CN116222629B - 一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于编码器制造领域，涉及到一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法。本发明将编码器的旋转角度值的数据量，通过串口将数据传递给信号传送板，信号传送板将接收到的信号作用在定子上的绕组线圈上，利用绕组线圈产生旋转的磁场与胶接在转子上的永磁体相互作用提供动力，永磁体转动带动转子转动，胶接在转子上的径向充磁方式的单对极磁钢转动，单对极磁钢会产生径向磁场，经过导磁环，然后单对极霍尔就会采集单对极角度值信号，然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号进行数字转换，从而记录编码器转过的圈数。本发明能够快速、准确的记录编码器转过的角度和圈数。

Description

一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法

技术领域：

本发明属于编码器制造领域，具体涉及一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法。

背景技术：

编码器是将信号或者数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。可以把角位移或直线位移转换为电信号，可用于测量电机转角或者位移，是实现电机控制的核心元件，被广泛应用于机械工程、机器人、航空、精密光学仪器等高技术领域，在现代工业中起着至关重要的作用。编码器按圈数分为单圈编码器，多圈编码器。单圈编码器又分为绝对式编码器和增量式编码器，多圈编码器为绝对式的编码器。多圈编码器测量范围大，使用往往富余较多，在安装时不必要费劲找零点，将某一中间位置作为起始点就可以了，大大简化了安装调试难度。

目前被广泛使用的是单圈编码器，但是无论是绝对式的还是增量式的都仅限于测量角度，所以对于需要记录圈数的场合还是要用到多圈编码器。目前的多圈编码器计数方法，包括一种伺服减速电机圈数记录装置，基于韦根传感器的多圈计数方法及多圈计数装置与流程，一种电子式多圈绝对值编码器系统、装置及工作方法与流程等方法。这些方法无论是通过利用齿轮来记录电机转子的圈数和旋转角度，还是通过利用传感器来记录电机转子的圈数和旋转角度，对于所连接的编码器都是有要求和限制的，所应用的范围具有局限性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，目的是既可以广泛的适用于所有类型的编码器上，又可以准确快速的记录电机转子转过的圈数和角度值。本发明将采用无传感器电机驱动控制方式来驱动转子旋转，利用编码器信号解算板来解算出电机转子转过的圈数和角度值。就是将编码器的旋转角度值的数据量，通过串口将数据传递给信号传送板，信号传送板将接收到的信号作用在定子上的绕组线圈上，利用绕组线圈产生旋转的磁场与胶接在转子上的永磁体相互作用提供动力，永磁体转动带动转子转动，胶接在转子上的径向充磁方式的单对极磁钢转动，单对极磁钢会产生径向磁场，经过导磁环，单对极霍尔就会采集单对极角度值信号，然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号进行数字转换，从而记录编码器转过的圈数。本发明能够快速、准确的记录电机转子转过的圈数和角度值。

本发明公布了一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法。

步骤一：首先建立d，q轴电压驱动方程，解算公式为(1)：

式中，U_d、U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d、L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω为电角速度；为转子磁链；i_d、i_q为d轴和q轴定子反馈电流。

步骤二：将该多圈编码器装置连接在任意种类的编码器上，当编码器转动时，通过串口输出信号，将编码器上的信号送到信号传送板上，信号传送板将信号传送给定子线圈结构，定子线圈结构上有绕组U、绕组V、绕组W，将d，q轴电压方程进行空间矢量坐标变化，投影到三相相位相差120°夹角的坐标轴上，得到三相电压指令U_u、U_v、U_w，解算公式为(2)：

式中，θ为电角度，θ的解算公式为(3)：

θ＝ω×T (3)

