CN111504360A - 基于时间坐标磁电编码器角度精分方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于时间坐标磁电编码器角度精分方法及装置包括：单对极霍尔传感器对角度值信号进行测量，模数转换器对霍尔信号进行模数转换，通过单对极角度计算模块获得单对极角度值；卡尔曼滤波开环速度控制模块，基于卡尔曼滤波器得到消除高频噪声的反馈电流，实现控制系统开环速度平稳控制，并得到校正标准电角度指令值θ_{e_ref}；角度误差补偿表格建立模块，依据θ_{e_ref}与θ₁数值，建立角度值误差补偿表格；角度值精分处理模块，依据单对极角度值θ₁当前数值，得到最终精分后的角度值；本发明有利于消除由于磁电编码器标定校准过程中引入的机械安装偏差，减少角度值标定机械工装设计过程的繁琐性，提高磁电编码器标定过程的效率，提高磁电编码器的测量精度。

Description

基于时间坐标磁电编码器角度精分方法及装置

技术领域

本发明属于编码器制造领域，具体涉及基于时间坐标磁电编码器角度精分方法及装置。

背景技术

磁电编码器具有具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。然而，因为磁电编码器角度值解算过程依赖磁场信号的模数转换过程，因此系统电源噪声、信号噪声对于磁电编码器的精度存在极大影响，由于磁电编码器磁场感应霍尔器件在表贴过程中存在机械偏差，磁钢充磁过程存在磁场的不均匀性，导致磁电编码器初始精度低，为了消除上面的不良影响，目前该技术领域需要对磁电编码器进行精度标定，标定过程中需要将磁电编码器与精度更高的角位移测量仪器同轴安装，同步输出俩种角度值进行比对，实现磁电编码器角度值的误差补偿，但是该过程依赖于标定工装的机械安装精度，标定工装结构复杂，操作效率低，不易于大批量生产制造，并且所得到的角度值误差补偿表格中存在机械安装偏差的影响，不利于磁电编码器角度值的高精度输出，针对以上问题本发明提出一种基于时间坐标磁电编码器角度精分方法及装置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在消除由于磁电编码器标定校准过程中引入的机械安装偏差，减少角度值标定机械工装设计过程的繁琐性，提高磁电编码器标定过程的效率，提高磁电编码器的测量精度。

本发明公布了基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，包括以下步骤：

(1)采集单对极角度值信号A+、A-；

(2)对单对极角度值信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-；

(3)依据单对极角度值数字信号HA+、HA-求解单对极角度值θ₁；

(4)依据卡尔曼滤波器进行电流滤波，减少电流反馈信号夹杂噪声，降低转矩脉动，实现速度平稳的开环驱动转速控制；

(5)得到依据时间坐标为依据的角度值误差补偿表格；

(6)依据角度值误差补偿表格对单对极角度值θ₁进行精分补偿。

作为优选，所述的步骤(1)，通过单对极霍尔传感器得到单对极角度值信号A+、A-。

作为优选，所述的步骤(2)，经过模数转换器对单对极角度值信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-。

作为优选，所述的步骤(3)，依据步骤(2)得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-对角度值进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算公式如式(1)所示：

作为优选，所述的步骤(4)，采用以下方法实施：

建立永磁同步电机电压控制方程如式(2)所示：

式中α为电机转子加速度，J_m为控制系统转动惯量，ω_m为机械角速度，ω_e为电角速度，U_d，U_q分别为d轴和q轴定子电压；L_d，L_q分别为d轴和q轴定子电感；i_d，i_q分别为d轴和q轴定子反馈电流；R_s为定子电阻；P_n为永磁同步电机极对数；

