CN112104288B - 一种偏移角度的测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种偏移角度的测量方法，包括以下步骤：S1、在一个霍尔电周期内，利用霍尔捕获中断和ADC中断，求出霍尔电周期θ1和反电动势相对于霍尔电周期上升沿的角度θ2，然后在主循环中计算偏移角度θ3；S2、去除不能用来计算偏移角度的电周期；S3、获取反电动势中心位置；S4、反电动势中心位置在当前霍尔扇区的偏移；S5、计算偏移角度。本发明不需要示波器和外加编码器,利用驱动电路的相线电压测量和霍尔传感器的测量电路，辅助算法，即可求出偏移角度，本发明可以增大驱动器对电机的适配性。

Description

一种偏移角度的测量方法
技术领域
本发明属于电机技术领域，具体涉及一种偏移角度的测量方法。
背景技术
测量偏移角度的传统的方法有以下两种:一是先通过示波器捕获反电动势与霍尔之间的时序，再通过示波器的计算功能求出角度偏移；二是通过外加编码器分别捕获霍尔跳变位置和电机到反电动势的过零点的脉冲数量，来计算角度偏移。市场上同等功率等级的无刷电机，偏移角度一般都不一样，偏移角度不一样可能导致电机将无法转动或者驱动器和电机的性能差。
因此，亟需一种适用性较好的偏移角度的测量方法。
发明内容
为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种偏移角度的测量方法。
为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：
本发明提供一种偏移角度的测量方法，包括以下步骤：
S1、在一个霍尔电周期内，利用霍尔捕获中断和ADC中断，求出霍尔电周期θ1和反电动势相对于霍尔电周期上升沿的角度θ2，然后在主循环中计算偏移角度θ3；
Figure BDA0002689239350000011
单片机设置主频是64MHz，将时间变量t1，t2转化成主频的计数值N，设主频频率是fs,则有
Figure BDA0002689239350000012
那么就有
Figure BDA0002689239350000013
S2、去除不能用来计算偏移角度的电周期；
S3、获取反电动势中心位置；
单片机配置ADC注入组中断，在每个中断采集反电动势值，对反电动势求误差；反电动势波形上端存在三个极点：两个极大值和一个极小值，极点的斜率是零，反电动势的斜率以两次采样反电动势的差值来表示，中间的极小值就是反电动势的中心点，该中间的极点是极小值其特征是两侧存在极大值，根据这一特征，判断反电动势的误差值的过零点和过零点左负右正的特征，即可实时的求出反电动势中心点的位置；
S4、反电动势中心位置在当前霍尔扇区的偏移；
在反电动势中心位置的时候，获取当前霍尔扇区TIM2计数值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector值，然后求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3；
S5、计算偏移角度phaseShift；
phaseShift＝(s16)(sum3＜＜16)/(sum1+sum2)
0到2π的转成成16位有符号的整形数据，-π到π对应范围就是-32768到32767，所以最后计算的角度转换成有符号的整形s16。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S2通过加速度限制和占空比限制去除不能用来计算偏移角度的电周期；
第一，加速度限制：手动转动电机，测量相线电压，即可得到反电动势的电压值；当电机旋转加速度大于0时，反电动势的波峰会呈现明显的倾斜，反电动势的中心点会出现偏移或特征不明显的现象，不适合计算偏移角度，最理想的状态是电机匀速转动下测量偏移角度；当电机开始由最高转速降速的过程中，电机加速度开始等于小于0，此时相邻的一个电周期的速度变化小，忽略速度变化差值，假设一个电角度中速度均匀变化，开始计算偏移角度；在每次霍尔捕获中断时求出每个扇区的计数值CAPn(n＝1…6)，再求出一个电周期霍尔的正负脉宽的计数值的和,以sum1和sum2表示；一个电周期的计数值以HallPeriod表示；
sum1＝CAP1+CAP2+CAP3
sum2＝CAP4+CAP5+CAP6
HallPeriod＝sum1+sum2
霍尔正负脉宽两个角度差用Δθ标志，一个电周期电机的加速度用a表示，有如下公式；
Figure BDA0002689239350000031
所以可以用sum2-sum1判断加速度的过零点；
第二，占空比限制：电机匀速旋转的霍尔的占空比是50％，选取出霍尔占空比接近50％的周期，用来计算偏移角度；设正负脉宽的差值是err，则有
sum1-sum2＝err
sum1+sum2＝HallPeriod
占空比等于：
Figure BDA0002689239350000032
Figure BDA0002689239350000033
