CN109655083A - 磁编码器及其校准方法和校准装置、电机以及无人飞行器 - Google Patents
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Abstract
本发明实施方式提供一种磁编码器及其校准方法和校准装置、电机以及无人飞行器，属于电子控制领域。所述校准方法包括：基于空间矢量脉宽调制控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于机械轴上的磁体旋转；获取转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时磁编码器检测到的检测角度；以及存储检测角度与第一电角度的对应关系，以完成对磁编码器的校准。如此，通过利用空间矢量脉宽调制能够准确控制三相对称电机的电角度的特点，可以完成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的校准，使得侧边式磁编码能够运用到三相对称电机的角度检测中，从而实现云台等设备的小型化设计的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电子控制领域，具体地涉及一种磁编码器及其校准方法和校准装置、电机以及无人飞行器。
背景技术
磁编码器由于其非接触式、体积小、成本低、结构简单以及可靠性高等特点广泛应用在角度、位置等检测中作为传感器使用。在云台等涉及电机定位的应用中，通常采用磁编码方案进行电机的角度、位置的检测。如图1所示，在当前的磁编码器中，通常将磁传感器正对磁铁使用，这样的好处是磁铁产生的磁场在磁传感器处为均匀分布，磁传感器角度输出与电机实际的机械角度是线性关系，这样基本可以对磁编码器不做校准，或者通过外接一个角度传感器对几个角度校准后做线性处理来进行校准。
然而，当磁编码器应用于无人飞行器的云台等场景中时，常需要小型化设计。现有的磁传感器与磁铁正对式的安装方式通常需要1.5-3mm左右的空间安装，不利于云台小型化设计。
发明内容
为了至少部分地解决现有技术中存在的上述问题，本发明实施方式的目的是提供一种磁编码器及其校准方法和校准装置、电机以及无人飞行器。
为了实现上述目的，在本发明实施方式的第一方面，提供一种用于磁编码器的校准方法，所述磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴、设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转的磁体以及磁传感器，所述磁传感器与所述磁体沿所述磁体的径向间隔设置，所述校准方法包括：基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转；获取所述转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时所述磁编码器检测到的检测角度；以及存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，以完成对所述磁编码器的校准。
可选地，所述校准方法还包括：以预设电角度增量依次改变所述第一电角度，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转至少一周。
可选地，在存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系后，所述校准方法还包括：基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以所述预设电角度增量步进旋转，以获取所述磁体重新旋转至每个所述检测角度时对应的第二电角度；根据所述对应关系获取每个所述检测角度对应的第一电角度；以及在每个所述检测角度对应的所述第一电角度与该检测角度对应的所述第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
可选地，所述预设阈值大于或等于所述预设电角度增量并且小于或等于所述预设电角度增量的10倍。
可选地，所述校准方法还包括：根据所述三相对称电机的极对数确定所述第一电角度对应的三相对称电机的机械角度；以及根据所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，确定所述检测角度与所述机械角度之间的对应关系。
可选地，所述预设电角度增量根据所述磁编码器的精度和三相对称电机的极对数确定。
可选地，在所述三相对称电机处于空载状态下进行校准，并且在进行校准时，所述三相对称电机的输入电压的幅值大于或等于该三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍并且小于或等于所述最大电压幅值的0.5倍。
可选地，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，所述基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转包括：调整所述三相逆变器的功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子旋转至预设的初始电角度；以及改变所述功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子从所述初始电角度以预设电角度增量步进旋转。
