CN110596622B - 一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法 - Google Patents

一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，包括如下步骤：设置位置数据采集单元；调整转子转动速度，进行位置数据采集和磁场数据采集；将磁场和位置数据对应绑定，组成一个数据包；将数据包传送至应用软件进行解绑，计算每个磁场数据对应的位置数据，得到每个磁场值对应的转子角度位置值，确定每个磁场和位置对应关系。本发明通过在转动机构上设置增量式编码器输出位置数据，AD转换芯片将接收到的磁场与位置数据进行对应绑定，然后发送至应用软件按绑定顺序解绑数据，分析位置数据，得到磁场数据和位置数据对应关系，实现高斯计同步采集转子的磁场数据和位置数据，不影响采集速度，成本低，精度高。

Description

一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法
技术领域
本发明涉及电机转子表磁检测领域，尤其涉及的是一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法。
背景技术
现有技术中，高斯计对磁场数据的采集与位置数据采集是分开的，而像永磁电机转子表磁检测这样的应用场景里，要求磁场数据与探头位置有高精度的对应关系，希望采集到的每个磁场数据都能对应一个具体的位置数据。但现有技术中常用的两个方案，都难以实现一对一的数据对应：
1、高斯计采集磁场数据，运控控制卡提供位置数据，因为磁场数据和位置数据来自不同的两个硬件模块，需要电脑在采集数据时做对应，但运动控制卡的位置数据读取速率较慢，无法为每个磁场数据对应一个位置数据，例如，磁场数据的采样频率是10K/S时，每秒钟会采集到1万个磁场数据，而运动控制卡读取位置信息大约要10ms一次，每秒钟只能读到100个位置数据，这个方案无法提供高精度的磁场数据与位置数据对应。
2、用采集卡采集磁场数据，并利用采集卡上的IO端子采集位置数据，如：转子每转一圈的原点信号；但采集卡的高速采集一般采用成块读取的方式，即设定采集缓存数据区，高速采集数据填入缓存区，每当缓存区“半满”时，发出中断信号让应用软件读走数据，而采集卡同时继续采集数据放入后续的缓存区里。还以10K/S的采集速率为例，如果设置了1k的缓存区，当采集到0.5K数据“半满”时，会发出中断信号，也就是每秒能产生10K/0.5k＝20次中断，也就是50ms会产生一次中断，软件在中断处理中去读取位置数据，每次读到的位置数据只能对应0.5k的磁场数据，仍然无法提供高精度的磁场数据与位置数据的对应关系。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，保证采集的磁场数据和位置数据一一对应，不影响采集速度，成本低，精度高。
本发明的技术方案如下：一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，包括如下步骤：
步骤S1、设置位置数据采集单元，所述位置数据采集单元包括编码器；
步骤S2、调整转子转动速度，进行位置数据采集和磁场数据采集，同时保证位置数据采集速率高于两倍的编码器输出脉冲速率，即保证每个编码器脉冲都被至少采集到2个信号；
步骤S3、将每个磁场数据和位置数据一一对应绑定，组成一个数据包；
步骤S4、将数据包传送至应用软件；
步骤S5、应用软件对数据包按照绑定顺序进行解绑，计算每个磁场数据对应的位置数据，得到每个磁场值对应的转子角度位置值，确定每个磁场和位置一一对应关系。
采用上述技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的方法转子表磁检测中，所述编码器为增量式编码器，所述增量式编码器输出信号线为A+、A-、B+、B-、Z+、Z-。