为便于MCU计算，令误差限值为：
Figure BDA0002689239350000034
因为：
Figure BDA0002689239350000035
则有：
Figure BDA0002689239350000036
Figure BDA0002689239350000037
总的来说就是通过对加速度a的限制和占空比的限制就可以排除异常和不适合用来计算的的电周期区间，确保偏移角度的准确性。
步骤S2中在每次霍尔捕获中断时求出每个扇区的计数值CAPn(n＝1…6)具体包括以下步骤：
S21：获取TIM2定时器是预分频计数值PreBuf，是定时器值捕获/比较寄存器的捕获计数值CapBuf和定时器的溢出计数OvfCnt；
S22：判断OvfCnt是否大于0，若大于零执行步骤S23-S26，若等于零执行步骤S27-S29；
S23：若OvfCnt大于零，则计算计数值：CapSum＝OvfCnt*65536*(PrsBuf+1)+CapBuf；
S24：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频不变的溢出，则预分频自增且预分频自增标志置位，然后结束，其中，预分频自增标志，预分频自减标志均是零；
S25：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频自增标志置位，则CapSum＝CapBuf-0x10000；清除预分频自增标志，即预分频自增标志＝0，然后结束；
S26：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频自减标志置位，则CapSum＝CapBuf+0x10000；清除预分频自减标志，即预分频自减标志＝0，然后结束；
S27：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频不变的溢出，则CapSum＝CapBuf*(PrsBuf+1)，然后结束；
S28：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频自增标志置位，则CapSum＝CapBuf*PrsBuf；且清除预分频自增标志，然后结束；
S29：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频自减标志置位，则CapSum＝CapBuf*(PrsBuf+2)且清除预分频自减标志(清除的意思就是赋零值)，然后结束。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S3中通过判断找到反电动势的中心点具体包括以下步骤：
S31：默认在“开始状态”；
S32：当前状态在“开始状态”,若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是负向过零点，负向过零点：当前斜率是小于等于零，而上一次斜率是大于等于零，则转移状态到“反电动势斜率负状态1”；
S33：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序中设定的某个阈值，则转移状态到“开始状态”；
S34：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是正向过零点，则转移状态到“反电动势斜率正状态”；转移状态的同时，捕获当前的霍尔计数值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector；
S35：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序中设定的某个阈值，则转移状态到“开始状态”；
S36：当前状态在“反电动势斜率正状态”，若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是负向过零点，则转移状态到“反电动势斜率负状态2”；同时建立反电动势中心位置捕获成功标志；
S37：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序阈值，则切换到“开始状态”。
作为本发明的一种优选技术方案，步骤S4中求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3具体包括以下步骤：
S41、设置for循环变量初始值，循环结束条件循环变量小于EmfSector，循环调整条件是每次加1；
S42、执行循环体，累加扇区计数值sum3+＝CAPn；
S43、循环变量自增，且判断循环是否结束，若没有结束，重复执行步骤2；
S44、循环体结束，执行sum3+＝MeasPrdEmf；
最终sum3的值就是：
sum3＝CAP1+…+CAPn+MeasPrdEmf(n＜＝5)。
本发明相较于现有技术，具有以下有益效果：
