一种高速角位置检测系统及方法与流程

本发明属于角位置传感器技术领域，具体涉及一种高速角位置检测系统及方法。

背景技术：

高速电机或电主轴在工业、军事等领域中有特殊的应用。用高速电机或电主轴直接驱动高速负载可以省去机械传动装置，避免了传动装置引起的损耗、机械振动与噪声，从而减小设备体积，提高运行效率和运行精度。采用矢量控制的高速电机或电主轴具有效率高、运行可靠、功率因数高、力能指标好、控制特性好等优点。

然而，采用矢量控制难实现对高速电机或电主轴的控制的原因在于，其高转速对应高频电流波形，这要求控制系统具有优越的电流控制性能。对电流的控制性能一方面取决于电流控制频率，另一方面取决于电压矢量的精度。矢量控制需要电机或电主轴转子磁场的精确角度，精确的位置控制也需要转子的高精度位置反馈。当前的位置反馈器件都不能在高速情况下正常输出位置信号，很难实现对转子位置的检测，甚至无法正常工作。因此，对高速电机或电主轴很难采取真正的伺服控制，多采用无位置传感控制或变频控制等方式，结果控制特性不佳。

自动化领域中，高转速一般是指每分钟数万转到每分钟数十万转的转速范围。增量式角位置传感器输出的位置信号是方波信号，高转速下，信号频率相对较高，信号传输可靠性会随频率升高而降低，很多高转速应用情况下，要降低增量式角位置传感器分辨率(单圈信号数量)来降低信号频率。一般在每分钟一万转以上，能够应用的增量式角位置传感器的分辨率一般只有数千线每圈。以目前普遍采用的光电编码器为例，要实现较高精度的位置控制，一般需要16位(每转65536线)的分辨率。光电编码器以脉冲信号形式实时输出转子位移信号，电机转速为10000r/min时，对于65536线编码器输出信号的频率约为10.92mhz，一般光敏器件的响应频率只有250khz，即使采用特殊光敏器件和其他电子器件来保证光电编码器可以输出如此高频的位置反馈信号，伺服控制器也很难采集到。从目前高速电机的发展情况来看，转速远远不止10000r/min。因此光电编码器从信号频率的角度来看已经不适合高速控制场合。对于光电编码器和同步感应器，传感器结构、敏感元件响应时间等方面的局限也制约了在高速场合的运用。

绝对式角位置传感器是以某种数据协议输出绝对位置数据，其输出的位置数据所对应的时刻是在通信开始之前的某一个时刻，两个时刻之间的时间一般为数微秒，高转速情况下，这短短数微秒所对应的角度值有可能会导致控制精度降低甚至控制失效。一般的磁电编码器只是解决的耐冲击和耐粉尘等问题，也同样存在信号频率问题。而同步感应原理的位置检测器件，其产生的感应电动势会随着速度增加而增加，变化太大就会影响位置反馈精度，因此也不适合在高速控制中使用。

综上所述，现有角位置检测方法有以下缺陷：1.不能在高速下准确检测转子角度位置；2.角度反馈信号频率会随速度发生变化；3.结构复杂，安装要求高，高速下容易产生磨损；4.高速下由于信号传输过程和采样滞后的问题而导致输出角度分辨率和精度不高。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术存在的高速时角位置传感器检测到的角度容易有偏差，精度低的问题，而提出一种高速角位置检测系统及方法。

为解决技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种高速角位置检测系统，其特征在于，包括：信号发生单元、信号处理单元，通信模块和控制器，所述信号处理单元包括a/d转换模块和运算模块，所述信号发生单元将变化的磁场信号转化成模拟电压信号后通过a/d转换模块转化成数字信号，数字信号通过运算模块转化成对应的角度值θk后通过通信模块发送给控制器，所述控制器接收到θk值后通过定时同步串口通信协议与通信模块通信，所述通信模块触发a/d转换模块再次采样。

