CN113916265A - 用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例的目的在于提供用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法。该方法包括构建线性霍尔位置传感信号和永磁同步直线电机周期电角度的映射关系，而获得霍尔位置传感信号与位移一一对应的数据表；获取霍尔位置传感器输出的霍尔位置传感信号；对霍尔位置传感信号进行滤波处理，而获得去噪后的霍尔位置传感信号；对去噪后的霍尔位置传感信号进行模数转换，而获得数字化的霍尔位置传感信号；根据数字化的霍尔位置传感信号，采取线性插值法查询所述数据表，而获得霍尔位置传感信号所对应的位移。该处理方法具有过程简单、高精度的同时且高分辨率的优势。
Description
技术领域
本发明涉及传感器的技术领域，特别是涉及一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法。
背景技术
在工业应用领域，单边型动圈式永磁同步直线电机(PMSLM)得到了广泛应用。PMSLM的初级俗称定子，次级俗称动子。为了实现PMSLM正常运动，需要将其动定子以不一样的长短进行生产，短初级长次级是通常采用的设计形式，PMSLM动定子长度的差值相当于其行程范围。PMSLM可以直接实现直线形式运动，具有高精度高速度、功率密度高、动态响应好及电机结构紧凑等优点，在半导体、激光加工、集成电路等领域有着广阔的应用前景
目前，基于PMSLM的交流控制***常用于智能制造等高速度、响应快、高精度应用场合，一般以光栅或者磁栅为位置检测单元来进行PMSLM高精度运动控制。但此类位置传感器价格高昂、安装要求高、行程限制等，不利于PMSLM控制***的可靠性，且通常需要采用坐标矢量变换的控制方式，运算量较大以及占用储存空间较多，增加了硬件处理平台的性能要求与复杂程度。
为了解决上述问题，提出一种基于永磁同步直线电机及霍尔位置传感器的***，该***基于霍尔效应原理结合永磁同步直线电机的定子空间结构及电气模型，进行了基于线性霍尔传感器的信号发生结构设计，采用“三相六霍尔”的信号发生结构有效地实现具有高精度的同时且低成本、简化平台需求。硬件***搭建好后，霍尔位置传感器所获取的霍尔位置传感信号如何更好地处理，从而确保***的检测精确度，成为迫切需要解决的问题。
因此，针对上述技术问题，有必要提供用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，具有算法过程简单、高精度的同时且高分辨率的优势。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，该处理方法通过构建线性霍尔输出信号和电机磁场周期电角度的映射关系，通过AD模块采集的霍尔输出电压值制成对应的位移信息数据表，并以二进制码的形式将霍尔位移信息数据表储存到微处理平台的地址空间中，工作中由霍尔感应出磁场周期位置的信号电压运算数据表基础上对应的位移值，在此基础上可以进行较好的霍尔输出信号细分，具有算法过程简单、高精度的同时且高分辨率的优势。
为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法包括：构建线性霍尔位置传感信号和永磁同步直线电机周期电角度的映射关系，而获得霍尔位置传感信号与位移一一对应的数据表；获取霍尔位置传感器输出的霍尔位置传感信号；对所述霍尔位置传感信号进行滤波处理，而获得去噪后的霍尔位置传感信号；对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行模数转换，而获得数字化的霍尔位置传感信号；根据所述数字化的霍尔位置传感信号，采取线性插值法查询所述数据表，而获得所述霍尔位置传感信号所对应的位移。
优选地，在所述数据表的构建过程中，将模数转换器的分辨率设置为12位。
优选地，所述霍尔位置传感信号为六霍尔信号，采用差分处理成三路相差120°的正弦信号。
优选地，所述数据表包括参数：正负性、三相电压比较、相位移、查表相和区间。
优选地，所述处理方法还包括步骤：对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行误差补偿。