在本发明实施方式的第二方面，提供一种用于磁编码器的校准装置，所述磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴、设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转的磁体以及磁传感器，所述磁传感器与所述磁体沿所述磁体的径向间隔设置，所述校准装置包括：存储器；以及控制器，被配置为：基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转；获取所述转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时所述磁编码器检测到的检测角度；以及在所述存储器中存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，以完成对所述磁编码器的校准。
可选地，所述控制器还被配置为：以预设电角度增量依次改变所述第一电角度，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转至少一周。
可选地，在存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系后，所述控制器还被配置为：基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以所述预设电角度增量步进旋转，以获取所述磁体重新旋转至每个所述检测角度时对应的第二电角度；根据所述对应关系获取每个所述检测角度对应的第一电角度；以及在每个所述检测角度对应的所述第一电角度与该检测角度对应的所述第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
可选地，所述预设阈值大于或等于所述预设电角度增量并且小于或等于所述预设电角度增量的10倍。
可选地，所述控制器还被配置为：根据所述三相对称电机的极对数确定所述第一电角度对应的三相对称电机的机械角度；以及根据所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，确定所述检测角度与所述机械角度之间的对应关系。
可选地，所述预设电角度增量根据所述磁编码器的精度和三相对称电机的极对数确定。
可选地，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，在所述三相对称电机处于空载状态下进行校准时，所述控制器被配置为控制所述三相逆变器向所述三相对称电机输入幅值大于或等于该三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍并且小于或等于所述最大电压幅值的0.5倍的电压。
可选地，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，所述控制器基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转包括：调整所述三相逆变器的功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子旋转至预设的初始电角度；以及改变所述功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子从所述初始电角度以预设电角度增量步进旋转。
在本发明实施方式的第三方面，还提供一种磁编码器，所述磁编码器包括：机械轴，用于与三相对称电机的输出轴轴向连接；磁体，设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转；以及磁传感器，与所述磁体沿所述磁体的径向间隔设置。
在本发明实施方式的第四方面，还提供一种具有自校准功能的三相对称电机，所述三相对称电机包括：输出轴，被配置为与磁编码器的机械轴连接；上述的磁编码器；以及上述的校准装置。
在本发明实施方式的第五方面，还提供一种用于无人飞行器的云台，所述云台包括上述的三相对称电机。
在本发明实施方式的第六方面，还提供一种无人飞行器，所述无人飞行器包括上述的三相对称电机。
在上述技术方案中，通过存储磁编码器检测到的检测角度与三相对称电机的电角度之间的对应关系，可以在磁编码器检测到任何角度时，均能通过上述对应关系来查找到与该检测角度对应的三相对称电机的电角度，如此，通过利用空间矢量脉宽调制能够准确控制三相对称电机的电角度的特点，可以完成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的校准，使得侧边式磁编码能够运用到三相对称电机的角度检测中，从而实现云台等设备的小型化设计的目的。
本发明实施方式的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施方式的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施方式，但并不构成对本发明实施方式的限制。在附图中：
图1示例性示出了现有技术中磁编码器的示意图；
图2示例性示出了本发明实施方式提供的磁编码器的示意图；
图3示例性示出了本发明一种实施方式提供的用于磁编码器的校准方法的流程图；
图4示例性示出了本发明可选实施方式中侧边式磁编码器未校准前的检测角度与检测误差之间的曲线图；
图5示例性示出了空间矢量脉宽调制控制中的电压矢量的坐标系；
图6示例性示出了本发明可选实施方式中侧边式磁编码器校准后的电角度与机械角度之间的折线图；以及
图7示例性示出了本发明一种实施方式提供的用于磁编码器的校准装置的框图。
附图标记说明
1 机械轴 2 磁体
3 磁传感器 10 存储器
20 控制器
