CN117387664A - 工业级伺服系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种工业级伺服系统。该工业级伺服系统包括伺服电机、多对极磁电编码器、伺服控制器、伺服驱动器和执行机构；多对极磁电编码器包括第二多对极磁体、第一多对极磁体、单对极导磁体组合件和电路板，单对极导磁体组合件具有齿形部与平滑部，第一组霍尔元件、第二组霍尔元件分别与第一多对极磁体、第二多对极磁体相邻设置，第三组霍尔元件设于齿形部与平滑部之间，并根据对应磁体的磁极信号输出相应的检测信号。本发明中的多对极磁电编码器通过获取具有一定精度的机械角度来标定最外环磁体的旋转角度，从而大幅提高测量精度，本发明尤其适用于大中型伺服系统角度检测及位置检测的工况场景。

Description

工业级伺服系统

技术领域

本发明涉及伺服控制技术领域，具体涉及一种工业级伺服系统。

背景技术

伺服控制系统是一种自动控制系统，通常用于控制电机和其他执行机构。它通过传感器检测物理量的变化，再经过计算和控制，使输出信号与输入信号达到期望值，从而实现对执行机构运动状态的精密控制。伺服控制系统根据控制方式的不同可以分为位置控制、速度控制和扭矩控制。其中位置控制是指控制系统控制执行机构实现到达目标位置的过程；速度控制是指控制系统控制执行机构实现运动速度的精密控制；扭矩控制则是指控制系统控制执行机构输出扭矩的大小和方向。随着制造业升级，各下游行业对精益制造装备需求日益提升。精益装备需对位移、速度、力矩等运动要素进行精密控制，这些都需要通过工业级伺服系统来实现。

在伺服控制系统中，编码器的精度直接影响到系统的速度控制和定位精度。目前，光电编码器的应用较为广泛，将其安装在转轴上，可将角度信息通过线缆传输到控制器。但是，光电编码器还存在一些难以克服的缺点，如光电编码器的码盘采用玻璃材质，并在玻璃上沉积很薄的刻线，其热稳定性及精度虽然可以满足测量要求，但是光电编码器抗震动和抗冲击能力不高，不适合用于尘埃、结露等恶劣环境，并且其结构与定位组装复杂。在生产中还必须要保证很高的装配精度，这直接影响到生产效率，最终影响产品的成本。

为了克服上述编码器的不足，出现了用于伺服控制系统的单对极或内外环多对极的磁电式编码器。此种编码器包括磁体、磁感应元件和信号处理电路。磁体随着伺服电机轴旋转，产生变化的磁场。磁感应元件感应到该变化的磁场，将磁信号转变成电信号输出到信号处理电路。信号处理电路将该电信号处理成角度信号输出。

随着精益装备控制精度的提升，其对磁电式编码器的分辨率要求也越来越高。为了增加编码器的分辨率，通常会增加磁极对的数量，但是在实际应用过程中，当内外环多对极磁电编码器的磁极对数增加到一定数量时，一方面，加工的单个磁极对的厚度将锐减成1mm之内，不仅不利于磁极对的粘接，而且还会造成多对极磁体在粘结的过程中易碎易断的问题；另一方面，由于误差及噪声的影响，磁敏元件采集的检测信号将在某一角度区间内完全重合，这将导致无法获取磁电编码器的绝对角度，也就无法实现伺服控制系统精密控制的要求。

发明内容

鉴于此，本发明的目的在于提供一种工业级伺服系统，旨在克服因极对数的增加导致多对极磁体制作困难的缺陷，同时解决因极对数的增加导致磁敏元件采集的检测信号在某一区间内完全重合，造成伺服控制系统精度无法提高的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

本发明提供的工业级伺服系统，包括伺服电机；

多对极磁电编码器，与所述伺服电机同轴设置并根据伺服电机的转速范围输出对应于该转速范围下的高精度和/或超高精度的绝对角度，其中，所述多对极磁电编码器包括同轴径向环形设置的第二多对极磁体、第一多对极磁体以及单对极导磁体组合件和电路板，其中，所述第一多对极磁体包括m对磁极且3≤m＜23，所述第二多对极磁体包括n对磁极且3≤n＜23，m大于n且为彼此互质的自然数，所述单对极导磁体组合件包括同轴线径向依次紧密贴合安装的第一环形导磁体、单对极环形磁体和第二环形导磁体，其中，所述第一环形导磁体在其一个轴向端面上开设有齿形部，所述第二环形导磁体具有一个与该齿形部完全相对立的平滑部，齿形部与平滑部形成一个环形的开口区域，在此结构下，所述单对极导磁体组合件实现在其径向截面上整体形状趋于闭合，其中，所述开口区域的开口方向与单对极环形磁体的径向方向相一致，并在其齿形部上开有P个齿且p≥100；此外，所述电路板上包括有：

第一组霍尔元件，包括第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相邻设置，并根据第一多对极磁体的磁极信号输出第一组检测信号；

第二组霍尔元件，包括第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相邻设置，并根据第二多对极磁体的磁极信号输出第二组检测信号；

第三组霍尔元件，包括第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器，且设于所述齿形部与所述平滑部之间，并根据单对极导磁体组合件的磁极信号输出修正的第三组检测信号；

伺服控制器，包括一控制单元和一电流传感器，所述控制单元接收多对极磁电编码器反馈的伺服电机轴角度信息以及接收电流传感器采集的电流信号，经过处理后由伺服控制器发出控制伺服电机的工作指令；

