CN113639770A - 基于同步电机光电编码器的位置计算方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同步电机光电编码器的位置计算方法，该方法包括：在电机转动时，实时获取光电编码器中光电检测装置输出的当前电平信息并记录当前电平信息的持续时间t，将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n；根据当前齿数n和当前电平信息的持续时间t计算光电编码器中光栅盘的当前位置角，本发明中的方案能够避免因使用旋转变压器成本高，解码复杂的问题，从而降低成本，提高效率。

Description

基于同步电机光电编码器的位置计算方法及存储介质

技术领域

本发明涉及同步电机实时位置计算领域，具体而言，涉及一种基于同步电机光电编码器的位置计算方法及存储介质。

背景技术

在同步电机的闭环控制上需要知道实时的位置与速度信号，这一般采用物理上的位置传感器进行检测，位置传感器通常使用旋转变压器，旋转变压器精度高，但比较贵，模拟信号解码比较复杂，而光电编码器直接输出数字信号，价格比较便宜，输出的数字信号经处理可以转变为位置信号，适用于一定的应用领域。

光电编码器的主要工作原理为光电转换，是一种通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲或数字量的传感器。光栅盘与电动机同轴使电机旋转带动光栅盘旋转，光电检测装置输出脉冲信号，根据输出的脉冲信号计算位置以及转速信息。

在某些场合，受限于安装等原因，会对光电编码器去掉一个齿，对于多极同步电机来说，由于光栅的个数有限，每个齿对应较大的电角度，如果不对缺齿问题进行处理会导致很大的位置角度偏差，进而会导致控制性能变差，甚至有过流的风险，因此必须进行处理。

发明内容

针对上述问题，本申请提供了一种基于同步电机光电编码器的位置计算方法及存储介质，以解决同步电机的实时位置反馈采用位置传感器获取成本高，解码复杂的问题。

为实现上述目的，本发明实施例的第一方面，提供一种基于同步电机光电编码器的位置计算方法，其包括：在电机转动时，实时获取光电编码器中光电检测装置输出的当前电平信息并记录当前电平信息的持续时间t，将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n；根据当前齿数n和当前电平信息的持续时间t计算光电编码器中光栅盘的当前位置角。

可选地，所述根据当前齿数n和当前电平信息的持续时间t确定光电编码器中光栅盘的当前位置角的计算式为：

其中ω_e为电机转速，p为电机极对数，N为光栅槽数。

可选地，所述根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n，包括：

若当前电平信息与上一时刻的电平信息保持一致，则当前齿数n保持不变；

若当前电平信息与上一时刻的电平信息不一致，则当前齿数n增加，并记录前次获取的电平信息的持续时间，以及将当前电平信息的持续时间设置为0。

可选地，所述若当前电平信息与前次获取的电平信息不一致，则当前齿数n增加，包括：判断前次获取的电平信息所形成的脉冲是否为缺齿脉冲，若为缺齿脉冲，则当前齿数n加2，否则当前齿数n加1。

可选地，所述判断前次获取的电平信息所形成的脉冲是否为缺齿脉冲，包括：若前次获取的电平信息的持续时间超过在前次获取的电平信息之前所获取的电平信息的持续时间的2倍，则判断为前次获取的电平信息所形成的脉冲为缺齿脉冲。

可选地，所述方法还包括设置缺齿标志，初始缺齿标志设置为0，当前次获取的电平信息所形成的脉冲为缺齿脉冲时，将缺齿标志位设置为1。

可选地，所述方法还包括当当前齿数大于N-2且缺齿为为0或当前齿数大于N且缺齿标志为1时，将当前齿数量设置为0，缺齿标志设置为0。

本发明实施例的第二方面，提供了一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可以被一个或多个控制器执行，以实现如上述第一方面任意一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法。

本发明实施例的第三方面，提供了一种电子设备，所述电子设备包括存储器和控制器，所述存储器上存储有可被所述控制器执行程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，实现如上述第一方面任一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法。

本发明实施例的第四方面，提供了一种基于同步电机的闭环控制系统，所述闭环控制系统包括光电编码器、存储器和控制器；所述光电编码器包括光栅盘和光电检测装置，所述光栅盘设置成在同步电机的输出轴的带动下旋转；所述光电检测装置设置成根据所述光栅盘的旋转输出相应的电平信息；所述存储器上存储有可被所述控制器执行的程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，根据所述光电编码器中光电检测装置输出的电平信息，基于如上述第一方面任一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法确定所述光电编码器中光栅盘的当前位置角；所述控制器还设置成，根据所述光电编码器中光栅盘的当前位置角对同步电机进行闭环控制。