进一步地，所述信号发生单元包括霍尔磁感应元件和转子磁钢环，高速旋转的转子同步带动转子磁钢环在周围产生变化的磁场信号，霍尔元件感应磁场信号并转化成模拟电压信号输出。

进一步地，所述信号发生单元安装在高速电主轴上，所述信号发生单元包括转子磁钢环和定子组合体，所述转子磁钢环套装在所述高速电主轴上，所述定子组合体定位安装在所述高速电主轴的轴承座上。

进一步地，所述转子磁钢环和定子组合体为两个分离部件。

进一步地，所述定子组合体包括定子支架、屏蔽钢环、霍尔磁感应元件和pcb电路板，所述定子支架内部具有用于安装定位所述屏蔽钢环的环形槽和用于定位安装所述pcb电路板的定位销，所述霍尔磁感应元件安装在所述定子支架内部的方形槽内，所述屏蔽钢环、霍尔磁感应元件和pcb电路板通过向定子支架内灌封胶体密封。

进一步地，所述转子磁钢环、霍尔磁感应元件和屏蔽钢环的径向中心面处于同一平面上。

进一步地，所述转子磁钢环与定子支架的中心孔之间具有间隙。

更进一步地，所述运算模块采用了基于查表方式的信号处理算法。

一种高速角位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

s1、在第k周期tk开始，控制器与高速角位置检测系统通信，控制器通信得出第k个角度反馈值为θ(k)；

s2、tk周期通信结束后，把第k-1周期里通过a/d转换模块进行模数转换且通过计算模块计算后得出的角度值θk-1为第k+1周期tk+1将要通信发出的角度反馈值θ(k+1)赋值；

s3、然后进行tk周期的采样计算，得到角度值θk，θk在第k+1周期tk+1通信结束后，赋值给第k+2周期tk+2的角度反馈值θ(k+2)，即θ(k+2)＝θk。

相对于现有技术，本发明显而易见地具有以下有益效果：

1、能在高转速下正常检测转子的角度，减小了由于信号传输和采样滞后带来的检测误差，具有较高的分辨率和精度。

2、采用同步串口通讯，反馈信号频率不随速度变化。

3、定子和转子为分离结构，之间完全无接触，能够避免高速旋转时的快速磨损。

4、本发明提出的角位置传感器在高转速情况下的角度的处理算法，能够精确输出对应的数据通信开始时刻或某个指定时刻的角位置绝对编码，此计算方法中包含了有效消除速度变化对角度反馈信号频率的影响，有效解决了前后信号之间采样滞后的问题。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的一种高速角位置检测系统的结构图；

图2是本发明高速角位置检测方法的工作时序；

图3是角位置传感器与高速主轴连接爆炸图；

图4是角位置传感器与高速主轴连接立体图；

图5是角位置传感器爆炸图；

图6是角位置传感器右视图；

图7为本发明高速角位置传感器在高速电主轴上安装应用的剖视图。

图中：1、信号发生单元，11、转子磁钢环，12、定子组合体，121、定子支架，1211、环形槽，1222、内环凸台，1223、外环凸台，1224、方形槽，1225、定位销，1226、中心孔，122、屏蔽钢环，123、霍尔磁感应元件，124、pcb电路板，125、自攻螺钉，126、灌胶体，2、信号处理单元，21、a/d转换模块，22、运算模块，3、通信模块，4、控制器，5、高速电主轴，6、高速电主轴轴承座，7、锁紧螺母。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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在本发明中的具体含义。

如图1所示的高速角位置检测系统，包括：信号发生单元1、信号处理单元2，通信模块3和控制器4，信号处理单元2包括a/d转换模块21和运算模块22，信号发生单元1将变化的磁场信号转化成模拟电压信号后通过a/d转换模块21转化成数字信号，数字信号通过运算模块22转化成对应的角度值θk后通过通信模块3发送给控制器4，控制器4接收到θk值后通过定时同步串口通信协议与通信模块3通信，通信模块3触发a/d转换模块21再次采样。

