本發(fā)明屬于編碼器研究領(lǐng)域，更具體地，涉及一種集成磁電式編碼器與電機鐵芯一體化結(jié)構(gòu)及位置解算方法。
背景技術(shù)：
：磁電式編碼器因具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、可靠性高的優(yōu)點被廣泛地應用于電機控制領(lǐng)域。目前磁電式編碼器的信號發(fā)生結(jié)構(gòu)一般是在電機軸上套裝一個單對極磁環(huán)，霍爾元件裝配在磁環(huán)外側(cè)，且與磁環(huán)同心。這種結(jié)構(gòu)使得系統(tǒng)體積變大，同時在振動劇烈的應用場合容易損壞磁環(huán)，使編碼器失效。同時，采用單對極磁環(huán)使得磁電式編碼器精度和分辨率受制于AD的精度和位數(shù)，在現(xiàn)有AD的生產(chǎn)技術(shù)水平下，提高磁電式編碼器的精度和分辨率變得尤為困難。而采用多對極磁鋼的信號發(fā)生結(jié)構(gòu)一般要增加一個零點霍爾元件以及供零點霍爾元件產(chǎn)生Z信號的特殊磁鋼處理，增加了成本和加工制造難度，不利于磁電式編碼器的使用推廣?，F(xiàn)代交流傳動系統(tǒng)要求位置傳感器具有寬溫度范圍，在工業(yè)應用場合中，一般為-40℃-80℃，而線性霍爾元件的磁敏系數(shù)會隨著溫度的變化而變化，這就導致查表相常常偏離反函數(shù)標準表，造成磁電式編碼器的精度下降。針對以上問題，授權(quán)公告號為CN104167874A的專利公開了一種帶有編碼器功能的伺服電機，該電機設(shè)置轉(zhuǎn)子邊緣齒形結(jié)構(gòu)，該齒形結(jié)構(gòu)作為磁電式編碼器磁信號產(chǎn)生部件，代替?zhèn)鹘y(tǒng)磁電式編碼器的單對極磁環(huán)。但是該結(jié)構(gòu)需要對轉(zhuǎn)子邊緣進行特殊處理，增加了加工和制造難度。同時，由于受電樞反應等影響，磁場并不會是規(guī)則的正弦波，這大大影響了磁電式編碼器的精度。其位置解算方法沒有考慮因溫度變化而造成的查表相偏離反函數(shù)標準表，在溫度變化比較大的應用場合，磁電式編碼器的精度會大大降低。為實現(xiàn)多對極磁電式編碼器的位置解算，上述專利增加了零點霍爾元件以及供零點霍爾元件產(chǎn)生Z信號的特殊磁鋼處理，增加了成本和加工制造難度。授權(quán)公告號為CN103115641A的專利公開了一種單對磁極磁編碼器中的誤差處理方法，但其運算量巨大，在線補償耗時較長，不宜用于高速場合。磁電式編碼器的精度和分辨率是制約其發(fā)展的關(guān)鍵指標，同時抗振動能力和安裝空間在某些特殊應用場合如航空航天、電動汽車等場合也尤為重要。因此，研究如何解決上述問題具有重要意義。技術(shù)實現(xiàn)要素：針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種磁電式編碼器，以解決現(xiàn)有技術(shù)體積較大、精度受溫度影響大問題，降低加工制造難度和成本。本發(fā)明提出一種磁電式編碼器，包括若干個線性霍爾元件繞轉(zhuǎn)子軸線均勻排列組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)和信號處理模塊；其中：所述環(huán)形結(jié)構(gòu)包括嵌在電機定子齒中的各線性霍爾元件，其數(shù)量及安裝位置與電機定子鐵芯齒對應；各線性霍爾元件結(jié)構(gòu)與材料相同，用于檢測電機轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙磁場；各線性霍爾元件按電機繞組分相原理分成三組，各組交叉間隔，連接信號處理模塊；所述信號處理模塊安裝在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)上，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置解算；該模塊包括數(shù)據(jù)采集模塊、Clark變換模塊、溫漂校正模塊、查表模塊和基準表模塊；其中：所述數(shù)據(jù)采集模塊、Clark變換模塊、溫漂校正模塊和查表模塊依序串接；所述數(shù)據(jù)采集模塊用于采集、合成三組霍爾元件傳來的三路對稱的正弦信號；所述Clark變換模塊用于對數(shù)據(jù)采集模塊輸出的三路信號進行Clark變換后送入溫漂校正模塊；所述溫漂校正模塊用于校正溫度變化引起的誤差；所述基準表模塊用存儲預選標定的三路對稱正弦信號與轉(zhuǎn)子角度一一對應關(guān)系的基準表；所述查表模塊用于將溫漂校正模塊輸出信號映射到基準表，從而確定轉(zhuǎn)子角度。