式中，T为计算周期。

步骤三：电角度设置，这里将无传感器驱动部分划分65536个刻度，编码器转子每旋转一周，无传感器部分旋转一个刻度，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，在三相电压的作用下，绕组U、绕组V、绕组W上形成三相电流，从绕组U、绕组V、绕组W上采集三相电流，得到三相反馈电流i_u、i_v、i_w经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q，其解算公式为(4)：

d轴电流与q轴电流方向正交垂直，d轴电流指令为常数固定值，q轴电流指令为0，在d轴电流作用下，定子线圈结构上的绕组U、绕组V、绕组W结构就相当于是旋转的磁场，永磁体受到旋转磁场的影响就会带动转子旋转。

步骤四：转子转动，径向充磁的单对极磁钢会产生径向磁场，经过导磁环，然后直插式单对极霍尔a1、直插式单对极霍尔a2就会采集单对极角度值信号A+、A-，然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号A+、A-进行数字转换，得到数字信号HA+、HA-，利用反正切公式求解，再经转化得到单对极角度值θ₁，反正切公式为(5)：

转化后的单对极角度值一个周期是65536个角度值，无传感器部分转子旋转一周同样是65536个刻度，所以电角度值与单对极角度值的周期相同，即可实现满量程对标。

步骤五：角度值校正，将安装的位置定义为绝对位置，此时电角度θ与单对极磁钢所处位置的单对极角度值θ₁相等，编码器旋转一周，无传感器部分电角度值θ加一，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，因为单对极磁钢胶接在无传感器部分的转子上，所以单对极磁钢旋转360/65536度，单对极角度值θ₁加一，因此可以保证电角度值θ等于单对极角度值θ₁。

步骤六：设置输出值零点，由于单对极霍尔a1与单对极霍尔a2两者相位相差90度，定义a1相位在前时，编码器为正转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₁，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₁≥0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁，当θ₁-θ₁₁<0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁+65536；定义a2相位在前时，编码器为反转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₂，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₂≤0时，θ_out＝θ₁₂-θ₁，当θ₁-θ₁₂＞0时，θ_out＝65536-θ₁+θ₁₂。

步骤七：在使用时，若调零使用，则单片机将从安装位置开始计数，即装置将从0记录电机转子转过的圈数；若断电后，直接开启电源使用，由于该装置使用了单对极磁钢，具有绝对式编码器的断电记忆功能，因此该多圈编码器装置会记录断电时的位置和方向，单片机将会从上次断电时的位置继续记录电机转子转过的圈数。

步骤八：记编码器电机转子每旋转一周，定子线圈结构上的绕组通过串口传出的信号，使无传感器部分旋转一个刻度，经过步骤一至步骤五可以准确的得到单对极磁钢在单片机上解算出的角度值累积加一，经过步骤六至步骤七可以准确的判断电机转子的正反转以及使用方式，并最终以输出值θ_out的值进行输出作为编码器圈数的记录值。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述的多圈式磁电编码器装置可以适用于任意形式的编码器装置上，可以准确快速的记录编码器转过的圈数。

2.本发明所述的多圈式磁电编码器计数装置为绝对式记录方式，即使发生电源故障，也不会丢失轴的位置及圈数。

3.采用无传感器的电机驱动装置，节省了内部容易损坏的霍尔传感器，节省了电机控制系统的引线数量，降低了电机的生产成本。

4.采用的定子线圈结构辅助绕组线圈，轴向尺寸小，节省了多圈编码器所占用的空间，适用于各种小体积的工作空间。

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为本发明所述多圈编码器的总体结构示意图；

图2为本发明所述多圈编码器的内部结构分布示意图；

图3为本发明所述多圈编码器的定子线圈结构分布示意图；

图4为本发明所述编码器解算板结构示意图；

图5为本发明所述导磁环的结构示意图；

图6为本发明所述正转时圈数计数示意图；

图7为本发明所述反转时圈数计数示意图；

图中，1、端盖；2、轴承a；3、编码器信号解算板；3-1、直插式单对极霍尔a1；3-2直插式单对极霍尔a2；3-3、单片机；4、导磁环；4-1、单对极霍尔槽b1；4-2、单对极霍尔槽b2；5、单对极磁钢；6、磁屏蔽板；7、永磁体；8、转子；9、定子；10、定子线圈结构；10-1、绕组U；10-2、绕组V；10-3、绕组W；11、信号传送板；12、轴承b；13、编码器。

