CN102829742B - 一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，将电机与位置传感器组合成一体，利用预定位提供的位置信息和传感器提供的相对位置信息和节距信息，通过适当的方法重新组合上述位置信息，获得电机转子的绝对位置信息。本发明不需要零位指示器，断电后，通过电机转子的预定位获取电机转子相对***零位的绝对位置，与粗精耦合双速旋变***相比，用简单可靠的传感器获得高精度的绝对位置信息，简化并减小一体化高性能伺服电机的结构，使之更加紧凑，减小了体积，同时减少了信号处理电路和粗精耦合运算，与粗精耦合双速旋变***相比，提高了性价比，降低了复杂程度。
Description
技术领域
本发明涉及一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，特别是利用与多极旋转变压器工作原理相类似的位置传感器获得电机转子绝对位置的方法，适用于伺服驱动机电一体化产品、伺服仪表、伺服转台、电动汽车等应用领域。
背景技术
电机伺服***中经常要用到位置传感器，旋转变压器或感应同步器是其中常用的位置传感器。在绝对位置伺服***中，一般通过双通道测角***获得绝对位置信息，如旋转变压器粗精耦合方式；对于有限转角的绝对位置伺服***，也有使用多极磁阻旋转变压器或多极旋转变压器作为绝对位置传感器的情况，如2006年全国第12届空间及运动体控制技术学术年会论文《高精度摆动扫描电机与控制***研究》中提及的双速旋转变压器中的32对极精机。旋转变压器粗精耦合方式一般有以下几种形式：一对极旋转变压器和多极旋转变压器耦合、一对极旋转变压器和多极感应同步器耦合、一对极感应同步器和多极感应同步器耦合、一对极旋转变压器和多极磁阻旋转变压器耦合、一对极磁阻旋转变压器和多极磁阻旋转变压器耦合。
《惯性器件》上册第289-295页对双通道测角***进行了详细的阐述，提到全角测量有3种方案，其中的第二种方案是精通道设有测角传感器，粗通道未设测角传感器，粗通道的读数是依靠精通道的信息借助可逆计数器来形成。当精通道测角传感器完成一个编码周期进入下一个编码周期，即寄存器的数码由最大值转入最小值(过零)开始重新计数时，可逆计数器加1；当精通道测角传感器没有完成一个编码周期退回到前一个编码周期，即寄存器没有填满便退回最小值(过零)转为寄存最大码值时，可逆计数器减1，将寄存器和可逆计数器的计数耦合便得到第二方案的全角编码。第二种方案由于无粗通道测角传感器，其粗通道的读数是累积精通道测角传感器角度信息的增量，它不需要粗精计数耦合纠错，但是，也正因此它给不出绝对零点位置，当需要从某一绝对零点位置开始测量时，需要增加一个零位指示装置，从零位开始测量时，零位指示装置发出一个脉冲，将粗通道计数清零，并开始计数。第二种方案的另一个缺点是它没有恢复能力，一旦断电，需要一切从头开始。
常亚辉在其硕士论文《基于陀螺加速度计一体化的无刷电机驱动电路实现》中利用64对极磁阻旋转变压器作为6对极无刷直流力矩电机的磁极位置传感器实现对电机的驱动控制，文中利用电机转子的预定位实现电机磁极初始位置的确定，然后利用旋变输出的相对位置和节距数综合得到转子的绝对位置，进而实现对无刷直流力矩电机的驱动控制。2008年第2期(总第24期)的《导航与控制》发表的《多极磁阻式旋转变压器数字测角***设计》一文利用FPGA实现了64对极磁阻旋变的励磁和测角电路。可以看出：常亚辉在其硕士论文中利用电机转子的预定位产生初始零位信号，完成《惯性器件》上册P294页提及的零位指示装置的功能，不足点是其只能用于电机转子磁极的定位，实现磁极传感器的作用，无法应用于电机转子相对***零位的绝对位置确定，无法起到电机伺服***中绝对位置传感器的作用。换言之，在该论文中，预定位的目的只是为了实现电机转子磁极与电机定子绕组通电形成的恒定磁场方向对齐，以便产生初始零位，但该初始零位不是唯一的，其数量与电机转子的极对数相同，且在初始零位多极磁阻旋转变压器输出的相对位置角不是唯一的。因此，该论文是用电机预定位方法实现电机转子磁极作为初始零位的功能，仍然具有《惯性器件》上册P294页提及的第二种方案的缺点：无法给出绝对零点位置，没有恢复能力，一旦断电，需要一切从头开始。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，本发明仅利用位置传感器输出的相对位置角和节距数间接获得电机转子的绝对位置信息，减小了伺服电机的结构，并且测量精度高。