采用上述技术方案，至少能够达到如下技术效果：

本发明通过软件方法并基于光电编码器实现同步电机的位置反馈，能够避免因使用旋转变压器成本高，解码复杂的问题，从而降低成本，提高效率。

本发明还通过软件方法解决了在光电编码器缺齿的情况下，容易出现的同步电机实时位置反馈时的位置角度偏差的问题，从而提高了实时反馈的位置精度和同步电机的控制性能。

附图说明

通过结合附图阅读下文示例性实施例的详细描述可更好地理解本发明发明的范围。其中所包括的附图是：

图1为本发明实施例提供的正常情况下光电编码器工作原理图。

图2为本发明实施例提供的缺齿情况下的光电编码器的工作原理图。

图3为本发明实施例提供的基于同步电机光电编码器的位置计算方法的流程图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记，附图并未按照实际的比例绘制。

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，并达到相应技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。本申请实施例以及实施例中的各个特征，在不相冲突前提下可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。

本发明的发明人研究发现，在同步电机的闭环控制上需要知道实时的位置与速度信号，一般情况下都是采用物理上的位置传感器进行检测，然而位置传感器价格贵，模拟信号解码复杂；对于光电编码器则可以直接输出数字信号，输出的数字信号经过处理可以转变为位置信号，可以用于同步电机的实时位置反馈，从而解决因使用位置传感器中旋转变压器成本高，解码复杂的问题，进而降低成本，提高效率。

图1示出了正常情况下光电编码器的工作原理图，即图1显示的是光电编码器的光栅盘，其中1代表当发光元件照射此处位置时，输出脉冲为高电平，0代表当发光元件照射此处位置时，输出脉冲为低电平，当电机不转时，输出为固定的高电平信号或低电平信号，当电机以某个速度转动时，输出为持续时间相等的交替高低电平信号。

光电编码器的光栅盘一圈为2π弧度，在不缺齿的情况下，设电机极对数为P，光栅槽数为N，电角度为机械角的P倍，则每槽对应的电角度为

图2示出了在缺齿情况下，光电编码器的工作原理图，即图2显示了在缺齿情况下，光栅盘输出脉冲，根据图2的显示，因为缺齿的出现，缺齿槽对于的一个低电平输出时间为三个正常槽的时间，对应的电角度为

如果不考虑缺齿，则导致在位置角计算时出现很大的误差。

实施例一

请结合参阅图3，本发明实施例提供了一种基于同步电机光电编码器的位置计算方法，该方法包括：

在电机转动时，实时获取光电编码器中光电检测装置输出的当前电平信息并记录当前电平信息的持续时间t，将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n；

根据公式

确定光电编码器中光栅盘的当前位置角，其中ω_e为电机转速，可以通过电平变化速率得到，p为电机极对数，N为光栅槽数。

由于电平信息的变化会影响光电编码器齿数量的变化，因此在将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n分为如下两种情况：

若当前电平信息与前次获取的电平信息保持一致，当前齿数n保持不变；

若当前电平信息与前次获取的电平信息不一致，当前齿数n增加，记录前次获取的电平信息的持续时间，以及将当前电平信息的持续时间设置为0。

针对于实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息不一致的情况，如果在光电编码器齿槽完整的情况下，电平信息变化时只需要将当前齿数量n加1即可，由于当前电平信息刚刚发生变化，因此当前电平信息的持续时间置设置为0。

由于在光电编码器安装受限的原因，可能会存在对光电编码器去掉一个齿的情况，因此在电平信息发生变化时，在缺齿情况下，光栅盘可能已经多运行了一个齿的角度，因此当前齿数并非仅仅在前次获取的齿数的基础上加1即可，而需要在前次获取的齿数的基础上加2，具体的判断方法是若前次获取的电平信息的持续时间超过在前次获取的电平信息之前所获取的电平信息的持续时间的2倍，则判断为前次获取的电平信息所形成的脉冲为缺齿脉冲，即前次获取的电平信息所形成的脉冲出现了缺齿的情况。

另外，由于光电编码器的光栅槽数是N，当电机旋转一圈，光电编码器的齿数量达到N时需要清零，然后再继续循环计算。但是由于存在缺齿的情况，如果缺齿的情况出现在零位位置，那么电机旋转一圈时的当前齿数是达不到N的，因此在当前齿数为N时对齿数清零是不合理的，为了防止零度定位时定在缺齿脉冲的位置，增加了一个缺齿标志，当判断出遇到缺齿脉冲时，将缺齿标志设置为1。如果缺齿标志为1，则在当前齿数n大于N时将当前齿数n清零，即此时没有在零位位置出现缺齿；如果缺齿标志始终为0，则在当前齿数n大于N-2时将当前齿数n清零。

由于光电编码器没有绝对零位位置，为确定绝对零位，在一开始采用电机通直流定位的方法，将电机的转子轴拉到与电机A相轴线的位置。将此时的位置角定为零位。

实施例二

本实施例提供一种存储介质，如闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器(例如，SD或DX存储器等)、随机访问存储器(RAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、磁性存储器、磁盘、光盘、服务器等等，其上存储有计算机程序，所述计算机程序可以被一个或多个控制器执行，所述计算机程序被控制器执行时可以实现如下方法步骤：

