CN108180933B - 一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法 - Google Patents

一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法 Download PDF

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Abstract

一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，它涉及磁电编码器误差校正领域。本发明为了消除磁电编码器角度计算误差，提出了基于永磁同步电机无传感器控制的角度误差补偿方法。为了获得高精度虚拟角度值，使用永磁同步电机的无传感器速度控制方法。依据高精度虚拟角度值与磁电编码器角度值的偏差进行角度补偿。为了消除角度补偿表格中的噪声信号，并保证补偿表格的精度，提出了过采样线性插补方法。技术要点为：磁电编码器输出角度值的获取、角度误差制表、过采样线性插补制表。

Description

一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校 正方法
技术领域
本发明涉及一种基于永磁同步电机无传感器控制的磁电编码器自校正方法，属于磁电编码器校正领域。
背景技术
磁电编码器是一种新型的角度或位置测量装置，具有抗震动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰、体积小的特性，被广泛应用于机械制造、军工、雷达等领域。磁电编码器的分辨率受硬件设施的影响，造成角度或位置输出延迟，在使用时需要进行标定。现有的标定方式，主要是将光电编码器、电机、磁电编码器同轴安装，当三者同轴旋转时，将光电编码器、磁电编码器的角度值同步上传，并以光电编码器角度值为基准与磁电编码器的输出角度建立一一对应的关系，并存入磁电编码器的芯片中，实现磁电编码器输出角度的校正。但是这种方法的标定工装结构复杂，对光电编码器的精度要求极高，标定成本高。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于永磁同步电机无传感器控制的磁电编码器自校正方法，通过永磁同步电机的高精度虚拟角度值对磁电编码器角度值进行校正，通过过采样线性插补方法，消除校正表格中的误差，逻辑清晰，标定过程简单。
上述目的主要通过以下方案实现：
本发明的基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，其特征在于，包括：磁电编码器输出角度值的获取；角度误差制表；过采样线性插补制表。
作为优选，所述的磁电编码器输出角度值的获取，其特征在于：永磁同步电机可以依据虚拟角度值进行高精度旋转，将无传感器永磁同步电机与磁电编码器进行同轴安装，永磁同步电机带动磁电编码器同轴旋转，可以得到磁电编码器的实际输出角度值。
作为优选，所述的角度误差制表，其特征在于：将磁电编码器输出的角度值与高精度虚拟角度值进行对比，由此可以得到磁电编码器角度偏差值，将该偏差值作为磁电编码器角度的修补表格，并且该修补表格与磁电编码器角度值存在唯一的对应关系，因此可以将该角度偏差值制成表格，并且依据磁电编码器角度值进行角度补偿值的查表，但是数据中夹杂着高频噪声，若此时直接使用该表格作为角度误差补偿值会造成角度值跳动，为此需要对补偿表格进行数据处理。
作为优选，所述的过采样线性插补制表，其特征在于：为了消除角度补偿表格内的噪声信号，并且保证表格的精度，采用数据过采样线性插补方式，模数转换模块分辨率影响着磁电编码器的分辨率，采用过采样技术可以提高模数转换分辨率，具体过程为：
(1)由奈奎斯特采样定理可知，采样频率fs至少要高于重建有用信号频率fu的2倍，即：
fs≥fu ①
(2)计算模数转换分辨率
模数转换模块最大电压值与最小电压值差值为Verr，模数转换模块分辨率为n位，则模数转换分辨率为：
(3)计算量化误差
由于模数转换量化过程中依据四舍五入进行转换，因此量化误差ei为：
(4)计算霍尔传感器输出信号噪声功率
(5)计算信号输出功率
式中，vH为霍尔输出正弦信号电压幅值；
(6)计算信噪比(SNR)
若此时霍尔信号幅值vH＝Verr，则信噪比(SNR)为：
(7)计算霍尔噪声输出功率
由式⑥可知，模数转换模块分辨率每增加1位，信噪比SNR增加6分贝，当采用过采样对模拟信号进行采集时，噪声能量在内均匀分布，此时的霍尔噪声输出功率为：