为永磁同步电机磁链系数；B_r为转子机械阻尼系数；T_e为驱动力矩；T_L为负载力矩；

考虑永磁体表贴式永磁同步电机，L_d＝L_q＝L，进而由公式(3)得到永磁同步电机状态方程如下：

由公式(3)可得永磁同步电机状态方程的离散化方程如公式(4)所示：

式中T_s为控制系统计算周期，

为状态转移矩阵；

建立永磁同步电机d-q轴电流卡尔曼滤波预测模型如(5)所示：

式中

为预测模型状态变量，

分别为d轴电流预测状态值、q轴电流预测状态值、机械角速度预测状态值，

为预测模型状态变量的协方差矩阵，Q为预测模型引入的噪声矩阵；

由式(5)建立永磁同步电机d-q轴电流反馈更新模型如公式(6)所示：

式中

为更新模型状态变量，i_dk，i_qk，ω_mk分别为d轴电流更新状态值、q轴电流更新状态值、机械角速度更新状态值，K_k为卡尔曼滤波系数，P_k为观测模型状态变量的协方差矩阵，R为观测噪声协方差，H为状态变量提取矩阵，Z_k＝θ₁为系统状态实际观测值；

设更新模型状态变量为

预测模型状态变量的协方差矩阵为

预测模型引入的噪声矩阵为Q＝[0.0001,0,0；0,0.0001,0；0,0,0.0001]，d轴电流更新状态提取矩阵为H_d＝[1,0,0]，q轴电流状态变量提取矩阵为H_q＝[0,1,0]，机械角速度状态变量提取矩阵为H_ω＝[0,0,1]，观测噪声协方差矩阵为R＝1；

永磁同步电机开环控制给定d轴电流指令i_dref＝k₁(k₁≠0)，i_qref＝k₂(k₂＝0)，电角速度ω_e＝k₃，k₃为常数；T_s为控制系统计算周期，控制系统当前控制周期k给定的电角度指令θ_{e_ref(k)}可以用公式(7)表示：

θ_{e_ref(k)}＝θ_{e_ref(k-1)}+ω_e(k)*T_s (7)

此时，给定的当前控制周期k电角度指令θ_{e_ref(k)}为理想线性直线指令；将经过卡尔曼滤波后的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk作为反馈电流用于控制系统开环控制。开环控制电压控制方程如式(8)所示：

式中K_v为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数，此时得到的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk消除信号中夹杂的高频噪声，减小了系统高频噪声对转矩输出精度的影响，提高了开环控制的转速精度。

作为优选，所述的步骤(5)，通过以下方法实现：

所述的步骤(5)，通过以下方法实现：

将电角度指令θ_{e_ref}作为目标角度值，将磁电编码器单对极角度值θ₁作为待校正角度值，得到俩者间角度值偏差θ_err，可用公式(9)表示：

θ_err＝θ_{e_ref}-θ₁ (9)

单对极角度值θ₁测量角度值范围为16位整数型数据[0,65535]，依据单对极角度值θ₁与角度值偏差θ_err的映射关系，将单对极角度值θ₁等比例缩放投影到[0,6143]个区间上作为横坐标，以等比例缩放投影后单对极角度值对应的角度值偏差θ_err数值为纵坐标，建立角度值误差补偿表格。

作为优选，所述的步骤(6)，通过以下方法实现：

依据步骤(5)获得的角度值误差补偿表格，将单对极角度值θ₁等比例缩放至[0,6143]个区间数值为查表依据，查询步骤(5)得到的角度值误差补偿表格，得到最终精分角度值θ_final如公式(10)所示：

θ_final＝θ₁+θ_err(check) (10)

