一种用于动子位置信号综合处理的方法和装置与流程

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种用于动子位置信号综合处理的装置和方法。

背景技术：

在长距离、大推力的提升系统及直线运动系统中，传统的旋转电机需要通过传动转换装置才能输出直线运动，而直线电机由于其特殊的结构可直接输出直线运动，使得其应用越来越广泛。为了实现对直线电机的精确控制，需要对动子位置信号作精确检测和有效处理，特别是在闭环控制系统中，实时精准地反馈动子位置信号显得尤为重要。

为了有效处理动子位置信号，多年以来国内外很多学者提出了不同的处理方法，都取得了各自不同的效果。2006年，上海交通大学的钱存元等人在高速磁浮列车动子位置检测系统的研究中，提出了一种针对单一传感器测量系统的位置算法，其位置检测精度低、误差大。安徽大学电气工程与自动化学院的学者采用高速相机采集相邻栅栏图像，由此他们分别提出了基于梯度法的图像均方差处理算法、基于多峰拟合相位相关算法和基于奇异值分解相位相关算法来获得动子的位置信息，其在试验过程中动子运动速度仅在0-1m/s之间，这种方法算法复杂、实时性较差，而且其采集的图像信息易受电机振动和灰尘等环境的影响，难以适合大功率、恶劣环境下高速电机的位置控制要求。2015年海军工程大学的王擎宇等人针对分段式直线电机提出了一种动子位置信号的处理方式，其通过传感器阵列获得一组正交编码信号，对正交编码信号进行数字滤波处理，再通过正交算法获得动子实时位置，但其采用的是分段式信号传输方式，信号需要逐级传输处理，各个单元之间依赖程度增加，不利于设备模块化发展，而且由此造成系统设备数量增加、体积增大，不满足设备集成化发展方向。

目前，国内关于动子位置检测及信号综合处理的方法有很多，但应用于如电磁发射这样长距离、大推力的特殊环境中还很罕见，其工程实际技术难度较高，与旋转电机及一般直线电机的动子位置检测与信号处理有较大差别。

直线电机未来应用领域广阔，特别是在电磁发射、磁悬浮列车等领域，由于其功率大、定子长、使用环境特殊，由此需要一套实时性好、可靠性高、位置测量精度高、环境适应性强、模块化及集成化程度高的动子位置信号综合处理装置。

技术实现要素：
：

为了克服上述背景技术的缺陷，本发明提供一种用于动子位置信号综合处理的装置和方法，能够接受多路来自传感器的动子位置信号，并将处理后的位置信号发送到上级控制器，实现直线电机的精确控制。

为了解决上述技术问题本发明的所采用的技术方案为：

一种用于动子位置信号综合处理的方法：

通过位置传感器获取动子的基准位置信号和实时位置信号，对实时位置信号依次进行滤波、剔除噪声、鉴频和倍频处理，对经处理之后的信号进行缺失判断，若存在缺失则进行缺失补偿，若不存在缺失，则进行延时判断，若存在延时则进行延时补偿，若未发生延时，则结合基准位置信号获取动子的运动方向和实时位移。

较佳地，实时位置信号为位置传感器通过正交编码器发出的正交编码信号，位置传感器发出两组正交编码信号第一组为A1和B1，第二组为A2和B2。

较佳地，对经处理之后的信号进行缺失判断的方法为：若检测到正交信号A1的第i信号，而未检测到正交信号B1第i信号，则判断正交信号B1的第i信号缺失；若检测到正交信号A2的第i信号，而未检测到正交信号B2第i信号，则判断正交信号B2的第i信号缺失；其中i＝1……n，n为脉冲信号的个数。

较佳地，进行缺失补偿的方法为：以正交信号A1第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B1中补偿第i信号；以正交信号A2第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B2中补偿第i信号。

较佳地，对信号进行延时判断的方法为：当正交信号B1的上升沿不在正交信号A1上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B1存在时间延时，其差值记为Δt1；当正交信号B2的上升沿不在正交信号A2上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B2存在时间延时，其差值记为Δt2。

较佳地，进行延时补偿的方法为：以正交信号A1为参考，将正交信号B1的脉冲延时Δt1；以正交信号A2为参考，将正交信号B2的脉冲延时Δt2。

较佳地，结合基准位置信号获取动子的运动方向和实时位移的方法为：将动子位置正交编码信号分别进行或运算，依据正交编码信号的脉冲的先后确定动子运动方向，当正交信号A1超前正交信号B1时，判断动子正向运行，当正交信号B1超前正交信号A1时，判断动子反向运行，根据正交编码信号脉冲数计算出动子实时位置，得到运动方向和实时位移的第一次运算结果。

较佳地，还包括对运动方向和实时位移的第一次运算结果进行验证的步骤：将动子位置正交编码信号分别进行或运算，依据正交编码信号的脉冲的先后确定动子运动方向，当正交信号A2超前正交信号B2时，判断动子正向运行，当正交信号B2超前正交信号A2时，判断动子反向运行，根据正交编码信号脉冲数计算出动子实时位置，得到运动方向和实时位移的第二次运算结果，用第二次运算结果对第一次运算结果进行校验。