优选地，所述误差补偿步骤包括采用对称差分方法处理去噪后的霍尔位置传感信号。
优选地，所述误差补偿步骤包括采用归纳法获得温漂修正值，对去噪后的霍尔位置传感信号采用温漂修正值进行修正。
优选地，所述温漂修正值收敛于所述霍尔位置传感器的温漂系数的倒数。
优选地，首先将所述霍尔直线位置传感器通过定位外壳安装到永磁同步直线电机上，再利用高精度光栅对所述霍尔直线位置传感器进行校准标定。
优选地，所述霍尔位置传感信号为电压信号。
本发明具有以下优点：
本发明实施例所提供的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法通过构建线性霍尔输出信号和电机磁场周期性角度的映射关系，通过AD模块采集的霍尔输出电压值制成对应的位移信息数据表，并以二进制码的形式将霍尔位移信息数据表储存到微处理平台的地址空间中，工作中由霍尔感应出磁场周期位置的信号电压运算数据表基础上对应的位移值，在此基础上可以进行较好的霍尔输出信号细分，可以大大减少信号处理过程中的运算量，提高位置传感器位置检测的实时性以及减少对微处理器的高性能要求，降低控制***的复杂程度和成本。
进一步地，本发明实施例所提供的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法解决了直线电机定子永磁体空间磁场信号非线性导致的霍尔正弦位移信号处理误差大的问题。
进一步地，本发明实施例所提供的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法采用各种误差补偿法，修正了***的误差源，最终基于区间查表算法运算得到准确的位移数据信息。
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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的单边永磁直线同步电机的结构示意图；
图2为在图1基础上的基于单边永磁直线同步电机***的霍尔传感器安装示意图；
图3为本发明实施例中单边永磁直线同步电机的工作原理示意图；
图4为本发明实施例中用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法的流程示意图；
图5为本发明实施例中霍尔正弦信号采样最小位移间隔示意图；
图6为本发明实施例中三相霍尔信号线性区间划分的示意图；
图7为本发明实施例中霍尔信号对称差分后输出示意图；
图8为本发明实施例中霍尔信号温度漂移误差示意图；
图9为本发明实施例中温漂前后信号处理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，在该实施例中，基于永磁同步直线电机的霍尔位置传感器的***包括永磁同步直线电机100和霍尔位置传感器200。永磁同步直线电机100包括动子10(图中未示出)和定子12(图中未示出)。
如图1所示，永磁同步直线电机100包括框架主体。框架主体包括动子载物台150、滑块151、滑轨153、定子磁钢155和定子磁轭157。动子载物台150用于承载永磁同步直线电机100的动子10(图中未示出)。滑块151设置于动子载物台150的侧下方，可沿着滑轨153直线运动，从而带动动子载物台150沿直线方向运动。在动子载物台150的下方具有定子磁钢155和定子磁轭157，定子12通过定子磁轭157布置于永磁同步直线电机100的框架主体上。如图2所示，霍尔位置传感器200设置于动子载物台150的端面，也可视为霍尔位置传感器200设置于动子10的端面。霍尔位置传感器200同时位于定子12的永磁体的上方。
如图3所示，工作时，永磁同步直线电机100的动子10在其与定子12之间形成的电磁推力作用下，就会在行波磁场的方向实现直驱。霍尔位置传感器200通过感应永磁同步直线电机100的永磁体上表面的空间气隙磁场，将磁信号信息转换成霍尔输出电压信号。此外，为了使得永磁同步直线电机100能够实现直线运动方向的控制，可通过A、B、C三相电流的相序变换控制来改变永磁同步直线电机100的位移方向。