式中，θ_err(check)为查询角度值误差补偿表格得到的角度误差补偿值。

本发明还公布了基于时间坐标磁电编码器角度精分的装置，包括：

单对极霍尔传感器，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极角度值信号A+、A-；

模数转换器，用于将单对极角度值信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-；

单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ₁；

卡尔曼滤波开环速度控制模块，基于卡尔曼滤波器得到消除高频噪声的反馈电流，实现控制系统开环速度平稳控制，并得到校正标准电角度指令值θ_{e_ref}；

角度误差补偿表格建立模块，依据θ_{e_ref}与θ₁数值，建立角度值误差补偿表格；

角度值精分处理模块，依据单对极角度值θ₁当前数值，得到最终精分后的角度值。

本发明的有益效果为：

1.基于时间坐标实现了磁电编码器的自主误差标定过程，消除了由于机械安装偏差造成的不良影响，简化了磁电编码器的精度标定过程。

2.采用卡尔曼滤状态观测器用于控制系统速度控制，提高了基于时间坐标角度值标定的精度。

3.角度值精分过程采用查表方式，依据单对极角度值进行快速查表，算法简单，易于实现。

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。

图1为本发明所述的编码器的示例性结构图；

图2为本发明所述编码器的工作原理；

图3为经过卡尔曼滤波前后电流波形对比图；

图4为基于时间坐标电角度指令与单对极角度值输出关系图；

图5为角度误差补偿表格；

具体实施方案

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。

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所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

图2是根据本发明实施例角度值精分过程结构示意图，包括：

单对极霍尔传感器101，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极角度值信号A+、A-。

模数转换器102，用于将单对极电压信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-。

单对极角度计算模块103，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ₁，单对极角度值数字信号HA+与HA-的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(1)求解出单对极角度值θ₁：

卡尔曼滤波开环速度控制模块104，基于卡尔曼滤波器得到消除高频噪声的反馈电流，实现控制系统开环速度平稳控制，并得到校正标准电角度指令值θ_{e_ref}，具体实施过程如下：

建立永磁同步电机电压控制方程如式(2)所示：

式中α为电机转子加速度，J_m为控制系统转动惯量，ω_m为机械角速度，ω_e为电角速度，U_d，U_q分别为d轴和q轴定子电压；L_d，L_q分别为d轴和q轴定子电感；i_d，i_q分别为d轴和q轴定子反馈电流；R_s为定子电阻；P_n为永磁同步电机极对数；

为永磁同步电机磁链系数；B_r为转子机械阻尼系数；T_e为驱动力矩；T_L为负载力矩；

考虑永磁体表贴式永磁同步电机，L_d＝L_q＝L，进而由公式(2)得到永磁同步电机状态方程如公式(3)下：

由公式(3)可得永磁同步电机状态方程的离散化方程如公式(4)所示：

式中，T_s为控制系统计算周期，

为状态转移矩阵；

建立永磁同步电机d-q轴电流卡尔曼滤波预测模型如公式(5)所示：

式中：

为预测模型状态变量，

分别为d轴电流预测状态值、q轴电流预测状态值、机械角速度预测状态值，

为预测模型状态变量的协方差矩阵，Q为预测模型引入的噪声矩阵；

由式(5)建立永磁同步电机d-q轴电流反馈更新模型如下所示：

式中：

为更新模型状态变量，i_dk，i_qk，ω_mk分别为d轴电流更新状态值、q轴电流更新状态值、机械角速度更新状态值，K_k为卡尔曼滤波系数，P_k为观测模型状态变量的协方差矩阵，R为观测噪声协方差，H为状态变量提取矩阵，Z_k＝θ₁为系统状态实际观测值；

设更新模型状态变量为

预测模型状态变量的协方差矩阵为

预测模型引入的噪声矩阵为Q＝[0.0001,0,0；0,0.0001,0；0,0,0.0001]，d轴电流更新状态提取矩阵为H_d＝[1,0,0]，q轴电流状态变量提取矩阵为H_q＝[0,1,0]，机械角速度状态变量提取矩阵为H_ω＝[0,0,1]，观测噪声协方差矩阵为R＝1；

图3为经过卡尔曼滤波前后电流波形对比图，将反馈电流值作为系统状态实际观测值，得到的经过卡尔曼滤波后的反馈电流；

永磁同步电机开环控制给定d轴电流指令i_dref＝k₁(k₁≠0)，i_qref＝k₂(k₂＝0)，电角速度ω_e＝k₃，k₃为常数；T_s为控制系统计算周期，控制系统当前控制周期k给定的电角度指令θ_{e_ref(k)}可以用公式(7)表示：

