CN111071256A - 一种基于电机旋变角度的车辆行程的计算方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于电机旋变角度的车辆行程的计算方法和系统，包括以下步骤，采集模块同步电机轴的旋转，将采集到电机转子产生的转轴角位移的反馈信号转变为对应电信号并输出；所述电信号输入至解调模块处理后输出为所述电机转子的电角度；所述电角度输入转换模块中转换为所述电机转子的机械角度；算法模块根据所述机械角度计算出车辆的行程终值。本发明的有益效果：本方法基于当前新能源整车动力系统中必然存在的硬件设施作为基础，以极小的通讯需求和计算需求为代价带来精度达到毫米级别的整车行驶距离。
Description
技术领域
本发明涉及车辆动力系统控制的技术领域，尤其涉及一种通过旋变采集反 馈的电机轴行程的精确计算方法。
背景技术
近年来自动驾驶汽车又称无人驾驶汽车、电脑驾驶汽车、或轮式移动机器 人，是一种通过电脑系统实现无人驾驶的智能汽车。包括目的是为驾驶者提供 协助，包括提供重要或有益的驾驶相关信息，以及在形势开始变得危急时候发 出明确而简洁的警告的驾驶辅助系统、在驾驶者收到警告却未能及时采取相应 行动时能够自动进行干预的部分自动化系统、能够在或长或短的时间段内代替 驾驶者承担操控车辆的职责，但是仍需驾驶者对驾驶活动进行监控的高度自动 化系统，以及可无人驾驶车辆、允许车内所有乘员从事其他活动且无需进行监 控的完全自动化系统，例如这种自动化水平允许从事计算机工作、休息和睡眠 以及其他娱乐等活动。
汽车自动驾驶技术包括视频摄像头、雷达传感器以及激光测距器来了解周 围的交通状况，并通过一个详尽的地图对前方的道路进行导航。在自动驾驶技 术急需普及的今天，自动驾驶技术在轨迹规划和执行方向需要得到高精度的整 车动力性行程的数据。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较 佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或 省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略 不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明解决的一个技术问题是：以极小的通讯需求和计算需求为代 价带来精度达到毫米级别的整车行驶距离。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于电机旋变角度 的电机轴行程的计算方法，包括以下步骤，采集模块同步电机轴的旋转，将采 集到电机转子产生的转轴角位移的反馈信号转变为对应电信号并输出；所述电 信号输入至解调模块处理后输出为所述电机转子的电角度；所述电角度输入转 换模块中转换为所述电机转子的机械角度；算法模块根据所述机械角度计算出 车辆的行程终值。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述采集模块还包括以下步骤，各定子绕组加上交流电压；转 子绕组中由于交链磁通的变化产生感应电压，所述感应电压和励磁电压之间相 关联的耦合系数随转子的转角而改变；测得的输出电压。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述采集模块为旋转变压器，且包括随转角e改变且耦合系数 为Ksinθ或Kcosθ的变压器。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述定子上两个绕组的励磁电压分别为，
Es1＝Ecosωt，Es2＝Esinωt，
所述转子两个绕组输出电压为，
Er1＝K(Es1cosθ-Es1sinθ)＝KE cosθ
Er2＝K(Es2cosθ-Es2sinθ)＝KE sinθ
其中，sinωt为激励频率，Er激励幅度，两个转子绕组机械错位90度，转 子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子 的转动角度θ，检测出相位θ测出角位移。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：还包括以下步骤，控制器输出控制电压驱动所述电机轴的转动； 旋转变压器同步转动，由激励源提供励磁信号并输出位移反馈信号；所述反馈 信号作为旋变解调芯片的输入，解读输出为电角度。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述旋转变压器输出反馈信号包括，包含转子位置信息的正余 弦信号分别为，
Vsin＝Vssinθsin
Vcos＝Vscosθsin
采用乘法器分别经过乘法运算，产生反馈角
与输入角θ，当正确跟踪输入 角度时，二者之间的误差将为0，为了测量误差，将正余弦信号分别与估计位 置角的余弦和正弦值相乘，得到下式，
利用内部产生的合成基准信号来解设该信号，将二者求差得到交流误差信 号如下，
当角度
值很小时，Va-Vb≈Vssin。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述旋变解调芯片通过低通滤波器与所述旋转变压器连接，采 用低通滤波器滤除高频信号，得到解调信号V0。
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：所述解调信号包括以下解调步骤，设输入信号为Vi(t)＝ um1sinθsinωt，方波信号为
上式输入信号与方波信号相乘得到信 号：V＝Vi(t)Vr(t)＝um1sinθsinωtVr(t)，V通过低通滤波器滤掉高频信号，则得 到与Vi(t)的包络信号成正比的信号：
作为本发明所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法的一种优 选方案，其中：还包括通信模块将计算出车辆的行程终值进行数值累积，并以 周期的周期消息方式将累计数据上传至寄存器内存储。
