CN111831019B - 一种电机位置数据补偿方法及电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机位置数据补偿方法，对位置编码器和数据采集器之间整个数据传输链路的通讯延时而造成的位置滞后偏差进行实时位置补偿控制，包括：电机位置数据补偿装置数据采集过程的通讯接口固定时延补偿控制、以及数据采集器数据获取过程的数据采集器读取随机延时同步补偿控制。本发明可以向数据采集器发送精准的实时位置数据，满足电机控制系统高精度、高实时性的现场应用需求，采用可编程逻辑方式，易于实现控制，且不需要增加硬件设施投入，适合工程化推广应用。

Description

一种电机位置数据补偿方法及电机控制系统

技术领域

本发明涉及电机数据采集技术领域，具体地说，是涉及一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法及电机控制系统。

背景技术

针对冶金轧机等对电机控制性能及实时响应性要求特别高的行业，通常采用两个高精度编码器分别进行电机速度采集和位置采集。具体地，采用速度增量编码器进行电机速度采集，并采用并行数据接口或带通讯接口的绝对值位置编码器进行位置采集。目前，电机控制系统通常采用FPGA+DSP的控制架构，并已经广泛应用于电机控制硬件平台，FPGA实现速度编码器及位置编码器信号采集、通讯解码，并将采集数据传输给DSP，由DSP实现电机算法控制。

实际应用过程中，在利用带并行数据接口的绝对值位置编码器进行位置采集时，虽然，并行接口进行位置数据传输所造成的延时较短，但数据布线较多、传输距离短、易受外界复杂的电磁环境干扰，信号质量及可靠性低，因此，对于现场实时性要求较高的高速运转的电机控制系统来说，若利用现场的长距离电缆连接线进行电机相关数据的传输，并行传输方式无法满足现场复杂环境下的应用要求。而在利用带通讯接口的绝对值位置编码器进行位置采集时，虽然，数据接线少、适合较长距离传输、抗干扰能力强，但通讯传输波特率会随传输距离拉长而降低，通讯时延相对较长。这种固定通讯时延在电机高速运转时参与DSP算法控制的电机位置会与编码器采集的当前位置数据存在滞后偏差，直接影响电机算法精准控制。

对于DSP电机控制算法而言，DSP需要准确知道当前实时的电机位置信息，但因FPGA与DSP从属于两种不同时钟基准芯片，两种芯片自身的程序执行周期不一致，FPGA通讯解码后的位置数据更新时刻与DSP读取FPGA位置数据时刻之间存在随机滞后偏差时间，导致DSP很难准确获取当前的实时电机位置数据，这种不同步时序造成的随机位置滞后偏差在电机高速运转时也是影响电机精准控制的一个原因。

现有技术中，通常是通过提高通讯波特率、采用更快速的通讯接口等外部手段，对编码器位置数据实行过采样采集，在DSP一个控制周期能完成至少两次以上的位置数据采集更新，尽可能保证数据接近最真实电机位置。但这种方式的缺陷在于：其一、在工程化应用中编码器装在电机端，而采集系统一般都在控制室，中间有长距离的电缆连接，连接距离越长，通讯波特率必然会降低，采用更快速的通讯方式必然会增加编码器及控制器的硬件成本；其二、过采样处理只能尽量减少DSP读取实时编码器数据的真实性，在电机低速运行时可能编码器位置数据对控制影响不大，但在电机高速运行时，电机位置会在短时间内发生快速变化，此时，在系统架构不变的情况下采集控制链路时间对快速变化的电机位置数据的实时性采集控制有很大影响，这会直接影响DSP对电机控制精度、稳定性和可靠性。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法，包括：向位置编码器发送时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时；与数据采集器进行通讯，接收读请求指令；根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差；将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器。

优选地，所述方法还包括：记录从获取到完整电机位置数据开始，到接收到最近的所述读请求指令的时间差，确定数据采集器随机延时，以进一步根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据、所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算出相应的所述实际电机位置数据。

优选地，在接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时步骤中，包括：通过SSI接口在接收到所述当前电机位置数据中的第一位数据时，开始计时；按位接收串行传输的所述当前电机位置数据中的每位数据，并利用SSI接口通讯协议对每位数据进行实时解码，直至完成所述当前电机位置数据中最后一位数据的解码操作，停止计时，得到完整的所述当前电机位置数据；根据当前计时结果，确定所述通讯接口固定延时。

优选地，在计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据过程中，包括：根据所述当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向；根据所述当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算当前位置补偿数据；根据电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及所述当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的所述实际电机位置数据。

优选地，在当前电机旋转方向为正转时，将所述完整的当前电机位置数据和所述当前位置补偿数据进行求和运算，将求和运算结果作为所述实际电机位置数据；在当前电机旋转方向为反转时，将所述完整的当前电机位置数据和所述当前位置补偿数据进行差值运算，将差值运算结果作为所述实际电机位置数据。