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，并将增量式编码器输出的位置数据信号当作数字信号采集，对应磁场数据的3个字节24位数据一起绑定，用一个4字节32位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，并将增量式编码器输出的位置数据信号当作模拟信号采集，同时采集增量式编码器A+、B+、Z+和磁场数据信号共4路模拟信号，或同时采集增量式编码器A-、B-、Z-和磁场数据信号共4路模拟信号，用一个12字节96位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，应用软件判断数据包的字节大小，若数据包为4字节32位，则按照绑定顺序解绑各个4字节32位的数据，分析解绑数据；若数据包为12字节96位，则按照绑定顺序解绑各个12字节96位的数据，分析解绑数据：从位置数据中搜索Z信号上升沿，对应一圈转动的开始；找到Z开始信号，对应的磁场信号位置标注为位置0°点；继续搜索下一个Z信号上升沿，对应一圈转动的结束；找到Z结束信号，对应的磁场信号位置标注为位置360°点；在开始、结束点之间，按照A、B脉冲计数对应累计标注各磁场值对应的角度位置值，确认每个磁场和位置一一对应关系。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，还包括用于采集磁场数据和位置数据的采集电路。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，所述采集电路包括：位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子、AD转换芯片，所述位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子分别与AD转换芯片连接，所述AD转换芯片将接收的磁场数据和位置数据一一对应绑定后通过数据包输出端子传送至应用软件。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，所述参考电压电路包括R440、R439、C1、C2、C3，所述R440一端接VREF_2.5，所述R440另一端通过R439与AD转换芯片第6脚连接，所述R440和R439之间的节点分别与C1第一端、C2第一端、C3第一端连接，所述C1第二端、C2第二端、C3第二端分别接地；
所述模数转换电路包括C5、C6、C7，所述C5第一端、C6第一端分别与VCC连接，所述VCC与AD转换芯片第9脚连接，所述C5第一端还与AD转换芯片第10脚连接，所述C5第二端、C6第二端分别接地；所述C7第一端与VDD连接，所述VDD与AD转换芯片第20脚连接，所述C7第二端与AD转换芯片第21脚连接，所述AD转换芯片第21脚接地。
采用上述各个技术方案，所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法中，所述采集电路还包括：C8、C9、C10、C11，所述C8第一端、C9第一端分别与AD转换芯片第22脚连接，所述C8第二端、C9第二端分别接地，所述C10第一端、C11第一端分别与AD转换芯片第7脚连接，所述C10第二端、C11第二端分别与AD转换芯片第8脚连接，所述AD转换芯片第8脚接地。
采用上述各个技术方案，本发明通过在转动机构上设置增量式编码器，通过增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出位置数据至AD转换芯片，AD转换芯片将接收到的磁场数据与位置数据进行一一对应绑定，然后发送至应用软件按绑定顺序解绑数据，分析位置数据，得到磁场数据和位置数据一一对应关系，实现高斯计同步采集转子的磁场数据和位置数据，不影响采集速度，成本低，精度高。
附图说明
图1为本发明的整体流程示意图；
图2为本发明的数据分析处理流程示意图；
图3为本发明的采集电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
本发明提供了一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，用于对电机中的转子进行表磁检测，包括如下步骤：
步骤S1、设置位置数据采集单元，所述位置数据采集单元包括编码器；
步骤S2、调整转子转动速度，进行位置数据采集和磁场数据采集，同时保证位置数据采集速率高于两倍的编码器输出脉冲速率，即保证每个编码器脉冲都被至少采集到2个信号；其中，转子通过转动机构进行转速调整，转动机构可以为电机等能带动转子转动的机构；
步骤S3、将每个磁场数据和位置数据一一对应绑定，组成一个数据包；
步骤S4、将数据包传送至应用软件；
步骤S5、应用软件对数据包按照绑定顺序进行解绑，计算每个磁场数据对应的位置数据，得到每个磁场值对应的转子角度位置值，确定每个磁场和位置一一对应关系。
根据上述步骤对位置数据信号和磁场数据信号的采集方式至少存在2种实施例，具体实施例如下
