CN115077374A - 微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法，涉及马达执行器技术领域，其技术方案要点是：上电极，由多个沿转子圆周方向等间距布置的第一突起电极组成，且去掉第一突起电极以形成缺齿区域；下电极，由多个沿定子圆周方向的预设角度范围内间隔布置的第二突起电极组成，第二突起电极与第一突起电极之间构成相对平板电容；位置检测模块，用于检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，以及依据特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点分析得到绝对转动角度。本发明即使在驱动速度变化的情况下依旧能够准确的识别出转子与定子之间的绝对转动角度，检测精确度高。

Description

微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及马达执行器技术领域，更具体地说，它涉及微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法。

背景技术

通过内嵌传感器对执行器转动状态进行实时监测是微马达的一大研究重点。现有微马达的角度测量装置，一般在转子上设置电容阵列作为下电极，同时在定子上设置电容检测传感器作为上电极。当角度转动的时候，上电极与下电极之间的电容值会随之改变，通过计算可以建立起电容值与转动角度的相对关系。在实际的操作过程中，调节电容阵列结构与电路结构，使得输出电压与转动角度呈正弦分布，对检测到的电压信号进行处理就可以获得每个时刻的相对角度位置，为整个微马达提供反馈控制信号。

由于上电极与下电极之间的电容值在360度内完全呈周期性变化，导致以往微马达的角度测量都是基于执行器驱动时相对位置的动态检测，无法实现绝对位置的检测。为此，现有技术中公开了一种绝对位置的检测方法，通过将上电极中的电极结构以非对称结构沿圆周方向分布，以此在圆周方向形成多个敏感区，通过对不同敏感区所表征的特征信号进行识别，能够检测出定子与转子之间的大致绝对位置。

上述绝对位置的检测方法中特征信号与非对称结构沿圆周方向的宽度相关，通过识别特征信号随着时间变化的宽度来识别出对应的敏感区，这对执行器驱动时的驱动速度具有较高要求，一旦在位于敏感区时的驱动速度发生变化，在敏感区停留的时间则会发生改变，从而引起特征信号宽度的变化，存在较大的检测误差。因此，如何研究设计一种能够克服上述缺陷的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置及检测方法，即使在驱动速度变化的情况下依旧能够准确的识别出转子与定子之间的绝对转动角度，检测精确度高。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，包括：

上电极，由多个沿转子圆周方向等间距布置的第一突起电极组成，且去掉至少一个第一突起电极以形成缺齿区域；

下电极，由多个沿定子圆周方向的预设角度范围内间隔布置的第二突起电极组成，第二突起电极与第一突起电极之间构成相对平板电容；

位置检测模块，用于在执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，以及依据解析得到的表示缺齿区域的特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点分析得到转子与定子之间的绝对转动角度。

进一步的，所述第一突起电极与第二突起电极沿相应圆周方向的宽度相等，且相邻第一突起电极之间的间距角度与第一突起电极宽度所对应的角度相等。

进一步的，相邻所述第一突起电极之间的间隔角度与相邻所述第二突起电极之间的间隔角度呈差异性分布，以使得相对平板电容在执行器驱动时形成可进行180°差分检测的电容信号。

进一步的，多个所述第二突起电极分为第一电极和第二电极；

所述第一电极与第二电极交错分布；

邻近的两个第一电极之间的间隔角度为第二突起电极宽度所对应角度的5N倍，N为正整数；

相邻的第一电极与第二电极之间的间隔角度为第二突起电极宽度所对应角度的2N倍。

进一步的，所述预设角度范围为45°-90°。

第二方面，提供了微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，该动态检测方法用于第一方面中所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，包括以下步骤：

