CN108120454B - 一种增量编码器的角度检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增量编码器的角度检测方法。本发明的增量编码器的角度检测方法包括以下步骤：获取每个区域霍尔机械角度的估算值；根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度；输出电角度值。本发明提供的增量编码器的角度检测方法能够精确测量转子电角度，使得磁场对转子的控制达到最优，对于***高效稳定控制提供了可靠保证。

Description

一种增量编码器的角度检测方法

技术领域

本发明涉及电机控制领域，特别涉及一种增量编码器的角度检测方法。

背景技术

在机器人控制领域、数控机床、生产自动化等领域，电机控制十分重要。为使电机平稳高效的运行，需要电机磁场发挥最大作用。为了使电机能够平稳运行，***需要知道电机转子电角度，此电角度为电机转子当前位置与0°电角度的差值。对于没有Z信号的增量编码器，***只能计算电机相对其起点时刻的电角度增量，而对于增量编码器，电机每次上电的起始位置都不同，***无法得知电机上电时刻与0°电角度的差值。对于无Z信号的增量编码器，由于其上电瞬间无法知道转子位置，所以需要对其电角度进行测量。目前的检测方法是利用霍尔传感器估算转子的初始位置，此方法只能将转子电角度估算到一个范围，不能精确，有损控制精度。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述的技术缺陷之一。

为此，本发明的目的在于提出一种增量编码器的角度检测方法。

所述增量编码器的角度检测方法包括以下步骤：获取每个区域霍尔机械角度的估算值；根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度；输出电角度值。

一些实施例中，所述获取每个区域霍尔机械角度的估算值包括：强制电机旋转一周，记录经过每个霍尔传感器跳变时刻机械角度的数值，根据每个区域两个边沿机械角度计算出每个区域霍尔机械角度的估算值，并记录成表。

一些实施例中，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度包括：判断是否检测到第一次霍尔跳变；若未检测到第一次霍尔跳变，则根据霍尔机械角度的估算值计算电角度。

一些实施例中，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若检测到所述第一次霍尔跳变，则进一步判断是否检测到第二次霍尔跳变。

一些实施例中，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若未检测到第二次霍尔跳变，则记录第一次触发霍尔跳变时刻对应码盘值，并读取第一次触发霍尔跳变时刻对应机械角度，并计算电角度。

一些实施例中，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若检测到第二次霍尔跳变，则从第二次开始经过首次触发霍尔跳变位置开始，每次经过跳变位置，编码器值清零，重新计数，并计算电角度。

一些实施例中，所述若未检测到第一次霍尔跳变，则根据霍尔机械角度的估算值计算电角度中所述转子电角度的计算通过以下公式获得：转子电角度＝电机当前位置对应霍尔区间的初始机械角度*极对数

一些实施例中，所述转子电角度的计算通过以下公式获得：

一些实施例中，所述转子电角度的计算通过以下公式获得：

根据本发明提出的增量编码器的角度检测方法，通过提供较精确的转子电角度，提高电机控制的准确性，保证电机正常运转。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本发明一个实施例的增量编码器的角度检测方法的流程图；

图2为根据本发明另一个实施例的增量编码器的角度检测方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。另外，以下描述的第一特征在第二特征之“上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

增量编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。

增量编码器转轴旋转时，有相应的脉冲输出，其旋转方向的判别和脉冲数量的增减借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点任意设定，可实现多圈无限累加和测量。一般编码器输出信号除A、B两相(A、B两通道的信号序列相位差为90度)外，每转一圈还输出一个零位脉冲Z。还可以把每转一圈发出一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位，零位脉冲用于决定零位置或标识位置。

对于没有Z信号的增量编码器，***只能计算电机相对其起点时刻的电角度增量，而对于增量编码器，电机每次上电的起始位置都不同，***无法得知电机上电时刻与0°电角度的差值。对于无Z信号的增量编码器，由于其上电瞬间无法知道转子位置，所以需要对其电角度进行测量。因为无Z信号的增量编码器无法得知转子位置，转子有可能位于360°电角度的任意位置。

因为无Z信号的增量编码器无法得知转子位置，转子有可能位于360°电角度的任意位置，首先，强制电机旋转一周，记录经过每个霍尔传感器跳变时刻，电角度的数值，计算出每个区域霍尔机械角度的估算值，记录成表。

第一种情况，电机静止时，读取电机当前位置对应的霍尔传感器输出，根据霍尔输出，由上面得到的每个霍尔区间机械角度估算表，得到电机静止时刻的电角度。根据公式1，计算电机电角度：

转子电角度＝电机当前位置对应霍尔区间的初始机械角度*极对数(公式1)

第二种情况，电机旋转，但未触发霍尔传感器的输出跳变，表示霍尔初始不变，电机仍然在初始区间运行，根据公式1，计算电机电角度：

转子电角度＝电机当前位置对应霍尔区间的初始机械角度*极对数(公式1)

第三种情况，电机旋转，首次触发霍尔传感器的跳变，且没有第二次经过首次触发跳变位置时，表示电机旋转未超过一周。记录首次触发霍尔跳变时刻对应码盘值、记录首次触发霍尔跳变时刻对应的机械角度，根据公式2，计算电机电角度：