实施例1
优选的，所述位置数据采集单元为增量式编码器，所述增量式编码器输出信号线为A+、A-、B+、B-、Z+、Z-，记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，在本实施例中，将增量式编码器A、B、Z相信号当作数字信号采集，利用单片机IO接口采集增量式编码器A、B、Z相信号(每个信号只有0或1两种可能，只占一个数据比特位，一个字节的8个数据比特位足够了，多出的比特位可空着或固定填1值或0值)，对应磁场数据的3个字节24位数据一起绑定，用一个4字节32位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系。因此，此种方式数据量比较小，由于不能采用DMA模式，每次只能读取1个AD转换数据，采集速度比较慢。
实施例2
优选的，所述位置数据采集单元为增量式编码器，所述增量式编码器输出信号线为A+、A-、B+、B-、Z+、Z-，记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，并将增量式编码器输出的位置数据信号当作模拟信号采集，同时采集增量式编码器A、B、Z和磁场数据信号共4路模拟信号(24位的AD转换器，每个数据都占用24个数据比特位，就是3个字节)。由于A+和A-，B+和B-，Z+和Z-为差分信号，A+为A-的反相信号，B+为B-的反相信号，Z+为Z-的反相信号，则A+和A-表示同一脉冲信号，B+和B-表示同一脉冲信号，Z+和Z-表示同一脉冲信号，在上述4路模拟信号中，实际为A+、B+、Z+和磁场数据信号共4路模拟信号，或A-、B-、Z-和磁场数据信号共4路模拟信号。磁场数据和位置数据的数据包大小为12个字节一个包，用一个12字节96位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系。此种方式可以用AD转换的DMA模式，快速采集，用数据缓存，每次缓存半满时通知单片机读取成块的批量数据。单片机不需要做数据分析，只需要把数据发给PC机，由PC机中的应用软件把数据解绑后再分析处理。因此，此种方式采用DMA模式，AD转换全速运行，采集速度快，但数据量比较大。
针对上述2种实施例所采用的不同采集方式，需要根据采集数据后形成的数据包大小进行解绑分析，优选的，若数据包为4字节32位，应用软件按照绑定顺序解绑各个4字节32位的数据，分析解绑数据；若数据包为12字节96位，则应用软件按照绑定顺序解绑各个12字节96位的数据，分析解绑数据：从位置数据中搜索Z信号上升沿，对应一圈转动的开始；找到Z开始信号，对应的磁场信号位置标注为位置0°点；继续搜索下一个Z信号上升沿，对应一圈转动的结束；找到Z结束信号，对应的磁场信号位置标注为位置360°点；在开始、结束点之间，按照A、B脉冲计数对应累计标注各磁场值对应的角度位置值，确认每个磁场和位置一一对应关系。
本发明中，磁场数据采集通过高斯计进行采集，位置数据是由转动原点或电机编码器提供的IO信号，转动原点的IO信号，表示转子转动到当前位置时是否在原点位置的0/1信号，当然，转动原点提供的IO信号是在不用编码器的时候靠另外加装的光电传感器和转动挡片配合产生的每圈原点检测信号，若加装装编码器后，编码器的Z+、Z-信号(互为反相)可以替代原来的原点IO信号。因此，本实施例优选加装编码器，其加装增量式编码器，通过编码器的Z+、Z-信号代替原点IO信号，有利于后续位置数据采集分析。
由于高斯计采集磁场数据的频率非常高，常规方法中都是由于位置数据采集速率跟不上造成同步采集方式不可行，本实施例中，通过控制转动机构(例如电机)转速，避免转子转动过快而采集不到编码器A/B相信号，要求位置数据采集速率高于两倍的编码器输出脉冲速率，即保证每个编码器脉冲都被至少采集到2个信号，高斯计就可以同时采集磁场数据和位置数据，一一对应的存下来。
同时，本发明中，由于AD转换芯片型号为AD7175-8A，若根据实施例1的采集方式，将编码器的A、B、Z相信号当作数字信号采集，其接收到磁场数据后转化为3个字节24位数据，与接收到的位置数据一起，一个磁场数据和一个位置数据绑定后组成的字节为4字节；若根据实施例2的采集方式，将增量式编码器输出的位置数据信号当作模拟信号采集，将编码器的A、B、Z和磁场信号数据共4路模拟信号组成一个12字节的数据包，表示一个磁场和一个位置数据绑定后形成的数据包。当然，如果使用其他型号AD转换芯片，则磁场数据和位置数据所占用的字节会有不同，比如，一个磁场数据可能为2个字节16位数据，或4个字节32位数据等，本实施例不做过多的限定，仅根据实际情况而定。