伺服驱动器，接收所述伺服控制器发出的控制指令并根据伺服电机的负载要求，输出伺服电机的驱动信号；

执行机构，与所述伺服电机相连，由伺服电机驱动执行机构实现对其运动状态的精密控制。

进一步的，所述多对极磁电编码器通过以下公式来选择输出伺服电机转速范围下的高精度和/或超高精度的绝对角度：

式中，θ₃为多对极磁电编码器输出的最终绝对角度；θ₁为由第一多对极磁体和第二多对极磁体所确定高精度绝对角度；θ₂为利用所获得的高精度绝对角度θ₁结合单对极导磁体组合件所确定的超高精度绝对角度；ω为伺服电机当前的转速；ω₀为多对极磁电编码器输出超高精度绝对角度时所允许的最高转速的0.8倍；ω₁为多对极磁电编码器输出超高精度绝对角度时所允许的最高转速的1.2倍；T表示控制指令的控制周期，k表示第k个控制周期。

进一步的，所述伺服电机为永磁同步伺服电动机。

再进一步的，m和n为质数且mn＜23×19。

更近一步的，所述第一组检测信号包括：第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器根据第一多对极磁体的磁极信号输出的第一检测信号与第二检测信号；所述第一检测信号与第二检测信号的相位相差90度；

所述第二组检测信号包括：第三线性霍尔传感器、第四线性霍尔传感器根据第二多对极磁体的磁极信号输出的第三检测信号与第四检测信号；所述第三检测信号与第四检测信号的相位相差90度。

更近一步的，所述修正的第三组检测信号包括：第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器根据单对极导磁体组合件的磁极信号输出的d轴、q轴的检测信号；其中，第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器对单对极导磁体组合件的磁极信号采集后获得相位相差120度的原始三相霍尔信号，所述原始三相霍尔信号为第五检测信号，第六检测信号和第七检测信号；然后对获得的原始三相霍尔信号作零点漂移的处理后输出相位相差90度的d轴、q轴的检测信号。

优选地，所述第一线性霍尔传感器与第三线性霍尔传感器以及第五线性霍尔传感器在一端对齐。

较佳地，所述单对极导磁体组合件位于最外环，第二多对极磁体位于最内环，第一多对极磁体介于单对极导磁体组合件与第二多对极磁体之间且第一多对极磁体与第二多对极磁体的起始磁极安装位置存在角度差。

优选地，所述第一多对极磁体、第二多对极磁体的磁化方向与伺服电机转轴的径向或轴向一致；所述单对极导磁体组合件的磁化方向与伺服电机转轴的径向或轴向一致。

较佳地，所述执行机构为丝杆、导轨、减速机、二维转台、数控操作平台中的任意一种。

本发明的有益效果：本发明将单对极导磁体组合件中的第一环形导磁体的一轴向端面设置成齿形部，第二环形导磁体上设置一与齿形部完全对立的平滑部，并保持两者之间留有开口的情形下，当单对极导磁体组合件同轴旋转一周，利用霍尔元件采集到的检测信号中的周期数量与齿形部的齿数一一对应，即齿形部具有P个齿将获得含有P个周期的检测信号，这正好与P个极对数的多对极磁体利用霍尔元件采集的检测信号完全吻合。此时，可将单对极导磁体组合件相当于一个具有极对数为P的多对极磁体。

此外，本发明提供的工业级伺服系统中采用的多对极磁电编码器是在原有内外环多对极磁体的径向最外圈增设一个磁极对数要远远大于内外环磁极对数的多对极磁体，由于极对数的增加，将导致多对极磁体中磁极对的难以制作和难以粘结的问题，本发明采用单对极导磁体组合件可完美避开这一缺陷，即采用机加工的方式可容易在第一环形导磁体上加工出具有P个齿的齿形部，这样就实现了最外环多对极磁体极对数的大幅增加，利用原有内外环多对极磁体获取的具有一定精度的机械角度来标定最外环多对极磁体的实际旋转角度，从而大幅度提高磁电编码器的测量精度，相应地也就大幅提升了伺服系统的定位精度和角度控制精度。本发明提供的工业级伺服系统尤其适用于大中型伺服系统角度检测及位置检测的工况场景。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出本申请实施例的工业级伺服系统组成结构框图；

图2示出本申请实施例多对极磁电编码器的截面剖视图；

图3示出本申请实施例多对极磁电编码器的截面立体图；

图4示出本申请实施例多对极磁电编码器绝对角度检测方法流程图；

图5示出本申请实施例中两个线性霍尔传感器信号检测原理图；

图6示出本申请实施例中两个线性霍尔元件检测信号示意图；

图7示出本申请实施例中三个线性霍尔传感器信号检测原理图；

图8示出本申请实施例中三个线性霍尔传感器检测信号示意图；

图9示出本申请实施例中利用三个霍尔信号消除零点漂移的原理图；

图10示出本申请实施例中合成两相霍尔信号的原理图；

图11出图2-3中第二多对极磁体与第一多对极磁体的起始磁极安装位置存在角度差θ_x的示意图；

图12示出本申请实施例的磁极位置特征值取值数量示意图；

图13示出本申请实施例中多对极磁电编码器绝对角度的角度切换选择输出关系的线性示意图；

图14示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法流程图；

图15示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法第一子流程图；

图16示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法第二子流程图。

具体实施方式

下面将参考附图更全面地描述示例实施例。然而，示例实施例能以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施例。提供这些实施例是为使得本发明更全面和完整，并将示例实施例的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。

此外，所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施例中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本发明实施例的充分理解。

应理解，虽然本文中可能使用术语第一、第二、第三等来描述各种组件，但这些组件不应受这些术语限制。这些术语只用以进行区分。如本文中所使用，术语“及/或”包括相关联的列出项目中的任一个及一或多个的所有组合。

本领域技术人员可以理解，附图只是示例实施例的示意图。附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的，因此不能用于限制本发明的保护范围。

随着精益装备控制精度的提升，其对磁电式编码器的分辨率要求也越来越高。为了增加编码器的分辨率，通常会增加磁极对的数量，但是在实际应用过程中，当内外环多对极磁电编码器的磁极对数增加到一定数量时，一方面，加工的单个磁极对的厚度将锐减成1mm之内，不仅不利于磁极对的粘接，而且还会造成多对极磁体在粘结的过程中易碎易断的问题；另一方面，由于误差及噪声的影响，磁敏元件采集的检测信号将在某一角度区间内完全重合，这将导致无法获取磁电编码器的绝对角度，也就无法实现伺服控制系统精密控制的要求。