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要说明，若本发明实施方式中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施方式中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施方式之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图2和图3所示，本发明实施方式提供一种用于磁编码器的校准方法。该磁编码器包括机械轴、磁体和磁传感器。其中，机械轴用于与三相对称电机的输出轴轴向连接，磁体设置于机械轴上并跟随机械轴自转，磁传感器与磁体沿该磁体的径向间隔设置，并能够检测该磁体产生的磁场。用于磁编码器的校准方法包括以下步骤：
步骤S10，基于空间矢量脉宽调制控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于机械轴上的磁体旋转。
步骤S20，获取三相对称电机的转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时磁编码器检测到的检测角度。
步骤S30，存储检测角度与第一电角度的对应关系，以完成对磁编码器的全部检测角度的校准。
可以理解的是，通过存储磁编码器检测到的检测角度与三相对称电机的电角度之间的对应关系，可以在磁编码器检测到任何角度时，均能通过上述对应关系来查找到与该检测角度对应的三相对称电机的电角度，如此，通过利用空间矢量脉宽调制能够准确控制三相对称电机的电角度的特点，可以完成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的校准，使得侧边式磁编码能够运用到三相对称电机的角度检测中，从而实现云台等设备的小型化设计的目的。
具体地，如图2所示，本发明实施方式中提供一种侧边式磁编码器，该侧边式磁编码器中的磁体2与磁传感器3沿磁体2的径向间隔设置，该磁体2可以设置在磁编码器的机械轴(图2中未示出)上，并可以在机械轴的带动下沿机械轴的轴线自转。由于磁传感器与磁体2放置在同一水平面而非正对放置，因此图2示出的这种侧边式磁编码器相对于图1中的普通磁编码器占用的安装空间更小，具有节省安装空间的效果。然而，由于磁体2(例如图2中的圆环状的磁体)在磁传感器3处的磁场不是均匀分布的，导致磁体2在旋转时，磁传感器3输出的检测角度畸变，故该侧边式磁编码器检测到的检测角度与电机的机械角度之间的关系是非线性分布的，最终导致磁编码器检测的角度与三相对称电机实际旋转的机械角度之间存在很大误差(如图4所示)，从而无法正常使用。因此，该侧边式磁编码器需要经过校准后才能使用，而由于侧边式磁编码器检测到的检测角度与电机的机械角度之间的非线性关系，现有的通过简单的几个检测角度并利用例如线性插值法做线性化来进行校准，会存在很大误差从而无法满足控制精度要求。
为了对侧边式磁编码器进行校准，本实施方式利用三相对称电机自身的旋转特点及三相对称特性，通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制控制)方式控制三相对称电机的转子以预设电角度步进旋转，进而带动机械轴上的磁体旋转，如此能准确控制磁体旋转至不同的电角度。当磁体旋转至不同的电角度时，可以获取侧边式磁编码器的磁传感器检测的检测角度，并将该检测角度与当前的电角度一一对应地以例如列表的形式进行存储，从而形成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的对应关系，如此，当磁编码器检测到不同的检测角度时，可以通过查表的方式找到对应的电角度，从而完成了对磁编码器的校准。上述通过空间矢量脉宽调制控制改变三相对称电机的转子的电角度的方式来进行校准，可以无需单独外接角度传感器，从而降低校准过程的成本，简化校准步骤。
其中，SVPWM(空间矢量脉宽调制)是一种功率开关器件的控制方式。由于在三相对称电机中供三相对称正弦波电压时，其定子磁链为一圆形，如图5所示，通过对三相逆变器的上、下桥臂上的6个不同功率开关组合做适当切换，可以形成PWM波形。其中可以用0和1来表示上、下桥的6个功率开关的不同开关状态，从而可以用构成六个基本有效矢量V1-V6(对应开关状态分别为001、010、011、100、101、110)和两个零量V0和V7(对应开关状态分别为000、111)，通过这六个基本有效矢量和两个零量可以合成象限1-6中的任何电压矢量。其中电压矢量可由幅值Vref和电角度θ两个参数构成。该电角度θ为电压矢量与电机A相的夹角，通过改变电角度θ，转子会跟随θ角转动，当在空载状态下，较小的力(即较小的幅值Vref)即可将转子转动。当较大的力时即可将转子锁定在θ角，此电角度θ乘以三相对称电机的极对数即为该三相对称电机的机械角度。
需要说明的是，为了完成对磁编码器的校准，可以通过空间矢量脉宽调制的方法控制三相对称电机的转子带动位于磁编码器的机械轴上的磁体旋转至少一周(即360°)。如此，可以完成磁编码器在整个360°内的检测角度的校准。然而，对于一些电机的应用场景而言，可能仅需要电机在一个预设角度范围内往复转动，此时可以仅校准磁编码器在该预设角度范围内的检测角度，而无需完成整个360°内的检测角度的校准。