磁场数据和位置数据之间的绑定和解绑，原理为：在AD采样阶段，同步采集磁场数据和位置数据，所谓绑定就是每个磁场数据(目前是24位的)与位置数据一一对应，组成一个数据包。而解绑只是逆过程，在数据接收处理阶段，把收到的每个数据包按原来绑定的顺序提取出磁场数据和位置数据，保留数据的一一对应关系，对位置数据进行分析后，即可得到每个磁场和位置一一对应关系。
需要说明的是，在步骤S5中，按照A、B脉冲计数对应累计标注各磁场值对应的角度位置值后，还需要确认转子是正转还是反转，以利于后续的位置数据处理。A相和B相顺序出现，电机为正转，位置对应增加(脉冲对应的位置值增加)，A相和B相顺序未出现，则电机为反转，位置对应减少(脉冲对应的位置值减少)。位置数据分析处理时，根据转子的正转或反转，确定每个磁场和位置的一一对应关系。
优选的，还包括用于采集磁场数据和位置数据的采集电路，图3所示的电路实际为将增量式编码器输出的位置信号当作模拟信号采集时所采用的电路结构，所述采集电路包括：位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子、AD转换芯片，所述位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子分别与AD转换芯片连接，所述AD转换芯片将接收的磁场数据和位置数据一一对应绑定后通过数据包输出端子传送至应用软件。
其中，位置数据输入端子通过编码器接口连接器J1与增量式编码器连接，以使编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号能被AD转换芯片接收，而磁场数据输入端子则连接高斯计的磁场采集单元，如霍尔探头，以使磁场数据信号能被AD转换芯片接收。AD转换芯片接收到的每一个磁场数据信号和对应的位置数据信号进行数据绑定，绑定完后通过数据包输出端子传送至应用软件，通过应用软件进行数据处理分析，以得到每一个磁场和位置的一一对应关系。
优选的，所述参考电压电路包括R440、R439、C1、C2、C3，所述R440一端接VREF_2.5，所述R440另一端通过R439与AD转换芯片第6脚连接，所述R440和R439之间的节点分别与C1第一端、C2第一端、C3第一端连接，所述C1第二端、C2第二端、C3第二端分别接地。
所述模数转换电路包括C5、C6、C7，所述C5第一端、C6第一端分别与VCC连接，所述VCC与AD转换芯片第9脚连接，所述C5第一端还与AD转换芯片第10脚连接，所述C5第二端、C6第二端分别接地；所述C7第一端与VDD连接，所述VDD与AD转换芯片第20脚连接，所述C7第二端与AD转换芯片第21脚连接，所述AD转换芯片第21脚接地。
优选的，所述采集电路还包括：C8、C9、C10、C11，所述C8第一端、C9第一端分别与AD转换芯片第22脚连接，所述C8第二端、C9第二端分别接地，所述C10第一端、C11第一端分别与AD转换芯片第7脚连接，所述C10第二端、C11第二端分别与AD转换芯片第8脚连接，所述AD转换芯片第8脚接地。
上述电容在本发明中主要起滤波作用，防止其他信号干扰AD转换芯片对磁场数据和位置数据的处理。
在本发明中，除去上述实施例1和实施例2所采用的采集方式，并根据采集方式计算磁场-位置一一对应关系外，还有一种方式可精确得到磁场-位置一一对应关系，具体过程如下：
高斯计上单片机的编码器接口与增量式编码器连接，将编码器的A、B、Z信号转换为方向和位置移动计数，每次正向移动计数增加时会触发单片机采集一个磁场信号AD数据，发送给PC机。这个方案没有数据绑定和解绑过程，数据只有磁场数据，没有位置数据，而磁场数据的顺序号就对应了位置(编码器步数)，所采集的数据量与编码器分辨率对应，如果采用360脉冲每圈的编码器，转一圈能采集到的磁场数据个数就是360个，如果换36000脉冲每圈的编码器，转一圈就能采集到36000个磁场数据。因此，此种方式数据量比较小，但每次只能读取1个AD转换数据，采集速度比较慢。
采用上述各个技术方案，本发明通过在转动机构上设置增量式编码器，通过增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出位置数据至AD转换芯片，AD转换芯片将接收到的磁场数据与位置数据进行一一对应绑定，然后发送至应用软件按绑定顺序解绑数据，分析位置数据，得到磁场数据和位置数据一一对应关系，实现高斯计同步采集转子的磁场数据和位置数据，不影响采集速度，成本低，精度高。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，用于对电机中的转子进行表磁检测，其特征在于：包括如下步骤：