优选地，所述补偿后位置计算式利用如下表达式表示：

P_k＝P_k-1+(-1)^r·△P

其中，P_k表示所述实际电机位置数据，P_k-1表示完整的当前电机位置数据，r表示电机旋转方向的判定结果，△P表示所述当前位置补偿数据，进一步，利用补偿数据计算式，计算所述当前位置补偿数据，所述补偿数据计算式利用如下表达式表示：

△P＝f*(T₀+T₁)

其中，△P表示所述当前位置补偿数据，f表示当前电机速度脉冲信号的频率，T₀表示所述通讯接口固定延时，T₁表示所述数据采集器随机延时。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置，包括：时钟信号发送模块，其用于向位置编码器发送时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；固定延时生成模块，其用于接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时；指令接收模块，其用于与数据采集器进行通讯，接收读请求指令；实际位置生成模块，其用于根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差；结果发送模块，其用于将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器。

优选地，所述装置还包括：随机延时生成模块，其用于记录从获取到完整电机位置数据开始，到接收到最近的所述读请求指令的时间差，确定数据采集器随机延时；其中，所述实际位置生成模块，其进一步用于根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据、所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算出相应的所述实际电机位置数据。

优选地，所述实际位置生成模块包括：电机方向诊断单元，其用于根据所述当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向；位置补偿数据生成单元，其用于根据所述当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算当前位置补偿数据；补偿结果生成单元，其用于根据电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及所述当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的所述实际电机位置数据。

根据本发明实施例的另一方面，还提供了一种电机控制系统，包括：速度编码器，其用于发送当前电机速度信号；位置编码器，其用于在时钟激励信号的控制下，按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；数据采集器，其用于在输出读请求指令后，接收实际电机位置数据；如上述所述的电机位置数据补偿装置，其与所述速度编码器、所述位置编码器和所述数据采集器连接，用于向所述位置编码器发送所述时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据，接收所述当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时，与所述数据采集器进行通讯，接收所述读请求指令，根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的所述实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差，最终将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器。

与现有技术相比，上述方案中的一个或多个实施例可以具有如下优点或有益效果：

本发明具体采用高时钟晶振并行实时处理的FPGA芯片，利用高精度的速度增量编码器获取电机方向和电机瞬时旋转频率信息，通过FPGA可编程软件，在通讯解码位置信息后，对位置编码器和数据采集器之间的整个数据传输链路进行实时位置补偿校正控制，包括：针对电机位置数据补偿装置(FPGA)的数据采集过程的通讯接口固定时延补偿控制、以及针对数据采集器的数据获取过程的关于DSP读取的数据采集器随机延时同步补偿控制，使得经过这两种补偿控制后，得到针对整个传输链路补偿控制后的实际电机位置数据，从而达到获取接近更精准的实时位置数据的目的，满足电机控制系统高精度、高实时性的现场应用需求。本发明在原有电机控制系统结构的基础上，采用FPGA软件可编程逻辑方式，易于实现控制，且不需要增加硬件设施投入，适合工程化推广应用。

本发明的其他优点、目标，和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书，权利要求书，以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本申请实施例的电机控制系统的结构示意图。

图2为本申请实施例的电机控制系统中的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的结构示意图。

图3为本申请实施例的电机控制系统中的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的位置数据补偿控制的原理图。

图4为本申请实施例的用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法的第一个示例的步骤图。

图5为本申请实施例的用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法的第二个示例的步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

针对冶金轧机等对电机控制性能及实时响应性要求特别高的行业，通常采用两个高精度编码器分别进行电机速度采集和电机实时位置采集。具体地，采用速度增量编码器进行电机速度采集，并采用并行数据接口或带通讯接口的绝对值位置编码器进行位置采集。目前，电机控制系统通常采用FPGA+DSP的控制架构，并已经广泛应用于电机控制系统的硬件平台，FPGA用来实现对速度编码器及位置编码器信号采集、通讯解码，并将采集数据传输给DSP，由DSP实现电机算法控制。

实际应用过程中，在利用带并行数据接口的绝对值位置编码器进行位置采集时，虽然，并行接口进行位置数据传输所造成的延时较短，但数据布线较多、传输距离短、易受外界复杂的电磁环境干扰，信号质量及可靠性低，因此，对于现场实时性要求较高的高速运转的电机控制系统来说，若利用现场的长距离电缆连接线进行电机相关数据的传输，并行传输方式则无法满足现场复杂环境下的应用要求。而在利用带通讯接口的绝对值位置编码器进行位置采集时，虽然数据接线少、适合较长距离传输、抗干扰能力强，但通讯传输的波特率会随传输距离拉长而降低，通讯时延相对较长。这种固定通讯时延在电机高速运转时，参与DSP算法控制的电机位置会与编码器采集的当前位置数据存在滞后偏差，直接影响电机算法精准控制。

