专利名称：伺服马达转子初始电气角度的取得方法及其装置的制作方法
技术领域：
本发明为一种伺服马达转子初始电气角度的取得方法及其装置，特别是关 于一种无刷精密伺服马达在启始状态下检测转子与定位间磁极定位角度的定 位方法及其定位装置，以平滑地启动伺服马达转动。
背景技术：
马达的用途广泛，种类繁多，主要可分为转速控制型马达及精密控制型马 达，转速控制型马达较简单，可控制马达的转动速度，精密控制型马达则不但 能控制马达的转速，亦可控制马达转动的角度(或位置)，如步进马达或伺服马 达。
就无刷伺服马达而言，如图l所示为一现有伺服马达的向量控制系统，包
括一马达l、 一用以感测角度的增量型光学编码器2及三组提供换相信号3、 4、 5的相位传感器(Hallsensor)， 一位置计数器6、 一电气换相表7、 一初始位置缓 存器8、 一速度计算器9、 一速度控制器IO、 一电流控制器ll、 一三相旋转坐标 对直角坐标转换模块12， 一直角坐标对三相旋转坐标转换模块13， 一脉波宽度 调变模块14及一三相电力变频器15。而该增量型光学编码器2，如图2所示为将 换相信号直接制作在增量型光学编码器的光学盘上。
当该图l的无刷伺服马达在初始驱动系统送电时，系统先经由该电气换相 表7将转子电气角度的初始位置放入该初始位置缓存器8，后此时，初始化便完 成；接下来当有一转速命令6^输入时，该速度控制器10会，该转速命令Wr与 该速度计算器9得到的误差值计算出所需要的一电流命令《，此时该电流控制 器11会将该电流命令《与该三相旋转坐标对直角坐标转换模块12所算出来的 电流命令^的误差值计算出需要的一电压命令在经由该直角坐标对三相旋转 坐标转换模块13，将需要的该电压命令由直流转换成一三相交流电压命令，并 通过该脉波宽度产生模块14产生控制信号给该三相电力变频器15，再由该三相 电力变频器15驱动马达1，而马达1此时的转子位置信息由增量型光学编码盘2上的A、 B相刻线16反馈A、 B相的脉波信号到该位置计数器6。
在图l控制系统中，其中该三相旋转坐标对直角坐标转换模块12与该直角 坐标对三相旋转坐标转换模块13在计算时需要转子的电气角度，而转子的电气 角度需由该位置计数器6取得，但是在开机前由于该位置计数器6的值为0。，所 以需要从该换相信号3、 4、 5与电气换相表7得到初始电气角度。
其中该换相信号3、 4、 5与该电气换相表7得到初始电气角度的对应关系用 图3来说明，该换相信号3、 4、 5如果对应为Hu、 Hv、 Hw，则可由逻辑l或逻 辑O的状态，来对应转子的电气角度，因此只需将其逻辑状态査表即可知到当 时转子所在的位置，以供该三相旋转坐标对直角坐标转换模块12与该直角坐标 对三相旋转坐标转换模块13在马达转子初始转动前计算出转子的电气角度。
然而此种现有马达转子初始电气角度的取得方法，在系统反馈上马达需多 出3组信号，多出六条配线，在可靠度与维护上增加难度，且为了配置该换相 信号3、 4、 5的传感器使的马达体积变大，结构相当复杂。如中国台湾新型专 利第M302831号，即显示出其复杂的结构。
再如中国台湾发明公开公报200736868号，是利用一微处理器将所读取的 Hu、 Hv、 Hw逻辑状态用通讯的方式送回马达控制器中，以得到对应的马达转 子的电气角度，虽然减少换相信号的配线，但是却增加在马达端设置微处理器 的成本。
本案发明人针对上述现有无刷伺服马达转子初始电气角度的取得方法的 需求与缺失，乃特潜心研究并配合学理的运用，提出一种利用光学反射信号的 初始电气角度的取得方法及其装置，可有效解决上述习知技术的缺失，更具有 结构及原理简单，安装容易且成本低廉的优点。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种伺服马达转子初始电气角度的取得方法 及装置，利用简单的正弦波原理检测出马达转子的初始电气角度，以解决现有 技术的电气角度传感器需要使用多组配线及结构复杂，使马达体积变大的缺 失。