在电机转动时，实时获取光电编码器输出的当前电平信息并记录当前电平信息的持续时间t，将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n；

根据计算式

确定光电编码器的当前位置角，其中ω_e为电机转速，p为电机极对数，N为光栅槽数。

上述方法步骤的具体实施例过程可参照本发明中的基于同步电机光电编码器的位置计算方法的具体实施例，此处不再赘述。

实施例三

本实施例提供一种电子设备，所述电子设备包括存储器和控制器；所述存储器上存储有可被控制器执行的程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，可实现上述实施例一所述的步骤。

其中，控制器具有程序处理执行的能力，采用一般控制器和微控制器均可，基于同步电机光电编码器的位置计算方法的程序代码被在所述控制器执行时刻参照本发明基于同步电机光电编码器的位置计算方法的具体实施例一，此处不再赘述。

实时例四

本实施例提供一种基于同步电机的闭环控制系统，所述闭环控制系统包括光电编码器、存储器和控制器；

所述光电编码器包括光栅盘和光电检测装置，光栅盘设置成在同步电机的输出轴的带动下旋转；光电检测装置设置成根据光栅盘的旋转输出相应的电平信息；

所述存储器上存储有可被所述控制器执行的程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，根据所述光栅编码器中光电检测装置输出的电平信息，基于上述实施例一中的基于同步电机光电编码器的位置计算方法确定所述光电编码器中光栅盘的当前位置角；

所述控制器还设置成，根据所述光电编码器中光栅盘的当前位置角对同步电机进行闭环控制。

其中，控制器兼具有控制和执行的功能，在所述控制器上运行的基于同步电机光电编码器的位置计算方法的程序代码被执行时所实现的方法可参照本发明基于同步电机光电编码器的位置计算方法的具体实施例一，此处不再赘述。

应当理解到，所揭露的方法、装置，也可以通过其它的方式实现。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，附图中的流程图和框图显示了根据本发明的实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于同步电机光电编码器的位置计算方法，其特征在于，所述方法包括：

在电机转动时，实时获取光电编码器中光电检测装置输出的当前电平信息并记录当前电平信息的持续时间t，将实时获取的当前电平信息与前次获取的电平信息进行比较，根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n；

根据当前齿数n和当前电平信息的持续时间t确定光电编码器中光栅盘的当前位置角。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据当前齿数n和当前电平信息的持续时间t确定光电编码器中光栅盘的当前位置角的计算式为：

其中，ω_e为电机转速，p为电机极对数，N为光栅槽数。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据比较结果确定光电编码器的当前齿数n，包括：

若当前电平信息与前次获取的电平信息保持一致，则当前齿数n保持不变；

若当前电平信息与前次获取的电平信息不一致，则当前齿数n增加，并记录前次获取的电平信息的持续时间，以及将当前电平信息的持续时间设置为0。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述若当前电平信息与前次获取的电平信息不一致，则当前齿数n增加，包括：

判断前次获取的电平信息所形成的脉冲是否为缺齿脉冲，若为缺齿脉冲，则当前齿数n加2，否则当前齿数n加1。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述判断前次获取的电平信息所形成的脉冲是否为缺齿脉冲，包括：若前次获取的电平信息的持续时间超过在前次获取的电平信息之前所获取的电平信息的持续时间的2倍，则判断为前次获取的电平信息所形成的脉冲为缺齿脉冲。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括设置缺齿标志，初始缺齿标志设置为0，当前次获取的电平信息所形成的脉冲为缺齿脉冲时，将缺齿标志设置为1。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

当当前齿数大于N-2且缺齿标志为0时或当前齿数大于N且缺齿标志为1时，将当前齿数设置为0，将缺齿标志设置为0。

8.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序可以被一个或多个控制器执行，以实现如权利要求1至7中任意一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括存储器和控制器，所述存储器上存储有可被所述控制器执行程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，实现如权利要求1至7任一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法。

10.一种基于同步电机的闭环控制系统，其特征在于，所述闭环控制系统包括光电编码器、存储器和控制器；

所述光电编码器包括光栅盘和光电检测装置，所述光栅盘设置成在同步电机的输出轴的带动下旋转；所述光电检测装置设置成根据所述光栅盘的旋转输出相应的电平信息；

所述存储器上存储有可被所述控制器执行的程序代码，所述程序代码被所述控制器执行时，根据所述光电编码器中光电检测装置输出的电平信息，基于如权利要求1至7任一项所述的基于同步电机光电编码器的位置计算方法确定所述光电编码器中光栅盘的当前位置角；

所述控制器还设置成，根据所述光电编码器中光栅盘的当前位置角对同步电机进行闭环控制。

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