進一步的，所述的磁電式編碼器工作時，所述數(shù)據(jù)采集模塊將線性霍爾器件采集的信號合成為三路正弦信號，分別經(jīng)過Clark模塊、溫漂校正模塊處理后，送入查表模塊；查表模塊查詢基準表得到-30°-30°之間的轉(zhuǎn)子角度，通過查表相映射和角度區(qū)間轉(zhuǎn)換，得到0°-360°的轉(zhuǎn)子位置角。進一步的，所述數(shù)據(jù)采集模塊進行以下操作：(1)將所述的三組霍爾元件采集到的電信號經(jīng)信號處理模塊采樣數(shù)據(jù)后，按下式求合成后的相磁感應強度BA標定、BB標定、BC標定：其中，BAi標定、BXi標定、BBj標定、BYj標定、BCk標定、BZk標定表示中每個定子槽中霍爾元件感應到的磁感應強度，A與X，B與Y及C與Z分別表明三個繞組的兩端，i，j，k表示槽號；(2)將BA標定、BB標定、BC標定三個相磁感應強度轉(zhuǎn)化為三個線相磁感應強度BAB標定、BBC標定、BCA標定，用于消除信號三次諧波分量和直流偏移，提高磁電式編碼器的精度和分辨率：其中，BAB標定、BBC標定、BCA標定表示標定過程中的線磁感應強度；(3)將BAB標定、BBC標定、BCA標定進行三相歸零重構(gòu)，從而將個別角度區(qū)間較大的解算誤差由各角度區(qū)間共同分擔，減小最大解算誤差；其中，Bx標定、By標定、Bz標定表示標定過程中經(jīng)三相歸零重構(gòu)后的線磁感應強度。進一步的，所述Clark模塊進行以下操作：將Bx標定、By標定、Bz標定信號經(jīng)Clark變換求得Bα標定、Bβ標定：其中，Bα標定、Bβ標定表示經(jīng)Clark變換后的線磁感應強度；由Bα標定、Bβ標定求得標定正弦信號幅值為：其中，B1是Bx標定、By標定、Bz標定的幅值。進一步的，所述溫漂模塊進行以下操作：在工作時，設(shè)通過Clark模塊信號幅值B2，用其除標定時通過Clark模塊信號幅值B1，即得溫漂系數(shù)K；將Clark模塊輸出的三路對稱正弦信號Bx實際、By實際、Bz實際進行溫漂校正，即得到消除溫漂后的待查表信號Bx、By、Bz；進一步的，所述查表模塊進行以下操作：區(qū)間劃分：將轉(zhuǎn)子角度與下述區(qū)間一一對應：0°～60°為區(qū)間Ⅲ，60°～120°為區(qū)間Ⅱ，120°～180°為區(qū)間Ⅵ，180°～240°為區(qū)間Ⅳ，240°～300°為區(qū)間Ⅴ，300°～360°為區(qū)間Ⅰ；角度轉(zhuǎn)換合成：在各區(qū)間中，選擇三路信號中對角度斜率最大的一路作為查表相，分區(qū)間查標準表，求得分布在角度區(qū)間-30°-30°之間的轉(zhuǎn)子角度，將該角度向0°-360°的絕對角度進行轉(zhuǎn)換合成；所述轉(zhuǎn)換合成是通過在不同的角度區(qū)間加一個固定的角度來實現(xiàn)；其中：區(qū)間Ⅲ加30°，區(qū)間Ⅱ加90°，區(qū)間Ⅵ加150°，區(qū)間Ⅳ加210°，區(qū)間Ⅴ加270°，區(qū)間Ⅰ加330°，得到最終的位置角。進一步的，所述多對極電機位置解算進行以下操作：對于多對極電機而言，一個機械角度周期對應p個電周期，其中p代表電機極對數(shù)。這就意味著同樣大小的待查表信號對應p個機械角度。從這p個機械角度中任選一個作為初始位置角，隨著電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置角將在該初始角度的基礎(chǔ)上進行查詢，在三相信號的交點位置對位置角進行強制整定，以消除累積誤差。進一步的，所述基準表是用一個高精度基準編碼器對所述的磁電式編碼器進行標定而成。進一步的，所述基準表是用磁電式編碼器與一個高精度的基準光電編碼器同軸連接，旋轉(zhuǎn)一圈后，得到Bx標定、By標定、Bz標定與轉(zhuǎn)子角度一一對應的表?？