信号发生单元1可为角位置传感器，本角位置传感器可安装在高速电主轴5上，故本发明中称为高速角位置传感器，如图3、图4和图7所示，高速角位置传感器包括：转子磁钢环11和定子组合体12，转子磁钢环11和定子组合体12的形状尺寸可根据要配合安装的电机结构灵活设计。转子磁钢环11可以是单对极充磁，也可以是多对极充磁；可以是平行充磁，也可以是径向充磁。如图3所示，本发明高速角位置检测采用的传感器，其转子磁钢环11和定子组合体12为两个分离部件，安装拆卸能够分别独立实现。图4所示为传感器安装在高速电主轴5上的立体图，可以看出，本发明高速角位置传感器体积小，结构简单紧凑，转子磁钢环11套装在高速电主轴5的芯轴上，并以专用磁钢胶粘贴，从而与高速电主轴5同步高速旋转；定子组合体12定位安装在高速电主轴轴承座6上。因此，在现有高速电主轴5结构不用做任何加工调整的条件下，在内部狭小的空间内也能实现安装拆卸方便。

如图5所示，本发明高速角位置传感器的定子组合体12由定子支架121、屏蔽钢环122、霍尔磁感应元件123、pcb电路板124、自攻螺钉125、灌胶体126构成。定子支架121用于安装定子其他组件，并固定在高速电主轴5上；屏蔽钢环122用于屏蔽外界干扰磁场，保护转子磁钢环11产生的磁场；霍尔磁感应元件123用于感应转子磁钢环11产生的磁场，并将磁信号转换成模拟电压信号输出，霍尔磁感应元件123的数量为4个的情况下均匀分布在圆周上，分别输出a+、a-、b+、b-四路信号，其中相对着的两个霍尔磁感应元件123输出为a+和a-或者b+和b-信号；pcb电路板124用于对霍尔磁感应元件123输出的模拟电压信号进行滤波或差分运放等处理，并通过信号接口输出有效的a、b两相模拟电压信号；自攻螺钉125用于将pcb电路板124固定在定子支架121上；灌胶体126用于将定子组合体12灌封，从而提高可靠性和使用寿命。

如图6所示，定子支架121为圆环形状，能与高速电主轴5内部空间紧密配合。环形槽12111用于定位安装屏蔽钢环122，内环凸台1222与外环凸台1223共同构成内环形凹槽结构用于灌封胶体，方形槽1224用于定位安装霍尔磁感应元件123，定位销1225用于定位安装pcb电路板124，外环凸台1223用于与高速电主轴轴承座6内孔定位安装定子组合体12，中心孔1226用于穿过高速电主轴5的芯轴。

如图7所示为本发明高速角位置传感器在高速电主轴5上安装应用的剖视图。转子磁钢环11套装在高速电主轴5的芯轴上，通过轴承锁紧螺母安装台阶面轴向定位，定子支架121通过环形定位凸台与高速电主轴轴承座6内孔定位，从保证转子磁钢环11与定子支架121的同轴度。如图中所示，转子磁钢环11、霍尔磁感应元件123、屏蔽钢环122的径向中心面处于同一平面上，霍尔磁感应元件能充分感应转子磁钢环11产生的磁场，而屏蔽钢环122则能有效屏蔽外部对磁场的干扰，从而确保工作所输出的模拟电压信号质量。pcb电路板124上的霍尔磁感应元件123用灌胶体126灌封处理，转子磁钢环11与定子支架121中心孔1226之间有间隙，处于非接触状态，因此在高速电主轴5高速旋转或温度变化大、有粉尘油污等恶劣环境下也不会有机械上的磨损，从而提高可靠性和使用寿命。