另外，上述的预设电角度增量可以根据磁编码器的精度和三相对称电机的极对数来预先确定。具体来说，该预设电角度增量决定了该侧边式磁编码器进行角度校准后的精度。当预设电角度增量越小时，校准后的侧边式磁编码器的检测角度的数量越多，进而检测精度也越高；当预设电角度增量越大时，校准后的侧边式磁编码器的检测角度的数量越少，进而检测精度也越低。同时，预设电角度增量受限于磁编码器的精度，由于一般的磁编码器的精度为360/4096＝0.088°。因此磁编码器能检测到的三相对称电机的最小电角度变化量为0.088×P，即最小预设电角度增量为0.088×P，式中P为三相对称电机的极对数。此外，在选择预设电角度增量时，还需要考虑存储器的容量及侧边式磁编码器在使用时查询对应关系列表所需的时间。当预设电角度增量越小时，所需的存储器容量越大，查表时间越长；当预设电角度增量越大时，所需的存储器容量越小，查表时间越短。因此，在进行校准时，可以根据需要，合理选择合适的预设电角度增量。在一种可选实施方式中，存储器可以采用2048个角度存储单元，相应的机械角度增量可以为0.175度，进而预设电角度增量可以选择为0.175×P。
可以理解的是，对于三相对称电机而言，其电角度(即驱动该三相对称电机的电压的电角度)和实际的机械角度之间的关系与三相对称电机的极对数有关，即电角度＝机械角度×P，因此在确定侧边式编码器的检测角度与三相对称电机的电角度后，也可以根据三相对称电机的电角度与机械角度之间的关系来确定侧边式编码器的检测角度与三相对称电机的机械角度之间的对应关系，进而可以直接根据侧边式编码器的检测角度来查找三相对称电机的实际机械角度。
在本发明一种可选实施方式中，在存储检测角度与第一电角度的对应关系后，用于磁编码器的校准方法还可以包括：
步骤S40，基于空间矢量脉宽调制控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以获取磁体重新旋转至每个检测角度时对应的第二电角度。
步骤S50，根据检测角度与第一电角度的对应关系获取每个检测角度对应的第一电角度。
步骤S60，在每个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
具体地，在对侧边式磁编码器完成校准后，还可以对校准结果进行验证。此时，可以基于空间矢量脉宽调制再次控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以获取磁体重新旋转至每个检测角度时对应的第二电角度，随后将该第二电角度与存储的与该检测角度对应的第一电角度进行比较，如果每个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度之差的绝对值均小于预设阈值，则确定校准成功。而当任意一个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度之差的绝对值大于或等于预设阈值时，则确定校准失败，此时可以重新进行校准。其中，所述的预设阈值可以根据实际情况和预设电角度增量的大小来预先设定，一般而言，该预设阈值大于或等于预设电角度增量并且小于或等于预设电角度增量的10倍，例如该预设阈值可以为预设电角度增量的2倍、3倍、5倍或7倍等。如此，通过在对侧边式编码器完成校准后，再对校准结果进行验证可以提高校准结果的准确性。
在本发明一种可选实施方式中，在进行侧边式磁编码器的校准时，可以先使得三相对称电机处于空载状态，这样向三相对称电机输入较小幅值Vref的驱动电压即可克服该三相对称电机的轴承摩擦力，从而能够将三相对称电机的转子锁定在与该驱动电压的电角度θ相对应的位置。其中，由于驱动电压的幅值Vref过小时，难以克服三相对称电机的轴承摩擦力，而驱动电压的幅值Vref过大时，会因驱动电流过大导致电机和其控制器发热严重，因此在三相对称电机处于空载的状态下，该驱动电压的幅值Vref可以位于三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍至0.5倍之间，例如该驱动电压的幅值Vref可以为三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.1倍、0.2倍或0.3倍等。
在使用时，当三相对称电机的控制器接受到校准命令后，会进入校准程序。此时，可以基于空间矢量脉宽调制改变用于驱动三相对称电机的三相逆变器的上、下桥臂上的6个不同功率开关的导通顺序和导通时间以合成所需电角度的驱动电压，进而使得三相对称电机的转子旋转至给定的初始角度，并开始获取侧边式磁编码器检测的检测角度(即侧边式磁编码器的读数)，当该检测角度稳定时，认为转子已锁定到相应位置，此时可以对应当前的电角度记录该检测角度，并写入存储器中。随后，继续改变6个功率开关的导通顺序和导通时间以不断改变驱动电压的电角度，进而使得三相对称电机的转子从初始的电角度以预设电角度增量步进增加，从而带动侧边式磁编码器的磁体步进转动并达到锁定，每次等到侧边式磁编码器检测到的检测角度稳定后，对应当前的电角度记录此时的检测角度，并写入存储器，从而在存储器中形成转子的电角度与侧边式磁编码器的检测角度之间的对应关系列表。重复上述过程，直到检测角度绕过360°，完成旋转一周。在将一周(即360°)内的全部检测角度存储完成后，可以对存储数据进行验证，因此还需要执行验证过程。即再次以预设电角度增量控制转子步进旋转，每增加一个角度，获取相应的检测角度，并基于该检测角度查询存储器中的对应关系列表以获取存储的电角度，随后计算当前的电角度与存储的电角度之间的差值并取绝对值。以共有2048个检测角度为例，在检测角度绕过360°时，通过下式计算全部检测角度对应的该差值的绝对值中的最大值