本发明的技术解决方案为：一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，步骤如下：
(1)将能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机同轴刚性连接或将电机与能够测量相对位置角与节距数的位置传感器组合成一体化伺服电机，使能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机的转子相对各自定子转过的机械角度相同；
(2)利用定位方法将所述位置传感器转子依次定位到M个确定位置，在每一个确定位置测量得到所述位置传感器转子的绝对位置角、相对位置角和节距数，建立所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，其中M≥2；
(3)利用与步骤(2)相同的定位方法，将所述位置传感器转子定位到步骤(2)M个确定位置中的任意一个位置，测量得到所述位置传感器转子的相对位置角，利用步骤(2)建立的所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数；
(4)在步骤(3)的基础上，当所述位置传感器转子继续转动时，利用所述位置传感器测量得到所述位置传感器转子当前位置的相对位置角；利用所述位置传感器转子转动过程中产生的节距信号对步骤(3)得到的初始节距数进行可逆计数得到所述位置传感器转子当前位置的节距数；
(5)在步骤(4)的基础上，利用所述位置传感器转子当前位置的节距数和所述位置传感器转子当前位置的相对位置角，计算得到所述位置传感器转子当前位置的绝对位置角，从而得到电机伺服***中转子的绝对位置。
所述定位方法采用电机通电预定位、伺服***机构定位或者电机定位力矩自定位。当定位方法采用电机通电预定位时，M的数值由电机转子的极对数或齿数与电机定子绕组通电拍数的最小公倍数决定；当定位方法采用伺服***机构定位时，则M的数值由端齿盘的齿数决定；当定位方法采用电机定位力矩自定位时，M的数值由电机转子的极对数或齿数决定。
所述位置传感器采用多极对称结构形式，极对数N≥2，当位置传感器的转子相对定子转动不超出一个极距时，位置传感器输出一个节距内的相对位置角；当位置传感器的转子相对定子转动超出一个极距时，位置传感器输出下一个节距内的相对位置角和一个节距信号。
所述步骤(2)中建立所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应映射关系的方法为：利用定位方法测量得到全部M个确定位置所述位置传感器转子的相对位置角α(i)、绝对位置角θ(i)与节距数P(i)，确定位置传感器转子的相对位置角α(i)与节距数P(i)之间一一对应的映射关系：θ(i)＝(α(i)-α0)±P(i)×γ，i∈[1，M]；
其中：γ为已知位置传感器的节距角；
α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，对于给定的伺服***该角度是可测量得到的，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
所述步骤(3)中利用步骤(2)建立的所述位置传感器转子相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数的实现方法为：电机转子稳定在M个确定位置中的一个位置，根据所述位置传感器输出的转子相对位置角α，依据所述步骤(2)建立的相对位置角与节距数之间一一映射关系，得到该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数P0：θ0＝(α-α0)±P0×γ；
其中：θ0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始绝对位置角，是电机转子相对伺服***零位的角度；
α为该确定位置的相对位置角，是位置传感器转子相对传感器零位的角度；
P0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角所对应的初始节距数；
γ为已知位置传感器的节距角；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