对于DSP电机控制算法而言，DSP需要准确知道当前实时的电机位置信息，但因FPGA与DSP从属于两种不同时钟基准芯片，两种芯片自身的程序执行周期不一致，FPGA通讯解码后的位置数据更新时刻与DSP读取FPGA位置数据时刻之间存在随机滞后偏差时间，导致DSP很难准确获取当前的实时电机位置数据，这种不同步时序造成的随机位置滞后偏差在电机高速运转时也是影响电机精准控制的一个原因。

现有技术中，通常是通过提高通讯波特率、采用更快速的通讯接口等外部手段，对编码器位置数据实行过采样采集，在DSP一个控制周期能完成至少两次以上的位置数据采集更新，尽可能保证数据接近最真实电机位置。但这种方式的缺陷在于：其一、在工程化应用中编码器装在电机端，而采集系统一般都在控制室，中间有长距离的电缆连接，连接距离越长，通讯波特率必然会降低，采用更快速的通讯方式必然会增加编码器及控制器的硬件成本；其二、过采样处理只能尽量减少DSP读取实时编码器数据的真实性，在电机低速运行时可能编码器位置数据对控制影响不大，但在电机高速运行时，电机位置会在短时间内发生快速变化，此时，在系统架构不变的情况下采集控制链路时间对快速变化的电机位置数据的实时性采集控制有很大影响，这会直接影响DSP对电机控制精度、稳定性和可靠性。

为了解决上述技术问题，以获取更为精准的实时电机位置信息，减少电机高速旋转时位置滞后误差对电机控制精准度影响，需要考虑整个电机控制系统数据链路上的位置数据采集时的延时、以及位置数据获取时的延时，对实时电机位置数据的影响，因此，本发明专利提出了一种基于带通讯接口的位置传感器的电机位置数据同步补偿方法，采用高精度时钟晶振并行实时处理的电机位置数据补偿装置(例如：FPGA芯片)，利用高精度的速度增量编码器获取电机方向和电机瞬时旋转频率信息，通过电机位置数据补偿装置内的程序对整个数据链路上的时延进行位置数据补偿控制，包括：通讯接口固定时延位置补偿控制和数据采集器随机时延同步位置补偿控制，对通讯解码后位置信息进行实时补偿校正，以达到获取接近更精准的实时位置数据的目的，满足高精度、高实时性电机控制系统的要求。本发明在数据采集的原始端就对位置数据进行补偿修正，采用软件编程方法，易于实现控制，且不需要增加硬件设施投入，适合进行工程化推广应用。

图1为本申请实施例的电机控制系统的结构示意图。如图1所示，该系统包括：速度编码器11、位置编码器12、用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置(也称为“电机位置数据补偿装置”)13、以及数据采集器14。

参考图1，对本发明实施例中的电机控制系统的结构及功能进行说明。

速度编码器11采用高精度增量速度编码器，用于实时向电机位置数据补偿装置13发送当前电机(旋转)速度信号，使得电机位置数据补偿装置13进行实时的速度数据采集操作。其中，电机(旋转)速度信号包括：表示初始零位的Z信号、以及表示增量数据的两个具有正交相位关系的A向基准信号和B向基准信号。

位置编码器12与电机位置数据补偿装置13之间通过通讯接口连接，并利用该通讯接口进行实时位置数据的传输。位置编码器12接收来自电机位置数据补偿装置13的时钟激励信号，并在该时钟激励信号CLK的控制下，按照与当前时钟激励信号CLK匹配的频率(参考图3)，通过通讯接口以按位传输的串行传输方式，将(完整的)当前电机位置数据按位发送给电机位置数据补偿装置13。需要说明的是，本发明对通讯接口的类型不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行选择。优选地，在本发明实施例中，该通讯接口采用SSI接口，进一步，位置编码器12采用具有SSI接口的高精度绝对值位置编码器。

数据采集器14与电机位置数据补偿装置13连接。优选地，在本发明实施例中数据采集器14采用DSP芯片，执行相应的电机控制算法。该采集器14能够按照预设的时钟同步时间间隔(芯片内部的时钟基准周期)输出读请求指令，并在发送出读请求指令后，接收从电机位置数据补偿装置13传输过来的经过位置数据补偿控制后的实际电机位置数据、以及当前电机速度数据，进一步利用实际电机位置数据和当前电机速度数据，完成后续的DSP电机控制算法，以对电机设备进行控制。

电机位置数据补偿装置13与上述速度编码器11、位置编码器12和数据采集器14连接。优选地，该装置13采用具有高精度时钟晶振并且可并行实时处理的FPGA芯片。电机位置数据补偿装置13能够用于向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；接收当前电机速度信号，并通过通讯接口协议(例如：SSI接口协议)将接收到的位置编码器12发送的串行的当前电机位置数据进行解码，得到解码后的完整的当前电机位置数据，记录获取完整的当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时；与数据采集器14进行通讯，接收读请求指令，根据当前电机速度信号、当前电机位置数据和通讯接口固定延时，计算经位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因数据采集器14与位置编码器13之间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差，最终将上述计算出的实际电机位置数据发送至数据采集器14。