其中，θ1为验证过程中检测到的第1个检测角度对应的电角度值，为校准过程中检测到的第1个检测角度对应的电角度值(即存储器中存储的电角度值)，θ2048为验证过程中检测到的第2048个检测角度对应的电角度值，为校准过程中检测到的第2048个检测角度对应的电角度值。当该差值的最大值小于预设阈值时，可以认为校准成功，否则校准失败。如上所述，该预设阈值可以根据实际情况和预设电角度增量的大小进行选择，例如预设电角度增量可以为2×0.088＝0.176°，此时由于该预设角度增量较小，因此该预设阈值可以设定为3×0.176＝0.528°。如图6所示，通过本实施方式校准后通过查表方式获取的电角度和实际机械角度之间的折线图与实际电角度和实际机械角度之间的折线图基本是重合状态，可见，通过本实施方式对侧边式编码器完成校准后，在通过侧边式编码器检测角度时，可以得到准确度较高的角度检测结果。
如图2和图7所示，本发明实施方式还提供一种用于磁编码器的校准装置，该磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴(图2中未示出)、设置于机械轴上并跟随机械轴自转的磁体2以及磁传感器3，其中磁传感器3与磁体2沿该磁体2的径向间隔设置。用于磁编码器的校准装置包括存储器10和控制器20。控制器20被配置为基于空间矢量脉宽调制控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于机械轴上的磁体2旋转，随后获取转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时磁编码器检测到的检测角度，之后在存储器10中存储检测角度与第一电角度的对应关系，以完成对磁编码器的校准。其中，存储器10可以例如为只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)或闪存(Flash Memory)等各种存储介质，控制器20可以例如为单片机、芯片、处理器(processor)或微控制器等，并且该控制器20可以为用于控制三相对称电机的三相逆变器的功率开关的控制单元。
可以理解的是，通过在存储器10中存储磁编码器检测到的检测角度与三相对称电机的电角度之间的对应关系，可以在磁编码器检测到任何角度时，均能通过上述对应关系来查找到与该检测角度对应的三相对称电机的电角度，如此，通过利用空间矢量脉宽调制能够准确控制三相对称电机的电角度的特点，可以完成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的校准，使得侧边式磁编码能够运用到三相对称电机的角度检测中，从而实现云台等设备的小型化设计的目的。
具体地，如图2所示，本发明实施方式中提供一种侧边式磁编码器，该侧边式磁编码器中的磁体2与磁传感器3沿磁体2的径向间隔设置，该磁体2可以设置在磁编码器的机械轴(图2中未示出)上，并可以在机械轴的带动下沿机械轴的轴线自转。由于磁传感器与磁体2放置在同一水平面而非正对放置，因此图2示出的这种侧边式磁编码器相对于图1中的普通磁编码器占用的安装空间更小，具有节省安装空间的效果。然而，由于磁体2(例如图2中的圆环状的磁体)在磁传感器3处的磁场不是均匀分布的，导致磁体2在旋转时，磁传感器3输出的检测角度畸变，故该侧边式磁编码器检测到的检测角度与电机的机械角度之间的关系是非线性分布的，最终导致磁编码器检测的角度与三相对称电机实际旋转的机械角度之间存在很大误差(如图4所示)，从而无法正常使用。因此，该侧边式磁编码器需要经过校准后才能使用，而由于侧边式磁编码器检测到的检测角度与电机的机械角度之间的非线性关系，现有的通过简单的几个检测角度并利用例如线性插值法做线性化来进行校准，会存在很大误差从而无法满足控制精度要求。
为了对侧边式磁编码器进行校准，本实施方式提供了一种校准装置，该校准装置包括存储器10和控制器20。其中控制器20可以利用三相对称电机自身的旋转特点及三相对称特性，通过SVPWM(Space Vector Pulse Width Modulation，空间矢量脉宽调制控制)方式控制三相对称电机的转子以预设电角度步进旋转，进而带动机械轴上的磁体旋转，如此能准确控制磁体旋转至不同的电角度。该控制器20与磁编码器的磁传感器电性连接，从而当磁体旋转至不同的电角度时，控制器20可以获取侧边式磁编码器的磁传感器检测的检测角度，并将该检测角度与当前的电角度一一对应地以例如列表的形式存储至存储器10中，以形成侧边式磁编码器的检测角度与三相对称电机的电角度之间的对应关系，如此，当磁编码器检测到不同的检测角度时，控制器20可以通过查表的方式找到对应的电角度，从而完成了对磁编码器的校准。上述通过空间矢量脉宽调制控制改变三相对称电机的转子的电角度的方式来进行校准，可以无需单独外接角度传感器，从而降低校准过程的成本，简化校准步骤。
需要说明的是，为了完成对磁编码器的校准，控制器20可以通过空间矢量脉宽调制的方法控制三相对称电机的转子带动位于磁编码器的机械轴上的磁体旋转至少一周(即360°)。如此，可以完成磁编码器在整个360°内的检测角度的校准。然而，对于一些电机的应用场景而言，可能仅需要电机在一个预设角度范围内往复转动，此时控制器20可以仅校准磁编码器在该预设角度范围内的检测角度，而无需完成整个360°内的检测角度的校准。