针对上述永磁同步直线电机及霍尔位置传感器的***，如图4所示，本发明实施例中提供的一种霍尔位置传感信号的处理方法的流程示意图。在该实施例中，用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法包括三大步骤。
步骤S1：构建线性霍尔位置传感信号和永磁同步直线电机周期电角度的映射关系，而获得霍尔位置传感信号与位移一一对应的数据表。
霍尔位置传感器的输出信号一般为正弦非线性信号。针对正弦输出信号非线性在信号处理中的影响，首先对其初始位移输出信号进行分析。基于查表细分原理的霍尔位置传感器，在其霍尔元件感应直线电机动子磁场获得模拟位移信号输出后，都通过模数转换模块进行数字信号转换这一信号处理操作，AD模块对霍尔电压值实施采样，通过AD采样后带有位置信息的霍尔电压值会产生一个最小量化刻度LSB。在采样对象是线性信号的情况下，最小量化刻度对应的位移间隔都是均匀的，但霍尔位置传感器通过感应PMSLM定子永磁体空间磁场获得的是具有非线性的正余弦信号，从而最小量化刻度对应的位移存在着差异。
当霍尔位置检测单元在PMSLM定子永磁体上方移动一个节距即磁场周期时，线性霍尔会输出相应的正余弦电压信号。如图5所示，假定ui-1，ui为在(0°，90°)范围内AD转换模块采集的两个相邻时刻电压值，xi-1，xi是对应的位移值。
设AD转换模块位数为n，量化步长为p；假定AD转换模块采样点没有重合，霍尔信号电压值范围取(0，2)，单位为V，最小量化刻度是相邻霍尔电压采样点的差值，可得：
由于正余弦曲线的特性，只考虑一个霍尔周期信号中(0°，90°)电角度范围内，最小间隔位移可表示为：
因为
假定xi是连续值，将式子进行变换并求导，可得：
可以看出，△x′在一个周期信号中(0°，90°)电角度范围内值恒大于零，则△x在此范围是单调增函数，则在采样连续正弦信号时，当电角度为0°时，最小间隔位移△x取极小值，设模数转换器分辨率为12位，可得最小间隔位移为
此时，霍尔输出的正弦信号线性最好，即越接近0°线性越好。
优选地，本发明实施例中霍尔位置传感信号为六霍尔信号，采用差分处理成三路相差120°的正弦信号。如图6所示，为了使周期位移采样点与对应电压值能有很好的线性，把整个信号周期2λ均匀分割成十二个区间，即每个小区间为λ/6(对应周期电角度30°)。在每一个区间内，所对应正弦曲线的直线性都能满足要求，比如在第一个分割区间内霍尔信号曲线A。
根据上述分析确定出一个信号周期曲线线性度最好的个各区间段，将各个区间信号电压与位移一一对应形成数据表，如表1所示。采集信号关键位置电压值所对应的位移，可通过线性插值方法进行查表细分，储存在微处理器片内的E2PROM中，在霍尔直线位置传感器工作时，霍尔传感器感应到直线电机定子永磁体空间磁场产生相应的电压值，霍尔位移信号通过滤波处理后，查询微处理器片内构建存储的位移数据表得到对应的位移并输出。
表1区间编码值确定
其中，步骤S1可以在初始时构建一次数据表；后续再处理时，调用数据表即可。步骤S1也可以为现存的数据表，而处理方法中无需构建。此文中仅为了表达方便，步骤S1统称为构建数据表。
在该实施例中，采用区间查表细分算法有效地解决了直线电机定子永磁体空间磁场信号非线性导致的霍尔正弦位移信号处理误差大的问题，根据输出的霍尔数字信号获得微处理器片内目标位移值的储存地址，整个信号细分算法主要的运算处理只是简单的查表，霍尔位置传感器的实时响应性能与信号处理速度得到了大大地提升，减小了传感器处理平台的运算量。
步骤S2：获取霍尔位置传感器输出的霍尔位置传感信号；对所述霍尔位置传感信号进行滤波处理，而获得去噪后的霍尔位置传感信号；对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行模数转换，而获得数字化的霍尔位置传感信号。
步骤S3：根据所述数字化的霍尔位置传感信号，采取线性插值法查询所述数据表，而获得所述霍尔位置传感信号所对应的位移。
位置传感器的分辨率性能与位置检测精度的高低有密切关系，除此之外，其它很多因素也会对位置传感器检测精度造成影响。优选地，用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法还包括步骤：对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行误差补偿。