为达成上述目的，本发明的主要技术特征是在于提供一种伺服马达转子初 始电气角度的取得方法，首先建置一连动于马达转子的光学编码盘，其上布设对应于该N-S磁极对的线条图形，该线条图形由多条围绕圆心呈放射状排列的 线条组成；并建置二相隔一卯。夹角的光学传感器，用以检测该光学编码盘上 的一组线条图形，产生二组相差一90。角的弦波电压信号；因此，于马达初始 启动转子转动前，可以该二光学传感器检测该光学编码盘的一组线条图形，产 生相差90。角的一第一弦波信号(sine)及一第二弦波信号(cose);利用公式
tan-1
广第一弦波信号(sine)Le
第二弦波信号〔cose)
乂
计算出一正弦波e角度，即为马达转子的初始
电气角度。
为达成上述目的，本发明的次一技术特征在于提供上述伺服马达转子初始 电气角度的取得方法，其中该光学编码盘上的线条图形，是由多条线条以等密 度而不等宽度形态组成，即该些线条在等距下由粗线渐渐变化到细线，再渐渐 变化到粗线。
为达成上述目的，本发明的另一技术特征在于提供上述伺服马达转子初始 电气角度的取得方法，其中该光学编码盘上的线条图形，是由多条线条以等宽 度而不等密度的形态组成，即该些线条在等线宽下以相距较密集渐渐疏远，再 渐渐密集。
为达成上述目的，本发明的又一技术特征是在于提供上述伺服马达转子初 始电气角度的取得方法，其中该光学传感器是由一光敏晶体管及一发光二极管 所组成，使该发光二极管发光照射于该光学编码盘，该光敏晶体管接收由光学 编码盘反射的光线，藉由该线条图形的反光多寡，使检测一整组线条图形后产 生一组正弦波电压信号。
为达成上述目的，本发明的再一技术特征是在于提供上述伺服马达转子初 始电气角度的取得方法，其中该光学编码盘为一可透光材质制成，而该光学传 感器由 一光敏晶体管及一发光二极管所组成，使该发光二极管发光穿透该光学 编码盘，该光敏晶体管接收穿透光线，藉由光线穿透该线条图形的多寡，使检 测一整组线条图形产生一组正弦波电压信号。
图l为现有伺服马达的向量控制系统；
7图2为现有换相信号的增量型光学编码器的光学盘示意图3为现有换相信号与电气角度的对应关系示意图4为本发明伺服马达的向量控制系统实施例方块示意图5为本发明马达转子磁极定位装置的实施例立体分解图6为本发明光学编码盘的第一实施例示意图7为本发明光学编码盘的第二实施例示意图8为本发明光学传感器的电路示意图9为本发明光学传感器照射该光学编码盘的第一实施例示意图10为本发明线条图形与输出电压的对应关系示意图ll为本发明光学传感器照射该光学编码盘的第二实施例示意图；图12为本发明二组光学传感器相距一组线条图形的90。位置处的实施例示
意图；及
图13为本发明反射式光学传感器感测的弦波信号与电气角度的关系图。主要组件符号说明
1 马达
2 含换相信号的增量型光学编码器
3 换相信号Hu
4 换相信号Hv
5 换相信号Hw
6 位置计数器
7 电气换相表
8 初始位置缓存器
9 速度计算器
10 速度控制器
11 电流控制器
12 三相旋转坐标对直角坐标转换模块
13 直角坐标对三相旋转坐标转换模块
14 脉波宽度调变模块
15 三相电力变频器
16 A、 B相刻线17 反射式光学传感器
18 模拟/数字转换器
19 电气角度计算器
20 光学编码盘
21 线条图形
22 发光二极管
23 光敏晶体管
24 编码器电路板
25 电路板固定柱
具体实施例方式
为了进一步说明本发明为达成预定目的所采取的技术、手段及功效，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图，相信本发明的目的、特征与特点，当可由此得一深入且具体的了解，然而所提供的附图仅提供参考与说明用，并非用来对本发明加以限制者。