式中，fos为过采样频率；
(8)计算过采样比(OSR)
(9)计算过采样的信噪比(SNR)
(10)计算修正后的磁电编码器角度值
由式⑨可以看出当过采样OSR增加一倍时，信噪比SNR增加3分贝，经上面分析可知模数转换模块分辨率增加1位，信噪比增加6分贝，因此若想通过过采样达到增加模数采样分辨率的效果，过采样需要至少4倍，因为磁电角度值与磁电角度补偿值一一对应，单片机计算出的角度值是16位的整数(0-65535)，将角度值等比例缩小至10位数值区间并且保留小数部分，以便于磁电编码器工作时依据角度值的高10位进行查表(由于AD采样噪声问题，磁电编码器角度值低6位会发生跳动)，此时会得到的磁电角度值及角度误差值，但是会产生高频噪声，为了消除高频噪声并保证表格精度，依据过采样原理，在1024个数据区间中，每8个区间为一组过采样数据，若想得到第668点的插补值，则使用其左8个区间的角度误差均值y1，以及其右8个区间的角度误差均值y2对第668点坐标值进行线性插补，由此可以得到角度修正后计算公式为：
从而得到校正后的角度值。
本发明的有益效果为：
1.本发明的角度补偿方法实际应用意义巨大，并且具有很强的商业应用价值。
2.该方法不仅可以有效的对反正切类磁电编码器角度值进行自校正，并且这种校正思想可以应用在任何旋转式的角度传感器上，这种方法完全可以实现角度值得自适应修正，可以提高传感器以及控制系统的自适应能力。
3.通过过采样线性插补方法不仅可以消除角度误差的噪声信号，并且可以保证角度补偿值得精确性。
4.通过永磁同步伺服电机的高精度虚拟角度值对磁电编码器角度值进行校正，使得校正过程简化，校正成本降低。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
附图1：传统磁电编码器的示例性霍尔元件分布图；
附图2：磁电角度与角度误差的对应关系；
附图3：磁电编码器与高精度虚拟角度值；
附图4：磁电角度值与高精度虚拟角度值的差值；
附图5：角度差值的一次微分；
附图6：磁电角度值及角度误差值；
附图7：过采样角度线性插补原理图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本具体实施方式采用以下技术方案：一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
本发明的基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，其特征在于，包括：磁电编码器输出角度值的获取；角度误差制表；过采样线性插补制表。
进一步的，所述的磁电编码器输出角度值的获取，其特征在于：永磁同步电机可以依据虚拟角度值进行高精度旋转，将无传感器永磁同步电机与磁电编码器进行同轴安装，永磁同步电机带动磁电编码器同轴旋转，可以得到磁电编码器的实际输出角度值。
进一步的，所述的角度误差制表，其特征在于：将磁电编码器输出的角度值与高精度虚拟角度值进行对比，由此可以得到磁电编码器角度偏差值，将该偏差值作为磁电编码器角度的修补表格，并且该修补表格与磁电编码器角度值存在唯一的对应关系，如图2所示，因此可以将该角度偏差值制成表格，并且依据磁电编码器角度值进行角度补偿值的查表，图3所示为磁电编码器与高精度虚拟角度值输出波形，图4为磁电角度值与高精度虚拟角度值偏差，图5为图4信号的一次微分，从中可以看出此时数据中夹杂着高频噪声，若此时直接使用该表格作为角度误差补偿值会造成角度值跳动，为此需要对补偿表格进行数据处理。
进一步的，所述的过采样线性插补制表，其特征在于：为了消除角度补偿表格内的噪声信号，并且保证表格的精度，采用数据过采样线性插补方式，模数转换模块分辨率影响着磁电编码器的分辨率，采用过采样技术可以提高模数转换分辨率，具体过程为：
(1)由奈奎斯特采样定理可知，采样频率fs至少要高于重建有用信号频率fu的2倍，即：
fs≥fu ①
(2)计算模数转换分辨率
模数转换模块最大电压值与最小电压值差值为Verr，模数转换模块分辨率为n位，则模数转换分辨率为：
(3)计算量化误差
由于模数转换量化过程中依据四舍五入进行转换，因此量化误差ei为：
(4)计算霍尔传感器输出信号噪声功率
(5)计算信号输出功率
式中，vH为霍尔输出正弦信号电压幅值；
(6)计算信噪比(SNR)
若此时霍尔信号幅值vH＝Verr，则信噪比(SNR)为：
(7)计算霍尔噪声输出功率