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。

本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5所示，结合附图进一步说明本发明的具体结构及具体实施方式。

所述的多圈编码器结构如图2所示，其特征在于：所述的编码器装置的结构包括端盖(1)、轴承a(2)、编码器信号解算板(3)、导磁环(4)、单对极磁钢(5)、磁屏蔽板(6)、永磁体(7)、转子(8)、定子(9)、定子线圈结构(10)、信号传送板(11)、轴承b(12)、编码器(13)；其中编码器信号解算板(3)上焊锡焊接直插式的单对极霍尔a1(3-1)、直插式的单对极霍尔a2(3-2)和单片机(3-3)，其中直插式的单对极霍尔a1(3-1)与直插式的单对极霍尔a2(3-2)在同一圆周上呈90°放置，导磁环(4)上有单对极霍尔槽b1(4-1)、单对极霍尔槽b2(4-2)，单对极霍尔槽b1(4-1)与单对极霍尔槽b2(4-2)在同一圆周上呈90°放置，定子线圈结构(10)上有绕组U(10-1)、绕组V(10-2)、绕组W(10-3)，绕组U(10-1)、绕组V(10-2)、绕组W(10-3)在同一圆周上呈120°放置，其中轴承a(2)与轴承b(12)依靠转子(8)轴肩定位，编码器信号解算板(3)与端盖(1)胶接，导磁环(4)与编码器信号解算板(3)胶接，导磁环(4)上的单对极霍尔槽b1(4-1)与单对极霍尔槽b2(4-2)中插入单对极霍尔a1(3-1)与单对极霍尔a2(3-2)，径向充磁方式的单对极磁钢(5)与转子(8)胶接，磁屏蔽板(6)与转子(8)胶接，永磁体(7)与转子(8)胶接，定子线圈结构(10)连接在定子(9)上，端盖(1)与定子(9)用螺钉连接，定子(9)与信号传送板(11)与编码器(13)用螺钉连接，固定在编码器(13)上，编码器(13)可以为任意种类的编码器。

一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置及其计数方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一：首先建立d，q轴电压驱动方程，解算公式为(1)：

式中，U_d、U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d、L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω为电角速度；为转子磁链；i_d、i_q为d轴和q轴定子反馈电流。

步骤二：将该多圈编码器装置连接在任意种类的编码器上，当编码器转动时，通过串口输出信号，将编码器上的信号送到信号传送板上，信号传送板将信号传送给定子线圈结构，定子线圈结构上有绕组U、绕组V、绕组W，将d，q轴电压方程进行空间矢量坐标变化，投影到三相相位相差120°夹角的坐标轴上，得到三相电压指令U_u、U_v、U_w，解算公式为(2)：

式中，θ为电角度，θ的解算公式为(3)：

θ＝ω×T (3)

式中，T为计算周期。

步骤三：电角度设置，这里将无传感器驱动部分划分65536个刻度，编码器转子每旋转一周，无传感器部分旋转一个刻度，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，在三相电压的作用下，绕组U、绕组V、绕组W上形成三相电流，从绕组U、绕组V、绕组W上采集三相电流，得到三相反馈电流i_u、i_v、i_w经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q，其解算公式为(4)：

d轴电流与q轴电流方向正交垂直，d轴电流指令为常数固定值，q轴电流指令为0，在d轴电流作用下，定子线圈结构上的绕组U、绕组V、绕组W结构就相当于是旋转的磁场，永磁体受到旋转磁场的影响就会带动转子旋转。