另外，上述电机位置数据补偿装置13还能够在接收当前电机速度信号后，计算出当前电机转速数据，并将该转速数据传输至数据采集器14，使得数据采集器14利用当前电机转速数据、以及经过补偿控制后的实际电机位置数据来执行相应的DSP电机控制算法。

图2为本申请实施例的电机控制系统中的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的结构示意图。图3为本申请实施例的电机控制系统中的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的位置数据补偿控制的原理图。下面结合图1、图2和图3，对上述电机位置数据补偿装置13的结构及工作原理进行详细说明。

实施例一

电机位置数据补偿装置13至少包括：时钟信号发送模块131、固定延时生成模块132、指令接收模块133、实际位置生成模块135、电机速度计算模块136和结果发送模块137。

时钟信号发送模块131配置为向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据Data。具体地，时钟信号发送模块131(FPGA)配置为产生启动同步信号(时钟激励信号)CLK作为位置编码器12的同步时钟激励，以驱动位置编码器12在当前时钟激励信号CLK的激励下将当前电机位置数据Data通过SSI通讯接口以按位传输的串行通讯方式发送给电机位置数据补偿装置(FPGA)13。

固定延时生成模块132配置为接收速度编码器11实时发送的当前电机速度信号和位置编码器12按位传输过来的当前电机位置数据Data，记录获取完整的当前电机位置数据的时间，基于此，确定通讯接口固定延时。具体地，固定延时生成模块132配置为依据相应的通讯接口协议将位置编码器12发送的当前电机位置数据的串行数据进行解码处理，得到完整的当前电机位置数据。需要说明的是，本发明对固定延时生成模块132在对接收到的当前电机位置数据进行解码时所采用的通讯接口的类型不作具体限定，本领域技术人员可根据实际情况进行选择，只需与上述通讯接口的类型匹配即可。优选地，在本发明实施例中，所采用的通讯接口协议优选为SSI接口协议。

进一步，参考图3，首先，固定延时生成模块132配置为利用SSI接口在接收到当前电机位置数据中的第一位数据D_n-1时，即当前电机位置数据编码写入时刻，开始计时，并将当前时刻记为起点时刻t₀。而后，固定延时生成模块132配置为按位接收串行传输的当前电机位置数据中的每位数据(D_n-1、D_n-2、……)，并通过SSI接口通讯协议对每位数据进行实时解码，直至完成当前电机位置数据中最后一位数据D₀的解码操作，停止计时，得到完整的当前电机位置数据P_k-1，并将当前时刻记为第一时刻t₁。其中，当前电机位置数据的每位串行数据的接收频率与电机位置数据补偿装置(FPGA)13内部生成的时钟激励信号CLK的频率相同。最后，固定延时生成模块132配置为根据当前计时结果，即当前起点时刻及第一时刻，将二者的时间差确定为上述通讯接口固定延时，从而得到位置编码器12到电机位置数据补偿装置(FPGA)13之间采集完整的位置数据串行传输过程对应的时间延时。

指令接收模块133与数据采集器134连接，配置为与数据采集器14进行通讯，接收数据采集器14发送的读请求指令，以利用该指令驱动电机位置数据补偿装置(FPGA)13将执行后续DSP电机控制算法所需的当前电机转速数据、以及经过位置数据补偿控制后的实际电机位置数据发送至数据采集器14中。

实际位置生成模块135配置为根据当前电机速度信号、当前电机位置数据和通讯接口固定延时，计算经位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因数据采集器14与位置编码器12之间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差。其中，如图2所示，实际位置生成模块135包括电机方向诊断单元1351、位置补偿数据生成单元1352和补偿结果生成单元1353。

具体地，电机方向诊断单元1351配置为根据当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向。进一步，根据当前电机速度信号中的A向基准信号和B向基准信号，判断电机当前的旋转方向。在第一个实施例中，当A向基准信号超前B向基准信号90°时，判断出当前电机正转。在第二个实施例中，当A向基准信号滞后B向基准信号90°时，判断出当前电机反转。

位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合通讯接口固定延时，计算当前位置补偿数据。进一步，首先，位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度信号中的A向基准信号或者B向基准信号，计算该信号的频率，并将其作为当前电机速度脉冲信号的频率。而后，位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度脉冲信号的频率和通讯接口固定延时，将二者进行乘法运算，进一步将该运算结果确定为当前位置补偿数据△P。

补偿结果生成单元1353与上述电机方向诊断单元1351和位置补偿数据生成单元1352连接。补偿结果生成单元1353配置为根据电机旋转方向的判定结果r、完整的当前电机位置数据P_k-1、以及当前位置补偿数据△P，利用补偿后位置计算式，得到相应的实际电机位置数据P_k。其中，补偿后位置计算式利用如下表达式表示：