θ_{e_ref(k)}＝θ_{e_ref(k-1)}+ω_e(k)*T_s (7)

此时，给定的当前控制周期k电角度指令θ_{e_ref(k)}为理想线性直线指令，θ_{e_ref(k)}是以时间间隔坐标为T_s的理想电角度指令。将经过卡尔曼滤波后的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk作为反馈电流用于控制系统开环控制。开环控制电压控制方程如式(8)所示：

式中K_v为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数，此时得到的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk消除信号中夹杂的高频噪声，如图3所示，减小了系统高频噪声对转矩输出精度的影响，提高了开环控制的转速精度。

角度误差补偿表格建立模块105，依据θ_{e_ref}与θ₁数值，建立角度值误差补偿表格，具体实施过程如下：

将电角度指令θ_{e_ref}作为目标角度值，将磁电编码器单对极角度值θ₁作为待校正角度值，得到俩者间角度值偏差θ_err，可用公式(9)表示：

θ_err＝θ_{e_ref}-θ₁ (9)

图4为基于时间坐标电角度指令与单对极角度值输出图，单对极角度值θ₁、电角度指令θ_{e_ref}角度值范围均为16位整数型数据[0,65535]，如图4所示，图5为角度误差补偿表格，依据单对极角度值θ₁与角度值偏差θ_err的映射关系，将单对极角度值θ₁等比例缩放投影到[0,6143]个区间上作为横坐标，以等比例缩放投影后单对极角度值对应的角度值偏差θ_err数值为纵坐标，建立角度值误差补偿表格，如图5所示。

角度值精分处理模块106，依据单对极角度值θ₁当前数值，得到最终精分后的角度值，具体实施过程如下：

依据获得的角度值误差补偿表格，将单对极角度值θ₁等比例缩放至[0,6143]个区间数值为查表依据，查询角度值误差补偿表格，得到最终精分角度值θ_final如公式(9)所示：

θ_final＝θ₁+θ_err(check) (9)

式中，θ_err(check)为查询角度值误差补偿表格得到的角度误差补偿值。

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 (8)

1.基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，包括以下步骤：

(1)采集单对极角度值信号A+、A-；

(2)对单对极角度值信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-；

(3)依据单对极角度值数字信号HA+、HA-求解单对极角度值θ₁；

(4)依据卡尔曼滤波器进行电流滤波，减少电流反馈信号夹杂噪声，降低转矩脉动，实现速度平稳的开环驱动转速控制；

(5)得到依据时间坐标为依据的角度值误差补偿表格；

(6)依据角度值误差补偿表格对单对极角度值θ₁进行精分补偿。

2.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(1)，通过单对极霍尔传感器得到单对极角度值信号A+、A-。

3.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(2)，经过模数转换器对单对极角度值信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-。

4.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(3)，依据步骤(2)得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-对角度值进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算公式如式(1)所示：

5.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(4)，采用以下方法实施：

建立永磁同步电机电压控制方程如式(2)所示：

式中α为电机转子加速度，J_m为控制系统转动惯量，ω_m为机械角速度，ω_e为电角速度，U_d，U_q分别为d轴和q轴定子电压；L_d，L_q分别为d轴和q轴定子电感；i_d，i_q分别为d轴和q轴定子反馈电流；R_s为定子电阻；P_n为永磁同步电机极对数；