本发明解决的一个技术问题是：提供一种基于电机旋变角度的电机轴行程 的计算系统，上述方法依托于本系统实现。
为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种基于电机旋变角度 的电机轴行程的计算系统，包括采集模块、解调模块、转换模块和算法模块； 所述采集模块为旋转变压器，用于采集电机轴转动产生转轴角位移输出反馈信 号；所述解调模块与所述采集模块通过低通滤波器连接，且为旋变解调芯片， 用于将所述反馈信号调节转变为电信号表示的角度信息；所述转换模块和所述 算法模块为设置于车辆控制器内的模块，对所述角度信息进行转换和行程计算。
本发明的有益效果：本方法基于当前新能源整车动力系统中必然存在的硬 件设施作为基础，以极小的通讯需求和计算需求为代价带来精度达到毫米级别 的整车行驶距离。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需 要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的 一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下， 还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明所述第一种实施例所述基于电机旋变角度的电机轴行程的计 算方法的整体流程示意图；
图2为本发明所述第一种实施例所述方法的处理流程示意图；
图3为本发明所述第一种实施例所述旋变信号示意图；
图4为本发明所述第二种实施例所述基于电机旋变角度的电机轴行程的计 算系统的整体原理结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书 附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的 一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通人员 在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明的 保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明 还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不 违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例 的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少 一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在 一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施 例互相排斥的实施例。
本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明， 表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例， 其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及 深度的三维空间尺寸。
同时在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“上、下、内和外”等 指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述 本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、 以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第 一、第二或第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装、相连、连接”应做广 义理解，例如：可以是固定连接、可拆卸连接或一体式连接；同样可以是机械 连接、电连接或直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件 内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在 本发明中的具体含义。
实施例1
参照图1～3的示意，示意为基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法， 本实施例中通过采用电机旋变采集值来进行整车行驶距离计算的方法，并实时 上传电机的控制器通过旋转变压器定位电机转子位置，以及采用配套解调芯片 进行旋转变压器位置信息的解读，将采集出来电机的旋变角度值来累加计算电 机行程。具体的，包括以下步骤，
S1：采集模块100同步电机轴的旋转，将采集到电机转子产生的转轴角位 移的反馈信号转变为对应电信号并输出；
本步骤中采集模块100还包括以下步骤，各定子绕组加上交流电压；转子 绕组中由于交链磁通的变化产生感应电压，感应电压和励磁电压之间相关联的 耦合系数随转子的转角而改变；测得的输出电压。且采集模块100为旋转变压 器，且包括随转角e改变且耦合系数为Ksinθ或Kcosθ的变压器。
本步骤中，首先需要控制器500输出控制电压驱动电机轴的转动；旋转变 压器同步转动，由激励源提供励磁信号并输出位移反馈信号；反馈信号作为旋 变解调芯片的输入，解读输出为电角度。
接着定子上两个绕组的励磁电压分别为，
Es1＝Ecosωt，Es2＝Esinωt，
转子两个绕组输出电压为，