请参阅图4所示，为本发明伺服马达的向量控制系统实施例方块示意图。而图5为本发明马达转子磁极定位装置的实施例立体分解图，本发明的马达转子设有至少一组N-S磁极对，本发明主要是取消现有马达向量控制系统中该换相信号3、 4、 5与电气换相表7，改采用二组光学传感器17，并将设置于马达l侧的习知光学编码盘2改为具有A、 B相刻线16与黑白相间的线条图形21的一新式光学编码盘20，该光学编码盘20的轴心连接于马达1转子，转子转动可连动该光学编码盘20转动。
而除了该光学传感器17本发明更设有一模拟/数字转换器18及一电气角度计算器19，皆配设于一编码器电路板24上，该编码器电路板24可藉由二颗螺丝锁固于马达1本体的电路板固定柱25上。
如图6所示，为本发明光学编码盘的第一实施例示意图，该光学编码盘20呈圆盘状，其上布设至少一组对应于该N-S磁极对的线条图形21，该线条图形由多条围绕圆心呈放射状排列的线条所组成，且该些线条是以等密度而不等宽度的形态组成，意即该些线条相邻间皆等距离的情况下，由粗线渐渐变化到细线，再由细线渐渐变化到粗线的方式呈现，而一组线条图形21对应一组马达转
9子的N-S磁极对，如一马达转子具有5组N-S磁极对，则该光学编码盘20上则对应有5组线条图形21。
如图7所示，为本发明光学编码盘的第二实施例示意图，该光学编码盘20上布设的线条图形21，同样由多条围绕圆心呈放射状排列的线条所组成，但该些线条是以等宽度而不等密度的形态组成，意即该些线条皆是相同宽度的细线，但是以线条间相邻距离由近渐渐变化到远，再由远渐渐变化到近，或者可解释为相距较密集渐渐疏远，再由疏远渐渐密集的方式呈现。
如图8所示，为本发明光学传感器的电路示意图，该光学传感器17是由一光敏晶体管23及一发光二极管22所组成，如图9所示为该光学传感器照射光学编码盘的第一实施例示意图，该发光二极管22发光照射于该光学编码盘20上，该光敏晶体管23可接收由光学编码盘20上线条图形21反射的光线，由于线条图形21上线条的粗细(或密度)会影响光敏晶体管23接收反射光线的多寡，线条越粗(或越密集)反射光线越少则光敏晶体管23的输出电压越高，反之线条越细(或越疏远)反射光线越多，则光敏晶体管的输出电压越低，因此可由该光学传感器17检测一整组线条图形后，输出的电压信号产生如同一组正弦波信号，如图IO所示即为本发明线条图形与输出电压的对应关系示意图。
如图11所示，为该光学传感器照射光学编码盘的第二实施例示意图，本发明的光学编码盘20亦可为一可透光材质，而该光学传感器17的发光二极管22发光穿透该光学编码盘20，让光敏晶体管23接收光线，由于光学编码盘20上线条图形21的粗细(或密度)会影响光线穿透该光学编码盘20的多寡，亦影响光敏晶体管23接收光线的多寡，线条越粗(或越密集)穿透光线越少则光敏晶体管23的输出电压越高，反之线条越细(或越疏远)穿透光线越多，则光敏晶体管的输出电压越低，因此可由该光学传感器17检测一整组线条图形21后，输出的电压信号产生如同一组正弦波信号，如图IO。
本发明使用二组光学传感器17，且该二组光学传感器17间相隔一特定夹角，恰可因检测一组线条图形21后而产生二组相差一特定角度的第一弦波信号及第二弦波信号，较佳地，假设该第一弦波信号为一正弦波(sin)，而第二弦波信号为一余弦波(cos)，如图12所示，亦即该二组光学传感器17相距一组线条图形21的90。位置处，亦因此可藉由该二组光学传感器17检测该光学编码盘20上的线条图形21产生二组电压值，再由该二组电压值对应出该第一弦波信号e角度及第二弦波信号e角度，其对应关系如图i3所示。
因此当马达l初始启动转子转动前，即可藉由该光学传感器17得到一第一弦波电压值及一第二弦波电压值，并通过该模拟/数字转换器18将二组电压值转换为数字信号，后至该电气角度计算器19，且由图13的输出电压与弦波信号的对应关系可得出该第一弦波信号(sine)及该第二弦波信号(cose)的角度，因此该电气角度计算器19将该二组弦波电压值转换为该第一弦波信号(sine)及该第
