测到所述下一6倍频脉冲之前，以所述特定间隔产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，直到产生k-1个补偿脉冲为止；在检测到所述下一6倍频脉冲时，将所述下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
可选地，所述电机旋转角度测量方法还包括接收由拨码开关调节的所述预设的补偿细分系数k，其中，当所述拨码开关的值为dm时，所述预设的补偿细分系数k等于2dm。
可选地，所述计算电机旋转角度的步骤包括根据以下等式计算电机旋转角度θ：
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为电机的极对数。
可选地，在所述电机上设置有零度参考点，其中，所述零度参考点指示所述电机的一个旋转周期的起始点，所述电机旋转角度测量方法还包括：每当所述电机旋转到所述零度参考点时将补偿脉冲的个数清零。
可选地，所述电机旋转角度测量方法还包括：累计的所述补偿脉冲的个数被发送到数字模拟转换器，所述数字模拟转换器根据以下等式获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout：
Vout＝(n/2m)×Vref，
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为所述数字模拟转换器将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数，Vref为所述数字模拟转换器的参考电压。
可选地，所述电机旋转角度测量方法还包括：当所述电机的旋转速度小于预定值时，不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。
根据本发明构思的另一方面，提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序执行上文所述的电机旋转角度测量方法。
根据本发明构思的另一方面，提供一种计算机系统，所述计算机系统包括存储有计算机程序的可读存储介质，所述计算机程序执行上文所述的电机旋转角度测量方法。
本发明不需要机构或者结构将电机的旋转过程传递到电机旋转角度测量设备，电机低速运行带来的抖动和冲击，无法影响到本发明的测量效果和寿命，电机旋转角度测量设备不需要专门的调制解调器，因此可降低成本。
另一方面，电机运行时产生的电磁干扰无法影响到本发明的电机旋转角度测量设备，因此具有较强的抗干扰性和提高的准确度。
本发明还可利用数字模拟转换器DA(digital to analog converter)计算与电机旋转角度对应的电压值，并直接输出到后续的测控系统进行相应的工程应用，无需专门的SSI接口和设备，成本低，响应速度快。
本发明可基于补偿细分系数k来生成补偿脉冲，并基于补偿脉冲的个数、补偿细分系数k以及电机的极对数计算电机旋转角度，根据本发明测量的电机旋转角度的精度高于电机安装齿形盘、或者利用电机旋转部件圆周上的多个机械结构特征检测点的测量精度。此外，补偿脉冲的应用可在相邻的6倍频脉冲之间实现电机旋转角度的细分，降低了测量的误差，提高了测量的准性和及时性，并且与真实转角间不存在大的相位差。此外，本发明的技术方案可以在电机的旋转速度小于预定值时，不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲，增加了电极旋转角度测量设备的灵活性，并节省资源消耗。
附图说明
以下将参照附图对本发明的示例实施例进行详细描述，其中，
图1是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备的连接示意图；
图2是示出根据本发明的示例性实施例的电机旋转角度测量设备的框图；
图3是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备的信号调理电路的电路图；
图4是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备的传感器接口电路的电路图；
图5是示出作为根据示例实施例的处理器200的一个示例实施例的现场可编程门阵列(FPGA)500；
图6是示出根据本发明的示例实施例的与图5所示的FPGA 500连接的DA 204的一个示例性示图；
图7是示出根据本发明的示例实施例的处理器产生6倍频脉冲的示图；
图8是示出根据本发明的示例实施例的处理器产生补偿脉冲的示图；
图9是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量方法的流程图；
图10示出根据本发明的示例实施例的产生补偿脉冲的方法的流程图。
贯穿附图和具体实施方式，相同的参考标号表示相同的元件。附图可以是不按比例的，并且为了清楚、示出和方便，可夸大附图中的元件的相对大小、比例和描述。
具体实施方式