另外，上述的预设电角度增量可以根据磁编码器的精度和三相对称电机的极对数来预先确定。具体来说，该预设电角度增量决定了该侧边式磁编码器进行角度校准后的精度。当预设电角度增量越小时，校准后的侧边式磁编码器的检测角度的数量越多，进而检测精度也越高；当预设电角度增量越大时，校准后的侧边式磁编码器的检测角度的数量越少，进而检测精度也越低。同时，预设电角度增量受限于磁编码器的精度，由于一般的磁编码器的精度为360/4096＝0.088°。因此磁编码器能检测到的三相对称电机的最小电角度变化量为0.088×P，即最小预设电角度增量为0.088×P，式中P为三相对称电机的极对数。此外，在选择预设电角度增量时，还需要考虑存储器的容量及侧边式磁编码器在使用时查询对应关系列表所需的时间。当预设电角度增量越小时，所需的存储器容量越大，查表时间越长；当预设电角度增量越大时，所需的存储器容量越小，查表时间越短。因此，在进行校准时，可以根据需要，合理选择合适的预设电角度增量。在一种可选实施方式中，存储器可以采用2048个角度存储单元，相应的机械角度增量可以为0.175度，进而预设电角度增量可以选择为0.175×P。
可以理解的是，对于三相对称电机而言，其电角度(即驱动该三相对称电机的电压的电角度)和实际的机械角度之间的关系与三相对称电机的极对数有关，即电角度＝机械角度×P，因此在确定侧边式编码器的检测角度与三相对称电机的电角度后，控制器20也可以根据三相对称电机的电角度与机械角度之间的关系来确定侧边式编码器的检测角度与三相对称电机的机械角度之间的对应关系并存储至存储器10中，进而可以直接根据侧边式编码器的检测角度来查找三相对称电机的实际机械角度。
在本发明一种可选实施方式中，在存储检测角度与第一电角度的对应关系后，控制器20还被配置为：基于空间矢量脉宽调制控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以获取磁体重新旋转至每个检测角度时对应的第二电角度；根据对应关系获取每个检测角度对应的第一电角度；在每个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
具体地，在对侧边式磁编码器完成校准后，控制器20还可以对校准结果进行验证。此时，控制器20可以基于空间矢量脉宽调制再次控制三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以获取磁体重新旋转至每个检测角度时对应的第二电角度，随后将该第二电角度与存储的与该检测角度对应的第一电角度进行比较，如果每个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度之差的绝对值均小于预设阈值，则确定校准成功。而当任意一个检测角度对应的第一电角度与该检测角度对应的第二电角度之差的绝对值大于或等于预设阈值时，则确定校准失败，此时可以重新进行校准。其中，所述的预设阈值可以根据实际情况和预设电角度增量的大小来预先设定，一般而言，该预设阈值大于或等于预设电角度增量并且小于或等于预设电角度增量的10倍，例如该预设阈值可以为预设电角度增量的2倍、3倍、5倍或7倍等。如此，通过在对侧边式编码器完成校准后，再对校准结果进行验证可以提高校准结果的准确性。
在本发明一种可选实施方式中，在进行侧边式磁编码器的校准时，控制器20可以先使得三相对称电机处于空载状态，这样向三相对称电机输入较小幅值Vref的驱动电压即可克服该三相对称电机的轴承摩擦力，从而能够将三相对称电机的转子锁定在与该驱动电压的电角度θ相对应的位置。其中，由于驱动电压的幅值Vref过小时，难以克服三相对称电机的轴承摩擦力，而驱动电压的幅值Vref过大时，会因驱动电流过大导致电机和其控制器发热严重，因此在三相对称电机处于空载的状态下，该驱动电压的幅值Vref可以位于三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍至0.5倍之间，例如该驱动电压的幅值Vref可以为三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.1倍、0.2倍或0.3倍等。
在使用时，当控制器20接受到校准命令后，会进入校准程序。此时，控制器20可以基于空间矢量脉宽调制改变用于驱动三相对称电机的三相逆变器的上、下桥臂上的6个不同功率开关的导通顺序和导通时间以合成所需电角度的驱动电压，进而使得三相对称电机的转子旋转至给定的初始角度，并开始获取侧边式磁编码器检测的检测角度(即侧边式磁编码器的读数)，当该检测角度稳定时，认为转子已锁定到相应位置，此时控制器20可以对应当前的电角度记录该检测角度，并写入存储器10中。随后，控制器20继续改变6个功率开关的导通顺序和导通时间以不断改变驱动电压的电角度，进而使得三相对称电机的转子从初始的电角度以预设电角度增量步进增加，从而带动侧边式磁编码器的磁体步进转动并达到锁定，每次等到侧边式磁编码器检测到的检测角度稳定后，控制器20对应当前的电角度记录此时的检测角度，并写入存储器10，从而在存储器10中形成转子的电角度与侧边式磁编码器的检测角度之间的对应关系列表。重复上述过程，直到检测角度绕过360°，完成旋转一周。在将一周(即360°)内的全部检测角度存储完成后，控制器20可以对存储数据进行验证，因此还需要执行验证过程。即再次以预设电角度增量控制转子步进旋转，每增加一个角度，获取相应的检测角度，并基于该检测角度查询存储器中的对应关系列表以获取存储的电角度，随后计算当前的电角度与存储的电角度之间的差值并取绝对值。以共有2048个检测角度为例，在检测角度绕过360°时，通过下式计算全部检测角度对应的该差值的绝对值中的最大值
其中，θ1为验证过程中检测到的第1个检测角度对应的电角度值，为校准过程中检测到的第1个检测角度对应的电角度值(即存储器中存储的电角度值)，θ2048为验证过程中检测到的第2048个检测角度对应的电角度值，为校准过程中检测到的第2048个检测角度对应的电角度值。当该差值的最大值小于预设阈值时，可以认为校准成功，否则校准失败。如上所述，该预设阈值可以根据实际情况和预设电角度增量的大小进行选择，例如预设电角度增量可以为2×0.088＝0.176°，此时由于该预设角度增量较小，因此该预设阈值可以设定为3×0.176＝0.528°。