P_k＝P_k-1+(-1)^r·△P

其中，P_k表示实际电机位置数据，P_k-1表示完整的当前电机位置数据，r表示电机旋转方向的判定结果，△P表示当前位置补偿数据。在一个实施例中，若当前电机旋转方向为正转，则电机旋转方向的判定结果确定为0，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行求和运算，将该求和运算结果作为实际电机位置数据。在另一个实施例中，若当前电机旋转方向为反转，则电机旋转方向的判定结果确定为1，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行差值运算，将该差值运算结果作为实际电机位置数据。

进一步，上述电机速度计算模块136配置为根据接收到的当前电机速度信号，计算出当前电机转速数据。最后，结果发送模块137配置为在电机位置数据补偿装置(FPGA)13接收到上述读请求指令后，将从电机速度计算模块136获得的当前电机转速数据以及从实际位置生成模块135获得的经过位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，这两种数据发送至数据采集器14中。

这样，通过上述技术方案计算出了因位置编码器12和电机位置数据补偿装置13之间的串行数据传输(固定)延时造成的电机旋转位置偏差，并利用该偏差基于当前电机位置数据得到了补偿控制后的实际电机位置数据，在一定程度上避免了因数据采集器14与位置编码器12之间通讯延时对电机位置数据滞后采集的影响，一定程度上解决了电机高速旋转时电机位置数据在采集时刻与最终DSP获取时刻间存在较大偏差的问题，提高了电机控制精准性以及实时响应能力。

实施例二

基于实施例一，如图2所示，电机位置数据补偿装置13除了包括上述时钟信号发送模块131、固定延时生成模块132、指令接收模块133、实际位置生成模块135、电机速度计算模块136和结果发送模块137外，还包括：随机延时生成模块134。

下面再次结合图1、图2和图3对实施例二中的电机位置数据补偿装置(FPGA)13的结构及工作原理进行详细说明。由于实施例二中的时钟信号发送模块131、固定延时生成模块132、指令接收模块133、电机速度计算模块136和结果发送模块137与上述实施例一中的原理、功能及结构均相同，故在此不做赘述。

随机延时生成模块134与上述固定延时生成模块132和指令接收模块133连接。随机延时生成模块134配置为记录从获取到完整的当前电机位置数据开始，到接收到最近的读请求指令的时间差，基于此，确定数据采集器随机延时。具体地，参考图3，随机延时生成模块134配置为在固定延时生成模块132得到当前完整的电机位置数据P_k-1后，从第一时刻t₁开始计时，在接收到最近的读请求指令时，停止计时，将当前时刻记为第二时刻t₂。而后，随机延时生成模块134配置为根据当前计时结果，即当前第一时刻及第二时刻，将二者的时间差确定为上述数据采集器随机延时，从而得到因电机位置数据补偿装置(FPGA)13与数据采集器14的内部不同步时钟对应的随机的同步延时时间差。

进一步，在随机延时生成模块134得到当前的数据采集器随机延时后，实际位置生成模块135进一步根据当前电机速度信号、完整的当前电机位置数据、通讯接口固定延时和数据采集器随机延时，计算出经位置数据补偿控制后的相应的实际电机位置数据，以补偿因数据采集器14与位置编码器12之间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差。其中，如图2所示，实际位置生成模块135包括电机方向诊断单元1351、位置补偿数据生成单元1352和补偿结果生成单元1353。

具体地，电机方向诊断单元1351配置为根据当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向。进一步，根据当前电机速度信号中的A向基准信号和B向基准信号，判断电机当前的旋转方向。在第一个实施例中，当A向基准信号超前B向基准信号90°时，判断出当前电机正转。在第二个实施例中，当A向基准信号滞后B向基准信号90°时，判断出当前电机反转。

位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合通讯接口固定延时和数据采集器随机延时，计算当前位置补偿数据。进一步，首先，位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度信号中的A向基准信号或者B向基准信号，计算该信号的频率，并将其作为当前电机速度脉冲信号的频率。而后，位置补偿数据生成单元1352配置为根据当前电机速度脉冲信号的频率、通讯接口固定延时和数据采集器随机延时，利用补偿数据计算式，将该运算结果确定为当前位置补偿数据△P。其中，补偿数据计算式利用如下表达式表示：

△P＝f*(T₀+T₁)

其中，△P表示当前位置补偿数据，f表示当前电机速度脉冲信号的频率，T₀表示通讯接口固定延时，T₁表示数据采集器随机延时。

补偿结果生成单元1353与上述电机方向诊断单元1351和位置补偿数据生成单元1352连接。在经过上述通讯接口固定延时补偿控制和数据采集器随机延时补偿控制后，上述补偿结果生成单元1353配置为根据电机旋转方向的判定结果r、完整的当前电机位置数据P_k-1、以及当前位置补偿数据△P，利用上述实施例一中的补偿后位置计算式，得到相应的实际位置数据P_k。