执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，得到表示缺齿区域的特征信号以及当前时刻的实时信号；

识别特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点，并依据极值点数量确定极值点累积角度；

分析当前时刻的实时信号所对应的趋势点，并依据趋势点确定趋势点角度；

根据极值点累积角度和趋势点角度之和确定绝对转动角度。

进一步的，所述极值点累积角度的确定过程具体为：

从特征信号中选取一个校准标定点作为绝对零点；

统计分析绝对零点与实时信号之间波峰点和/或波谷点的数量；

波峰点和/或波谷点的数量与固定角度值之间的乘积计算得到极值点累积角度。

进一步的，固定角度值的大小由选取的波峰点、波谷点以及相邻第一突起电极的间距角度确定。

进一步的，所述趋势点角度的确定过程具体为：

采集实时信号所对应驱使点的采样值；

将采样值输入依据极值点所拟合的反正弦函数，得到趋势点角度。

进一步的，该动态检测方法还包括：

依据极值点的数量确定特征信号与实时信号之间的完整脉冲数，并结合特征信号与实时信号之间的时间信息确定执行器的驱动速度；

依据执行器的驱动速度匹配相应的惯性参数，并以惯性参数与执行器的驱动速度的乘积确定惯性角度；

以惯性角度与绝对转动角度之和确定执行器停止时的惯性停止角度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，在周期性的正弦检测信号中出现了绝对缺齿位置的特征信号，可对特征信号进行算法解析辨识实现对缺齿位置的判断，并结合特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点进行分析，即使在驱动速度变化的情况下依旧能够准确的识别出转子与定子之间的绝对转动角度，检测精确度高；

2、本发明上电极与下电极中的电极结构间距进行差异性设置，转子的缺齿位置在转动到定子下电极位置时会出现正弦信号的上下电平的偏移，并以差分检测方法对电容信号进行检测，依据极限点的幅值识别，利于特征信号的准确识别，同时能够有效抑制共模噪声；

3、本发明通过对驱动速度进行分析，并结合执行器自身的惯性参数计算出执行器在停止时的驱动惯性情况，同时结合绝对转动角度能够计算出执行器停止时的惯性停止角度，方便对微马达执行进行精准的反馈控制。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1是本发明实施例中上电极的分布示意图；

图2是本发明实施例中下电极的分布示意图；

图3是本发明实施例中连续转动下检测的电容信号示意图；

图4是本发明实施例中的整体流程图；

图5是本发明实施例中初始位置的校准示意图；

图6是本发明实施例中极值点的判断示意图；

图7是本发明实施例中普通区域上下极值的差异示意图；

图8是本发明实施例中缺齿区域上下极值的差异示意图；

图9是本发明实施例中趋势点的分析示意图。

1、转子；2、第一突起电极；3、缺齿区域；4、定子；5、第二突起电极。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例1：微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，如图1与图2所示，包括上电极、下电极和位置检测模块。其中，上电极，由多个沿转子1圆周方向等间距布置的第一突起电极2组成，且去掉至少一个第一突起电极2以形成缺齿区域3。下电极，由多个沿转子4圆周方向的预设角度范围内间隔布置的第二突起电极5组成，第二突起电极5与第一突起电极2之间构成相对平板电容。位置检测模块，用于在执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，以及依据解析得到的表示缺齿区域3的特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点分析得到转子1与转子4之间的绝对转动角度。

第一突起电极2与第二突起电极5沿相应圆周方向的宽度相等，且相邻第一突起电极2之间的间距角度与第一突起电极2宽度所对应的角度相等。

相邻第一突起电极2之间的间隔角度与相邻第二突起电极5之间的间隔角度呈差异性分布，以使得相对平板电容在执行器驱动时形成可进行180°差分检测的电容信号。

例如，多个第二突起电极5分为第一电极和第二电极；第一电极与第二电极交错分布；邻近的两个第一电极之间的间隔角度为第二突起电极5宽度所对应角度的5N倍，N为正整数；相邻的第一电极与第二电极之间的间隔角度为第二突起电极5宽度所对应角度的2N倍。

本发明上电极与下电极中的电极结构间距进行差异性设置，转子1的缺齿位置在转动到转子4下电极位置时会出现正弦信号的上下电平的偏移，并以差分检测方法对电容信号进行检测，依据极限点的幅值识别，利于特征信号的准确识别，同时能够有效抑制共模噪声。

预设角度范围为45°-90°，例如90°。

具体的，转子1转动过程中，转子4与转子1之间形成相对运动；根据平板电容的计算原理：C＝ε*ε₀*S/d；定转子1相对运动以空气为介质，ε与ε₀都为不变的常量；相对转动运动过程中距离d不变；因此相对面积的变化会形成电容大小的变化，以电容信号的变化量检测来对应转子1的动态监测。进行电容检测信号的仿真，可得到转子1连续转动时的监测信号，如图3所示。

根据图3的仿真结构所示，在微马达连续转动下，全齿情况下为固定的周期性正弦波，但由于缺齿与差分电极设计的存在，转子1的缺齿位置在转动到转子4的下电极位置时会出现正弦信号的上下电平的偏移；以此可作为特征信号进行算法解析，实现微马达绝对位置的动态检测。