如图2所示，本发明实施方式还提供一种磁编码器，该磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴(图2中未示出)、设置于机械轴上并跟随机械轴自转的磁体2以及磁传感器3，其中磁传感器3与磁体2沿该磁体2的径向间隔设置。
相应地，本发明实施方式还提供一种具有自校准功能的三相对称电机，该三相对称电机包括输出轴、上述的磁编码器和校准装置。其中，三相对称电机的输出轴被配置为与磁编码器的机械轴连接。
另外，本发明实施方式还提供一种包括上述三相对称电机的云台和包括上述三相对称电机的无人飞行器。其中，该无人飞行器可以为植保无人机、测绘无人机或航拍无人机等。
通过本发明上述技术方案，仅通过控制三相逆变器和检测磁编码器的输出即可完成侧边式磁编码器在360°内的角度校准，无需额外的外接校准设备(例如光电编码等仪器)，即可完成整个校准过程，因此减少了校准设备和校准步骤，降低了校准成本，提高了校准效率高。并且，通过使用SVPWM方式控制电角度来进行校准，可以实现更精细化的角度校准，大大提高了校准的准确性，并且通过校准后的验证过程，可以确保校准值在期望的范围内具有可重复性，从而达到应用要求。
以上结合附图详细描述了本发明的可选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施方式的技术构思范围内，可以对本发明实施方式的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施方式的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施方式对各种可能的组合方式不再另行说明。
本领域技术人员可以理解实现上述实施方式方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得单片机、芯片或处理器(processor)执行本发明各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施方式的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (20)
1.一种用于磁编码器的校准方法，所述磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴、设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转的磁体以及磁传感器，其特征在于，所述磁传感器沿所述磁体的径向间隔设置，所述校准方法包括：
基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转；
获取所述转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时所述磁编码器检测到的检测角度；以及
存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，以完成对所述磁编码器的校准。
2.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述校准方法还包括：
以预设电角度增量依次改变所述第一电角度，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转至少一周。
3.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，在存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系后，所述校准方法还包括：
基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以所述预设电角度增量步进旋转，以获取所述磁体重新旋转至每个所述检测角度时对应的第二电角度；
根据所述对应关系获取每个所述检测角度对应的第一电角度；以及
在每个所述检测角度对应的所述第一电角度与该检测角度对应的所述第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
4.根据权利要求3所述的校准方法，其特征在于，所述预设阈值大于或等于所述预设电角度增量并且小于或等于所述预设电角度增量的10倍。
5.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述校准方法还包括：
根据所述三相对称电机的极对数确定所述第一电角度对应的三相对称电机的机械角度；以及
根据所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，确定所述检测角度与所述机械角度之间的对应关系。
6.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述预设电角度增量根据所述磁编码器的精度和三相对称电机的极对数确定。
7.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，在所述三相对称电机处于空载状态下进行校准，并且在进行校准时，所述三相对称电机的输入电压的幅值大于或等于该三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍并且小于或等于所述最大电压幅值的0.5倍。