为了解决上述问题，本申请提供一种多对极磁电编码器，该多对极磁电编码器包含有一单对极导磁体组合件。本发明将单对极导磁体组合件中的第一环形导磁体的一轴向端面设置成齿形部，第二环形导磁体上设置一与齿形部完全对立的平滑部，并保持两者之间留有开口。当单对极导磁体组合件同轴旋转一周时，利用霍尔元件采集到的检测信号中的周期数量与齿形部的齿数一一对应，即齿形部具有P个齿将获得含有P个周期的检测信号，这正好与P个极对数的多对极磁体利用霍尔元件采集的检测信号完全吻合。此时，可将单对极导磁体组合件相当于一个具有极对数为P的多对极磁体。

在此基础上，本申请提供一种工业级伺服系统。该工业级伺服系统中的多对极磁电编码器采用径向环形同轴设置的三组多对极磁体，其中最外环多对极磁体即为上述单对极导磁体组合件。本发明的核心是在原有内外环多对极磁体的径向最外圈增设一个磁极对数要远远大于内外环磁极对数的多对极磁体，利用原有内外环多对极磁体获取的具有一定精度的机械角度来标定最外环多对极磁体的实际旋转角度，从而大幅度提高磁电编码器的测量精度，相应地也就大幅提升了伺服控制系统的定位精度和角度控制精度。本发明提供的工业级伺服系统尤其适用于大中型伺服系统角度检测及位置检测的工况场景。以下将结合附图详细介绍本申请的技术方案。

图1示出本申请实施例的工业级伺服系统组成结构框图。

如图1所示，所述工业级伺服系统包括：伺服控制器、伺服驱动器、多对极磁电编码器、伺服电机、执行机构以及上位机。

其中，多对极磁电编码器，与所述伺服电机同轴设置并根据伺服电机的转速范围输出对应于该转速范围下的高精度和/或超高精度的绝对角度；伺服控制器，包括控制单元和电流传感器，本例中的控制单元为MCU控制芯片；所述控制单元接收多对极磁电编码器反馈的伺服电机轴角度信息以及接收电流传感器采集的电流信号，经过处理后由伺服控制器发出控制伺服电机的工作指令；伺服驱动器，接收所述伺服控制器发出的控制指令并根据伺服电机的负载要求，输出伺服电机的驱动信号；执行机构，与所述伺服电机相连，由伺服电机驱动执行机构实现对其运动状态的精密控制；上位机，与控制器相通讯，发送伺服电机的角度指令至伺服控制器。

根据本申请的示例实施例，所述多对极磁电编码器包括编码器磁体结构100和电路板。编码器磁体结构100包括同轴径向环形设置的第二多对极磁体120、第一多对极磁体110和单对极导磁体组合件130。电路板上设置有第一组霍尔元件、第二组霍尔元件和第三组霍尔元件。本例中，电路板图中未示出。

根据本申请的示例实施例，所述伺服电机为永磁同步伺服电动机，包含定子、转子、转轴、磁钢、绕组以及一系列连接件。第一多对极磁体110、第二多对极磁体120、单对极导磁体组合件130和电路板同时工作。第一多对极磁体110、第二多对极磁体120及单对极导磁体组合件130随同伺服电机的转轴一同旋转。电路板上的三组霍尔元件则保持静止。

图2示出本申请实施例多对极磁电编码器的截面剖视图。

图3示出本申请实施例多对极磁电编码器的截面立体图。

如图2、图3所示，多对极磁电编码器，包括：在第一空间平面内同轴径向环形设置的第二多对极磁体120、第一多对极磁体110和单对极导磁体组合件130，单对极导磁体组合件130包括同轴线径向依次紧密贴合安装的第一环形导磁体135、单对极环形磁体134和第二环形导磁体136，其中，所述第一环形导磁体135在其一个轴向端面上开设有齿形部，所述第二环形导磁体136具有一个与该齿形部完全相对立的平滑部，齿形部与平滑部形成一个环形的开口区域，在此结构下，所述单对极导磁体组合件130实现在其径向截面上整体形状趋于闭合，其中，所述开口区域的开口方向与单对极环形磁体134的径向方向相一致，并在其齿形部上开有P个齿且p≥100。

第一多对极磁体110包括m对磁极且3≤m＜23，第二多对极磁体120包括n对磁极且3≤n＜23，m大于n且mn＜23×19，单对极导磁体组合件130包括p对磁极且p≥100。p可为100、200、300、400、500、600、700、800，甚至更多，P的数量越多，最终磁电编码器的精度越高。例如，根据一些实施例，m和n为质数且彼此互质。如图2、3所示，本实施例中，m为5，n为3，p为100，但本申请不限于此。

根据本申请的示例实施例，单对极导磁体组合件130位于最外环，第二多对极磁体120位于最内环，第一多对极磁体110介于单对极导磁体组合件130与第二多对极磁体120之间。本申请为了方便描述，将外环、中间环、内环分别对应单对极导磁体组合件130、第一多对极磁体110、第二多对极磁体120。第一多对极磁体110的极对数m大于第二多对极磁体120的极对数n。这是因为中间环的直径要大于内环直径，为了使磁体尺寸均匀，中间环磁体磁极对的数目要大于内环磁体磁极对的数目。

本申请中限定了中间环的极对数m与内环的极对数n，目的是为了在实际应用过程中，可以获取到有效的检测信号，避免检测信号在某一角度区间内发生重合。

根据本申请的一些实施例，第一多对极磁体110的磁化方向可以与伺服电机转轴的径向或轴向一致。在图2、3所示的实施例中，第一多对极磁体110的磁化方向设置为轴向。第二多对极磁体120的磁化方向也可与伺服电机转轴的径向或轴向一致。图2、3所示的实施例中，第二多对极磁体120的磁化方向设置为轴向。同理，单对极导磁体组合件130的磁化方向也可与伺服电机转轴的径向或轴向一致。图2、3所示的实施例中，单对极环形磁体134的磁化方向设置为轴向。本申请对磁化方向不作限制。