Er1＝K(Es1cosθ-Es1sinθ)＝KE cos(ωtθ)
Er2＝K(Es2cosθ-Es2sinθ)＝KE sin(ωtθ)
其中，sinωt为激励频率，Er激励幅度，两个转子绕组机械错位90度，转 子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子 的转动角度θ，检测出相位θ测出角位移。
进一步的，旋转变压器输出反馈信号包括，包含转子位置信息的正余弦信 号分别为，
Vsin＝Vssinθsin(ωt)
Vcos＝Vscosθsin(ωt)
采用乘法器分别经过乘法运算，产生反馈角
与输入角θ，当正确跟踪输入 角度时，二者之间的误差将为0，为了测量误差，将正余弦信号分别与估计位 置角的余弦和正弦值相乘，得到下式，
利用内部产生的合成基准信号来解设该信号，将二者求差得到交流误差信 号如下，
当角度
值很小时，Va-Vb≈Vssin(ωt)。参照图3的示意为旋变信号， 其中Va为图中S2-S4，以及Va为图中S3-S1。
S2：电信号输入至解调模块200处理后输出为电机转子的电角度；本步骤 具体的，旋变解调芯片通过低通滤波器与旋转变压器连接，采用低通滤波器滤 除高频信号，得到解调信号V0(t)。
解调信号包括以下解调步骤，
设输入信号为Vi(t)＝um1sinθsinωt，方波信号为
上式输入信号与方波信号相乘得到信号：
V(t)＝Vi(t)Vr(t)＝um1sinθsinωtVr(t)
V(t)通过低通滤波器滤掉高频信号，则得到与Vi(t)的包络信号成正比的 信号：
S3：电角度输入转换模块300中转换为电机转子的机械角度；本步骤中具 体的，包括以下步骤，
旋变位置采集，数据采信电机转矩控制使用角度值。
机械角度变换，根据电机实际情况将电角度转换为机械角度，如下：
TheatN＝(TheatNE–TheatOE)/Np。
其中TheatNE当前电角度，TheatOE上个周期的电角度，Np电机极对数， TheatN当前机械角度。行程终值计算。
Nl＝Nl+(TheatN–TheatO)/360，更新TheatO＝TheatN。
Nl以圈数为单位的电机行程，TheatO上个周期的机械角度。
通讯用数据处理，COM_Nl＝Nl％Ncommax，COM_Nl通讯用值，Ncommax 通讯传输上限值。
S4：算法模块400根据机械角度计算出车辆的行程终值。
本实施例中基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，最后还包括通信 模块600将计算出车辆的行程终值进行数值累积，得出当前电机已行驶行程， 并以周期的周期消息方式将累计数据上传至寄存器700内存储。
本实施例中将数据周期消息方式上传给系统，并且计算过程也可以采用周 期性计算，例如以10ms为单位，计算频率和电机转子位置角采集时采用相同 频率。周期的参数指标即为频率，依存于已经存在的电机转子采集，所以频率 和其相同。
最终控制器500根据合理环境来使用这些数据，例如由于滑移率和滑转率 会导致电机的行程和车辆行程不是完全对应，因此在滑移率和滑转率均为零时， 整车的行驶距离即为两个时间点上电机转过的行程与整车参数结合所计算出 的值。采用本实施例提出方法，例如假定整车减速比为8(常用速比)、整车轮 边转速要求2000转每分钟以及对应车速280KM/H，此时采用本方法所得的最 小识别精度为280*1000/60/2000/8/360约为0.0008102m。
测试结果如下表1，
表1直接结果测量记录
注：实验测试长度为100m，本实施例通过对比方案采用一种商用测距方 案，测试结果显示该方案的测试精度在1米左右，本方法明显具有较高精度。 该商用测距方案为基于加速度传感器的商用测距方案，采用的是维逸SDI加速 度传感器(型号：1521)的传感器作为对比测试。
实施例2
参照图4的示意，示意为本实施例中一种基于电机旋变角度的电机轴行程 的计算系统的整体原理结构示意图。该系统包括采集模块100、解调模块200、 转换模块300和算法模块400；其中采集模块100为旋转变压器，用于采集电 机轴转动产生转轴角位移输出反馈信号；解调模块200与采集模块100通过低 通滤波器连接，且为旋变解调芯片，用于将反馈信号调节转变为电信号表示的 角度信息；转换模块300和算法模块400为设置于车辆控制器500内的模块， 对角度信息进行转换和行程计算。
需要说明的是，旋转变压器是一种能输出与转子转角或位置成某种函数关 系电信号的交流微特电机，主要应用于角度位置伺服控制系统或运动伺服控制 系统中，作为角度位置的传感和测量用，其可以用来精确测量转子位置信号， 从而提高运动伺服控制系统的控制性能。旋转变压器与数字解码芯片(可编程 芯片)相结合实现角度位置和速度信号解码。其中旋转变压器分为正余弦旋转 变压器，其输出电压与转子转角的函数关系成正弦或余弦函数关系；线性旋转 变压器，其输出电压与转子转角成线性函数关系；线性旋转变压器按转子结构 又分成隐极式和凸极式两种；比例式旋转变压器其输出电压与转角成比例关系。
多极型旋转变压器与多极型自整角机相似，其主要差别仅在于绕组的相数。 磁阻式旋转变压器是一种多极旋转变压器的特殊形式。它利用磁阻原理实现电 信号转换。定子铁心开有大、小齿，小齿均布在大齿的齿端部位，定子上大槽 内同时嵌入单相励磁绕组和两相输出绕组。转子铁心是由均布的小齿的冲片叠 成，其齿数即为极对数。励磁绕组通电后，由于气隙磁导随着转子转角变化， 使得输出绕组的输出电压变化周期即为转子的齿数。因此可以获得与转角成不 同函数关系的输出电压。
进一步的，目前常用到的旋变数字解码芯片主要是美国ADI公司的 AD2S90、AD2S12xx或日本多摩川公司的AU6802N1系列等。
当然的，本领域技术人员不难发现，该旋变解调芯片还应当内置通信模块 600和寄存器700，以及与其相连接相位敏感的解调器、积分器和补偿滤波器， 寄存器700提供了两个12位寄存器，用来保存角位置信息和角速度信息，通 信模块600为蓝牙或无线传输的方式。本实施例中交流误差信号通过滤波器相 敏解调之后可以得到误差信号，该误差信号反馈至积分器，而积分器输出对压 控振荡器进行激励，最终形成