8.根据权利要求1所述的校准方法，其特征在于，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，所述基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转包括：
调整所述三相逆变器的功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子旋转至预设的初始电角度；以及
改变所述功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子从所述初始电角度以预设电角度增量步进旋转。
9.一种用于磁编码器的校准装置，所述磁编码器包括用于与三相对称电机的输出轴轴向连接的机械轴、设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转的磁体以及磁传感器，其特征在于，所述磁传感器与所述磁体沿所述磁体的径向间隔设置，所述校准装置包括：
存储器；以及
控制器，被配置为：
基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转；
获取所述转子在以预设电角度增量步进旋转的过程中处于不同的第一电角度时所述磁编码器检测到的检测角度；以及
在所述存储器中存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，以完成对所述磁编码器的校准。
10.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述控制器还被配置为：
以预设电角度增量依次改变所述第一电角度，以带动位于所述机械轴上的磁体旋转至少一周。
11.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，在存储所述检测角度与所述第一电角度的对应关系后，所述控制器还被配置为：
基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以所述预设电角度增量步进旋转，以获取所述磁体重新旋转至每个所述检测角度时对应的第二电角度；
根据所述对应关系获取每个所述检测角度对应的第一电角度；以及
在每个所述检测角度对应的所述第一电角度与该检测角度对应的所述第二电角度的差值的绝对值均小于预设阈值的情况下，确定校准成功。
12.根据权利要求11所述的校准装置，其特征在于，所述预设阈值大于或等于所述预设电角度增量并且小于或等于所述预设电角度增量的10倍。
13.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述控制器还被配置为：
根据所述三相对称电机的极对数确定所述第一电角度对应的三相对称电机的机械角度；以及
根据所述检测角度与所述第一电角度的对应关系，确定所述检测角度与所述机械角度之间的对应关系。
14.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述预设电角度增量根据所述磁编码器的精度和三相对称电机的极对数确定。
15.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，在所述三相对称电机处于空载状态下进行校准时，所述控制器被配置为控制所述三相逆变器向所述三相对称电机输入幅值大于或等于该三相对称电机工作时的最大电压幅值的0.05倍并且小于或等于所述最大电压幅值的0.5倍的电压。
16.根据权利要求9所述的校准装置，其特征在于，所述三相对称电机通过三相逆变器驱动，所述控制器基于空间矢量脉宽调制控制所述三相对称电机的转子以预设电角度增量步进旋转包括：
调整所述三相逆变器的功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子旋转至预设的初始电角度；以及
改变所述功率开关的导通顺序和导通时间以使得所述转子从所述初始电角度以预设电角度增量步进旋转。
17.一种磁编码器，其特征在于，所述磁编码器包括：
机械轴，用于与三相对称电机的输出轴轴向连接；
磁体，设置于所述机械轴上并跟随所述机械轴自转；以及
磁传感器，与所述磁体沿所述磁体的径向间隔设置。
18.一种具有自校准功能的三相对称电机，其特征在于，所述三相对称电机包括：
输出轴，被配置为与磁编码器的机械轴连接；
根据权利要求17所述的磁编码器；以及
根据权利要求9至16中任意一项权利要求所述的校准装置。
19.一种用于无人飞行器的云台，其特征在于，所述云台包括根据权利要求18所述的三相对称电机。
20.一种无人飞行器，其特征在于，所述无人飞行器包括根据权利要求18所述的三相对称电机。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510000 Block C, 115 Gaopu Road, Tianhe District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant after: Guangzhou Jifei Technology Co.,Ltd. Address before: 510000 Block C, 115 Gaopu Road, Tianhe District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant before: Guangzhou Xaircraft Technology Co.,Ltd. |
|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |