CN112066863B - 一种动圈式直线电机位置校准装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种动圈式直线电机位置校准装置及方法，所述位置校准装置包括位移测量传感器和位置校准检测电路，所述位移测量传感器采用光栅或磁栅测量传感器，所述光栅或磁栅测量传感器的光栅或磁栅尺设置在直线电机定子上，光栅或磁栅读数头设置在直线电机动子上，所述位置校准检测电路设置在直线电机动子上，所述位置校准检测电路以光栅或磁栅测量传感器为基准，对线性霍尔传感器采集的电机位置信号进行校准。较之现有技术，本发明可以有效的对基于线性霍尔反馈的直线电机位置信号进行校准检测，得到的校准表在降低电机传感器设计成本的同时，提升位置反馈系统的精度和可靠性，可广泛适用于数控机床、自动化装备等工业领域应用场合。
Description
技术领域
本发明涉及直线电机，尤其涉及动圈式直线电机位置校准装置及方法，属于电机控制、伺服传感器领域。
背景技术
直线电机的高精度位置反馈通常采用光栅、磁栅等传感器，但是光栅尺、磁栅尺价格贵，同时在一定工况场合抗污染性也不高。若采用可靠性及性价比更高的霍尔传感器，在控制精度上有局限性，使用开关霍尔，控制精度低；直接使用线性霍尔，感应到的电机磁信号无法准确的与电机实际位置对应。业界亟待发展一种能够基于霍尔进行高精度位置检测的方法，以实现直线电机驱动反馈系统低成本高可靠性运行。应用此装置进行基于霍尔传感器的电机位置校准方法在许多领域将有广泛的应用前景。
发明内容
本发明目的就在于克服现有技术的不足，提供一种动圈式直线电机位置校准装置及方法。
为了实现本发明目的，本发明采用了以下技术方案：
本发明提供的一种动圈式直线电机位置校准装置包括位移测量传感器和位置校准检测电路，所述位移测量传感器采用光栅或磁栅测量传感器，所述光栅或磁栅测量传感器的光栅或磁栅尺设置在直线电机定子上，光栅或磁栅读数头设置在直线电机动子上，所述位置校准检测电路设置在直线电机动子上，所述位置校准检测电路以光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置为基准，对线性霍尔传感器采集的电机位置进行校准。
优选地，所述位置校准检测电路包括：传感器信号采集电路、磁场信号增益及偏移校准电路和数据处理单元；所述传感器信号采集电路用于采集所述光栅或磁栅读数头信号；所述磁场信号增益及偏移校准电路用于调制线性霍尔传感器采集的模拟量磁信号；所述数据处理单元根据所述光栅或磁栅读数头信号计算得到电机绝对位置，并对调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，对转换得到的数字信号进行调制，再通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，并根据细分后的电机位置信号计算电机绝对位置；最后以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置进行校准。
进一步优选地，所述数据处理单元包括：
模数转换模块，用于对所述调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，得到数字信号；
传感器位置计算模块，用于根据所述光栅或磁栅读数头信号计算得到电机绝对位置；
数字量增益匹配及相位校准模块，用于对所述数字信号进行调制，调整线性霍尔传感器采集的数据幅值，并补偿不同线性霍尔传感器产生的相位偏差；
电角度转位置计算模块，用于通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，并根据细分后的电机位置信号计算电机绝对位置；
信号失真校准模块，用于以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置进行校准。
优选地，对电机位置进行校准后生成电机位置校准表，将所述电机位置校准表配置到动圈式直线电机位置校准装置中，实现直接用线性霍尔传感器高精度检测电机位置。
优选地，将根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表与根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行比对，并作数据偏差补偿，生成所述电机位置校准表。
优选地，通过设置电机位置偏移量的数字分辨率，得到更高精度的校准表。
本发明提供的一种动圈式直线电机位置校准方法包括如下步骤：
步骤1、通过光栅或磁栅测量传感器采集电机位置信号，并计算电机的绝对位置；