第一多对极磁体110、第二多对极磁体120均可由多个磁对极粘连形成，但不限于此。根据本申请的实施例，磁体可以采用钕铁硼永磁材料制成，多个磁体可贴附于基板上，或直接贴附在转轴端部。根据一些实施例，多个磁体可设置在支撑板上。支撑板可为环形结构，沿其内孔圆周法向方向可依次设置第二多对极磁体120、第一多对极磁体110及单对极导磁体组合件130。固定方式可以为胶接，并在安装固定时，第一多对极磁体110与第二多对极磁体120的起始磁极存在安装的角度差。

如图2、3所示，多对极磁电编码器，还包括第一组霍尔元件、第二组霍尔元件和第三组霍尔元件，用于检测多对极磁体产生的磁信号。

第一组霍尔元件，包括第一线性霍尔传感器111和第二线性霍尔传感器112，与所述第一多对极磁体110相邻设置，并根据所述第一多对极磁体110的磁极信号输出第一组检测信号。第一线性霍尔传感器111和第二线性霍尔传感器112的输出信号相位相差90度。

第二组霍尔元件，包括第三线性霍尔传感器121和第四线性霍尔传感器122，与所述第二多对极磁体120相邻设置，并根据所述第二多对极磁体120的磁极信号输出第二组检测信号。第三线性霍尔传感器121和第四线性霍尔传感器122的输出信号相位相差90度。

第三组霍尔元件，包括第五线性霍尔传感器131、第六线性霍尔传感器132和第七线性霍尔传感器133，且设于所述齿形部与所述平滑部之间，并根据所述单对极导磁体组合件130的磁极信号输出修正的第三组检测信号。第五线性霍尔传感器131、第六线性霍尔传感器132和第七线性霍尔传感器133的输出信号相位相差120度。

在这里需要注意的是，第三组霍尔元件在单对极导磁体组合件130绕轴旋转一周后，将采集到三种原始检测信号，每种原始检测信号中的周期数量正好与第一环形导磁体135中齿形部的齿数完全一致。即齿形部的齿数P与检测信号中的周期数相吻合，因此，可将具有P个齿数的单对极导磁体组合件130认为是一个具有极对数为P的多对极磁体。

根据齿形结构可以得知：每个齿都含有一个齿顶部和一个齿凹陷部，根据齿顶部、齿凹陷部与平滑部之间的距离可反映出磁场强度的变化，即根据磁场强度的特性，在齿顶部与平滑部之间的距离小于齿凹陷部与平滑部之间距离的情况下，齿顶部与平滑部之间的磁场强度将大于齿凹陷部与平滑部之间的磁场强度。

根据一些实施例，在上述编码器结构中，所述第一线性霍尔传感器111和第三线性霍尔传感器121以及第五线性霍尔传感器131在一端对齐。

图4示出本申请实施例多对极磁电编码器绝对角度检测方法流程图。

本申请还提供一种上述多对极磁电编码器绝对角度的检测方法，如图4所示，包括：

在步骤S410，通过第一组霍尔元件、第二组霍尔元件、第三组霍尔元件分别获得第一组检测信号、第二组检测信号和修正的第三组检测信号。

本申请提供的多对极磁电编码器包括同轴径向依次环形安装的内环、中间环、外环三组多对极磁体，其中，内环与中间环磁体的磁极对数互质，三组磁体同轴心的安装在转轴上，并采用隔离手段进行隔离，以防止产生磁场耦合。三组多对极磁体周围的磁场在圆周方向上呈现为正弦分布。

分别与中间环、内环多对极磁体对应设置的第一组霍尔元件、第二组霍尔元件中的两个线性霍尔传感器以90°电角度的夹角布置。下面结合图5、6介绍采用两个线性霍尔传感器检测内环或中间环磁体磁信号的原理。

图5示出本申请实施例中两个线性霍尔传感器信号检测原理图。

图6示出本申请实施例中两个线性霍尔元件检测信号示意图。

磁体随着转轴旋转一周，其所在空间的任意一点的磁场变化是有规律的，利用两个电角度相差90°的线性霍尔传感器可以将这一变化转换成正、余弦电信号，且该电信号变化频率与磁极旋转的频率相同。如图5、6所示，对于3对极的内环磁体而言，磁体旋转一周，第三线性霍尔传感器121和第四线性霍尔传感器122分别检测到了三个周期的正、余弦信号，即一组检测信号。通过中间环设置的第一组霍尔元件可获得第一组检测信号。通过内环设置的第二组霍尔元件可获得第二组检测信号。

在实际过程中，两霍尔布置方式常选用以电角度90°的夹角进行布置。但是两霍尔方式很难消除因为加工或装配导致的误差，而且对于磁场中存在的谐波误差，这种方式也难以抑制。提高霍尔的数量或者使其对称布置，主要的效果就是使用对称抵消的方式降低机械误差，同时还可以抵消谐波分量。为此，本申请在外环的多对极磁体上设置了三霍尔的布置方式，同时三个霍尔电角度在120°时可以获得较高的计算精度。

将第三组霍尔元件与外环多对极磁体相邻设置，并将三个线性霍尔传感器以120°电角度的夹角进行间隔布置。下面结合图7-10介绍三个线性霍尔传感器检测外环多对极磁体磁信号的原理。