在一个实施例中，若当前电机旋转方向为正转，则电机旋转方向的判定结果确定为0，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行求和运算，将该求和运算结果作为实际位置数据。在另一个实施例中，若当前电机旋转方向为反转，则电机旋转方向的判定结果确定为1，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行差值运算，将该差值运算结果作为实际位置数据。

这样，通过上述实施例二中的技术方案不仅计算出了因位置编码器12和电机位置数据补偿装置13之间的串行数据传输(固定)延时造成的电机旋转位置偏差，还计算出了因电机位置数据补偿装置(FPGA)13与数据采集器14内部不同时钟基准周期不一致而造成的数据采集器14相较于电机位置数据补偿装置(FPGA)13的随机延时对应的电机旋转位置偏差。进一步利用这两种补偿控制对应的位置偏差数据(当前位置补偿数据△P)，基于当前电机位置数据得到了补偿控制后的实际电机位置数据，在实施例一的基础上进一步避免了因数据采集器14与位置编码器12之间通讯延时对电机位置数据滞后采集的影响，解决了电机高速旋转时电机位置数据在采集时刻与最终DSP获取时刻间存在较大偏差的问题，进一步提高了电机控制精准性以及实时响应能力。

实施例三

另一方面，本发明基于上述实施例一中所述的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的基础上，还提出了一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法。图4为本申请实施例的用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法的第一个示例的步骤图。如图4所示，步骤S410电机位置数据补偿装置13中的时钟信号发送模块131向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据。

而后，步骤S420固定延时生成模块132向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据。进一步，首先，固定延时生成模块132通过SSI接口在接收到当前电机位置数据中的第一位数据时，开始计时。其次，固定延时生成模块132按位接收串行传输的当前电机位置数据中的每位数据，并利用SSI接口通讯协议对每位数据进行实时解码，直至完成当前电机位置数据中最后一位数据的解码操作，停止计时，得到完整的当前电机位置数据。接着，固定延时生成模块132根据当前计时结果，确定通讯接口固定延时。

进一步，步骤S430指令接收模块133与数据采集器14进行通讯，接收读请求指令，使得电机位置数据补偿装置13在接收到该指令后将当前计算出的实际位置数据以及当前电机转速数据发送至数据采集器14中。

步骤S440实际位置生成模块135根据接收到的当前电机速度信号、完整的当前电机位置数据和确定好的通讯接口固定延时，计算经位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因数据采集器14与位置编码器12间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差。具体地，首先，实际位置生成模块135中的电机方向诊断单元1351根据当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向。然后，实际位置生成模块135中的位置补偿数据生成单元1352根据当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合通讯接口固定延时，计算当前位置补偿数据。接着，实际位置生成模块135中的补偿结果生成单元1353根据上述电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的实际电机位置数据。

接着，在步骤S450中，上述电机速度计算模块136根据接收到的当前电机速度信号，计算出当前电机转速数据，而后进入到步骤S460中。

步骤S460结果发送模块137在电机位置数据补偿装置(FPGA)13接收到上述读请求指令后，从步骤S450获得的当前电机转速数据以及从步骤S440获得的经过补偿控制后的实际电机位置数据，并将这两种数据发送至数据采集器14中。

实施例四

此外，本发明基于上述实施例二中所述的用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置的基础上，还提出了一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法。图5为本申请实施例的用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法的第二个示例的步骤图。如图5所示，步骤S510电机位置数据补偿装置13中的时钟信号发送模块131向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据。

而后，步骤S520固定延时生成模块132向位置编码器12发送时钟激励信号，以激励位置编码器12按照与时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据。进一步，首先，固定延时生成模块132通过SSI接口在接收到当前电机位置数据中的第一位数据时，开始计时，并将当前时刻记为起点时刻t₀。其次，固定延时生成模块132按位接收串行传输的当前电机位置数据中的每位数据，并利用SSI接口通讯协议对每位数据进行实时解码，直至完成当前电机位置数据中最后一位数据的解码操作，停止计时，得到完整的当前电机位置数据，并将当前时刻记为第一时刻t₁。接着，固定延时生成模块132根据当前计时结果，即当前起点时刻及第一时刻，将二者的时间差确定为上述通讯接口固定延时，从而得到位置编码器12到电机位置数据补偿装置(FPGA)13之间完整的位置数据串行传输过程对应的时间延时。

进一步，步骤S530指令接收模块133与数据采集器14进行通讯，接收读请求指令，使得电机位置数据补偿装置13在接收到该指令后执行后续DSP电机控制算法所需的当前电机转速数据、以及经过补偿控制后的实际电机位置数据发送至数据采集器14中。