傮w而言，按照本發(fā)明的上述技術(shù)構(gòu)思與現(xiàn)有技術(shù)相比，主要具備以下的技術(shù)優(yōu)點：1、安裝空間大大減小，同時提高了磁電式編碼器的抗沖擊能力。2、具有溫度補償功能，可消除因溫度變化引起的動態(tài)誤差，磁電式編碼器精度高。3、提出一種簡單的多對極磁電式編碼器位置解算方法，可以省去零點霍爾元件以及供零點霍爾元件產(chǎn)生Z信號的特殊磁鋼處理，降低了成本和加工制造難度。附圖說明圖1是本發(fā)明線性霍爾元件分相示意圖；圖2是某一路霍爾元件感應到的磁感應強度波形圖；圖3是經(jīng)分相處理后得到的相磁感應強度波形圖；圖4是線磁感應強度波形圖；圖5是不同角度區(qū)間查表相示意圖；圖6是分區(qū)間查表法求解曲線。具體實施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。本發(fā)明提出的磁電式編碼器安裝方式如圖1所示，所述磁電式編碼器包括若干個線性霍爾元件繞轉(zhuǎn)子軸線均勻排列組成的環(huán)形結(jié)構(gòu)和信號處理板；所述環(huán)形結(jié)構(gòu)中各線性霍爾元件嵌在電機定子齒中，其數(shù)量及安裝位置與電機定子鐵芯齒對應，各線性霍爾元件結(jié)構(gòu)與材料相同，用于檢測電機轉(zhuǎn)子與定子之間氣隙磁場；各線性霍爾元件按繞組分相原理分成三組，各組交叉間隔，接信號處理模塊；所述信號處理模塊安裝在所述環(huán)形結(jié)構(gòu)上，用于實現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置解算。所述線性霍爾元件分組結(jié)構(gòu)為：分組結(jié)構(gòu)可分成兩類情況進行分析，設(shè)每極每相槽數(shù)其中，p為極對數(shù)，m為相數(shù)，z為槽數(shù)。將q分別為整數(shù)和分數(shù)的情況進行分析：a)q為整數(shù)：設(shè)槽距角則槽距電角α1＝pα，采用60°相帶分相法進行分相，每個相帶所占的槽數(shù)相帶排列順序為：A、Z、B、X、C、Y。以4極36槽電機為例，α1＝pα＝2×10°＝20°，每個相帶所占的槽數(shù)分相情況如下表所示。AZBXCY1，2，34，5，67，8，910，11，1213，14，1516，17，1819，20，2122，23，2425，26，2728，29，3031，32，3334，35，36b)q為分數(shù)：設(shè)每極每相槽數(shù)如果c＝1或c＝d-1時，在每一次轉(zhuǎn)換中有d個線圈組，其中c個大線圈組，每組有(b+1)個線圈，(d-1)個小線圈組，每組b個線圈。以2極9槽電機為例，b＝1，c＝1，d＝2，分相情況如下表所示。AZBXCY1，234，567，89本發(fā)明基本工作原理是利用霍爾元件將載有轉(zhuǎn)子位置信號的氣隙磁場轉(zhuǎn)化為模擬電信號，通過信號處理電路將電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并通過查表的方式將轉(zhuǎn)子位置信號解算出來。在查表過程中，需實時計算三路正弦信號的實際幅值，由此得到霍爾元件的溫漂系數(shù)，將實際信號幅值乘以該溫漂系數(shù)后再進行查表即可消除因溫度變化造成的位置解算誤差。本發(fā)明針對上述磁電式編碼器與電機鐵芯的一體化結(jié)構(gòu)提出一種位置解算方法，以2極9槽電機為例，具體包括以下步驟：(1)標定：將所述的三組霍爾元件采集到的電信號進行合成、重構(gòu)后得到三路對稱的正弦信號，將這三路對稱的正弦信號進行Clark變換后求得信號幅值，存儲于MCU。用一個高精度編碼器對所述的磁電式編碼器進行標定，得到轉(zhuǎn)子角度和上述三路對稱的正弦信號一一對應的標準表。