图7示出本申请实施例中三个线性霍尔传感器信号检测原理图。

图8示出本申请实施例中三个线性霍尔传感器检测信号示意图。

图9示出本申请实施例中利用三个霍尔信号消除零点漂移的原理图。

图10示出本申请实施例中合成两相霍尔信号的原理图。

根据上述原理，容易得知利用三个电角度相差120°的线性霍尔传感器也可以将这一磁场变化转换成正、余弦电信号。如图7、8所示，对于外环为6对极的一组多对极磁体而言，磁体旋转一周，第五线性霍尔传感器131、第六线性霍尔传感器132和第七线性霍尔传感器133分别检测到了六个周期的正、余弦信号，即原始三相霍尔信号。这里的原始三相霍尔信号在图9中分别采用U₁、U₂、U₃进行表示且U₁对应第五线性霍尔传感器131的检测信号；U₂对应第六线性霍尔传感器132的检测信号；U₃对应第七线性霍尔传感器133的检测信号。

由于霍尔布置、机械装配等问题，原始的三相霍尔信号U₁、U₂、U₃叠加了一些误差信号，在合成两相90°相位差的分量U_d、U_q时，大概率会出现零点的漂移。

因此，需要对采集的原始三相霍尔信号作零点漂移的处理，如图9所示，具体按照以下公式进行计算：

式中，U₁、U₂、U₃为原始三相霍尔信号；U_shift为信号漂移量；U′₁、U′₂、U′₃为去除漂移量后的三相霍尔电压信号。

然后再将去除零点漂移的三相霍尔电压信号合成两相90°相位差的U_d、U_q信号，如图10所示，具体采用以下公式进行转换：

式中，α为第三组霍尔元件中任意一个线性霍尔传感器的检测信号电角度与水平方向的夹角，U_d、U_q为输出的两相霍尔电压信号即为修正的第三组检测信号。

此时，可将修正的两相相位差为90°的第三组检测信号近似的看成由两个线性霍尔传感器采集的正、余弦检测信号。为了方便后续的文字说明，本申请将第三组霍尔元件近似的看成两个线性霍尔传感器以电角度90°的夹角进行布置。

当然，本申请的内环及中间环也可采用三霍尔传感器布置的形式来提高测量精度，然后再利用上述的公式将采集的检测信号转换成两相相位差为90°的检测信号。

在步骤S420，对所述第一组检测信号、第二组检测信号、修正的第三组检测信号分别进行角度解算获得第一电角度值、第二电角度值和第三电角度值。

应用线性霍尔传感器得到了正、余弦信号后，通过A/D转换电路可以得到一定位数的数字电压值。即，对第一组检测信号或第二组检测信号或修正的第三组检测信号分别进行A/D转换后获得第一组电压值或第二组电压值或第三组电压值。而此时的数字电压值虽然与编码器的测量角度值有一定关系，但并不是编码器的测量角度值，还需要进行角度解算。

对每一组磁极的信号而言，两个线性霍尔传感器在空间上的位置相差90°，使得两个线性霍尔传感器输出的正余弦信号在相位上相差90°。此时即可将相位超前的信号认为是正弦信号，将相位滞后的信号认为是余弦信号。用正弦信号除以余弦信号即可得到该点信号的正切值，随后对该正切值进行反正切处理，即可得到该点位置的电角度值。

由于正切函数的区间为[-90°，90°]，直接按照上述过程进行角度解算将会导致角度解算的区间错误。因此需要通过分区间的方法来解决区间错误问题，即，根据所述第一组电压值或第二组电压值或第三组电压值中电压值的正负性及数值大小，获得所述第一组检测信号或第二组检测信号或修正的第三组检测信号所在的电角度区间。

以一组磁极的角度解算为例，可以将该一组磁极的360°以45°为间隔划分为8个等长度的区间。通过判断两个线性霍尔元件检测的电压值大小和正负性，来判断此时的霍尔信号所处的位置，分区间反正切算法的实现原理如下表1所示。其中的VA、VB为相位相差90°的线性霍尔检测信号。

表1角度区间的划分

通过以上的角度区间的划分，就可以实现霍尔元件采集的信号到角度信号的转化，并且转化后的电角度区间范围为[0°，360°]。

对于本申请的多对极磁电编码器而言，根据第一组电压值、第二组电压值及第三组电压值中电压值的正负性及数值大小，可以获得第一组检测信号、第二组检测信号及修正的第三组检测信号所在的角度区间。根据该角度区间，就可以按照表1对第一组电压值或第二组电压值或第三组电压值采用反正切算法获得第一电角度值、第二电角度值及第三电角度值。这里的电角度值指代的是单对磁极周期的电角度值，简称为单周期电角度值。

在角度测量的过程中，三组多对极磁体同时随着转轴进行转动，线性霍尔元件保持静止，用于接收磁极在旋转过程中产生的变化磁场信号。线性霍尔的感应信号通过上述反正切查表法处理，就可以获得被测量磁体的单对磁极周期的电角度值。在确定了单周期的电角度值后，再确定该单周期的电角度值所处的磁极区间、最后再在单对极导磁体组合件130上确定齿数区间，才能最终获得多对极磁电编码器检测的绝对角度值。

在本申请提供的多对极磁电编码器绝对角度检测方法中，首先要根据内环磁体与中间环磁体的两组检测信号，确定出一个具有一定精度的初始机械角度，然后利用该初始机械角度去标定外环磁体单周期电角度值当前处于外环齿数区间的哪一个具体的齿数区间，最后利用机械角度值的计算公式计算出多对极磁电编码器的机械角度。本申请中提到的机械角度也称之为绝对角度。

接下来，本申请将详细描述如何获取具有一定精度的初始机械角度。

在本申请中，初始机械角度的计算可按照以下公式进行计算：

θ_{_single}＝N_m×360°/m+θ_m/m公式(3)其中，N_m∈[0，m-1]或

θ_{_single}＝(N_m-1)×360°/m+θ_m/m公式(4)其中，N_m∈[1，m]

式中，θ_{_single}为初始机械角度，θ_m为第一多对极磁体110上的线性霍尔传感器测得的单周期电角度值，N_m为θ_m所处的第一磁极区间；m为第一多对极磁体110的磁极对数。这里，θ_m也称之为第一电角度值。