提供下面的详细描述以帮助读者获得对在此描述的方法和/或系统的全面理解。然而，对于本领域技术人员而言，在此描述的方法和/或系统的各种变化、修改和等同物也是清楚的。例如，在此描述的操作的顺序仅是示例性的，操作的顺序不被局限于在此阐述的顺序，除了必须按特定次序发生的操作之外，可在理解本申请的公开后，对在此描述的操作的顺序进行改变将是清楚的。此外，为了更加清楚和简洁，本领域中已知的特征的描述可被省略。
图1是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备的连接示意图。
参照图1，UA、UB和UC为电机的三相电压，其被输入到本发明的示例性实施例的电机旋转角度测量设备。此外，在电机上设置有零度参考点(未示出)，该零度参考点指示电机的一个旋转周期的起始点，当零度参考点接近于设置在该电机旋转角度测量设备外部的传感器s时，该传感器s产生零度参考点复位信号Zrst。在一个示例实施例中，传感器s可以为接近开关或者与接近开关功能相似的传感器。
根据本发明的示例性实施例的电机旋转角度测量设备可以基于电机(例如，发电机或电动机)的一套绕组的电压信号(即，电机的三相电压UA、UB和UC)以及零度参考点复位信号Zrst，来输出电机旋转角度和/或与电机旋转角度对应的电压值。
图2是示出根据本发明的示例性实施例的电机旋转角度测量设备200的框图。
参照图2，电机旋转角度测量设备200可包括信号调理电路201、处理器202、计算模块203、数字模拟转换器(DA)204、拨码开关205以及传感器接口电路206。
信号调理电路201用于接收电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号。具体地讲，信号调理电路201的电压采样电路对接入的发电机三相电压UA、UB、UC进行分压采样，通过电容滤波网络滤除高频杂波后得到Ua、Ub、Uc，然后通过方波生成电路进行Ua-Ub、Ub-Uc、Uc-Ua运算生成方波SAB、SBC、SCA，最后通过电平匹配电路将方波信号的电平匹配到处理器可接受的电压范围，并将匹配后的方波信号Sab、Sbc和Sca传递给处理器。这里，方波信号Sab、Sbc和Sca为输入到处理器中的与UA-UB、UB-UC和UC-UA分别对应的第一方波信号、第二方波信号以及第三方波信号。
图3是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备200的信号调理电路201的电路图。
参照图3，信号调理电路201可包括电压采样电路101、滤波网络102、方波生成电路103和电平匹配电路104。
其中，电压采样电路101包括六个电阻器R1、R2、R3、R4、R5和R6，其中，对于电机的三相输出电压UA、UB和UC中的每一相，使用两个电阻器来进行电压分压采样。具体地讲，通过串联的电阻器R1和R4对UA进行分压采样，通过串联的电阻器R2和R5对UB进行分压采样，通过串联的电阻器R3和R6对UC进行分压采样。根据本发明的示例性实施例，电阻器R1、R2、R3的阻值相等，电阻器R4、R5、R6阻值相等，R1和R4的取值满足UA×R1/R4<＝±15v。此外，对于不同输出电压等级的发电机可灵活地选取不同阻值的R1和R4。滤波网络102由电容器Ca1、Cb1、Cc1、C1、C2、C3组成，其中，电容器Ca1、Cb1、Cc1构成了星型滤波网络，电容器C1、C2、C3构成了三角型滤波网络。这样，滤波网络102可有效地滤除相间和线间的干扰，为后级的运算放大器U2B、U2C和U2D提供纯净的电压信号，即，与A相电压UA对应的正弦波形式的电压信号Ua，与B相电压UB对应的电压信号正弦波形式的Ub，以及与C相电压UC对应的电压信号正弦波形式的Uc。电容器Ca1、Cb1、Cc1的电容值相同，C1、C2、C3的电容值相同，并且Ca1的电容值可以是C1的电容值的三倍。方波生成电路103包括三个运算放大器U2B、U2C和U2D。具体地讲，运算放大器U2B的负输入端接收Ub，正输入端接收Ua，输出与UA-UB相应的方波信号SAB(即，Ua-Ub)。运算放大器U2C的负输入端接收Uc，正输入端接收Ub，输出与UB-UC相应的方波信号SBC(即，Ub-Uc)。运算放大器U2D的负输入端接收Ua，正输入端接收Uc，输出与UC-UA相应的方波信号SCA(即，Uc-Ua)。电平匹配电路104包括三个电阻器R7、R8、R9和三个稳压二极管D1、D2、D3。电阻器R7与稳压二极管D1串联，接收运算放大器U2B输出的方波信号SAB，并将接收的方波信号SAB的电平匹配到处于处理器202可接受的电压范围的第一方波信号Sab。电阻器R8与稳压二极管D2串联，接收运算放大器U2C输出的方波信号SBC，并将接收的方波信号SBC的电平匹配到处于处理器202可接受的电压范围的第二方波信号Sbc。电阻器R9与稳压二极管D3串联，接收运算放大器U2D输出的方波信号SCA，并将接收的方波信号SCA的电平匹配到处于处理器202可接受的电压范围的第三方波信号Sca。这里，电阻器R7、R8、R9的阻值相等。电阻器R7的阻值满足：(±15V/R7)小于稳压二极管D1电流吸收能力，可以有效的保证输入处理器202的IO口的信号Sab电压限定在-0.7至5V之间的安全范围内。相似地，将输入到处理器202的IO口的信号Sbc、Sca的电压限定在-0.7至5V之间的安全范围内。这里，-0.7至5V仅是示例性的，可根据处理器202的工作要求通过设置具有各种值的电阻器R7、R8、R9和稳压二级管D1、D2、D3，而将信号Sab、Sbc、Sca的电压限定在其他合适的安全范围内。