本发明不需要示波器和外加编码器,利用驱动电路的相线电压测量和霍尔传感器的测量电路，辅助算法，即可求出偏移角度，本发明可以增大驱动器对电机的适配性。
附图说明
图1是极对数为1的是三相无刷电机/三相永磁同步电机的结构示意图；
图2是本发明中反电动势中心位置获取状态转移图；
图3是本发明中求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3的流程图；
图4是电周期与单片机中参与运算的phaseShift的关系图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图1所示是极对数为1的是三相无刷电机/三相永磁同步电机的结构示意图，VW是定子的三个绕组，NS是转子磁极的示意图，ABC是开关型霍尔的安装位置，三个霍尔电气角度相差120度，在矢量控制算法中的一个重要参数就是转子的位置参数。当电机旋转时，转子切割定子绕组产生反电动势，在每个电周期中将会产生一个反电动势波形。霍尔安装在定子结构上，定子绕组的反电动势波形会因转子的位置不同而不同，求出该角度就可以知道转子的位置了。一个反电动势的周期就是一个电周期，一个电周期三个霍尔组成的逻辑时序会有6次变化，单片机在配置成霍尔捕获时，在一个电周期内就可以捕获六次变化。
为了达到本发明的目的，在本发明的其中一种实施方式中提供一种偏移角度的测量方法，包括以下步骤：
S1、在一个霍尔电周期内，利用霍尔捕获中断和ADC中断，求出霍尔电周期θ1和反电动势相对于霍尔电周期上升沿的角度θ2，然后在主循环中计算偏移角度θ3；
Figure BDA0002689239350000061
单片机设置主频是64MHz，将时间变量t1，t2转化成主频的计数值N，设主频频率是fs,则有
Figure BDA0002689239350000071
那么就有
Figure BDA0002689239350000072
单片机配置定时器TIM2为霍尔捕获中断和定时器溢出中断，TIM2模式为复位模式。这样每六个霍尔中断，就是一个电周期，一个电周期霍尔按照表1，依次变化；
注：三个霍尔信号分别是是开关信号，只有0,1变化。三个组成一起，形成6个信号，成为6个霍尔扇区。
Figure BDA0002689239350000073
表1
在每个霍尔中断中，保存定时器预分频值和定时器值捕获/比较寄存器的值，定时器的频率是在主频的基础上进行分频而来的，通过在每个霍尔捕获中断获取预分频值和捕获计数值就可以得到相对于主频的计数值，在每个捕获中通过对定时器调整预分频值来获取最佳的分辨率，如果捕获值太低，就降低预分频值，定时器的频率得到提高，如果两次捕获存在溢出，则提高预分频值，这样定时器就不容易溢出。设OvfCnt为定时器的溢出计数，PreBuf是预分频计数值，CapBuf是定时器值捕获/比较寄存器的捕获计数值，CapSum是以主频为时基的计数值。
S2、去除不能用来计算偏移角度的电周期；
步骤S2通过加速度限制和占空比限制去除不能用来计算偏移角度的电周期；
第一，加速度限制：手动转动电机，测量相线电压，即可得到反电动势的电压值；当电机旋转加速度大于0时，反电动势的波峰会呈现明显的倾斜，反电动势的中心点会出现偏移或特征不明显的现象，不适合计算偏移角度，最理想的状态是电机匀速转动下测量偏移角度；当电机开始由最高转速降速的过程中，电机加速度开始等于小于0，此时相邻的一个电周期的速度变化小，忽略速度变化差值，假设一个电角度中速度均匀变化，开始计算偏移角度；在每次霍尔捕获中断时求出每个扇区的计数值CAPn(n＝1…6)，再求出一个电周期霍尔的正负脉宽的计数值的和，以sum1和sum2表示；一个电周期的计数值以HallPeriod表示；
sum1＝CAP1+CAP2+CAP3
sum2＝CAP4+CAP5+CAP6
HallPeriod＝sum1+sum2
霍尔正负脉宽两个角度差用Δθ标志，一个电周期电机的加速度用a表示，有如下公式；
Figure BDA0002689239350000081
所以可以用sum2-sum1判断加速度的过零点；
第二，占空比限制：电机匀速旋转的霍尔的占空比是50％，选取出霍尔占空比接近50％的周期，用来计算偏移角度；设正负脉宽的差值是err，则有
sum1-sum2＝err
sum1+sum2＝HallPeriod
占空比等于：
Figure BDA0002689239350000082
Figure BDA0002689239350000083
为便于MCU计算，令误差限值为：
Figure BDA0002689239350000084
因为：
Figure BDA0002689239350000085
则有：
Figure BDA0002689239350000086
Figure BDA0002689239350000091
总的来说就是通过对加速度a的限制和占空比的限制就可以排除异常和不适合用来计算的的电周期区间，确保偏移角度的准确性。
步骤S2中在每次霍尔捕获中断时求出每个扇区的计数值CAPn(n＝1…6)具体包括以下步骤：