由于基于永磁同步直线电机***的一体化位置检测单元在实际应用中，会存机械误差、零点漂移等一些随机的干扰因素，使得霍尔模拟信号输出不是理想的正弦曲线。通过上一节分析，霍尔输出实际的电压模拟信号可表示为式3.5：
式中，ε为幅值变化系数，△为零点漂移，ξ为随机误差。
假设上述霍尔模拟信号中随机干扰因素是在一个误差值上下浮动的，可以通过对两个相差180°的输出信号进行差分的方式消除减小霍尔信号***中存在的这类误差源，如图7所示，信号A+、A-是霍尔差分前输出，而信号A是通过对称差分处理后的霍尔输出信号。
在该实施例中，永磁同步直线电机设备在工作会产生一定的温升且自动化设备基本是长时间连续运行，同时工作运行的速度较快,要求位置传感器具有较宽的工作温度范围和较高的动态响应性能。霍尔元件作为一种半导体材料，由其固有特性可知，其磁敏系数易受到温度的影响，包括工作环境以及电子器件长时间工作产生的温升，导致温度漂移造成位置检测误差，这种不可控因素对查表细分算法影响很大，极大制约了霍尔位置传感器的性能提升，这就需要减小霍尔位置传感器的温度漂移值进行温漂修正,才能提高其温度稳定性实现较好位置检测性能。
在该实施例中，以Cosemitech公司的CH604ASR霍尔元件为例进行温漂说明。霍尔直线位置传感器由于温升造成温漂引起信号误差，设KT为温漂系数，其温漂后三相霍尔输出信号VKA，VKB，VKC可表示为
当霍尔信号产生温漂时，实际的霍尔输出电压信号与理想情况下的位移输出电压有一定的偏差，如图8所示，若不对温漂后的霍尔输出信号进行电压值修正，误差也会一直存在。由上文可知，霍尔位置传感器位移查表以信号[0°，30°]区间为标准，此时，为温度漂移前的霍尔模拟信号；若在此范围取某一霍尔电压值为a'，理想情况下通过微处理器存储地址查表得a'此时对于位移值应为x′，然而实际上的实际位移值应x，由此可知温漂产生的位置检测误差为△x＝x-x′，同时越接近相差120°两相霍尔输出正余弦波形的交点，位置检测的误差越大。
霍尔位置传感器温度不稳定性对位移精度检测存在的一定影响，需要进一步分析解决。以A相为例，假定Ha为x位移处实际情况下的电压值(V)，HA为同样位移处校准后的电压值(V)，霍尔传感器实时温漂系数k可定义为k＝Ha/HA。定义实时温漂补偿系数为K，只要把此时查表获得的霍尔信号电压值与实时温漂补偿系数K相乘就能够得到对查表电压值进行修正补偿，若可以构建出迭代算法满足K＝1/k并实时求出其值，按上述方法就可以消去霍尔传感器温度漂移的影响。
因此，本发明实施例引入温漂补偿迭代算法，由于查表细分算法各区间情况相同，只对霍尔单周期三相输出的第1个区间为例进行分析，温漂前后信号处理示意图如图9所示。
以第1区间为例，如图9所示，HA相数据用于查表，HC相数据用于修正。假定K0＝1为温漂补偿迭代算法首次迭代值，查表相值HA通过在每次迭代过程中用实时温漂补偿系数Ki与实际工作情况下的电压Ha进行相乘获得，Hc通过采用同样计算处理方式获得HC用于修正。假定通过A相实际电压值Ha计算出此时的位移是x′，若利用x′反向推导出此时对应的修正相C相电压值是H′C，那么通过上图可以得出H′C与Hc之间的HC应为较为准确的修正相电压。设Hav为H′C与Hc之间的均值，将温漂补偿系数的第n+1次迭代之后的值定义为Kn+1＝Hav/HC
通过温漂补偿系数迭代系数理论公式推导，得到
通过归纳法得出温漂修正值Kn收敛于霍尔传感器温漂系数k的倒数，上述递推迭代系数存在极限，在进行查表算法是时用修正系数Kn与霍尔工作实际电压值相乘来消除减小霍尔传感器温漂的影响。
本发明实施例所提供的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法采用各种误差补偿法，修正了***的误差源，最终基于区间查表算法运算得到准确的位移数据信息。
优选地，针对霍尔位置传感器安装过程中可能会产生的误差源分析，本发明实施例采用先将霍尔直线位置传感器通过定位外壳安装到永磁直线电机上，再利用高精度光栅对其进行校准标定，从而消除安装误差，提高霍尔直线位置传感器精度。