进一步参照图3，信号调理电路201执行如下操作。首先，电机的一套绕组输出电压UA、UB、UC被接入电压采样电路101，以将高电压降低到±15V以内。衰减后的电压信号通过由滤波网络102以滤除电压信号相间和线间的高频干扰杂波，得到三相正弦波信号Ua、Ub、Uc。方波生成电路103对Ua、Ub、Uc信号进行Ua-Ub运算，可得到与Ua和Ub在波形相交处的同步方波信号SAB，同理Ub-Uc可得方波信号SBC，Uc-Ua可得方波信号SCA。这里，在相位上，SAB、SBC、SCA相差120度，SAB、SBC、SCA为运放运算比较后的输出，信号接近±15V。其后，经电平匹配电路104的处理后得到-0.7V到5V的信号Sab、Sbc、Sca，从而可直接送入处理器202。
返回参照图2，传感器接口电路206用于从传感器s(图1)接收零度参考点复位信号Zrst，并且将零度参考点复位信号Zrst调整为满足处理器202工作所要求的电压的信号Srst。
图4是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备200的传感器接口电路206的电路图。
参照图1和图4，传感器s产生的零度参考点复位信号Zrst可输入到传感器接口电路206的输入端P+，传感器接口电路206的输入端P-可接地。输入到的传感器接口电路206的零度参考点复位信号Zrst经过光耦隔离U6后，生成信号Srst输入到处理器202。传感器接口电路206一方面可以虑除零度参考点复位信号Zrst中的噪声，另一方面还可以将零度参考点复位信号Zrst调整为满足处理器202工作所要求的电压的信号Srst。
返回参照图2，处理器202可在电机的一个旋转周期内，每当检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。其中，补偿细分系数k可根据电机旋转角度测量时所要求的精度而被预先设置为合适的值。此外，处理器202还可响应于信号Srst(即，响应于零度参考点复位信号)，将脉冲补偿的个数清零。由于零度参考点复位信号指示电机的一个旋转周期的起始点，因此，在此时将脉冲补偿的个数清零表示开始在一个新的旋转周期内测量电机旋转角度。
拨码开关205可连接到处理器202，用于调节预设的补偿细分系数k。具体地说，拨码开关205通过改变拨码开关的值来调节预设的补偿细分系数k，并且当拨码开关205的值为dm时，补偿细分系数k等于2dm。稍后将参照图5来详细描述拨码开关205。
可通过各种硬件或软件方式来实现处理器202，例如，处理器202可以是如图5所示的现场可编程门阵列(FPGA)500。
参照图5，作为处理器202的示例FPGA 500接收信号Sab、Sbc、Sca和Srst作为输入，基于由拨码开关205设置的dm，来输出补偿脉冲的个数，该补偿脉冲的个数与电机旋转角度相关。
在图5中，作为一个示例示出拨码开关205的值dm可以为4位二进制数dm0-dm3。拨码开关205的一端与地电压连接，另一端的每一位通过相应的上拉电阻器连接到电源电压VCC。以dm0位作为示例，当与dm0位对应的开关打开时，dm0＝1被提供给FPGA 500的接口IO24，当与dm0位对应的开关闭合时，dm0＝0被提供给FPGA 500的接口IO24。可类似地设置dm1位至dm3位。因此，拨码开关205通过控制各个位的开关来向FPGA 500提供具有不同值的dm0-dm3(即，dm)。然而这仅是示例性的，拨码开关205的值dm不限于4位二进制数dm0-dm3，而是可根据实际应用需要以及FPGA 500的结构或性能而被设置为任意位数。
返回参照图2，计算模块203可从处理器202接收补偿脉冲的个数，并且每当补偿脉冲的个数更新时，计算模块203基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、预设的补偿细分系数k和电机的极对数，来计算电机旋转角度。具体地说，计算模块203可根据以下等式1计算电机旋转角度θ：
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为电机的极对数。
根据本发明的示例实施例，计算模块203可以是具有计算功能的任意硬件和/或软件模块。
返回参照图2，DA 204接收从处理器202输出的补偿脉冲的个数，并且根据以下等式获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout：
Vout＝(n/2m)×Vref (2)