步骤2、通过线性霍尔传感器采集电机位置信号，并对线性霍尔传感器采集的模拟量磁信号进行外部增益及基准电压偏移校准调制；
步骤3、对调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，对转换得到的数字信号进行幅值和相位偏差调制，通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，然后根据细分后的电机位置信息计算电机的绝对位置；
步骤4、以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行校准。
有益效果：本发明装置及方法以光栅或磁栅传感器的检测结果为基准，对线性霍尔传感器的检测结果进行校准，可实现基于线性霍尔传感器的高精度位置检测，实现不需要光栅或磁栅传感器取得和光栅或磁栅传感器检测一样的效果，不仅能够降低成本，而且能够提高传感器本体的可靠性。基于本发明校准装置及方法，可以实现低成本高精度高可靠性电机反馈系统，能广泛应用于多种工业应用场合。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一典型实施例中位置校对测试平台示意图；
图2为本发明一典型实施例中位置校准检测电路示意图；
图3为本发明一典型实施例中电角度非线性误差示意图；
图4为本发明一典型实施例中一对极磁钢位置误差示意图；
图5为磁场信号增益及偏移校准电路示意图。
附图标记说明：1-电机定子，2-电机动子，3-光栅或磁栅尺，4-光栅或磁栅读数头，5-磁钢，6-位置校准检测电路。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下通过实施例，并结合附图，对本申请的技术方案进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
图1所示是本发明一典型实施例中的位置校准检测电路示意图，包括位移测量传感器和位置校准检测电路6，位移测量传感器采用光栅或磁栅测量传感器，所述光栅或磁栅测量传感器的光栅或磁栅尺3设置在直线电机定子1上，光栅或磁栅读数头4设置在直线电机动子2上。位置校准检测电路6设置在直线电机动子2上。当直线电机匀速运行时，位置校准检测电路6以光栅或磁栅测量传感器为基准，对线性霍尔传感器采集的电机位置信号进行校准，生成校准表。
图2所示是本发明一典型实施例中位置校准检测电路示意图，包括：传感器信号采集电路、磁场信号增益及偏移校准电路、传感器信号计算模块、模数转换模块、数字量增益匹配及相位校准模块、电角度转位置计算模块、信号失真校准模块、校准表、信息存储电路、信息发送电路。其中传感器信号计算模块、数字量增益匹配及相位校准模块、电角度转位置计算模块、信号失真校准模块、校准表可以采用核心芯片FPGA/CPLD/MCU 进行硬/软件程序编程的形式实现，模数转换模块可根据转换速度、分辨率等要求，选择性采用程序配置或模数转换模块（ADC）。
传感器信号采集电路用于采集光栅或磁栅读数头信号，传感器位置计算模块是用于通过光栅或磁栅读数头信号计算得到电机绝对位置，并以电机绝对位置/时间数值表的形式进行存储。磁场信号增益及偏移校准电路用于调制线性霍尔采集的模拟量磁信号。当线性霍尔传感器检测电机磁钢时，根据安装距离的限制，传感器会受到感应强度及N极S极磁通线偏差的限制，因此本实施例提供磁场信号增益及偏移校准电路对模拟量磁信号进行增益及霍尔传感器基准电压偏移校准。
磁场信号增益及偏移校准电路采用运放电路实现，如图5所示，Vin1和Vin2是两个线性霍尔输入信号，Vout1、Vout2是增益放大及调节偏置后的输出信号。
其中，R1=R6、R2=R7、R3=R8、R4=R9、R5=R10。调节偏置的基准电压由R3（R8）、R4（R9）确定。增益放大由基准电压Vref和R1（R6）、R2（R7）确定。
Vout1=[Vref*R3*(R1+R2)/(R3+R4)-R2*Vin1]/R1
Vout2=[Vref*R8*(R6+R7)/(R8+R9)-R7*Vin2]/R6。
模数转换模块用于将调制后的线性霍尔传感器模拟量检测信号转换成数字信号。数字量增益匹配及相位校准模块用于调制模数转换后的数字量信号。线性霍尔传感器采集的数字量数据是电机电角度值，需要将数据放到调整到一定幅值才能做位置计算，同时两个线性霍尔在电机上安装时存在一定安装偏差，因此本实施例提供数字量增益匹配及相位校准模块对线性霍尔传感器采集数据进行幅值及相位调整。模数转换得到的数据，是在2.5V基准电压上下浮动，峰峰值±1V（1.5V-3.5V），增益匹配是将数字量信号调整成适合进行坐标旋转数字计算方法的数字量范围，比如12位数值，0-4095。两个线性霍尔安装时，不会是标准90°电角度，相位校准是根据实际数据变化关系将两路霍尔信号调整成偏差90°电角度。