对于图2-3中所示的编码器，内环磁体与中间环磁体的起始磁极安装位置存在角度差θ_x，如图11所示，则初始机械角度还可以表示为：

θ_{_single}＝N_n×360°/n+θ_n/n+θ_x公式(5)其中，N_n∈[0，n-1]或

θ_{_single}＝(N_n-1)×360°/n+θ_n/n+θ_x公式(6)其中，N_n∈[1，n]

式中，θ_{_single}为初始机械角度，θ_n为第二多对极磁体120上的线性霍尔传感器测得的单周期电角度值，N_n为θ_n所处的第二磁极区间；n为第二多对极磁体120的磁极对数。θ_n也称之为第二电角度值。

因此，在已经获得第一电角度值或第二电角度值的基础上，只要确定其对应的磁极区间，就可以按照上述公式(3)—公式(6)计算出初始机械角度值。

在步骤S430，根据所述第一多对极磁体110的磁极对数m、所述第二多对极磁体120的磁极对数n、所述第一电角度值、所述第二电角度值，确定所述第一电角度值对应的第一磁极区间。

当第一多对极磁体110上的线性霍尔传感器测得两次相同的单周期电角度值时，对应第二多对极磁体120上的线性霍尔传感器测得的两次单周期电角度值不同，由此可以分辨第一多对极磁体110单周期电角度当前所在的磁极对数即磁极区间。

对于本申请提供的编码器磁体结构100，在第一多对极磁体110和第二多对极磁体120的磁极对数m、n的最大公约数为1，即互质的情况下，第一多对极磁体110的每一对极都有与之对应的不重复的第二多对极磁体120的磁极部分。下面通过反证法来证明。

假设存在正整数N_m1，N_m2，N_n1，N_n2，N_m1≠N_m2，使下式成立：

(N_m1-1)×360°/m+θ_m/m＝(N_n1-1)×360°/n+θ_n/n+θ_x

(N_m2-1)×360°/m+θ_m/m＝(N_n2-1)×360°/n+θ_n/n+θ_x公式(7)

其中，θ_m为第一多对极磁体110上的线性霍尔传感器测得的单周期电角度值，N_m1，N_m2∈[1，m]、为两次测得θ_m所对应的第一磁极区间；θ_n为第二多对极磁体120上的线性霍尔传感器测得的单周期电角度值，N_n1，N_n2∈[1，n]、为两次测得θ_n所对应的第二磁极区间；θ_x为两组磁体中一对磁极起点的安装角度差。

将公式(7)中的两式相减，可得：

由于m、n互质，且N_m1-N_m2∈[1，m-1]，因此公式(8)恒不成立，即，公式(7)恒不成立。

由公式(8)进一步可得：

公式(9)对于任意不同的N_m以及其相对应的N_n，均不成立。即，对于不同的第一多对极磁体110中的磁极对以及相对应的第二多对极磁体120中的磁极对，公式(9)不成立。由此可以证明，当第一多对极磁体110上的线性霍尔传感器测得相同的单周期电角度值时，对应第二多对极磁体120上的线性霍尔传感器测得的两次单周期电角度值不同。这样就可以通过第一多对极磁体110和第二多对极磁体120之间的位置关系来分辨第一角度值当前所在的磁极区间。

由公式(3)和公式(5)联立可得：

可以看到表达式右边的数值是一个不含有当前采样点的单周期电角度值，其数值的大小只取决于内环及中间环的磁极区间号码，在磁极区间号码组(N_m，N_n)固定的情况下，其数值为一个常量，此常量即为映射区间号码组的特征值。

设并将其定义为磁极位置特征值。由公式(10)可以看出，当第一多对极磁体110与第二多对极磁体120的磁极对数不变时，磁极位置特征值不变。当其中至少一个变化时，磁极位置特征值也将变化，否则等式(9)成立，与磁极对数互质的前提相矛盾。由此，可以通过计算磁极位置特征值来确定当前电角度所在的磁极区间。

当θ_x≠0时，即内环、中间环磁体的某对磁极起点不重合，也无法通过改变坐标起点使其重合时，磁极位置特征值λ共有m+n种不同的取值。如图12所示。

图12示出本申请实施例的磁极位置特征值取值数量示意图。

图12中，中间环磁体为m对极，m取5，因此用5个方框来表示5对磁极的平面展开示意。内环磁体为n对极，n取3，将其进行平面展开后，相当于在5个方框中引入了3条竖线。由于θx≠0，因此，共有m+n+1条线将分成了m+n份。即，对于一5对极磁体和一3对极磁体的编码器而言，位置特征值共有8种不同的取值。依此类推，对于一23对极磁体和一19对极磁体的编码器而言，磁极位置特征值共有42种不同的取值。

在内环、中间环磁体安装完成后，θ_x的值已经确定，那么m+n种不同的取值就已经是定值了。根据第一多对极磁体110的磁极对数m和第二多对极磁体120的磁极对数n以及所述第一电角度值和所述第二电角度值，就可以确定出与第一多对极磁体110相对应的磁极位置特征值。以图11中所示的多对极磁电编码器结构为例，θ_x＝40°时，磁体的旋转方向为顺时针时，通过标定获得的磁极位置特征值和对应的第一多对极磁体110上的磁极区间如表2所示。

表2λ值与第一多对极磁体磁极区间的对应关系

通过表2中λ与磁极区间之间的对应关系，可以完成对磁极位置的识别，即根据磁极位置特征值，计算出所述第一电角度值当前所在的第一磁极区间。

在步骤S440，根据所述第一磁极区间、所述第一多对极磁体110的磁极对数m、所述第一电角度值确定出由第一多对极磁体110和第二多对极磁体120所形成的初始机械角度θ_{_single}。