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为DA 204将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数(例如，m可以为12bits，即，m＝12)，Vref为数字模拟转换器的参考电压(例如，Vref可以为10V)。等式2中的m与DA 204的性能相关，即，m可具有与DA 204的性能相应的量化位数。
图6是示出根据本发明的示例实施例的与图5所示的FPGA 500连接的DA 204的一个示例性示图。
参照图6，DA 204的接口DB0-DB11、接收来自FPGA500相应接口的输出。DA 204的接口REFout接收内部的参考电压Vref。DA204基于参考电压Vref以及从FPGA 500接收的信号，通过输出接口输出与补偿脉冲的个数对应的电压值。如图6所示，输出接口串联有相互并联的电阻器R、电容C和稳压二极管D，从而实现对从输出接口输出的电压Vout进行限压、滤波以及对DA 204的保护功能。
虽然图2的示例实施例示出电机旋转角度测量设备200可包括计算模块203和DA204二者，但是本发明构思不限于此。根据本发明构思的电机旋转角度测量设备200可根据实际的工程应用需求而包括计算模块203和DA 204中的至少一个。
在一个示例实施例中，当电机旋转角度测量设备200仅包括DA 204时，电机旋转角度测量设备200可从DA 204仅输出与电机的旋转角度相关的电压值Vout。在一个示例实施例中，输出的电压值Vout可输入到设置在电机旋转角度测量设备200外部的测控系统(未示出)，测控系统可在工程应用需要时，基于DA 204输出的电压值Vout以及以下等式组(3)来计算电机旋转角度θ：
n＝2m×(Vout/Vref)
其中，等式组3中的参数与上述等式1和等式2中的参数的含义相同。
下面将参照图7和图8来进一步详细地描述处理器202的操作。
图7是示出根据本发明的示例实施例的处理器202产生6倍频脉冲pulse_6的示图，图8是示出根据本发明的示例实施例的处理器202产生补偿脉冲的示图。
参照图7，电机输出三相电压UA、UB、UC，经过信号调理电路201处理后，生成第一方波信号至第三方波信号Sab、Sbc、Sca。处理器202检测第一方波信号Sab、第二方波信号Sbc和第三方波信号Sca中的任一方波信号的跳变，每当检测到跳变时就可产生一个6倍频脉冲pulse_6。具体地说，处理器202可对输入的第一方波信号Sab进行采样，将当前采样值与上一次采样值进行逻辑异或，得到第一方波信号Sab上升沿和下降沿脉冲。相似地，对第二方波信号Sbc、第三方波信号Sca进行同样处理，然后并将第一方波信号Sab、对第二方波信号Sbc和第三方波信号Sca的三路边沿信号脉冲合并，来得到与电机输出电压同步的6倍频脉冲pulse_6。
基于电机旋转一个周期，电机三相绕组端口电压周波个数与其极对数相等的基本原理，处理器202的上述操作可获得电机的6倍数频脉冲(pulse_6)，而且该脉冲与电机旋转过程同步，则两个6倍频脉冲脉冲之间发电机旋转过的角度为(P为电机的极对数)。假设，在电机的一个旋转周期内，处理器202累计的6倍频脉冲的个数为n0，则电机相对于零度参考点所旋转的角度
然而仅累计6倍频脉冲的个数，这样得到的旋转角度不够精确，因此，为了进一步提高对电机旋转角度测量的精度和响应特性，在相邻的6倍频脉冲之间产生细分脉冲，如图8所示。
参照图8，可将当前产生的6倍频脉冲pulse_6称为当前6倍频脉冲N，当前6倍频脉冲N的上一6倍频脉冲pulse_6称为上一6倍频脉冲N-1，当前6倍频脉冲N的下一6倍频脉冲pulse_6称为下一6倍频脉冲N+1。
在一个旋转周期内，处理器202可计算当前6倍频脉冲N与上一6倍频脉冲N-1之间的时间间隔Δt，并通过将该时间间隔Δt除以补偿细分系数k来获得特定间隔Δt/k。然后，处理器202可以以特定间隔Δt/k在当前6倍频脉冲N之后依次产生k-1个补偿脉冲(pulse_k)，并且依次累计补偿脉冲的个数，随后将补偿脉冲的个数输出到计算模块203和DA 204中的至少一个，计算与补偿脉冲的个数相应的电机旋转角度或电压值。换言之，处理器202可基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生k-1个补偿脉冲，并每当一个补偿脉冲产生时便累计更新一次补偿脉冲的个数。当处理器202产生了k-1个补偿脉冲之后，等待下一6倍频脉冲N+1的到来。当处理器202检测到下一6倍频脉冲N+1的到来时，将该下一6倍频脉冲N+1也作为一个补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
此外，当处理器202检测到下一6倍频脉冲N+1时，处理器202记录其到来的时刻，以计算下一6倍频脉冲N+1与当前6倍频脉冲N之间的时间间隔，从而继续用于在下一6倍频脉冲N+1与之后的6倍频脉冲N+2之间产生k-1个补偿脉冲。