步骤四：转子转动，径向充磁的单对极磁钢会产生径向磁场，经过导磁环，然后直插式单对极霍尔a1、直插式单对极霍尔a2就会采集单对极角度值信号A+、A-，然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号A+、A-进行数字转换，得到数字信号HA+、HA-，利用反正切公式求解，再经转化得到单对极角度值θ₁，θ₁的取值为[0，65535]，反正切公式为(5)：

转化后的单对极角度值一个周期是65536个角度值，无传感器部分转子旋转一周同样是65536个刻度，所以电角度值与单对极角度值的周期相同，即可实现满量程对标。

步骤五：角度值校正，将安装的位置定义为绝对位置，此时电角度θ与单对极磁钢所处位置的单对极角度值θ₁相等，编码器旋转一周，无传感器部分电角度值θ加一，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，因为单对极磁钢胶接在无传感器部分的转子上，所以单对极磁钢旋转360/65536度，单对极角度值θ₁加一，因此可以保证电角度值θ等于单对极角度值θ₁。

步骤六：设置输出值零点，由于单对极霍尔a1与单对极霍尔a2两者相位相差90度，定义a1相位在前时，编码器为正转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₁，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₁≥0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁，当θ₁-θ₁₁<0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁+65536，θ_out的取值为[0，65535]，如图6所示；定义a2相位在前时，编码器为反转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₂，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₂≤0时，θ_out＝θ₁₂-θ₁，当θ₁-θ₁₂＞0时，θ_out＝65536-θ₁+θ₁₂，θ_out的取值为[0，65535]，如图7所示。

步骤七：在使用时，若调零使用，则单片机将从安装位置开始计数，即装置将从0记录电机转子转过的圈数；若断电后，直接开启电源使用，由于该装置使用了单对极磁钢，具有绝对式编码器的断电记忆功能，因此该多圈编码器装置会记录断电时的位置和方向，单片机将会从上次断电时的位置继续记录电机转子转过的圈数。

步骤八：记编码器电机转子每旋转一周，定子线圈结构上的绕组通过串口传出的信号，使无传感器部分旋转一个刻度，经过步骤一至步骤五可以准确的得到单对极磁钢在单片机上解算出的角度值累积加一，经过步骤六至步骤七可以准确的判断电机转子的正反转以及使用方式，并最终以输出值θ_out的值进行输出作为编码器圈数的记录值。

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 (1)

1.一种无传感器电机驱动的多圈编码器装置的计数方法，该编码器装置的结构包括端盖(1)、轴承a(2)、编码器信号解算板(3)、导磁环(4)、单对极磁钢(5)、磁屏蔽板(6)、永磁体(7)、转子(8)、定子(9)、定子线圈结构(10)、信号传送板(11)、轴承b(12)、编码器(13)；其中编码器信号解算板(3)上焊锡焊接直插式的单对极霍尔a1(3-1)、直插式的单对极霍尔a2(3-2)和单片机(3-3)，导磁环(4)上有单对极霍尔槽b1(4-1)、单对极霍尔槽b2(4-2)，定子线圈结构(10)上有绕组U(10-1)、绕组V(10-2)、绕组W(10-3)，其中轴承a(2)与轴承b(12)依靠转子(8)轴肩定位，编码器信号解算板(3)与端盖(1)胶接，导磁环(4)与编码器信号解算板(3)胶接，导磁环(4)上的单对极霍尔槽b1(4-1)与单对极霍尔槽b2(4-2)中插入单对极霍尔a1(3-1)与单对极霍尔a2(3-2)，径向充磁方式的单对极磁钢(5)与转子(8)胶接，磁屏蔽板(6)与转子(8)胶接，永磁体(7)与转子(8)胶接，定子线圈结构(10)连接在定子(9)上，端盖(1)与定子(9)采用螺钉连接，定子(9)与信号传送板(11)与编码器(13)采用螺钉连接，固定在编码器(13)上，编码器(13)可以为任意种类的编码器；