第四种情况，电机旋转，且多次经过首次触发霍尔传感器跳变的位置时，表示电机旋转超过1周，在电机经过首次触发霍尔传感器跳变时刻，将码盘值计数值清零，重新计数，这样可以避免因电机旋转带来的编码器累计计数误差，从而提高计数精度。此时，根据公式3，计算电机电角度：

下面参照图1和图2来对本发明实施例提出的增量编码器的角度检测方法进行详细描述。

如图1所示，为本发明一个实施例的增量编码器的角度检测方法，所述方法包括以下步骤：

S1，获取每个区域霍尔机械角度的估算值；

S2，根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度；

S3，输出电角度值。

结合图2所示，在一些实施例中，电机安装的三个霍尔传感器为均匀分布，电机转子经过霍尔传感器时，霍尔输出会有高低电平的跳变，电机旋转一周，对应霍尔传感器输出6种状态，将平面分成6个区间，记录每个霍尔传感器输出跳变时刻对应的电角度，绘制成表。根据霍尔传感器输出跳变时刻对应电角度，计算每个区间对应的电角度值，记录成表。

***上电时，读取霍尔传感器的输出状态，根据霍尔所在区域，计算出上电初始化电角度。

电机旋转时，若未触发霍尔传感器的输出跳变，表示电机还运行在初始化区域内，则根据公式1计算电角度值。

所述获取每个区域霍尔机械角度的估算值包括：强制电机旋转一周，记录经过每个霍尔传感器跳变时刻，电角度的数值，计算出每个区域霍尔机械角度的估算值，并记录成表。

所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度包括：

判断是否检测到第一次霍尔跳变；若未检测到第一次霍尔跳变，则根据霍尔机械角度的估算值计算电角度。

8.所述根据霍尔机械角度的估算值计算电角度的公式具体为：转子电角度＝电机当前位置对应霍尔区间的初始机械角度*极对数

当电机旋转，首次触发霍尔传感器的跳变，且没有第二次经过触发跳变位置时，表示电机旋转未超过一周，记录首次触发霍尔传感器跳变时刻的码盘值、记录首次触发霍尔传感器跳变瞬间对应的电角度，根据公式2进行电角度计算。

所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若检测到所述第一次霍尔跳变，则进一步判断是否检测到第二次霍尔跳变。

所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若未检测到第二次霍尔跳变，则记录第一次触发霍尔跳变时刻对应码盘值，并读取第一次触发霍尔跳变时刻对应机械角度，并计算电角度。

所述转子电角度的计算通过以下公式获得：

当电机旋转，多次经过首次触发霍尔传感器跳变的位置时，表示电机旋转超过1周，在电机经过首次触发霍尔传感器跳变时刻，将码盘值计数值清零，重新计数，这样可以避免因电机旋转带来的编码器累计计数误差，从而提高计数精度。此时，根据公式3进行电角度计算。

所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：若检测到第二次霍尔跳变，则从第二次开始经过首次触发霍尔跳变位置开始，每次经过跳变位置，编码器值清零，重新计数，并计算电角度。

所述转子电角度的计算通过以下公式获得：

根据本发明提出的增量编码器的角度检测方法，通过提供较精确的转子电角度，提高电机控制的准确性，保证电机正常运转。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行***、装置或设备(如基于计算机的***、包括处理器的***或其他可以从指令执行***、装置或设备取指令并执行指令的***)使用，或结合这些指令执行***、装置或设备而使用。就本说明书而言，″计算机可读介质″可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行***、装置或设备或结合这些指令执行***、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下：具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(ROM)，可擦除可编辑只读存储器(EPROM或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(CDROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种增量编码器的角度检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取每个区域霍尔机械角度的估算值；

根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度；

输出电角度值；

所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度包括：

判断是否检测到第一次霍尔跳变；若未检测到第一次霍尔跳变，则根据霍尔机械角度的估算值计算电角度；

若检测到所述第一次霍尔跳变，则进一步判断是否检测到第二次霍尔跳变。

2.如权利要求1所述的增量编码器的角度检测方法，其特征在于，所述获取每个区域霍尔机械角度的估算值包括：强制电机旋转一周，记录经过每个霍尔传感器跳变时刻机械角度的数值，根据每个区域两个边沿机械角度计算出每个区域霍尔机械角度的估算值，并记录成表。

3.如权利要求1所述的增量编码器的角度检测方法，其特征在于，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：

若未检测到第二次霍尔跳变，则记录第一次触发霍尔跳变时刻对应码盘值，并读取第一次触发霍尔跳变时刻对应机械角度，并计算电角度。

4.如权利要求1所述的增量编码器的角度检测方法，其特征在于，所述根据电机运行时触发的霍尔跳变情况计算电角度进一步包括：

若检测到第二次霍尔跳变，则从第二次开始经过首次触发霍尔跳变位置开始，每次经过跳变位置，编码器值清零，重新计数，并计算电角度。

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