根据本发明的示例实施例，当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲需要基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔。因此，处理器202会记录每个6倍频脉冲产生时的时间以及6倍频脉冲之间的时间间隔。并且在电机的上一循环周期记录的最后的时间间隔可用于下一循环周期的初始补偿脉冲的产生。
总体地说，在电机的一个旋转周期内，每当处理器202检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。处理器通过将当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔除以预设的补偿细分系数k来获得特定间隔。处理器202在检测到下一6倍频脉冲之前，以特定间隔产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，直到产生k-1个补偿脉冲为止，在检测到下一6倍频脉冲时，将所述下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
在电机旋转的初始阶段，电机的转速较慢，因此可能不需要产生补偿脉冲，而是仅通过累计6倍频脉冲就可得到期望的电机旋转角度。在一个示例实施例中，可根据旋转角度测量的技术要求和工程实践而预先设置预定值，当电机的旋转速度小于该预定值时，处理器202不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。这可以通过将拨码开关的值调节为0来实现。在此情况下，可以增加电极旋转角度测量设备的灵活性，并节省资源消耗。
在电机的一个旋转周期内，电机旋转角度从0°旋转360°，因此处理器202对电机旋转角度的测量是针对每一个旋转周期进行的。当处理器202检测到与电机的一个旋转周期的起始点对应的零度参考点复位信号(例如，上升沿)时，处理器202对补偿脉冲的个数复位清零，以用于在下一个新的旋转周期内重新开始对补偿脉冲的个数进行计数。
因此，处理器202对补偿脉冲的个数的累计是在一个循环周期内进行的，也就是说，从接收到当前循环周期的零度参考点复位信号开始累计补偿脉冲的个数，直到处理器202接收到下一个零度参考点复位信号，此时表示当前循环周期结束，因此将补偿脉冲的个数清零，以重新在下一循环周期产生并累计补偿脉冲的个数。
此外，在一个循环周期内，每当处理器202产生一个补偿脉冲(或检测到6倍频脉冲)时，补偿脉冲的个数就会被更新，相应地，通过计算模块203来计算与更新后的补偿脉冲的个数对应的电机旋转角度，或者通过DA204获得与更新后的补偿脉冲的个数对应的电压值。
图9是示出根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量方法的流程图。
参照图9，在步骤902，在电机的一个旋转周期内，每当检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。其中，第一方波信号对应于电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UA与UB之间的差UA-UB，第二方波信号对应于电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UB与UC之间的差UB-UC，第三方波信号对应于电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UC与UA之间的差UC-UA。此外，可参照图3描述的信号调理电路201的操作产生第一方波信号、第二方波信号和所第三方波信号，为了清楚和简洁，在此将省略重复的描述。
稍后将结合图10对步骤902中产生补偿脉冲的方法进行进一步的详细描述。
在步骤904中，每当补偿脉冲的个数更新时，可根据工程应用需要来选择直接输出补偿脉冲的个数，和/或计算电机旋转角度，和/或计算电压值。
在步骤904中，计算电机旋转角度的步骤可包括每当补偿脉冲的个数更新时，基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、预设的补偿细分系数k和电机的极对数，来计算电机旋转角度。
具体来说，根据等式计算电机旋转角度θ，其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为电机的极对数。
在步骤904中，可计算相应的电压值。计算相应的电压值的步骤可包括：累计的补偿脉冲的个数被发送到数字模拟转换器，所述数字模拟转换器根据以下等式根据等式Vout＝(n/2m)×Vref获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout，其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为所述数字模拟转换器将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数，Vref为所述数字模拟转换器的参考电压。
下面将详细描述步骤902中产生补偿脉冲的方法。