电角度转位置计算模块是通过坐标旋转数字计算方法（CORDIC），将电机位置信号进行细分，然后根据细分后的电机位置信息计算出电机实时的绝对位置，并以电机绝对位置/时间数值表的形式进行存储。信号失真校准模块是以光栅或磁栅传感器为基准，将通过线性霍尔计算的电机位置进行调节。具体是将线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表与光栅或磁栅传感器采集电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行比对，比较线性霍尔传感器采集的位置值与光栅或磁栅传感器采集的位置值，并对数值之间的偏差作数据补偿，生成电机位置校准表。该校准表是位置信号校准后的数字量信息值，即一个电角度周期内，采用光栅或磁栅传感器得到标准电机位置和线性霍尔传感器采集的绝对位置值的对应关系。基于此对应关系，将校准表配置到动圈式直线电机位置校准装置中，可直接用线性霍尔得到精准的电机实际位置，和光栅或磁栅传感器一样的效果，但是结构不同，而且不需要光栅和磁栅尺，价格更便宜。通过设置电机位置偏移量的数字分辨率，可以得到更高精度的校准表用于电机实际位置检测设备中。数字分辨率是根据设定的电机运行速度和数据采集时间，如果提高采样点，则可以提升更高的补偿精度。信息存储电路用于将校准后的数字信息存储到EEPROM（带电可编程只读存储器）。信息发送电路将校准的数字信息以实际所需通讯形式发送到霍尔编码器设备、运动控制设备或上位机等，方便于设计线性霍尔传感器检测电机位置。
图3所示本发明一典型实施例中电角度非线性误差示意图，在电机匀速运行时，理想的电角度是均匀的增加或减少变化，而当霍尔检测电机磁钢时，其磁钢电角度参照电机运行的电角度会产生非线性的误差变化。
图4所示本发明一典型实施例中一对极磁钢位置误差示意图，电机运行的电角度计算转换成实际位移与时间的关系。一对极磁钢位置信号如图中实现所示，以理想情况下的标准光栅或磁栅为参考，其位移路径Y=kT（Y为位移，T为时间，k为电机运行速度系数），虚线部分为常规检测磁钢时电机位移路径。在电机匀速运行情况下，理论上位置传感器测到的位移和时间是成正比例的线性关系，但是采样基于磁钢测量，由于霍尔的磁力线不是标准的正弦波，因此时间是非线性关系。所以本装置需要基于上述数据补偿和校正方法，每个采样点对数据偏置进行补偿，得到准确的线性关系位置。
本发明校准方法具体包括如下步骤：
1、通过光栅或磁栅测量传感器采集电机位置信号，并计算电机的绝对位置；
2、通过线性霍尔传感器采集电机位置信号，并对线性霍尔传感器采集的模拟量磁信号进行外部增益及基准电压偏移校准调制；两路线性霍尔信号通过外部增益和电压偏置调整（正常是在2.5V为基准电压）使其峰峰值电压工作范围±1V之间。内部增益匹配后，将数字量信号调整成合适的数字量范围，比如12位，0-4095。相位校准将两路霍尔信号调整为偏差90°电角度。
3、对调制后的模拟量磁信号进行模数转换，对转换得到的数字信号进行幅值和相位偏差调制，采用坐标旋转数字计算方法（CORDIC），将电机位置信号进行细分，并根据细分后的电机位置信息计算电机的实时绝对位置。
4、以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行校准。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (9)
1.一种动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于，包括位移测量传感器和位置校准检测电路；所述位移测量传感器采用光栅或磁栅测量传感器，所述光栅或磁栅测量传感器的光栅或磁栅尺设置在直线电机定子上，光栅或磁栅读数头设置在直线电机动子上；所述位置校准检测电路设置在直线电机动子上，所述位置校准检测电路以光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置为基准，对线性霍尔传感器采集的电机位置进行校准；