步骤S540随机延时生成模块134记录从获取到完整的当前电机位置数据开始，到接收到最近的读请求指令的时间差，确定数据采集器随机延时。具体地，参考图3，随机延时生成模块134在固定延时生成模块132得到当前完整的电机位置数据P_k-1后，从第一时刻t₁开始计时，在当接收到最近的读请求指令时，停止计时，将当前时刻记为第二时刻t₂。而后，随机延时生成模块134根据当前计时结果，即当前第一时刻及第二时刻，将二者的时间差确定为上述数据采集器随机延时，从而得到因电机位置数据补偿装置(FPGA)13与数据采集器14的内部不同步时钟对应的随机的同步延时时间差。

进一步，步骤S550实际位置生成模块135根据接收到的当前电机速度信号、完整的当前电机位置数据、确定好的通讯接口固定延时和数据采集器随机延时，计算经位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因数据采集器14与位置编码器12通讯延时而造成的实时位置滞后偏差，并通过步骤S551～步骤S553完成这一过程。

具体地，步骤S551实际位置生成模块135中的电机方向诊断单元1351根据当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向。

然后，步骤S552实际位置生成模块135中的位置补偿数据生成单元1352根据当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，基于此，结合通讯接口固定延时和数据采集器随机延时，利用补偿数据计算式，计算当前位置补偿数据。其中，补偿数据计算式利用如下表达式表示：

△P＝f*(T₀+T₁)

其中，△P表示当前位置补偿数据，f表示当前电机速度脉冲信号的频率，T₀表示通讯接口固定延时，T₁表示数据采集器随机延时。

接着，步骤S553实际位置生成模块135中的补偿结果生成单元1353根据上述电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的实际电机位置数据。其中，补偿后位置计算式利用如下表达式表示：

P_k＝P_k-1+(-1)^r·△P

其中，P_k表示实际电机位置数据，P_k-1表示完整的当前电机位置数据，r表示电机旋转方向的判定结果，△P表示当前位置补偿数据。在一个实施例中，若当前电机旋转方向为正转，则电机旋转方向的判定结果确定为0，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行求和运算，将该求和运算结果作为实际电机位置数据。在另一个实施例中，若当前电机旋转方向为反转，则电机旋转方向的判定结果确定为1，使得完整的当前电机位置数据和当前位置补偿数据进行差值运算，将该差值运算结果作为实际电机位置数据。

这样，在经过了上述步骤S520的通讯接口固定延时补偿控制过程、以及上述步骤S540的数据采集器随机延时补充控制过程，得到了经过整个位置数据补偿控制后的实际电机位置数据，从而进入到步骤S560中。

步骤S560电机速度计算模块136根据接收到的当前电机速度信号，计算出当前电机转速数据，而后进入到步骤S560中。

步骤S570结果发送模块137在电机位置数据补偿装置(FPGA)13接收到上述读请求指令后，从步骤S560获得的当前电机转速数据以及从步骤S550获得的经过补偿控制后的实际电机位置数据，并将这两种数据发送至数据采集器14中。

这样，通过上述实施例二中的技术方案不仅计算出了因位置编码器12和电机位置数据补偿装置13之间的串行数据传输(固定)延时造成的电机旋转位置偏差，还计算出了因电机位置数据补偿装置(FPGA)13与数据采集器14内部不同时钟基准周期不一致而造成的数据采集器14相较于电机位置数据补偿装置(FPGA)13的随机延时对应的电机旋转位置偏差。进一步利用这两种补偿控制对应的位置偏差数据(当前位置补偿数据△P)，基于当前电机位置数据得到了补偿控制后的实际电机位置数据，在实施例一的基础上进一步避免了因数据采集器14与位置编码器12之间通讯延时对电机位置数据滞后采集的影响，解决了电机高速旋转时电机位置数据在采集时刻与最终DSP获取时刻间存在较大偏差的问题，提高了电机控制精准性以及实时响应能力。

综上所述，本发明提出了一种电机位置数据补偿方法和装置、以及具有电机位置数据补偿功能的电机控制系统。该补偿控制方法本具体采用高时钟晶振并行实时处理的FPGA芯片，利用高精度的速度增量编码器获取电机方向和电机瞬时旋转频率信息，通过FPGA可编程软件，在通讯解码位置信息后，对带有通讯接口的绝对值位置编码器和数据采集器之间的整个数据传输链路进行实时位置补偿校正控制，包括：针对电机位置数据补偿装置(FPGA)的数据采集过程的通讯接口固定时延补偿控制、以及数据采集器的数据获取过程的关于DSP读取的数据采集器随机延时同步补偿控制，使得经过这两种补偿控制后，得到针对系统内整个传输链路补偿控制后的实际电机位置数据，从而达到获取接近更精准的实时位置数据的目的，满足电机控制系统高精度、高实时性的现场应用需求。本发明在原有电机控制系统结构的基础上，采用FPGA软件可编程逻辑方式，易于实现控制，且不需要增加硬件设施投入，适合工程化推广应用。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿方法，包括：