在步骤902中，电机的旋转角度测量主要包括两个阶段：
第一阶段，电机上电开始旋转的初始阶段，这一阶段电机旋转比较缓慢且不稳定，不需要测量精确的电机旋转角度。因此，可在电机的旋转速度小于预定值时将拨码开关的值dm设置为0，从而补偿系数k＝2dm＝20＝1，即，不产生补偿脉冲，仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。但在这一阶段会记录相邻的6倍频脉冲之间的时间间隔Δt，从而可在随后阶段需要产生补偿脉冲时被使用。
第二阶段，电机旋转一段时间后旋转速度趋于稳定的阶段。这一阶段需要测量精确的电机旋转角度，因此，可根据要求的精度，将拨码开关的值dm预先设置为合适的值，并计算得到预设的补偿系数k＝2dm。
以电机的一个旋转周期为例，电机旋转角度的测量在上述的第二阶段包括两种情况。
第一种情况是在电机的一个旋转周期的初始时，即，当电机旋转到零度参考点(零度复位信号被触发，例如，检测到零度复位信号的上升沿)时，对补偿脉冲的个数n进行初始化(即，将n清零：n＝0)，然后基于上一旋转周期得到的Δt来逐一地产生k-1个补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数n。
第二情况是在电机的一个旋转周期内的任意的当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生k-1个补偿脉冲，并累计个数n。
图10示出根据本发明的示例实施例的产生补偿脉冲的方法的流程图。在图10中，为了描述的方便，仅示出了在上述第二情况下，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲的方法的示例。
在步骤1010，检测Sab、Sbc、Sca中的任意一个是否发生跳变。
当在步骤1010未检测到跳变时，即，未检测到下一6倍频脉冲，通过将当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔Δt除以预设的补偿细分系数k来获得特定间隔Δt/k，并以Δt/k为时间间隔产生一个补偿脉冲。
在步骤1012，累计补偿脉冲的个数n。
在步骤1014判断在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生的补偿脉冲的个数是否小于等于k-1。其中，n_old是为了实现该判断的中间变量。
如果步骤1014的判断为“补偿脉冲的个数小于等于k-1”，即“是”，则在步骤904(即，图9中的步骤904)，可基于步骤1012累计的补偿脉冲的个数n，来选择直接输出步骤1012累计的补偿脉冲的个数n，和/或计算电机旋转角度，和/或计算电压值。然后转到步骤1010，继续检测跳变，当未检测到跳变时继续产生补偿脉冲，直至产生k-1个补偿脉冲。如果步骤1014的判断为“否”，即，产生的补偿脉冲的个数大于k-1，则在步骤1015可产生报错信号。
当在步骤1010检测到跳变时，在步骤1016，产生一个6倍频脉冲(即，检测到下一6倍频脉冲)。在步骤1017，将下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数n，并使得n_old＝n，同时更新Δt。然后，在步骤904，基于步骤1017累计的n来选择直接输出补偿脉冲的个数n，和/或计算电机旋转角度，和/或计算电压值。
图9和图10仅是示出测量电机旋转角度的方法以及产生补偿脉冲的示例实施例，但是本发明构思不限于上述步骤。例如，根据本发明的示例实施例，测量电机旋转角度的方法还可包括在电机断电时，直接结束电机旋转角度的测量，或者可通过拨码开关205改变补偿系数k而继续测量电机旋转角度。
根据本发明的实施例的电机旋转角度测量方法可实现为计算机可读记录介质上的计算机可读代码，或者可通过传输介质被发送。计算机可读记录介质是可存储此后可由计算机系统读取的数据的任意数据存储装置。计算机可读记录介质的示例包括只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、光盘(CD)-ROM、数字多功能盘(DVD)、磁带、软盘、光学数据存储装置，但不限于此。传输介质可包括通过网络或各种类型的通信通道发送的载波。计算机可读记录介质也可分布于连接网络的计算机系统，从而计算机可读代码以分布方式被存储和执行。
此外，还可以使用计算机系统来实现根据本发明的实施例的电机旋转角度测量方法。该计算机系统可包括如上所述的可读介质。
与现有技术中的接触式和非接触式的电机旋转角度测量方法相比，根据本发明的示例实施例的电机旋转角度测量设备和方法不需要机构或者结构将电机的旋转过程传递到电机旋转角度测量设备，电机低速运行带来的抖动和冲击，无法影响到本发明的测量效果和寿命，电机旋转角度测量设备不需要专门的调制解调器，因此可降低成本。
另一方面，电机运行时产生的电磁干扰无法影响到本发明的电机旋转角度测量设备，因此具有较强的抗干扰性和提高的准确度。