:弦波信号(cose)代入电气角度计算公式 ，f第一弦波信号(sin0)) ，
tan-1
第二弦波信号(cose)
即可将正弦波(sine)信号的e角度给反推出来，又因为正弦波(sine)信号的e角度与转子转一圈的电气角度是相等的，所以即可得到需要的电气角度，以供给该
三相旋转坐标对直角坐标转换模块12与该直角坐标对三相旋转坐标转换模块13在初始计算时的电气角度。
本发明不论马达转子有多少N-S磁极对数，皆可利用此一事先设定好的光
学编码盘及二组光学传感器，检测出马达转子的电气角度，完全不需要使用换
相信号Hu、 Hv、 Hw以取得初始电气角度，且实施结构简单，故而本发明确能藉上述所揭露的技术，提供一种迥然不同于现有技术的设计，堪能提高整体的使用价值，又其申请前未见于刊物或公开使用，诚己符合发明专利的要件，爰依法提出发明专利申请。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
权利要求
1.一种伺服马达转子初始电气角度的取得方法，该转子设有至少一组N-S磁极对，其特征在于，该方法包括下列步骤建置一连动于马达转子的光学编码盘，其上布设至少一组对应于该N-S磁极对的线条图形，该线条图形由多条围绕圆心呈放射状排列的线条组成；建置二相隔一特定夹角的光学传感器，用以检测该光学编码盘上的一组线条图形，产生二组相差一特定角度的弦波电压信号；于马达初始启动转子转动前，以该二光学传感器检测该光学编码盘的一组线条图形，产生相差特定角度的一第一弦波信号θ及一第二弦波信号θ；及以该第一弦波信号θ及该第二弦波信号θ计算出一正弦波θ角度，即为马达转子的初始电气角度。
2. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在于，该光学编码盘上的线条图形，是由多条线条以等密度而不等宽度形态组成， 即该些线条在等距下由粗线渐渐变化到细线，再渐渐变化到粗线。
3. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在于，该光学编码盘上的线条图形，是由多条线条以等宽度而不等密度的形态组 成，即该些线条在等线宽下以相距较密集渐渐疏远，再渐渐密集。
4. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在于，该光学传感器是由一光敏晶体管及一发光二极管所组成，使该发光二极管 发光照射于该光学编码盘，该光敏晶体管接收由光学编码盘反射的光线，藉由 该线条图形的反光多寡，使检测一整组线条图形后产生一组正弦波电压信号。
5. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在于，该光学编码盘为一可透光材质制成，而该光学传感器是由一光敏晶体管及 一发光二极管所组成，使该发光二极管发光穿透该光学编码盘，该光敏晶体管 接收穿透光线，藉由光线穿透该线条图形的多寡，使检测一整组线条图形产生 一组正弦波电压信号。
6. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在于，检测光学编码盘线条图形的歩骤中，进一步包括下列步骤产生一第一弦波电压值及一第二弦波电压值；转换该第一及第二弦波电压值为数字电压值；及转换该二组弦波电压值为该第一弦波信号e及该第二弦波信号e，以计算出 该正弦波e角度。
7.如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在 于，该二光学传感器相隔一特定夹角，是相隔一组线条图形的90。角，使该第一弦波信号e为一正弦波(sine)，而第二弦波信号e为一余弦波(cose)，而计算该,第一弦波信号(sine)、tan-1正弦波e角度的公式为v第二弦波信号(cose》=0