向位置编码器发送时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；

接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时；

与数据采集器进行通讯，接收读请求指令；

根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差；

将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器，其中，所述方法还包括：

记录从获取到完整电机位置数据开始，到接收到最近的所述读请求指令的时间差，确定数据采集器随机延时，以进一步根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据、所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算出相应的所述实际电机位置数据，其中，在计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据过程中，包括：

根据所述当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向；

根据所述当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算当前位置补偿数据；

根据电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及所述当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的所述实际电机位置数据，所述补偿后位置计算式利用如下表达式表示：

P_k＝P_k-1+(-1)^r·△P

其中，P_k表示所述实际电机位置数据，P_k-1表示完整的当前电机位置数据，r表示电机旋转方向的判定结果，△P表示所述当前位置补偿数据，若当前电机旋转方向为正转，则r为0，若当前电机旋转方向为反转，则r为1，其中，利用补偿数据计算式，计算所述当前位置补偿数据，所述补偿数据计算式利用如下表达式表示：

△P＝f*(T₀+T₁)

其中，△P表示所述当前位置补偿数据，f表示当前电机速度脉冲信号的频率，T₀表示所述通讯接口固定延时，T₁表示所述数据采集器随机延时。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时步骤中，包括：

通过SSI接口在接收到所述当前电机位置数据中的第一位数据时，开始计时；

按位接收串行传输的所述当前电机位置数据中的每位数据，并利用SSI接口通讯协议对每位数据进行实时解码，直至完成所述当前电机位置数据中最后一位数据的解码操作，停止计时，得到完整的所述当前电机位置数据；

根据当前计时结果，确定所述通讯接口固定延时。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步，

在当前电机旋转方向为正转时，将所述完整的当前电机位置数据和所述当前位置补偿数据进行求和运算，将求和运算结果作为所述实际电机位置数据；

在当前电机旋转方向为反转时，将所述完整的当前电机位置数据和所述当前位置补偿数据进行差值运算，将差值运算结果作为所述实际电机位置数据。

4.一种用于电机控制系统的电机位置数据补偿装置，包括：

时钟信号发送模块，其用于向位置编码器发送时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；

固定延时生成模块，其用于接收当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时；

指令接收模块，其用于与数据采集器进行通讯，接收读请求指令；

实际位置生成模块，其用于根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差；

结果发送模块，其用于将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器；

随机延时生成模块，其用于记录从获取到完整电机位置数据开始，到接收到最近的所述读请求指令的时间差，确定数据采集器随机延时；其中，

所述实际位置生成模块，其还用于根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据、所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算出相应的所述实际电机位置数据，其中，所述实际位置生成模块包括：

电机方向诊断单元，其用于根据所述当前电机速度信号，判断当前电机旋转方向；

位置补偿数据生成单元，其用于根据所述当前电机速度信号，确定当前电机速度脉冲信号的频率，并结合所述通讯接口固定延时和所述数据采集器随机延时，计算当前位置补偿数据；

补偿结果生成单元，其用于根据电机旋转方向的判定结果、完整的当前电机位置数据、以及所述当前位置补偿数据，利用补偿后位置计算式，得到相应的所述实际电机位置数据，所述补偿后位置计算式利用如下表达式表示：

P_k＝P_k-1+(-1)^r·△P

其中，P_k表示所述实际电机位置数据，P_k-1表示完整的当前电机位置数据，r表示电机旋转方向的判定结果，△P表示所述当前位置补偿数据，若当前电机旋转方向为正转，则r为0，若当前电机旋转方向为反转，则r为1，其中，利用补偿数据计算式，计算所述当前位置补偿数据，所述补偿数据计算式利用如下表达式表示：

△P＝f*(T₀+T₁)

其中，△P表示所述当前位置补偿数据，f表示当前电机速度脉冲信号的频率，T₀表示所述通讯接口固定延时，T₁表示所述数据采集器随机延时。

5.一种电机控制系统，其特征在于，包括：

速度编码器，其用于发送当前电机速度信号；

位置编码器，其用于在时钟激励信号的控制下，按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据；

数据采集器，其用于在输出读请求指令后，接收实际电机位置数据；

如权利要求4所述的电机位置数据补偿装置，其与所述速度编码器、所述位置编码器和所述数据采集器连接，用于向所述位置编码器发送所述时钟激励信号，以激励所述位置编码器按照与所述时钟激励信号匹配的频率传输当前电机位置数据，接收所述当前电机速度信号和所述当前电机位置数据，记录获取完整的所述当前电机位置数据的时间，并确定通讯接口固定延时，与所述数据采集器进行通讯，接收所述读请求指令，根据所述当前电机速度信号、所述当前电机位置数据和所述通讯接口固定延时，计算经位置补偿控制后的所述实际电机位置数据，以补偿因所述数据采集器与所述位置编码器间通讯延时而造成的实时位置滞后偏差，最终将所述实际电机位置数据发送至所述数据采集器。