本发明还可利用DA计算与电机旋转角度对应的电压值，并直接输出到后续的测控系统进行相应的工程应用，无需专门的SSI接口和设备，成本低，响应速度快。
本发明可基于补偿细分系数k来生成补偿脉冲，并基于补偿脉冲的个数、补偿细分系数k以及电机的极对数计算电机旋转角度，根据本发明测量的电机旋转角度的精度高于电机安装齿形盘、或者利用电机旋转部件圆周上的多个机械结构特征检测点的测量精度。此外，补偿脉冲的应用可在相邻的6倍频脉冲之间实现电机旋转角度的细分，降低了测量的误差，提高了测量的准性和及时性，并且与真实转角间不存在大的相位差。
因此，本发明的电机旋转角度测量设备能够提高电机旋转角度测量的精度、可靠性和稳定性，并且不需要专门的调制解调器因此可降低成本。
根据本发明构思的示例实施例，图1至图8描述的电机旋转角度测量设备的各个模块的操作以及图9和图10描述电机旋转角度测量方法可被编写为程序或软件。可基于附图中示出的框图和流程图以及说明书中的对应描述，使用任何编程语言来编写程序或软件。在一个示例中，程序或软件可包括被一个或多个处理器或计算机直接执行的机器代码，诸如，由编译器产生的机器代码。在另一个示例中，程序或软件包括被一个或多个处理器或计算机使用解释器执行的更高级代码。程序或软件可被记录、存储或固定在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质中。在一个示例中，程序或软件或一个或多个非暂时性计算机可读存储介质可被分布在计算机系统上。
虽然上面参照图1至图10已经详细描述了本发明的特定示例实施例，但是在不脱离本发明构思的精神和范围的情况下，可以以各种形式对本发明进行修改。因此，不应仅基于描述的示例实施例来确定本发明的范围，而是基于权利要求及其等同物来确定本发明的范围。

Claims (19)

1.一种电机旋转角度测量设备，其特征在于，包括：
信号调理电路，用于接收电机的三相输出电压UA、UB和UC，并分别生成与UA-UB相应的第一方波信号、与UB-UC相应的第二方波信号和与UC-UA相应的第三方波信号；
处理器，用于在所述电机的一个旋转周期内，每当检测到所述第一方波信号、所述第二方波信号和所述第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计所述补偿脉冲的个数，其中，所述补偿脉冲的个数与电机的旋转角度相关。
2.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，还包括：
计算模块，用于每当补偿脉冲的个数更新时，基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、所述预设的补偿细分系数k和所述电机的极对数，来计算所述电机的旋转角度。
3.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，所述处理器通过将所述当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔除以所述预设的补偿细分系数k来获得特定间隔，
其中，所述处理器在检测到所述下一6倍频脉冲之前，以所述特定间隔产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，直到产生k-1个补偿脉冲为止，在检测到所述下一6倍频脉冲时，将所述下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
4.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，还包括：拨码开关，用于调节所述预设的补偿细分系数k，
其中，所述拨码开关通过改变拨码开关的值来调节所述预设的补偿细分系数k，
其中，当所述拨码开关的值为dm时，所述预设的补偿细分系数k等于2dm。
5.如权利要求2所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，所述计算模块根据以下等式计算所述电机的旋转角度θ：
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为所述电机的极对数。
6.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，在所述电机上设置有零度参考点，
其中，所述零度参考点指示所述电机的一个旋转周期的起始点，当所述零度参考点接近于设置在所述电机旋转角度测量设备外部的传感器时，所述传感器产生零度参考点复位信号，
其中，所述处理器响应于所述零度参考点复位信号，将脉冲补偿的个数清零。
7.如权利要求6所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，还包括：传感器接口，用于从所述传感器接收所述零度参考点复位信号，并且将所述零度参考点复位信号调整为满足所述处理器工作所要求的电压的信号。