实施例2：微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，该动态检测方法用于实现实施例1中的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，如图4所示，包括以下步骤：

S1：执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，得到表示缺齿区域3的特征信号以及当前时刻的实时信号；

S2：识别特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点，并依据极值点数量确定极值点累积角度；

S3：分析当前时刻的实时信号所对应的趋势点，并依据趋势点确定趋势点角度；

S4：根据极值点累积角度和趋势点角度之和确定绝对转动角度。

极值点累积角度的确定过程具体为：从特征信号中选取一个校准标定点作为绝对零点；统计分析绝对零点与实时信号之间波峰点和/或波谷点的数量；波峰点和/或波谷点的数量与固定角度值之间的乘积计算得到极值点累积角度。

如图5所示，在特征信号范围内选取一个标定点来作为初始点，亦为校准点；在马达转动过程中进行实时的检测信号解析与特征信号辨识，当判断到特征信号时切断驱动信号来实现微马达初始位置的校准；然后依此初始点为绝对零点，通过马达转动时检测信号的相对角度解析，进行微马达实时绝对位置的监测(0-360度)。

接着，在转动状态中对检测信号进行极值点判断；在一个周期内判断出连续的同类型极值点(两个波峰或者波谷点)，正常区域下连续波峰或者波谷点的幅值相等，在缺齿位置下的特征区域则会产生幅值差异；以此为标记识别缺齿位置。

如图6所示：在当前采样点提取出前6个点，生成模式序列t0-t6，当前采样点为t6；以t3为基准生成四个模板，模板的上下限由p,v两个值的取值相关，p,v的取值与AD的采样位数相关，目前AD所用采样位数为16位，最大值为65536，p,v的取值范围为0-65536，取值大小与65536的比值决定了上下限的斜率；判断其他6个点是否是此模板之内，当其中5个点满足某一个模板时，则认为t3点为当前匹配的模板模式，并进行模式存储；在下一个采样点的时候会对当前7个点的序列往后迭代更新。

保存检测的模式序列，模式序列长度为3，且会在下一个采样点处理判断后往后迭代更新序列，然后由序列仲裁：上升模式+波峰模式+下降模式，则判断出现了一个极大值点；下降模式+波谷模式+上升模式，则判断出现了一个极小值点。

固定角度值的大小由选取的波峰点、波谷点以及相邻第一突起电极2的间距角度确定。既可以同时选取波峰点和波谷点进行极值点分析，也可以单独选取波峰点或波谷点进行分析，为此，选取的情况不同，对应的固定角度值也不相同。

如图7所示，特征信号辨识与校准：判断极值点是否为普通，可根据连续4个极值组成图形来判断。下面4个普通区域的极限唯二的可能性，可见两个上极限相差不大，下极限也相差不大(由阈值确定)。如图8所示，而包含缺齿区域3的波形，则能看到总会有两个上极限，或者两个下极限相差较大的情况。

因此，可通过连续两个上极值或者下极值的差异来实现是否处于缺齿部分的判断；设定一个阈值，但差异大于阈值时，则为特征极值，小于阈值时则为普通极值。设定判定条件：当出现连续的上下极值同时为特征极值时，标记为1；同时都为普通极值时则标记为0；其他则不标记。当出现第3个1的时候则将其标记为初始零点；并切断微马达驱动波形，实现微马达初始位置的校准；由于缺齿区域3内出现标记1的次数并不只有1次，因此需要进行两次转动来实现校准，首先反转寻找标记为0，然后正转寻找标记1；确认微马达校准时的初始位置都处于缺齿部分的第一个标记1。然后以此为标记零点，进行检测信号的相对运动角度解析，则可实现微马达绝对位置的实时监测；然后在达到此标记零点时，主控芯片切断微马达的正弦驱动信号，以此来实现初始位置的校准。

如图9所示，趋势点角度的确定过程具体为：采集实时信号所对应驱使点的采样值；将采样值输入依据极值点所拟合的反正弦函数，得到趋势点角度。

例如，绝对转动角度的计算：

峰值点计算：angle_base＝unit_count*δ

式中，angle_base为累积极值点的角度计算校准，unit_count为峰值点的累积个数。

考虑趋势点后的计算：angle_s＝angle_base+f(v(t))