8. 如权利要求1所述的伺服马达转子初始电气角度的取得方法，其特征在 于，该光学编码盘上更布设有A、 B相刻线。
9. 一种伺服马达转子初始电气角度的取得装置，该转子设有至少一组N-S 磁极对，该装置包括一光学编码盘，连动于马达转子，呈圆盘状，其上布设至少一组对应于该 N-S磁极对的线条图形，该线条图形由多条围绕圆心呈放射状排列的线条组 成；二光学传感器，相隔一特定夹角，用以检测该光学编码盘上的一组线条图 形，产生二组相差一特定角度的弦波电压信号；及一电气角度计算器，接收该二组相差一特定角度的弦波电压信号，转换为一第一弦波信号e及一第二弦波信号e，藉以计算出一正弦波e角度，即为马达转子的初始电气角度。
10. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征在于，该光学编码盘上的线条图形，由多条线条以等密度而不等宽度形态组成， 即该些线条在等距下由粗线渐渐变化到细线，再渐渐变化到粗线。
11. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征在于，该光学编码盘上的线条图形，是由多条线条以等宽度而不等密度的形态 组成，即该些线条在等线宽下以相距较密集渐渐疏远，再渐渐密集。
12. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征 在于，该光学传感器是由一光敏晶体管及一发光二极管所组成，使该发光二极 管发光照射于该光学编码盘，该光敏晶体管接收由光学编码盘反射的光线，藉由该线条图形的反光多寡，使检测一整组线条图形后产生一组正弦波电压信 号。
13. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征在于，该光学编码盘为一可透光材质制成，而该光学传感器是由一光敏晶体管 及一发光二极管所组成，使该发光二极管发光穿透该光学编码盘，该光敏晶体 管接收穿透光线，藉由光线穿透该线条图形的多寡，使检测一整组线条图形产 生一组正弦波电压信号。
14. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征在于，更包括一模拟/数字转换器，用以将该二组光学传感器所生的二组弦波电压信号 转换为数字电压值。
15. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征 在于，该二光学传感器相隔一特定夹角，是相隔一组线条图形的90。角，使该第一弦波信号e为一正弦波(sine)，而第二弦波信号e为一余弦波(cose)，而该电 气角度计算器计算该正弦波e角度的公式为+ ^f第一弦波信号(sine)〕。、第二弦波信号(cose) J 。
16. 如权利要求9所述的伺服马达转子初始电气角度的取得装置，其特征 在于，该光学编码盘上更布设有A、 B相刻线。
全文摘要
本发明公开了一种伺服马达转子初始电气角度的取得方法，是建置一连动于马达转子的光学编码盘，其上布设对应于该N-S磁极对的线条图形，该线条图形由复数围绕圆心呈放射状排列的线条组成；并建置二相隔一90°夹角的光学传感器，用以检测该光学编码盘上的一组线条图形；而于马达初始启动前以该二光学传感器检测一组线条图形，产生相差90°角的一第一弦波信号(sinθ)及一第二弦波信号(cosθ)；利用上式公式计算出一正弦波θ角度，即为马达转子的初始电气角度。
文档编号H02P8/04GK101635550SQ200810133258
公开日2010年1月27日 申请日期2008年7月22日 优先权日2008年7月22日
发明者傅家兴, 王裕立 申请人:合丰自动化股份有限公司