转换模块300和算法模块400为设置于控制器500内处理器的集成模块， 例如采用型号为TMS320F28335的控制处理器，其具有150MHz的高速处理能 力，具备32位浮点处理单元，6个DMA通道支持ADC、有多达18路的PWM 输出，具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，其中6路为 TI特有的更高精度的PWM输出(HRPWM)，其浮点运算单元，用户可以快速 编写控制算法而无需在处理小数据操作上耗费更多的时间和精力，并与控制器 内的软件相兼容，从而简化软件开发，缩短开发周期，降低开发成本。因此转 换模块300和算法模块400为写入处理器中的算法模块，当然还包括通过主动 工作来控制电机按照设定的方向、速度、角度、响应时间进行工作的集成电路 模块，功能是根据档位、油门、刹车等指令，来控制电动车辆的启动运行、进 退速度、爬坡力度等行驶状态，或者将帮助电动车辆刹车。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可 以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精 神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：包括以下步骤，
采集模块(100)同步电机轴的旋转，将采集到电机转子产生的转轴角位移的反馈信号转变为对应电信号并输出；
所述电信号输入至解调模块(200)处理后输出为所述电机转子的电角度；
所述电角度输入转换模块(300)中转换为所述电机转子的机械角度；
算法模块(400)根据所述机械角度计算出车辆的行程终值。
2.如权利要求1所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述采集模块(100)还包括以下步骤，
各定子绕组加上交流电压；
转子绕组中由于交链磁通的变化产生感应电压，所述感应电压和励磁电压之间相关联的耦合系数随转子的转角而改变；
测得的输出电压。
3.如权利要求1或2所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述采集模块(100)为旋转变压器，且包括随转角e改变且耦合系数为Ksinθ或Kcosθ的变压器。
4.如权利要求1或2所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述定子上两个绕组的励磁电压分别为，
Es1＝E cosωt，Es2＝E sinωt，
所述转子两个绕组输出电压为，
Er1＝K(Es1cosθ-Es1sinθ)＝KE cos(ωt+θ)
Er2＝K(Es2cosθ-Es2sinθ)＝KE sin(ωt+θ)
其中，sinωt为激励频率，Er激励幅度，两个转子绕组机械错位90度，转子绕组输出电压幅值与励磁电压的幅值成正比，对励磁电压的相位移等于转子的转动角度θ，检测出相位θ测出角位移。
5.如权利要求4所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：还包括以下步骤，
控制器(500)输出控制电压驱动所述电机轴的转动；
旋转变压器同步转动，由激励源提供励磁信号并输出位移反馈信号；
所述反馈信号作为旋变解调芯片的输入，解读输出为电角度。
6.如权利要求5所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述旋转变压器输出反馈信号包括，包含转子位置信息的正余弦信号分别为，
Vsin＝Vssinθsin(ωt)
Vcos＝Vscosθsin(ωt)
采用乘法器分别经过乘法运算，产生反馈角
与输入角θ，当正确跟踪输入角度时，二者之间的误差将为0，为了测量误差，将正余弦信号分别与估计位置角的余弦和正弦值相乘，得到下式，
利用内部产生的合成基准信号来解设该信号，将二者求差得到交流误差信号如下，
当角度
值很小时，Va-Vb≈Vssin(ωt)。
7.如权利要求5或6所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述旋变解调芯片通过低通滤波器与所述旋转变压器连接，采用低通滤波器滤除高频信号，得到解调信号V0(t)。
8.如权利要求7所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：所述解调信号包括以下解调步骤，
设输入信号为Vi(t)＝um1sinθsinωt，方波信号为
上式输入信号与方波信号相乘得到信号：
V(t)＝Vi(t)Vr(t)＝um1sinθsinωtVr(t)
V(t)通过低通滤波器滤掉高频信号，则得到与Vi(t)的包络信号成正比的信号：
9.如权利要求8所述的基于电机旋变角度的电机轴行程的计算方法，其特征在于：还包括通信模块(600)将计算出车辆的行程终值进行数值累积，并以周期的周期消息方式将累计数据上传至寄存器(700)内存储。
10.一种基于电机旋变角度的电机轴行程的计算系统，其特征在于：包括采集模块(100)、解调模块(200)、转换模块(300)和算法模块(400)；
所述采集模块(100)为旋转变压器，用于采集电机轴转动产生转轴角位移输出反馈信号；
所述解调模块(200)与所述采集模块(100)通过低通滤波器连接，且为旋变解调芯片，用于将所述反馈信号调节转变为电信号表示的角度信息；
所述转换模块(300)和所述算法模块(400)为设置于车辆控制器(500)内的模块，对所述角度信息进行转换和行程计算。
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