所述步骤(5)得到电机伺服***中转子的绝对位置的实现方法为：电机伺服***中转子的绝对位置角的计算公式为：θ＝(α-α0)±P×γ，
其中：α为位置传感器在当前位置输出的相对位置角；
P为位置传感器转子在当前位置的节距数；
γ为已知位置传感器的节距角；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明将电机与位置传感器组合成一体，利用预定位提供的位置信息和传感器提供的相对位置信息和节距信息，通过适当的方法重新组合上述位置信息，获得电机转子的绝对位置信息。本发明不需要零位指示器，断电后，通过电机转子的预定位获取电机转子相对***零位的绝对位置，可以给出绝对零点位置，与粗精耦合双速旋变***相比，简化了机械结构，减小了体积，减少了粗机的信号处理电路和粗精耦合运算，有相同的定位精度，有较强的恢复能力，与粗精耦合双速旋变***相比，提高了性价比，降低了复杂程度。
(2)在电机伺服***生产领域，可以缩减(或统一)传感器的种类，简化传感器的装配调整零位工作，实现装配后期的软件配置，技术通用性强，有利于实现位置传感器更大规模的生产以降低生产成本，提高生产效率，适合于电机伺服驱动控制单元一体化领域，如小型精密转台等；尤其适合于电动汽车领域，有利于实现磁极位置传感器和里程表的二合一功能。
附图说明
图1为本发明的实现原理图；
图2为本发明的实现流程图；
图3为第一种转子绝对位置获取方法示意图；
图4为第二种转子绝对位置获取方法示意图；
图5为第三种转子绝对位置获取方法示意图；
图6为第四种转子绝对位置获取方法示意图；
图7为第五种转子绝对位置获取方法示意图；
图8为第六种转子绝对位置获取方法示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
首先对涉及的技术名词作简要介绍。伺服***零位，简称***零位，指在该电机伺服***中，被人为定义为电机转子的绝对位置角等于零的位置。对于多极传感器，在一个极距内传感器输出的位置角称作相对位置角；传感器输出的相对位置角为零的位置称为传感器零位；传感器的一个极距对应的机械角度叫做节距角；传感器转子转过的角度中跨过的极距数称为节距数；传感器转子转动超出一个极距的范围时，其信号处理电路就会输出一个节距(脉冲)信号，用于表示传感器转子刚跨过一个节距，对该节距信号进行可逆计数可以得到当前位置的节距数；***零位到传感器转子当前位置所转过的角度称为绝对位置角；每次使用过程中传感器转子被定位到在预定位置后得到的节距数称为初始节距数，得到的绝对位置角称为初始绝对位置角。
如图1所示，是一个12对极的位置传感器和5对极的电机组成电机伺服***后转子绝对位置角的确定方法原理示意图。图中标示O的位置为该伺服***的***零位，标示1，2，...，12等字符的位置为传感器零位，标示I、II、III、IV、V字符的位置为预定位的确定位置，α0为***零位到传感器零位的相对位置角，α(i)为预定位置相对传感器零位的相对位置角，θ(i)为预定位置相对***零位的绝对位置角，θ为电机转子任意位置相对***零位的绝对位置角，γ为传感器的节距角，传感器转子每跨越传感器零位就输出一个节距(脉冲)信号。
本发明的工作原理是：利用某种定位方法，依次将电机转子预定位到全部M个确定位置，将位置传感器输出的相对位置角与该预定位置相对伺服***零位的节距数之间建立起一一映射关系，然后通过与前述相同的定位技术，将电机转子定位到上述M个确定位置中的某一个位置，利用传感器输出的相对位置角，通过已经建立起来的相对位置角与节距数之间的一一映射关系，得到该确定位置相对***零位的初始节距数，然后利用位置传感器经信号处理输出的节距信号对初始节距数进行可逆计数，得到转子任意位置相对***零位的节距数，结合传感器实时输出的相对位置角，综合得到转子在任意位置相对***零位的绝对位置角。