式中，v(t)为当前趋势点采样值的大小，f(·)表示用极值点拟合的反正弦函数。

本发明中的动态检测方法还包括：依据极值点的数量确定特征信号与实时信号之间的完整脉冲数，并结合特征信号与实时信号之间的时间信息确定执行器的驱动速度；依据执行器的驱动速度匹配相应的惯性参数，并以惯性参数与执行器的驱动速度的乘积确定惯性角度；以惯性角度与绝对转动角度之和确定执行器停止时的惯性停止角度。

本发明通过对驱动速度进行分析，并结合执行器自身的惯性参数计算出执行器在停止时的驱动惯性情况，同时结合绝对转动角度能够计算出执行器停止时的惯性停止角度，方便对微马达执行进行精准的反馈控制。

工作原理：本发明在周期性的正弦检测信号中出现了绝对缺齿位置的特征信号，可对特征信号进行算法解析辨识实现对缺齿位置的判断，并结合特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点进行分析，即使在驱动速度变化的情况下依旧能够准确的识别出转子1与转子4之间的绝对转动角度，检测精确度高。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，包括：

上电极，由多个沿转子(1)圆周方向等间距布置的第一突起电极(2)组成，且去掉至少一个第一突起电极(2)以形成缺齿区域(3)；

下电极，由多个沿定子(4)圆周方向的预设角度范围内间隔布置的第二突起电极(5)组成，第二突起电极(5)与第一突起电极(2)之间构成相对平板电容；

位置检测模块，用于在执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，以及依据解析得到的表示缺齿区域(3)的特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点、实时信号的趋势点分析得到转子(1)与定子(4)之间的绝对转动角度。

2.根据权利要求1所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，所述第一突起电极(2)与第二突起电极(5)沿相应圆周方向的宽度相等，且相邻第一突起电极(2)之间的间距角度与第一突起电极(2)宽度所对应的角度相等。

3.根据权利要求1所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，相邻所述第一突起电极(2)之间的间隔角度与相邻所述第二突起电极(5)之间的间隔角度呈差异性分布，以使得相对平板电容在执行器驱动时形成可进行180°差分检测的电容信号。

4.根据权利要求3所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，多个所述第二突起电极(5)分为第一电极和第二电极；

所述第一电极与第二电极交错分布；

邻近的两个第一电极之间的间隔角度为第二突起电极(5)宽度所对应角度的5N倍，N为正整数；

相邻的第一电极与第二电极之间的间隔角度为第二突起电极(5)宽度所对应角度的2N倍。

5.根据权利要求1所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，所述预设角度范围为45°-90°。

6.微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，该动态检测方法用于权利要求1-5任意一项所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测装置，其特征是，包括以下步骤：

执行器驱动时检测相对平板电容的电容信号，并将电容信号转化为电压信号后进行信号解析，得到表示缺齿区域(3)的特征信号以及当前时刻的实时信号；

识别特征信号与当前时刻的实时信号之间信号的极值点，并依据极值点数量确定极值点累积角度；

分析当前时刻的实时信号所对应的趋势点，并依据趋势点确定趋势点角度；

根据极值点累积角度和趋势点角度之和确定绝对转动角度。

7.根据权利要求6所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，其特征是，所述极值点累积角度的确定过程具体为：

从特征信号中选取一个校准标定点作为绝对零点；

统计分析绝对零点与实时信号之间波峰点和/或波谷点的数量；

波峰点和/或波谷点的数量与固定角度值之间的乘积计算得到极值点累积角度。

8.根据权利要求7所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，其特征是，固定角度值的大小由选取的波峰点、波谷点以及相邻第一突起电极(2)的间距角度确定。

9.根据权利要求6所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，其特征是，所述趋势点角度的确定过程具体为：

采集实时信号所对应驱使点的采样值；

将采样值输入依据极值点所拟合的反正弦函数，得到趋势点角度。

10.根据权利要求6-9任意一项所述的微马达执行器驱动时绝对位置的动态检测方法，其特征是，该动态检测方法还包括：

依据极值点的数量确定特征信号与实时信号之间的完整脉冲数，并结合特征信号与实时信号之间的时间信息确定执行器的驱动速度；

依据执行器的驱动速度匹配相应的惯性参数，并以惯性参数与执行器的驱动速度的乘积确定惯性角度；

以惯性角度与绝对转动角度之和确定执行器停止时的惯性停止角度。

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