步骤S1、设置位置数据采集单元，所述位置数据采集单元包括编码器；
步骤S2、调整转子转动速度，进行位置数据采集和磁场数据采集，同时保证位置数据采集速率高于两倍的编码器输出脉冲速率，即保证每个编码器脉冲都被至少采集到2个信号；
步骤S3、将每个磁场数据和位置数据一一对应绑定，组成一个数据包；
步骤S4、将数据包传送至应用软件；
步骤S5、应用软件对数据包按照绑定顺序进行解绑，计算每个磁场数据对应的位置数据，得到每个磁场值对应的转子角度位置值，确定每个磁场和位置一一对应关系；
其中，所述编码器为增量式编码器，所述增量式编码器输出信号线为A+、A-、B+、B-、Z+、Z；
记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，并将增量式编码器输出的位置数据信号当作数字信号采集，对应磁场数据的3个字节24位数据一起绑定，用一个4字节32位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系；
或者，记录增量式编码器A+、A-、B+、B-、Z+、Z-输出的位置数据信号，并将增量式编码器输出的位置数据信号当作模拟信号采集，同时采集增量式编码器A+、B+、Z+和磁场数据信号共4路模拟信号，或同时采集增量式编码器A-、B-、Z-和磁场数据信号共4路模拟信号，用一个12字节96位的数据包表示一个磁场和一个位置的一一对应关系；
若数据包为4字节32位，则应用软件按照绑定顺序解绑各个4字节32位的数据，分析解绑数据；若数据包为12字节96位，则应用软件按照绑定顺序解绑各个12字节96位的数据，分析解绑数据：从位置数据中搜索Z信号上升沿，对应一圈转动的开始；找到Z开始信号，对应的磁场信号位置标注为位置0°点；继续搜索下一个Z信号上升沿，对应一圈转动的结束；找到Z结束信号，对应的磁场信号位置标注为位置360°点；在开始、结束点之间，按照A、B脉冲计数对应累计标注各磁场值对应的角度位置值，确认每个磁场和位置一一对应关系。
2.根据权利要求1所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，其特征在于：还包括用于采集磁场数据和位置数据的采集电路。
3.根据权利要求2所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，其特征在于：所述采集电路包括：位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子、AD转换芯片，所述位置数据输入端子、磁场数据输入端子、参考电压电路、模数转换电路、数据包输出端子分别与AD转换芯片连接，所述AD转换芯片将接收的磁场数据和位置数据一一对应绑定后通过数据包输出端子传送至应用软件。
4.根据权利要求3所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，其特征在于：所述参考电压电路包括R440、R439、C1、C2、C3，所述R440一端接VREF_2.5，所述R440另一端通过R439与AD转换芯片第6脚连接，所述R440和R439之间的节点分别与C1第一端、C2第一端、C3第一端连接，所述C1第二端、C2第二端、C3第二端分别接地；
所述模数转换电路包括C5、C6、C7，所述C5第一端、C6第一端分别与VCC连接，所述VCC与AD转换芯片第9脚连接，所述C5第一端还与AD转换芯片第10脚连接，所述C5第二端、C6第二端分别接地；所述C7第一端与VDD连接，所述VDD与AD转换芯片第20脚连接，所述C7第二端与AD转换芯片第21脚连接，所述AD转换芯片第21脚接地。
5.根据权利要求2所述的同时采集磁场数据和位置数据的转子表磁检测方法，其特征在于：所述采集电路还包括：C8、C9、C10、C11，所述C8第一端、C9第一端分别与AD转换芯片第22脚连接，所述C8第二端、C9第二端分别接地，所述C10第一端、C11第一端分别与AD转换芯片第7脚连接，所述C10第二端、C11第二端分别与AD转换芯片第8脚连接，所述AD转换芯片第8脚接地。
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