电机的相数为m，则电机转子预定位时的定子通电状态可能性为n(n与m相关，n≥m)种，电机转子的极对数为p，共可得到M(M为n与p的最小公倍数)种转子预定位置，假定传感器转子的极对数为N，则在传感器转子的一个极距角内分布有M个电机转子的相对位置角，建立电机定子通电状态、电机转子预定位置的绝对位置角、传感器输出的相对位置角、电机转子相对***零位的节距数之间的映射关系。使用时由传感器输出的相对位置角确定最接近的定子通电状态，使转子达到预定位置，获得传感器输出的相对位置角，利用前述建立的映射关系查找表格或计算得到预定位置相对***零位的初始节距数，经计算得到预定位置的初始绝对位置角，后续任意位置的绝对位置角由该位置传感器输出的相对位置角与节距数综合计算获得，该任意位置的节距数经由传感器经信号处理输出的节距信号对初始节距数进行可逆计数获得。利用尽可能多的转子预定位状态，可以缩短转子预定位过程中的角位移消耗的时间，更接近粗精耦合双速旋转变压器的原位瞬时获得转子绝对位置的情况，使新方法的实用性进一步得到加强。转子预定位置可能的最大值M与位置传感器极对数N互为质数时，可以实现一对一的映射关系；否则需要由结构的不完全对称性或其他方法消除一对多的映射关系，实现一对一的映射关系。实际使用中常利用一种定子通电状态实现转子的预定位更简捷，其实定子通电状态可以在1-n种之间根据实际需要任意选择。
如图2所示，本发明的具体实现步骤如下：
(1)将能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机同轴刚性连接或将电机与能够测量相对位置角与节距数的位置传感器组合成一体化伺服电机，使能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机的转子相对各自定子转过的机械角度相同；所述位置传感器采用多极对称结构形式，极对数N≥2，当位置传感器的转子相对定子转动不超出一个齿距时，位置传感器输出一个节距内的相对位置角；当位置传感器的转子相对定子转动超出一个齿距时，位置传感器输出下一个节距内的相对位置角和一个节距信号。
(2)利用定位方法将所述位置传感器转子依次定位到M个确定位置，在每一个确定位置测量得到所述位置传感器转子的绝对位置角、相对位置角和节距数，建立所述位置传感器转子的相对位置角和节距数之间一一对应的映射关系，其中M≥2；其中定位方式采用电机通电预定位、伺服***的机构定位(如端齿盘等)或电机定位力矩自定位；所述M的数值由所采用的定位方法确定，例如：定位方法采用电机定子绕组通电预定位方式，则M的数值由电机转子的极对数(或齿数)与电机定子绕组通电状态数(通电拍数)的最小公倍数决定，一般不大于4096；定位方法采用端齿盘定位方式，则M的数值由端齿盘的齿数决定，一般不大于2048；定位方法采用电机定位力矩自定位方式，则M的数值由电机转子的极对数(或齿数)决定，一般不大于1024；采用其他的定位方式，则M的数值由电机转子转动一周时转子稳定位置的数目决定。
建立所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应映射关系的方法为：利用定位方法测量得到全部M个确定位置所述位置传感器转子的相对位置角α(i)、绝对位置角θ(i)与节距数P(i)，确定位置传感器转子的相对位置角α(i)与节距数P(i)之间一一对应的映射关系：θ(i)＝(α(i)-α0)±P(i)×γ，i∈[1，M]；
其中：γ为位置传感器的节距角；α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，对于给定的伺服***该角度是可测量得到的，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
其中：θ(i)为绝对位置角，是电机转子相对伺服***零位的角度，M个确定位置的绝对位置角θ(i)通过测量得到；
α(i)为相对位置角，是位置传感器相对传感器零位的角度；
γ为节距角，是位置传感器每对极对应的机械角度；
P(i)(P(i)≥0)为节距数，是位置传感器转子从伺服***零位到当前位置所经过节距的数目，规定伺服***零位所在节距角的节距数为零；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
在θ(i)、α0、γ已经确定的情况下，α(i)与P(i)之间可建立映射关系；如果映射关系θ(i)＝(α(i)-α0)±P(i)×γ，i∈[1，M]是单调函数，则可以通过α(i)唯一地确定P(i)；上述定位方法要求定位是稳定可靠的，重复定位不影响定位精度，定位精度一般由传感器的精度保证；
(3)利用与步骤(2)相同的定位方法，将所述位置传感器转子定位到步骤(2)M个确定位置中的任意一个位置，测量得到所述位置传感器转子的相对位置角，利用步骤(2)建立的所述位置传感器转子相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数P0；其实现方法为：电机转子稳定在M个确定位置中的一个位置，根据所述位置传感器输出的转子相对位置角α，依据所述步骤(2)建立的相对位置角与节距数之间一一映射关系，得到该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数P0：θ0＝(α-α0)±P0×γ；