由式⑥可知，模数转换模块分辨率每增加1位，信噪比SNR增加6分贝，当采用过采样对模拟信号进行采集时，噪声能量在内均匀分布，此时的霍尔噪声输出功率为：
式中，fos为过采样频率；
(8)计算过采样比(OSR)
(9)计算过采样的信噪比(SNR)
(10)计算修正后的磁电编码器角度值
由式⑨可以看出当过采样OSR增加一倍时，信噪比SNR增加3分贝，经上面分析可知模数转换模块分辨率增加1位，信噪比增加6分贝，因此若想通过过采样达到增加模数采样分辨率的效果，过采样需要至少4倍，因为磁电角度值与磁电角度补偿值一一对应，单片机计算出的角度值是16位的整数(0-65535)，将角度值等比例缩小至10位数值区间并且保留小数部分，以便于磁电编码器工作时依据角度值的高10位进行查表(由于AD采样噪声问题，磁电编码器角度值低6位会发生跳动)，此时得到的磁电角度值及角度误差值如图6所示；为了消除图6中的高频噪声并保证表格精度，依据过采样原理，在1024个数据区间中，每8个区间为一组过采样数据，工作原理如图7所示，若想得到第668点的插补值，则使用其左8个区间的角度误差均值y1，以及其右8个区间的角度误差均值y2对第668点坐标值进行线性插补，图8为得到的最终查补表格，由此可以得到角度修正后计算公式为：
从而得到校正后的角度值。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，其特征在于，包括：磁电编码器输出角度值的获取；
永磁同步电机可以依据虚拟角度值进行高精度旋转，将无传感器永磁同步电机与磁电编码器进行同轴安装，永磁同步电机带动磁电编码器同轴旋转，可以得到磁电编码器的实际输出角度值；
角度误差制表；
过采样线性插补制表；
为了消除角度补偿表格内的噪声信号，并且保证表格的精度，采用数据过采样线性插补方式，模数转换模块分辨率影响着磁电编码器的分辨率，采用过采样技术可以提高模数转换分辨率，具体过程为：
(1)由奈奎斯特采样定理可知，采样频率fs至少要高于重建有用信号频率fu的2倍，即：
fs≥fu ①
(2)计算模数转换分辨率
模数转换模块最大电压值与最小电压值差值为Verr，模数转换模块分辨率为n位，则模数转换分辨率为：
(3)计算量化误差
由于模数转换量化过程中依据四舍五入进行转换，因此量化误差ei为：
(4)计算霍尔传感器输出信号噪声功率
(5)计算信号输出功率
式中，vH为霍尔输出正弦信号电压幅值；
(6)计算信噪比(SNR)
若此时霍尔信号幅值vH＝Verr，则信噪比(SNR)为：
(7)计算霍尔噪声输出功率
由式⑥可知，模数转换模块分辨率每增加1位，信噪比SNR增加6分贝，当采用过采样对模拟信号进行采集时，噪声能量在内均匀分布，此时的霍尔噪声输出功率为：
式中，fos为过采样频率；
(8)计算过采样比(OSR)
(9)计算过采样的信噪比(SNR)：
(10)计算修正后的磁电编码器角度值
由式⑨可以看出当过采样OSR增加一倍时，信噪比SNR增加3分贝，经上面分析可知模数转换模块分辨率增加1位，信噪比增加6分贝，因此若想通过过采样达到增加模数采样分辨率的效果，过采样需要至少4倍，因为磁电角度值与磁电角度补偿值一一对应，单片机计算出的角度值是16位的整数(0-65535)，将角度值等比例缩小至10位数值区间并且保留小数部分，以便于磁电编码器工作时依据角度值的高10位进行查表，由于AD采样噪声问题，磁电编码器角度值低6位会发生跳动，此时会得到的磁电角度值及角度误差值，但是会产生高频噪声，为了消除高频噪声并保证表格精度，依据过采样原理，在1024个数据区间中，每8个区间为一组过采样数据，若想得到第668点的插补值，则使用其左8个区间的角度误差均值y1，以及其右8个区间的角度误差均值y2对第668点坐标值进行线性插补，由此可以得到角度修正后计算公式为：
从而得到校正后的角度值。
2.根据权利要求1所述的一种基于永磁同步电机无传感器速度控制的磁电编码器自校正方法，其特征在于：将磁电编码器输出的角度值与高精度虚拟角度值进行对比，由此可以得到磁电编码器角度偏差值，将该偏差值作为磁电编码器角度的修补表格，并且该修补表格与磁电编码器角度值存在唯一的对应关系，因此可以将该角度偏差值制成表格，并且依据磁电编码器角度值进行角度补偿值的查表，但是数据中夹杂着高频噪声，若此时直接使用该表格作为角度误差补偿值会造成角度值跳动，为此需要对补偿表格进行数据处理。
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