(1-1)將所述的三組霍爾元件采集到的電信號經(jīng)信號處理模塊樣后按下式求合成后的相磁感應強度BA標定、BB標定、BC標定：其中，BAi標定、BXi標定、BBj標定、BYj標定、BCk標定、BZk標定表示中每個定子槽中霍爾元件感應到的磁感應強度，A與X，B與Y及C與Z分別表明三個繞組的兩端，i，j，k表示槽號；(1-2)將BA標定、BB標定、BC標定三個相磁感應強度轉(zhuǎn)化為三個線相磁感應強度BAB標定、BBC標定、BCA標定，以消除信號三次諧波分量和直流偏移，提高磁電式編碼器的精度和分辨率；其中，BAB標定、BBC標定、BCA標定表示標定過程中的線磁感應強度；(1-3)將BAB標定、BBC標定、BCA標定進行三相歸零重構(gòu)，從而將個別角度區(qū)間較大的解算誤差由各角度區(qū)間共同分擔，減小最大解算誤差；其中，Bx標定、By標定、Bz標定表示標定過程中經(jīng)三相歸零重構(gòu)后的線磁感應強度；(1-4)將Bx標定、By標定、Bz標定信號經(jīng)Clark變換求得Bα標定、Bβ標定為：其中，Bα標定、Bβ標定表示經(jīng)坐標變換后的線磁感應強度；(1-5)由Bα標定、Bβ標定求得標定正弦信號幅值為：其中，B1是Bx標定、By標定、Bz標定的幅值；(1-6)將所述的磁電式編碼器與一個高精度的光電編碼器同軸連接，旋轉(zhuǎn)一圈后，得到Bx標定、By標定、Bz標定與轉(zhuǎn)子角度一一對應的標準表。(2)查詢：實際溫度與上述標定溫度不同時，霍爾元件的磁感應系數(shù)會發(fā)生變化，采用與步驟(1)相同的方法求得當前三路正弦信號幅值，由此得到溫漂系數(shù)，將三路正弦信號乘以此溫漂系數(shù)得到最終待查表信號，將所述待查表信號信號代入到步驟(1)中所得到的標準表中進行查詢，得到轉(zhuǎn)子位置角。(2-1)實際溫度與上述標定溫度不同時，霍爾元件的磁感應系數(shù)會發(fā)生變化，這會造成查表誤差，采用步驟(1-1)～(1-5)對當前霍爾元件采集到的電信號進行合成、重構(gòu)后得到三路對稱的正弦信號Bx實際、By實際、Bz實際，將這三路對稱的正弦信號進行Clark變換后求得信號幅值，記為B2，由當前信號幅值B2和步驟(1)中所得的標準信號幅值B1相除即可求得溫漂系數(shù)K為：K＝B1/B2(2-2)將步驟(2-1)中所得到的三路對稱正弦信號Bx實際、By實際、Bz實際向標準表投影以消除因溫漂帶來的查表誤差，投影比例為K：其中，Bx、By、Bz為消除溫漂后的待查表信號。(2-3)為提高磁電式編碼器分辨率，需在不同的角度區(qū)間選擇不同的查表相，選擇查表相的原則是選擇三相信號中對角度斜率最大的那一相作為查表相，不同角度區(qū)間的查表相如圖5所示，為了方便程序處理，按下式設(shè)計角度區(qū)間編號：Num＝x+2y+4z其中，如果Bx>By，則x＝1，否則x＝0；如果By>Bz，則y＝1，否則y＝0；如果Bz>Bx，則z＝1，否則z＝0。(2-4)如圖6所示，各角度區(qū)間直接由查表相分區(qū)間查標準表求得的角度區(qū)間為-30°-30°，需要將該角度向0°-360°的絕對角度進行轉(zhuǎn)換合成，才可以得到最終的位置角。轉(zhuǎn)換合成的關(guān)系式為：γ＝γNum+sign(vNum)γTable式中，γNum為各角度區(qū)間的識別角，各角度區(qū)間Ⅲ、Ⅱ、Ⅵ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅰ對應的區(qū)間識別角依次為30°、90°、150°、210°、270°和330°；sign(vNum)為各區(qū)間查表相的符號；γTable為經(jīng)查表得到的角度值。對于多對極電機而言，一個機械角度周期對應p個電周期，其中p代表電機極對數(shù)。這就意味著同樣大小的待查表信號對應p個機械角度。從這p個機械角度中任選一個作為初始位置角，隨著電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，位置角將在該初始角度的基礎(chǔ)上進行查詢，在三相信號的交點位置對位置角進行強制整定，以消除累積誤差。上述實施方式為本發(fā)明的一個較優(yōu)實施實例，但本發(fā)明的實施方式并不受上述實施實例的限制，其他的任何未背離本發(fā)明的精神實質(zhì)與原理下所作的改變、修飾、替換、組合、簡化，均應為等效的置換方式，都包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。當前第1頁1 2 3