其中：
θ0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始绝对位置角，是电机转子相对伺服***零位的角度；
α为该确定位置的相对位置角，是位置传感器转子相对传感器零位的角度；
P0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角所对应的初始节距数；
γ为已知位置传感器的节距角；
α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
(4)在步骤(3)的基础上，当转子转动后，所述位置传感器输出节距信号，利用该节距信号对步骤(3)获得的初始节距数P0进行可逆计数，可以得到所述位置传感器转子在任意位置的节距数P；当转子到达任意位置时，转子任意位置的绝对位置角可表示为：θ＝(α-α0)±P×γ，
其中，α为位置传感器在任意位置输出的相对位置角；
P为位置传感器转子在任意位置的节距数节距计数器输出对应的节距数；
α0为伺服***零位的相对位置角，是位置传感器零位到伺服***零位的机械角度，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
本发明的定位方式可以采用电机通电预定位、伺服***的机构定位或电机定位力矩自定位等方式。电机通电预定位方式指电机定子绕组中的的一相或某几相通恒定电流时，电机转子经过一定时间与电机定子磁极对齐的情况；伺服***的机构定位指利用端齿盘等定位机构在电机静止时提供有较高精度的确定的定位位置；电机定位力矩自定位方式指永磁电机由于磁钢的作用产生磁阻力矩，使得电机转子在一些确定位置上有抵抗外力保持其在该位置上的趋势，使得电机转子在不受外力的作用时保持在上述确定位置。
图3、4、5、6、7、8给出了6种实现框图，其中图3、4为利用电机自定位力矩定位或定子绕组通电预定位实现转子预定位置的确定；图5、6为利用伺服***中的机构(如端齿盘或棘轮等)定位实现转子预定位置的确定；图7、8为利用电机自定位力矩定位与伺服***的机构组合实现转子预定位置的确定，或者利用电机定子绕组通电预定位与机构组合实现转子预定位置的确定。在图3，5，7中，可逆计数器的功能融合在绝对位置信息综合中实现；在图4，6，8中，可逆计数器的功能单独提出来，不再包含在绝对位置信息综合中实现。
如表1所示，一个步进电机的极对数为50，多极磁阻旋变传感器极对数为32，在定子绕组某一种直流通电状态不变的情况下，规定顺时针为正方向，假定***零位与传感器零位重合，转子在不同预定位置时的绝对位置角与节距数和相对位置角之间的关系，可以看到：预定位置的绝对位置角＝传感器节距角*节距数+相对位置角。由于电机极对数50与传感器极对数32的最大公约数2，因此在表1中我们看到循环次数为2，即总有1个相对位置角对应2个节距数的情况，形成一对二的映射关系，因此在实际中需要利用电机转子齿距的非对称性、机构定位或辅助装置实现一对一映射：1个相对位置角对应1个节距数。其实，在实际应用中，我们有意识地选择电机的极对数与传感器的极对数互为质数的情况就可以避免上述一对多映射的出现，实现一对一的映射关系。例如：电机极对数为3、5、7、9、11、13、15与传感器极对数为2、4、8、16、32、64、128、256相配对，或者电机的极对数为2、4、6、8、10、12...50、100、200与传感器的极对数为31相配对。
本发明中的电机可以是步进电动机、无刷直流电机、永磁同步电机、开关磁阻电机等转子有磁极(或凸极)的电机和带机构定位装置(如端齿盘)的各种电机，位置传感器可以是多极磁阻旋转变压器、多极旋转变压器、多极感应同步器、多极球栅传感器、多极光栅传感器、多极容栅传感器等种类的多周期高精度相对位置传感器。实用性最高的当属电机与多极磁阻旋变的组合形式。
表1步进电机(50齿)与磁阻旋变(32对极)的映射关系
实施例一：
本发明可以用另外一种方法实现，其具体实现步骤(1)、(3)、(4)与上述发明实现步骤相同，步骤(2)的实现方法如下：
首先，知道M个确定位置中的任意一个位置的相对位置角α1与节距数P1的一一映射关系；
然后，利用关系式：α(i)＝α1+(β×m-γ×P(i))，i∈[1，M]