8.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，还包括：数字模拟转换器，用于根据以下等式获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout：
Vout＝(n/2m)×Vref，
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为所述数字模拟转换器将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数，Vref为所述数字模拟转换器的参考电压。
9.如权利要求1所述的电机旋转角度测量设备，其特征在于，当所述电机的旋转速度小于预定值时，所述处理器不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。
10.一种电机旋转角度测量方法，其特征在于，包括：
在电机的一个旋转周期内，每当检测到第一方波信号、第二方波信号和第三方波信号中的任一方波信号的跳变时，产生一个6倍频脉冲，并且基于当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔以及预设的补偿细分系数k，在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计所述补偿脉冲的个数，其中，所述补偿脉冲的个数与所述电机的旋转角度相关；
其中，所述第一方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UA与UB之间的差UA-UB，所述第二方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UB与UC之间的差UB-UC，所述第三方波信号对应于所述电机的三相输出电压UA、UB和UC中的UC与UA之间的差UC-UA。
11.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，还包括：
每当补偿脉冲的个数更新时，基于更新后的累计的补偿脉冲的个数、所述预设的补偿细分系数k和所述电机的极对数，来计算所述电机的旋转角度。
12.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，所述在当前6倍频脉冲与下一6倍频脉冲之间产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数的步骤包括：
通过将所述当前6倍频脉冲与上一6倍频脉冲之间的时间间隔除以所述预设的补偿细分系数k来获得特定间隔；
在检测到所述下一6倍频脉冲之前，以所述特定间隔产生补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数，直到产生k-1个补偿脉冲为止；
在检测到所述下一6倍频脉冲时，将所述下一6倍频脉冲作为补偿脉冲，并累计补偿脉冲的个数。
13.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，接收由拨码开关调节的所述预设的补偿细分系数k，其中，当所述拨码开关的值为dm时，所述预设的补偿细分系数k等于2dm。
14.如权利要求11所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，所述计算电机旋转角度的步骤包括根据以下等式计算电机旋转角度θ：
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，P为电机的极对数。
15.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，在所述电机上设置有零度参考点，其中，所述零度参考点指示所述电机的一个旋转周期的起始点，
所述电机旋转角度测量方法还包括：
每当所述电机旋转到所述零度参考点时将补偿脉冲的个数清零。
16.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，还包括：
累计的所述补偿脉冲的个数被发送到数字模拟转换器，所述数字模拟转换器根据以下等式获得与补偿脉冲的个数对应的电压值Vout：
Vout＝(n/2m)×Vref，
其中，n为更新后的累计的补偿脉冲的个数，m为所述数字模拟转换器将补偿脉冲的个数转换为电压值时的量化位数，Vref为所述数字模拟转换器的参考电压。
17.如权利要求10所述的电机旋转角度测量方法，其特征在于，还包括：当所述电机的旋转速度小于预定值时，不产生补偿脉冲而仅将6倍频脉冲作为补偿脉冲。
18.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有程序，所述程序执行权利要求10至17中的任一项的方法。
19.一种计算机系统，其特征在于，所述计算机系统包括存储有计算机程序的可读存储介质，所述计算机程序执行权利要求10至17中的任一项的方法。
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