结合图1和图2，信号发生部分是通过磁电效应原理，转子磁钢环11产生能够反映跟高速转子一起旋转的磁场，霍尔磁感应元件123对磁场信号感应转化成模拟电压信号输出；信号处理部分通过a/d转换模块21接收由通信模块3发来的触发采样命令后，对信号发生部分输出的模拟电压信号进行采样并转换成数字信号提供给运算模块22，运算模块22对数字信号进行分析，根据多相电压信号与磁场位置的对应关系，得到高速转子(高速旋转磁场)在一个圆周内的绝对位置角度值输出；通信模块3一方面接收控制器4发过来的通信协议后，向信号处理部分中a/d转换模块21发送触发采样，另一方面接收信号处理部分中运算模块22输出的角度值，并将角度值传送给控制器4。在与控制器4进行通信时，采用同步串行通信上报高速转子位置角度值，同时通过通信模块3触发信号处理部分中a/d转换模块21进行下一次对信号发生部分产生的模拟电压信号的采样。

上述信号发生部分中的转子磁钢环11是单对磁极，因此旋转一圈，磁场变化一个周期，每个霍尔磁感应元件123输出一个周期的电压信号，采用多个霍尔磁感应元件123同时感应转子磁钢环11磁场信号，则在一个圆周内(0～360°)，任意高速转子位置与多相模拟电压信号组合唯一对应。

可见，只要霍尔磁感应元件123的响应频率能够达到高速转子旋转频率，本发明角位置检测传感器就可在高速下有效反馈转子位置。当前普通霍尔磁感应元件123的响应频率可达200khz以上，对应的转速可超过10,000,000r/min。考虑到信号滞后问题，为保证检测精度限制其实际使用的转速，本发明的角位置检测传感器也可以在高速下正常检测角度。

为获得更快的处理速度和精度，本发明角位置检测传感器在运算模块22中采用了基于查表方式的信号处理算法。首先通过校准系统，将高速转子机械角度(0°～360°)，与霍尔磁感应元件123输出的多相电压信号之间的一一对应的关系制成数据表并存储起来。工作时，信号处理部分只需要接收信号发生部分输出的多相模拟电压信号，就能在数据表中找到其对应的高速转子绝对角度值。可以看出，本发明角位置检测传感器，对机械精度、磁场和模拟信号的线性度要求都不高，通过改善信号质量和改进校准系统来提高角位置检测传感器精度的潜力非常巨大。

从工作原理可知，本发明角位置检测传感器不像一般光电编码器那样实时上报角度，而是采用被动的定时同步串口通信的形式上报角度。用于控制电机或电主轴高速旋转的控制器4通过通信所得到的反馈角度，是一段时间之前的采样处理结果。在高转速下，这段时间产生的转子位置信号滞后尤为明显，直接把此反馈角度作为当前角度进行矢量控制，会使电流矢量偏离正确方向，严重时会造成控制失效。因此，必须准确补偿滞后量，滞后时间要通过分析角位置检测传感器工作时序得到。

如图2所示的本发明高速角位置检测方法的工作时序，在第k周期tk开始，控制器4与高速角位置检测系统通信，控制器4通信得出第k个角度反馈值为θ(k)；第k周期tk通信结束后，把第k-1周期里通过a/d转换模块21进行模数转换且通过计算模块计算后得出的角度值θk-1为第k+1周期tk+1将要通信发出的角度反馈值θ(k+1)赋值；然后进行第k周期tk的采样计算，得到角度值θk，θk在第k+1周期tk+1通信结束后，赋值给第k+2周期tk+2的角度反馈值θ(k+2)，第k+2个周期tk+2通信得到的角度反馈值θ(k+2)，是第k周期tk的采样计算结果θk，即θ(k+2)＝θk。从第k周期tk采样计算角度值θk的开始时刻，到第k+2周期tk+2的开始时刻(控制器4将要通信得到角度反馈值θ(k+2))，这段时间即是角度反馈值θ(k+2)的滞后时间。

图2中，一个周期即为控制器4的控制周期，设为ts，设通信时间为tc，通信结束后赋值和进入采样计算中断的时间是te，即每个周期tc+te时间后进行采样。则，角度上报滞后的时间为tdelay＝2ts-(tc+te)

本发明的高速角位置检测方法采用上述工作时序，准确计算出了角度上报滞后时间，解决了在高转速下因通信时间产生转子位置信号滞后的问题。

应当理解，以上所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。由本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。