计算得到其余M-1个确定位置的相对位置角与节距数的一一映射关系。其中：
0≤m≤M，0≤P(i)≤N，0≤α1≤360°/N，0≤α(i)≤360°/N；
N为位置传感器的极对数；
γ为位置传感器的节距角；
M为电机转子转动一周时稳定位置的周期数；
β为电机转子相邻的两个稳定位置之间的周期角；
α1为伺服***预定位零位的相对位置角，指在某种定位方法作用下，电机转子稳定在M个确定位置中的一个位置，该位置称为伺服***预定位零位，该位置与传感器零位之间的夹角称为伺服***预定位零位的相对位置角。
实施例二：
本发明还可以用第三种方法实现，其具体实现步骤(1)、(4)与本发明实施步骤相同，步骤(2)的实现方法如下：
测量得到M个确定位置中的任意一个位置的相对位置角α1与节距数P1的一一映射关系；
步骤(3)的实现方法如下：
首先，利用与步骤(2)相同的定位方法，将所述位置传感器转子定位到步骤(2)M个确定位置中的任意一个位置，测量得到所述位置传感器转子的相对位置角；
然后，利用关系式：α(i)＝α1+(β×m-γ×P0)，i ∈[1，M]
计算得到该确定位置的相对位置角α(i)与初始节距数P0的一一映射关系。其中：
0≤m≤M，0≤P0≤N，0≤α1≤360°/N，0≤α0≤360°/N；
N为位置传感器的极对数；
α(i)为相对位置角，是电机转子初始位置相对传感器零位的角度；
γ为位置传感器的节距角；
M为电机转子转动一周时稳定位置的周期数；
β为电机转子相邻的两个稳定位置之间的周期角；
P0(P0≥0)为初始节距数，是位置传感器转子从伺服***零位到初始位置所经过节距的数目，规定伺服***零位所在节距角的节距数为零；
α1为伺服***预定位零位的相对位置角，指在某种定位方法作用下，电机转子稳定在M个确定位置中的一个位置，该位置称为伺服***预定位零位，该位置与传感器零位之间的夹角称为伺服***预定位零位的相对位置角。
最后，利用下面的关系式：
θ0＝(α(i)-α0)±P0×γ，i∈[1，M]
计算得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始绝对位置角θ0，其中：
θ0为绝对位置角，是电机转子初始位置相对伺服***零位的角度；
α(i)为相对位置角，是电机转子初始位置相对传感器零位的角度；
γ为节距角，是位置传感器每对极对应的机械角度；
M为电机转子转动一周时稳定位置的周期数；
P0(P0≥0)为节距数，是位置传感器转子从伺服***零位到初始位置所经过节距的数目，规定伺服***零位所在节距角的节距数为零；
α0为伺服***零位的相对位置角，是位置传感器零位到伺服***零位的机械角度，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0。
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
本领域技术人员在掌握本发明的核心思想后，可以根据不同的要求和设计参数，在不偏离本发明的情况下进行各种增补、改进和更换，采用不同的实现方式，如：纯硬件、FPGA、CPLD、DSP或计算机软件加以实现其功能，该方法不仅适用于旋转运动绝对位置角度的测量，而且适用于直线运动绝对位置的测量。
本发明未详细描述内容为本领域技术人员公知技术。
Claims (5)
1.一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)将能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机同轴刚性连接或将电机与能够测量相对位置角与节距数的位置传感器组合成一体化伺服电机，使能够测量相对位置角与节距数的位置传感器与电机的转子相对各自定子转过的机械角度相同；
(2)利用定位方法将所述位置传感器转子依次定位到M个确定位置，在每一个确定位置测量得到所述位置传感器转子的绝对位置角、相对位置角和节距数，建立所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，其中M≥2；
(3)利用与步骤(2)相同的定位方法，将所述位置传感器转子定位到步骤(2)M个确定位置中的任意一个位置，测量得到所述位置传感器转子的相对位置角，利用步骤(2)建立的所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数；