其中，所述位置校准检测电路包括：传感器信号采集电路、磁场信号增益及偏移校准电路和数据处理单元；所述传感器信号采集电路用于采集所述光栅或磁栅读数头信号；所述磁场信号增益及偏移校准电路用于调制线性霍尔传感器采集的模拟量磁信号；所述数据处理单元根据所述光栅或磁栅读数头信号计算得到电机绝对位置，并对调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，对转换得到的数字信号进行调制，再通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，并根据细分后的电机位置信号计算电机绝对位置；最后以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置进行校准。
2.根据权利要求1所述的动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于：所述位置校准检测电路还包括信息存储电路和信息发送电路，所述信息存储电路用于存储校准后的数字信息，所述信息发送电路用于发送校准后数字信息。
3.根据权利要求1所述的动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于，所述数据处理单元包括：
模数转换模块，用于对所述调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，得到数字信号；
传感器位置计算模块，用于根据所述光栅或磁栅读数头信号计算得到电机绝对位置；
数字量增益匹配及相位校准模块，用于对所述数字信号进行调制，调整线性霍尔传感器采集的数据幅值，并补偿不同线性霍尔传感器产生的相位偏差；
电角度转位置计算模块，用于通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，并根据细分后的电机位置信号计算电机绝对位置；
信号失真校准模块，用于以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置进行校准。
4.根据权利要求1-3任一所述的动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于：对电机位置进行校准后生成电机位置校准表，将所述电机位置校准表配置到动圈式直线电机位置校准装置中，实现直接用线性霍尔传感器高精度检测电机位置。
5.根据权利要求4所述的动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于：将根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表与根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行比对，并作数据偏差补偿，生成所述电机位置校准表。
6.根据权利要求4所述的动圈式直线电机位置校准装置，其特征在于：通过设置电机位置偏移量的数字分辨率，得到更高精度的校准表。
7.一种动圈式直线电机位置校准方法，所述校准方法是基于权利要求1-6中任一项所述的动圈式直线电机位置校准装置实现的，其特征在于，所述校准方法包括如下步骤：
步骤1、通过光栅或磁栅测量传感器采集电机位置信号，并计算电机的绝对位置；
步骤2、通过线性霍尔传感器采集电机位置信号，并对线性霍尔传感器采集的模拟量磁信号进行外部增益及基准电压偏移校准调制；
步骤3、对调制后的线性霍尔传感器检测信号进行模数转换，对转换得到的数字信号进行幅值和相位偏差调制，通过坐标旋转数字计算方法，将电机位置信号进行细分，然后根据细分后的电机位置信息计算电机的绝对位置；
步骤4、以根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表为基准，对根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行校准。
8.根据权利要求7所述的动圈式直线电机位置校准方法，其特征在于包括：对电机位置进行校准后生成电机位置校准表，将所述电机位置校准表配置到动圈式直线电机位置校准装置中，实现直接用线性霍尔传感器高精度检测电机位置。
9.根据权利要求8所述的动圈式直线电机位置校准方法，其特征在于包括：将根据线性霍尔传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表与根据光栅或磁栅测量传感器采集的电机位置信号计算得到的电机绝对位置/时间数值表进行比对，并作数据偏差补偿，生成所述电机位置校准表。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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