在确定了第一电角度值及该电角度值所处的第一磁极区间后，即可根据公式(3)得到由第一多对极磁体110和第二多对极磁体120所形成的初始机械角度。

在步骤S450，根据所述初始机械角度，对所述第三电角度值当前所在的齿数区间进行标定。

在获得了初始机械角度的前提下，就能利用该初始机械角度去标定外环磁体第三电角度值当前所在的齿数区间。

在本申请中，齿数区间N_p与初始机械角度存在以下的对应关系：

N_p＝INT(θ_{_single}×p/360)，N_p∈[0，p-1]

因此，将初始机械角度与齿数区间的对应关系建立索引表，索引表的第一列为初始机械角度的取值，第二列为该项初始机械角度对应的齿数区间的区间号。由于初始机械角度是一个绝对角度，其取值范围为[0°，360°]，所以第一列的第一行为数字0，第一列的最后一行为数字360。

示例性的，假设外环多对极磁体的齿数P为5，则通过标定获得的初始机械角度和对应的齿数区间如表3所示。

表3初始机械角度与单对极导磁体组合件中齿数区间关系索引表

初始机械角度θ_single	齿数区间P
		0	0
1	0
		2	0
3	…
		…	3
358	3
		359	4
360	4

因此，只需要确定出初始机械角度的度数，即可查表获得齿数区间的数值。但需要注意的是：在制表时，需要将初始机械角度这一列的行数设置成远远大于单对极导磁体组合件130的磁极对数即齿数P，这样才能大幅度提高磁电编码器的精度。

例如：在表3中，初始机械角度这一列的行数为360行，而单对极导磁体组合件130的齿数P只有5，满足远远大于单对极导磁体组合件130的齿数P的要求。

假设单对极导磁体组合件130的齿数P为360，可以将初始机械角度这一列的行数设置成360行，即初始机械角度的每一度对应一个单对极导磁体组合件130的齿数区间；同样，也可将初始机械角度这一列的行数设置成3600行，这样初始机械角度的每0.1度对应一个单对极导磁体组合件130的齿数区间，这样磁电编码器的精度就提高了10倍。相应地，也可以将精度提高到20倍、30倍，甚至100倍或更多倍，这就是行数要远远大于磁极对数的意义所在。

在步骤S460，利用确定的齿数区间，单对极导磁体组合件130的齿数p、第三电角度值按照以下公式确定出多对极磁电编码器的绝对角度：

θ＝N_p×360°/p+θ_p/p

式中，θ为多对极磁电编码器输出的绝对角度，N_p为第三电角度值θ_p当前所处的磁极区间号码，N_p∈[0，p-1]。

基于上述内容可知，多对极磁电编码器可以输出两种精度的绝对角度，即θ₁与θ₂，其中，θ₁为由第一多对极磁体110和第二多对极磁体120所确定的高精度绝对角度θ_{_single}，此时θ₁＝θ_{_single}；θ₂为利用所获得高精度绝对角度θ₁结合单对极导磁体组合件130所确定的超高精度绝对角度θ，此时θ₂＝θ；而在多对极磁电编码器与伺服电机的实际结合应用中，多对极磁电编码器的检测精度会受到伺服电机最高转速的限制，即：以多对极磁电编码器所允许的最高转速为8000rpm为例，当伺服电机的最高转速为6400rpm时，多对极磁电编码器可以维系其超高精度的绝对角度输出能力，即输出θ₂；当伺服电机的最高转速大于9600rpm时，多对极磁电编码器的电信号频率将无法跟随伺服电机的最高转速，故而会使输出的θ₂失效。

鉴于此，由于伺服电机最高转速限制的存在，使得多对极磁电编码器最终输出的绝对角度会在θ₁与θ₂中存在如下公式的角度切换输出关系：

式中，θ₃为多对极磁电编码器最终输出的绝对角度；

ω为伺服电机当前的最高转速；

ω₀为多对极磁电编码器输出的超高精度绝对角度所允许的最高转速的0.8倍，即：其中T表示控制指令的控制周期，k表示第k个控制周期；

ω₁为多对极磁电编码器输出的超高精度绝对角度所允许的最高转速的1.2倍，即：其中T表示控制指令的控制周期，k表示第k个控制周期；

此外，为了理解上述绝对角度的角度切换选择输出关系，本申请还提供如图13所示的线性示意图，结合公式(11)与图13可知：

当ω小于等于ω₀时，多对极磁电编码器最终输出的绝对角度θ₃＝θ₂；

当ω大于ω₀且同时小于ω₁时，多对极磁电编码器最终输出的绝对角度θ₃将结合θ₂与θ₁同时进行取值；

当ω大于等于ω₁时，多对极磁电编码器最终输出的绝对角度θ₃＝θ₁。

因此，基于上述内容，就可以获取到多对极磁电编码器输出的最终绝对角度，然后结合伺服系统的工作原理，就可实现对伺服系统的精确控制。

图1示出本申请实施例的工业级伺服系统组成结构框图。

如图1所示，工业级伺服系统在工作过程中，由多对极磁电编码器检测伺服电机的电机轴转角，以获得电机轴转动的角度或位置；并将电流传感器采集的电流信号传输给控制单元，通过控制单元的处理计算输出六路PWM信号，驱动IPM逆变器电路的工作，从而由控制器输出驱动伺服电机工作的三相电压信号即工作指令，伺服驱动器接收该工作指令后，根据伺服电机的负载要求，输出与伺服电机负载相匹配的驱动信号，伺服电机接收此驱动信号后，带动执行机构实现其精确控制。在本例中，执行机构可为丝杆、导轨、减速机、二维转台、数控操作平台中的任意一种。