为永磁同步电机磁链系数；B_r为转子机械阻尼系数；T_e为驱动力矩；T_L为负载力矩；

考虑永磁体表贴式永磁同步电机，L_d＝L_q＝L，进而由公式(3)得到永磁同步电机状态方程如下：

由公式(3)可得永磁同步电机状态方程的离散化方程如公式(4)所示：

式中，T_s为控制系统计算周期，

为状态转移矩阵；

建立永磁同步电机d-q轴电流卡尔曼滤波预测模型如公式(5)所示：

式中

为预测模型状态变量，

分别为d轴电流预测状态值、q轴电流预测状态值、机械角速度预测状态值，

为预测模型状态变量的协方差矩阵，Q为预测模型引入的噪声矩阵；

由式(5)建立永磁同步电机d-q轴电流反馈更新模型如公式(6)所示：

式中：

为更新模型状态变量，i_dk，i_qk，ω_mk分别为d轴电流更新状态值、q轴电流更新状态值、机械角速度更新状态值，K_k为卡尔曼滤波系数，P_k为观测模型状态变量的协方差矩阵，R为观测噪声协方差，H为状态变量提取矩阵，Z_k＝θ₁为系统状态实际观测值；

设更新模型状态变量为

预测模型状态变量的协方差矩阵为

预测模型引入的噪声矩阵为Q＝[0.0001,0,0；0,0.0001,0；0,0,0.0001]，d轴电流更新状态提取矩阵为H_d＝[1,0,0]，q轴电流状态变量提取矩阵为H_q＝[0,1,0]，机械角速度状态变量提取矩阵为H_ω＝[0,0,1]，观测噪声协方差矩阵为R＝1；

永磁同步电机开环控制给定d轴电流指令i_dref＝k₁(k₁≠0)，i_qref＝k₂(k₂＝0)，电角速度ω_e＝k₃，k₃为常数；T_s为控制系统计算周期，控制系统当前控制周期k给定的电角度指令θ_{e_ref(k)}可以用公式(7)表示：

θ_{e_ref(k)}＝θ_{e_ref(k-1)}+ω_e(k)*T_s (7)

此时，给定的当前控制周期k电角度指令θ_{e_ref(k)}为理想线性直线指令；将经过卡尔曼滤波后的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk作为反馈电流用于控制系统开环控制，开环控制电压控制方程如式(8)所示：

式中K_v为电流环比例系数，K_i为电流环积分系数，此时得到的d轴电流更新状态值i_dk、q轴电流更新状态值i_qk消除信号中夹杂的高频噪声，减小了系统高频噪声对转矩输出精度的影响，提高了开环控制的转速精度。

6.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(5)，通过以下方法实现：

将电角度指令θ_{e_ref}作为目标角度值，将磁电编码器单对极角度值θ₁作为待校正角度值，得到俩者间角度值偏差θ_err，可用公式(9)表示：

θ_err＝θ_{e_ref}-θ₁ (9)

单对极角度值θ₁测量角度值范围为16位整数型数据[0,65535]，依据单对极角度值θ₁与角度值偏差θ_err的映射关系，将单对极角度值θ₁等比例缩放投影到[0,6143]个区间上作为横坐标，以等比例缩放投影后单对极角度值对应的角度值偏差θ_err数值为纵坐标，建立角度值误差补偿表格。

7.根据权利要求1所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(6)，通过以下方法实现：

依据步骤(5)获得的角度值误差补偿表格，将单对极角度值θ₁等比例缩放至[0,6143]个区间数值为查表依据，查询步骤(5)得到的角度值误差补偿表格，得到最终精分角度值θ_final如公式(10)所示：

θ_final＝θ₁+θ_err(check) (10)

式中θ_err(check)为查询角度值误差补偿表格得到的角度误差补偿值。

8.基于时间坐标磁电编码器角度精分方法的装置，其特征在于：所述的基于时间坐标磁电编码器角度精分方法的装置包括：

单对极霍尔传感器，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极角度值信号A+、A-；

模数转换器，用于将单对极角度值信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-；

单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ₁；

卡尔曼滤波开环速度控制模块，基于卡尔曼滤波器得到消除高频噪声的反馈电流，实现控制系统开环速度平稳控制，并得到校正标准电角度指令值θ_{e_ref}；

角度误差补偿表格建立模块，依据θ_{e_ref}与θ₁数值，建立角度值误差补偿表格；

角度值精分处理模块，依据单对极角度值θ₁当前数值，得到最终精分后的角度值。

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