S21：获取TIM2定时器是预分频计数值PreBuf，是定时器值捕获/比较寄存器的捕获计数值CapBuf和定时器的溢出计数OvfCnt；
S22：判断OvfCnt是否大于0，若大于零执行步骤S23-S26，若等于零执行步骤S27-S29；
S23：若OvfCnt大于零，则计算计数值：CapSum＝OvfCnt*65536*(PrsBuf+1)+CapBuf；
S24：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频不变的溢出，则预分频自增且预分频自增标志置位，然后结束，其中，预分频自增标志，预分频自减标志均是零；
S25：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频自增标志置位，则CapSum＝CapBuf-0x10000；清除预分频自增标志，即预分频自增标志＝0，然后结束；
S26：在OvfCnt>0的前提下，若是预分频自减标志置位，则CapSum＝CapBuf+0x10000；清除预分频自减标志，即预分频自减标志＝0，然后结束；
S27：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频不变的溢出，则CapSum＝CapBuf*(PrsBuf+1)，然后结束；
S28：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频自增标志置位，则CapSum＝CapBuf*PrsBuf；且清除预分频自增标志，然后结束；
S29：在OvfCnt＝＝0的前提下，若是预分频自减标志置位，则CapSum＝CapBuf*(PrsBuf+2)且清除预分频自减标志(清除的意思就是赋零值)，然后结束。
S3、获取反电动势中心位置；
单片机配置ADC注入组中断，在每个中断采集反电动势值，对反电动势求误差；反电动势波形上端存在三个极点：两个极大值和一个极小值，极点的斜率是零，反电动势的斜率以两次采样反电动势的差值来表示，中间的极小值就是反电动势的中心点，该中间的极点是极小值其特征是两侧存在极大值，根据这一特征，判断反电动势的误差值的过零点和过零点左负右正的特征，即可实时的求出反电动势中心点的位置；
如图2所示，根据反电动势中心位置获取状态转移图，在斜率负状态1的状态机下，当切换状态到到“斜率正状态”的时候，同时读取霍尔的捕获值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector。此时的霍尔计数值，该计数值方法与步骤S21-S29类似，在其基础上不进行预分频的调整，即可求出当前霍尔扇区下到反电动势中心点位置的计数。当状态机进行到“斜率负状态2”时建立反电动势中心位置捕获成功标志。
步骤S3中通过判断找到反电动势的中心点具体包括以下步骤：
S31：默认在“开始状态”；
S32：当前状态在“开始状态”,若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是负向过零点，负向过零点：当前斜率是小于等于零，而上一次斜率是大于等于零，则转移状态到“反电动势斜率负状态1”；
S33：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序中设定的某个阈值，则转移状态到“开始状态”；
S34：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是正向过零点，则转移状态到“反电动势斜率正状态”；转移状态的同时，捕获当前的霍尔计数值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector；
S35：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序中设定的某个阈值，则转移状态到“开始状态”；
S36：当前状态在“反电动势斜率正状态”，若反电动势大于程序中设定的某个阈值，同时反电动势的斜率是负向过零点，则转移状态到“反电动势斜率负状态2”；同时建立反电动势中心位置捕获成功标志；
S37：当前状态在“反电动势斜率负状态1”，若反电动势小于程序阈值，则切换到“开始状态”。
S4、反电动势中心位置在当前霍尔扇区的偏移；
在反电动势中心位置的时候，获取当前霍尔扇区TIM2计数值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector值，然后求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3；
如图3所示，步骤S4中求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3具体包括以下步骤：
S41、设置for循环变量初始值，循环结束条件循环变量小于EmfSector，循环调整条件是每次加1；