图14示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法流程图。

如图14所示，工业级伺服系统的控制方法，包括：

S1：电流传感器采集所述伺服电机的输入电流信号；

S2：多对极磁电编码器检测并输出所述伺服电机的角度信息；

S3：控制器接收数据、进行数据处理后输出伺服电机工作的电压信号；

S4：伺服驱动器接收伺服控制器的工作电压信号，并根据伺服电机的负载要求，输出伺服电机的驱动信号；

S5：伺服电机接收驱动信号并驱动执行机构运动实现其运动状态的精密控制。

图15示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法第一子流程图。

如图15所示，所述多对极磁电编码器检测并输出所述伺服电机的角度信息S2，包括：

S21：通过三组线性霍尔元件采集伺服电机旋转时带动磁体产生的旋转磁场信息；

S22：通过放大器、A/D转换器进行信号放大与转换；

S23：通过查表与计算程序输出伺服电机转动的实际角度信息。

图16示出本申请实施例中工业级伺服系统控制方法第二子流程图。

如图16所示，控制器接收数据、进行数据处理后输出伺服电机工作的电压信号S3，包括：

S31：接收电流传感器检测到的电流信号，经过A/D采样后输出数字量的电流信号；

S32：接收多对极磁电编码器输出的伺服电机转动的实际角度信息并输出；

S33：接收上位机的指令信号和伺服电机轴的转动角度信息，运算得到电流指令并输出；

S34：接收电流指令和数字量的电流信号，运算得到三相电压的占空比控制信号并输出；

S35：接收三相电压占空比控制信号，生成具有六路PWM信号，驱动IPM逆变器电路工作，从而由控制器输出驱动伺服电机工作的工作指令。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、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.工业级伺服系统，其特征在于：包括伺服电机；

多对极磁电编码器，与所述伺服电机同轴设置并根据伺服电机的转速范围输出对应于该转速范围下的高精度和/或超高精度的绝对角度，其中，所述多对极磁电编码器包括同轴径向环形设置的第二多对极磁体、第一多对极磁体以及单对极导磁体组合件和电路板，其中，所述第一多对极磁体包括m对磁极且3≤m＜23，所述第二多对极磁体包括n对磁极且3≤n＜23，m大于n且为彼此互质的自然数，所述单对极导磁体组合件包括同轴线径向依次紧密贴合安装的第一环形导磁体、单对极环形磁体和第二环形导磁体，其中，所述第一环形导磁体在其一个轴向端面上开设有齿形部，所述第二环形导磁体具有一个与该齿形部完全相对立的平滑部，齿形部与平滑部形成一个环形的开口区域，其中，所述开口区域的开口方向与单对极环形磁体的径向方向相一致，并在其齿形部上开有P个齿且p≥100；此外，所述电路板上包括有：

第一组霍尔元件，包括第一线性霍尔传感器和第二线性霍尔传感器，与所述第一多对极磁体相邻设置，并根据第一多对极磁体的磁极信号输出第一组检测信号；

第二组霍尔元件，包括第三线性霍尔传感器和第四线性霍尔传感器，与所述第二多对极磁体相邻设置，并根据第二多对极磁体的磁极信号输出第二组检测信号；

第三组霍尔元件，包括第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器，且设于所述齿形部与所述平滑部之间，并根据单对极导磁体组合件的磁极信号输出修正的第三组检测信号；

伺服控制器，包括一控制单元和一电流传感器，所述控制单元接收多对极磁电编码器反馈的伺服电机轴角度信息以及接收电流传感器采集的电流信号，经过处理后由伺服控制器发出控制伺服电机的工作指令；

伺服驱动器，接收所述伺服控制器发出的控制指令并根据伺服电机的负载要求，输出伺服电机的驱动信号；

执行机构，与所述伺服电机相连，由伺服电机驱动执行机构实现对其运动状态的精密控制。

2.根据权利要求1所述的高精度伺服控制系统，其特征在于：所述多对极磁电编码器通过以下公式来选择输出伺服电机转速范围下的高精度和/或超高精度的绝对角度：

式中，θ₃为多对极磁电编码器输出的最终绝对角度；θ₁为由第一多对极磁体和第二多对极磁体所确定高精度绝对角度；θ₂为利用所获得的高精度绝对角度θ₁结合单对极导磁体组合件所确定的超高精度绝对角度；ω为伺服电机当前的转速；ω₀为多对极磁电编码器输出超高精度绝对角度时所允许的最高转速的0.8倍；ω₁为多对极磁电编码器输出超高精度绝对角度时所允许的最高转速的1.2倍；T表示控制指令的控制周期，k表示第k个控制周期。

3.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述伺服电机为永磁同步伺服电动机。

4.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，m和n为质数且mn＜23×19。

5.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述第一组检测信号包括：第一线性霍尔传感器、第二线性霍尔传感器根据第一多对极磁体的磁极信号输出的第一检测信号与第二检测信号；所述第一检测信号与第二检测信号的相位相差90度；

所述第二组检测信号包括：第三线性霍尔传感器、第四线性霍尔传感器根据第二多对极磁体的磁极信号输出的第三检测信号与第四检测信号；所述第三检测信号与第四检测信号的相位相差90度。

6.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述修正的第三组检测信号包括：第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器根据单对极导磁体组合件的磁极信号输出的d轴、q轴的检测信号；其中，第五线性霍尔传感器、第六线性霍尔传感器和第七线性霍尔传感器对单对极导磁体组合件的磁极信号采集后获得相位相差120度的原始三相霍尔信号，所述原始三相霍尔信号为第五检测信号，第六检测信号和第七检测信号；然后对获得的原始三相霍尔信号作零点漂移的处理后输出相位相差90度的d轴、q轴的检测信号。

7.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述第一线性霍尔传感器与第三线性霍尔传感器以及第五线性霍尔传感器在一端对齐。

8.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述单对极导磁体组合件位于最外环，第二多对极磁体位于最内环，第一多对极磁体介于单对极导磁体组合件与第二多对极磁体之间且第一多对极磁体与第二多对极磁体的起始磁极安装位置存在角度差。

9.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述第一多对极磁体、第二多对极磁体的磁化方向与伺服电机转轴的径向或轴向一致；所述单对极导磁体组合件的磁化方向与伺服电机转轴的径向或轴向一致。

10.根据权利要求1所述的工业级伺服系统，其特征在于，所述执行机构为丝杆、导轨、减速机、二维转台、数控操作平台中的任意一种。