其特征在于：所述方法的具体实施过程为：

步骤一：首先建立d，q轴电压驱动方程，解算公式为(1)：

式中，U_d、U_q为d轴和q轴定子电压指令；L_d、L_q为d轴和q轴等效电感；R_s为定子电阻；ω为电角速度；为转子磁链；i_d、i_q为d轴和q轴定子反馈电流；

步骤二：将该多圈编码器装置连接在任意种类的编码器上，当编码器转动时，通过串口输出信号，将编码器上的信号送到信号传送板上，信号传送板将信号传送给定子线圈结构，定子线圈结构上有绕组U、绕组V、绕组W，将d，q轴电压方程进行空间矢量坐标变化，投影到三相相位相差120°夹角的坐标轴上，得到三相电压指令U_u、U_v、U_w，解算公式为(2)：

式中，θ为电角度，θ的解算公式为(3)：

θ＝ω×T (3)

式中，T为计算周期；

步骤三：电角度设置，这里将无传感器驱动部分划分65536个刻度，编码器转子每旋转一周，无传感器部分旋转一个刻度，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，在三相电压的作用下，绕组U、绕组V、绕组W上形成三相电流，从绕组U、绕组V、绕组W上采集三相电流，得到三相反馈电流i_u、i_v、i_w经过空间矢量坐标变化得到d-q轴反馈电流i_d、i_q，其解算公式为(4)：

d轴电流与q轴电流方向正交垂直，d轴电流指令为常数固定值，q轴电流指令为0，在d轴电流作用下，定子线圈结构上的绕组U、绕组V、绕组W结构就相当于是旋转的磁场，永磁体受到旋转磁场的影响就会带动转子旋转；

步骤四：转子转动，径向充磁的单对极磁钢会产生径向磁场，经过导磁环，然后直插式单对极霍尔a1、直插式单对极霍尔a2就会采集单对极角度值信号A+、A-，然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号A+、A-进行数字转换，得到数字信号HA+、HA-，利用反正切公式求解，再经转化得到单对极角度值θ₁，反正切公式为(5)：

转化后的单对极角度值一个周期是65536个角度值，无传感器部分转子旋转一周同样是65536个刻度，所以电角度值与单对极角度值的周期相同，即可实现满量程对标；

步骤五：角度值校正，将安装的位置定义为绝对位置，此时电角度θ与单对极磁钢所处位置的单对极角度值θ₁相等，编码器旋转一周，无传感器部分电角度值θ加一，即无传感器部分的转子旋转360/65536度，因为单对极磁钢胶接在无传感器部分的转子上，所以单对极磁钢旋转360/65536度，单对极角度值θ₁加一，因此可以保证电角度值θ等于单对极角度值θ₁；

步骤六：设置输出值零点，由于单对极霍尔a1与单对极霍尔a2两者相位相差90度，定义a1相位在前时，编码器为正转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₁，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₁≥0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁，当θ₁-θ₁₁<0时，θ_out＝θ₁-θ₁₁+65536；定义a2相位在前时，编码器为反转，记录安装后的第一个输出的角度值为θ₁₂，记输出值为θ_out，当θ₁-θ₁₂≤0时，θ_out＝θ₁₂-θ₁，当θ₁-θ₁₂＞0时，θ_out＝65536-θ₁+θ₁₂；

步骤七：在使用时，若调零使用，则单片机将从安装位置开始计数，即装置将从0记录电机转子转过的圈数；若断电后，直接开启电源使用，由于该装置使用了单对极磁钢，具有绝对式编码器的断电记忆功能，因此该多圈编码器装置会记录断电时的位置和方向，单片机将会从上次断电时的位置继续记录电机转子转过的圈数；

步骤八：记编码器电机转子每旋转一周，定子线圈结构上的绕组通过串口传出的信号，使无传感器部分旋转一个刻度，经过步骤一至步骤五可以准确的得到单对极磁钢在单片机上解算出的角度值累积加一，经过步骤六至步骤七可以准确的判断电机转子的正反转以及使用方式，并最终以输出值θ_out的值进行输出作为编码器圈数的记录值。