S42、执行循环体，累加扇区计数值sum3+＝CAPn；
S43、循环变量自增，且判断循环是否结束，若没有结束，重复执行步骤2；
S44、循环体结束，执行sum3+＝MeasPrdEmf；
最终sum3的值就是：
sum3＝CAP1+…+CAPn+MeasPrdEmf(n＜＝5)。
S5、计算偏移角度phaseShift；
phaseShift＝(s16)(sum3＜＜16)/(sum1+sum2)
图4是电周期与单片机中参与运算的phaseShift的关系图，0到2π的转成成16位有符号的整形数据，-π到π对应范围就是-32768到32767，所以最后计算的角度转换成有符号的整形s16。
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 (1)

1.一种偏移角度的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、在一个霍尔电周期内，利用霍尔捕获中断和ADC中断，求出霍尔电周期θ1和反电动势相对于霍尔电周期上升沿的角度θ2，然后计算偏移角度θ3；
Figure FDA0004053953890000011
单片机设置主频是64MHz，将时间变量t1，t2转化成主频的计数值N，设主频频率是fs,则有
Figure FDA0004053953890000012
那么就有
Figure FDA0004053953890000013
S2、去除不能用来计算偏移角度的电周期；
S3、获取反电动势中心位置；
单片机配置ADC注入组中断，在每个中断采集反电动势值，对反电动势求误差；反电动势波形上端存在三个极点：两个极大值和一个极小值，极点的斜率是零，反电动势的斜率以两次采样反电动势的差值来表示，中间的极小值就是反电动势的中心点，该中间的极点是极小值，其两侧存在极大值，根据这一特征，判断反电动势的误差值的过零点和过零点左负右正的特征，即可实时的求出反电动势中心点的位置；
S4、反电动势中心位置在当前霍尔扇区的偏移；
在反电动势中心位置的时候，获取当前霍尔扇区计数值MeasPrdEmf和当前扇区EmfSector值，然后求出霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的计数值sum3；
S5、计算偏移角度phaseShift；
phaseShift＝(s16)(sum3＜＜16)/(sum1+sum2)
(s16)指16位有符号整数；sum3<<16指将sum3左移16位；sum1是一个电周期霍尔信号的正脉宽的计数值，sum2是一个电周期霍尔信号的负脉宽的计数值，sum1+sum2指一个电周期的计数值；
即霍尔上升沿边沿到反电动势中心点的放大后的计数值和一个电周期的计数值的比值，该比值为偏移角度phaseShift，该比值的范围就是-32768到32767，对应的电角度为-π到π，最后计算的角度转换成有符号的整形s16；
步骤S2通过加速度限制和占空比限制去除不能用来计算偏移角度的电周期；
第一，加速度限制：手动转动电机，测量相线电压，即可得到反电动势的电压值；当电机旋转加速度大于0时，反电动势的波峰会呈现明显的倾斜，反电动势的中心点会出现偏移或特征不明显的现象，不适合计算偏移角度，最理想的状态是电机匀速转动下测量偏移角度；当电机开始由最高转速降速的过程中，电机加速度开始等于小于0，此时相邻的一个电周期的速度变化小，忽略速度变化差值，假设一个电角度中速度均匀变化，开始计算偏移角度；在每次霍尔捕获中断时求出每个扇区的计数值CAPn，其中n＝1…6，再求出一个电周期霍尔的正负脉宽的计数值的和，以suml和sum2表示；一个电周期的计数值以HallPeriod表示；
sum1＝CAP1+CAP2+CAP3
sum2＝CAP4+CAP5+CAP6
HallPeriod＝sum1+sum2
霍尔正负脉宽两个角度差用Δθ标志，一个电周期电机的加速度用a表示，有如下公式；
Figure FDA0004053953890000021
所以用sum2-sum1判断加速度的过零点；
第二，占空比限制：电机匀速旋转的霍尔的占空比是50％，选取出霍尔占空比接近50％的周期，用来计算偏移角度；设正负脉宽的差值是err，则有
sum1-sum2＝err
占空比等于：
Figure FDA0004053953890000031
Figure FDA0004053953890000032
为便于MCU计算，令误差限值为：
Figure FDA0004053953890000033
因为：
Figure FDA0004053953890000034
则有：
Figure FDA0004053953890000035
Figure FDA0004053953890000036
通过对加速度a的限制和占空比的限制就可以排除异常和不适合用来计算的电周期区间，确保偏移角度的准确性。
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