霍尔直线位移传感器的校准***采用函数映射唯一性的方法。其***核心是通过重构建表、线性插值的方式对查表算法初始数据表进一步校准。假定Ha、HA都为非空集合，a1和a2是两个互不相等且都是Ha非空集合中任意两个子集，Ha和HA具有一个对应法则y，若A1＝y(a1)、A2＝y(a2)，那么A1和A2是两个互不相等且都是HA非空集合中任意两个子集。霍尔直线位置传感器跟随电机动子运动，对感应到的永磁直线电机的定子特永磁体空间磁场信号进行定点不重复采集，然后将霍尔位移信号通过AD转换获得的相应电压值构成一个Ha非空集合。与霍尔位置传感器同步运动高精度增量同点采集的光栅位移数据构成另一个HA非空集合。利用最小二乘法对两个数据集合进行拟合处理，获得可以让两组位移数据一一映射且差值最小的对应法则y使其达到最优。若有点在表中查询不出，则可采用在局部两点间进行线性插补的方式得到此时的位移值。
在本发明实施例中，霍尔位置传感器感应永磁直线电机的定子永磁体空间磁场输出的电压信号经滤波对噪声进行处理，经模数模块转换成数字量，六路信号采用数字差分获得最终互差120°的三相信号，进行归一化信号处理消除三次谐波，然后经过温度漂移算法修正补偿，以补偿系数迭代计算的方式实时消除霍尔传感器温度漂移特性的影响，任何经校准标定***等进行安装误差等其它误差源修正，最终基于区间查表算法运算得到准确的位移数据信息，在实现霍尔信号高精度细分的前提下芯片处理的运算量并不是很大。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (10)
1.一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述方法包括步骤：
构建线性霍尔位置传感信号和永磁同步直线电机周期电角度的映射关系，而获得霍尔位置传感信号与位移一一对应的数据表；
获取霍尔位置传感器输出的霍尔位置传感信号；对所述霍尔位置传感信号进行滤波处理，而获得去噪后的霍尔位置传感信号；对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行模数转换，而获得数字化的霍尔位置传感信号；
根据所述数字化的霍尔位置传感信号，采取线性插值法查询所述数据表，而获得所述霍尔位置传感信号所对应的位移。
2.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，在所述数据表的构建过程中，将模数转换器的分辨率设置为12位。
3.根据权利要求2所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述霍尔位置传感信号为六霍尔信号，采用差分处理成三路相差120°的正弦信号。
4.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述数据表包括参数：正负性、三相电压比较、相位移、查表相和区间。
5.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述处理方法还包括步骤：对所述去噪后的霍尔位置传感信号进行误差补偿。
6.根据权利要求5所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述误差补偿步骤包括采用对称差分方法处理去噪后的霍尔位置传感信号。
7.根据权利要求5所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述误差补偿步骤包括采用归纳法获得温漂修正值，对去噪后的霍尔位置传感信号采用温漂修正值进行修正。
8.根据权利要求7所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述温漂修正值收敛于所述霍尔位置传感器的温漂系数的倒数。
9.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，首先将所述霍尔直线位置传感器通过定位外壳安装到永磁同步直线电机上，再利用高精度光栅对所述霍尔直线位置传感器进行校准标定。
10.根据权利要求1所述的一种用于永磁同步直线电机的霍尔位置传感信号的处理方法，其特征在于，所述霍尔位置传感信号为电压信号。
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