(4)在步骤(3)的基础上，当所述位置传感器转子继续转动时，利用所述位置传感器测量得到所述位置传感器转子当前位置的相对位置角；利用所述位置传感器转子转动过程中产生的节距信号对步骤(3)得到的初始节距数进行可逆计数得到所述位置传感器转子当前位置的节距数；
(5)在步骤(4)的基础上，利用所述位置传感器转子当前位置的节距数和所述位置传感器转子当前位置的相对位置角，计算得到所述位置传感器转子当前位置的绝对位置角，从而得到电机伺服***中转子的绝对位置；
所述定位方法采用电机通电预定位、伺服***机构定位或者电机定位力矩自定位；当定位方法采用电机通电预定位时，M的数值由电机转子的极对数或齿数与电机定子绕组通电拍数的最小公倍数决定；当定位方法采用伺服***机构定位时，则M的数值由端齿盘的齿数决定；当定位方法采用电机定位力矩自定位时，M的数值由电机转子的极对数或齿数决定。
2.根据权利要求1所述的一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，其特 征在于：所述位置传感器采用多极对称结构形式，极对数N≥2，当位置传感器的转子相对定子转动不超出一个极距时，位置传感器输出一个节距内的相对位置角；当位置传感器的转子相对定子转动超出一个极距时，位置传感器输出下一个节距内的相对位置角和一个节距信号。
3.根据权利要求1所述的一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，其特征在于：所述步骤(2)中建立所述位置传感器转子的相对位置角与节距数之间一一对应映射关系的方法为：利用定位方法测量得到全部M个确定位置所述位置传感器转子的相对位置角α(i)、绝对位置角θ(i)与节距数P(i)，确定位置传感器转子的相对位置角α(i)与节距数P(i)之间一一对应的映射关系：θ(i)＝(α(i)-α0)±P(i)×γ，i∈[1，M]；
其中：γ为已知位置传感器的节距角；
α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，对于给定的伺服***该角度是可测量得到的，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
4.根据权利要求1所述的一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，其特征在于：所述步骤(3)中利用步骤(2)建立的所述位置传感器转子相对位置角与节距数之间一一对应的映射关系，得到在该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数的实现方法为：电机转子稳定在M个确定位置中的一个位置，根据所述位置传感器输出的转子相对位置角α，依据所述步骤(2)建立的相对位置角与节距数之间一一映射关系，得到该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始节距数P0：θ0＝(α-α0)±P0×γ；
其中：θ0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角相对应的初始绝对位 置角，是电机转子相对伺服***零位的角度；
α为该确定位置的相对位置角，是位置传感器转子相对传感器零位的角度；
P0为该确定位置与所述位置传感器转子的相对位置角所对应的初始节距数；
γ为已知位置传感器的节距角；
α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
5.根据权利要求1所述的一种电机伺服***中转子绝对位置的测量方法，其特征在于：所述步骤(5)得到电机伺服***中转子的绝对位置的实现方法为：电机伺服***中转子的绝对位置角的计算公式为：θ＝(α-α0)±P×γ，
其中：α为位置传感器在当前位置输出的相对位置角；
P为位置传感器转子在当前位置的节距数；
γ为已知位置传感器的节距角；
α0为伺服***零位的相对位置角，是伺服***零位到位置传感器零位的机械角度，当伺服***零位与位置传感器零位重合时，α0＝0；
±为方向符号，当顺时针定义为正方向时，转子顺时针转动时取“+”号，逆时针转动时取“-”号；当逆时针定义为正方向时，转子逆时针转动时取“+”号，顺时针转动时取“-”号。
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