一种用于动子位置信号综合处理的装置：沿直线电机运动轨道间隔设置数个位置传感器，各个位置传感器的信号输出端通过插座组件将信号输出至控制器的信号输入端，插座组件设置在控制箱体的顶部，箱体内还设有为传感器供电的开关电源。

较佳地，插座组件为航空插座组件。

较佳地，插座组件通过控制电路板将信号输出至控制器的信号输入端

较佳地，箱体设有密封结构和电磁屏蔽结构。

本发明的有益效果在于：能够接受多路来自传感器的动子位置信号，并将处理后的位置信号发送到上级控制器，实现直线电机的精确控制。本发明还提出了一种适用于该装置的控制方法，在保证动子位置精确检测的基础上，实现动子位置信号滤波、延时补偿、信号缺失处理。采用两组独立的正交编码信号，保证了位置信号的冗余，提高了装置可靠性，有助于电机连续稳定的运行；对采集的位置信号进行了滤波、实时补偿、信号缺失处理，提高了位置信号精度，有助于实现电机的精确控制；把信号的采集、处理、发送统一集成于信号综合处理装置，减少了控制单元的数量，使得装置集成化程度提高，体积和重量减小；该信号综合处理装置采用封闭式箱体设计，加装屏蔽条，信号采用光纤传输，减小了电磁干扰，提高了装置在强电磁环境下的实用性。

附图说明

图1为实施例一动子位置综合处理装置三维图。

图2为实施例一位置传感器单元布置及接线关系图。

图3为实施例一动子位置综合处理装置内部接线关系。

图4为实施例一动子位置综合处理装置航空插座组件示意图。

图5为实施例二动子位置综合处理装置控制方法流程图。

图6为实施例二正交编码位置信号缺失及补偿原理图。

图7为实施例二正交编码位置信号延时及补偿原理图。

图8为实施例二动子位置信号正交算法原理图。

具体实施方式

本发明的具体方案包括：

一种用于动子位置信号综合处理的装置：沿直线电机运动轨道间隔设置数个位置传感器，各个位置传感器的信号输出端通过插座组件将信号输出至控制器的信号输入端，插座组件设置在控制箱体的顶部，箱体内还设有为传感器供电的开关电源。

较佳地，插座组件为航空插座组件。

较佳地，插座组件通过控制电路板将信号输出至控制器的信号输入端

较佳地，箱体设有密封结构和电磁屏蔽结构。

一种用于动子位置信号综合处理的方法：

通过位置传感器获取动子的基准位置信号和实时位置信号，对实时位置信号依次进行滤波、剔除噪声、鉴频和倍频处理，对经处理之后的信号进行缺失判断，若存在缺失则进行缺失补偿，若不存在缺失，则进行延时判断，若存在延时则进行延时补偿，若未发生延时，则结合基准位置信号获取动子的运动方向和实时位移。

实时位置信号为位置传感器通过正交编码器发出的正交编码信号，位置传感器发出两组正交编码信号第一组为A1和B1，第二组为A2和B2。

对经处理之后的信号进行缺失判断的方法为：若检测到正交信号A1的第i信号，而未检测到正交信号B1第i信号，则判断正交信号B1的第i信号缺失；若检测到正交信号A2的第i信号，而未检测到正交信号B2第i信号，则判断正交信号B2的第i信号缺失；其中i＝1……n，n为脉冲信号的个数。

进行缺失补偿的方法为：以正交信号A1第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B1中补偿第i信号；以正交信号A2第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B2中补偿第i信号。

对信号进行延时判断的方法为：当正交信号B1的上升沿不在正交信号A1上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B1存在时间延时，其差值记为Δt1；当正交信号B2的上升沿不在正交信号A2上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B2存在时间延时，其差值记为Δt2。

进行延时补偿的方法为：以正交信号A1为参考，将正交信号B1的脉冲延时Δt1；以正交信号A2为参考，将正交信号B2的脉冲延时Δt2。

结合基准位置信号获取动子的运动方向和实时位移的方法为：将动子位置正交编码信号分别进行或运算，依据正交编码信号的脉冲的先后确定动子运动方向，当正交信号A1超前正交信号B1时，判断动子正向运行，当正交信号B1超前正交信号A1时，判断动子反向运行，根据正交编码信号脉冲数计算出动子实时位置，得到运动方向和实时位移的第一次运算结果。

还包括对运动方向和实时位移的第一次运算结果进行验证的步骤：将动子位置正交编码信号分别进行或运算，依据正交编码信号的脉冲的先后确定动子运动方向，当正交信号A2超前正交信号B2时，判断动子正向运行，当正交信号B2超前正交信号A2时，判断动子反向运行，根据正交编码信号脉冲数计算出动子实时位置，得到运动方向和实时位移的第二次运算结果，用第二次运算结果对第一次运算结果进行校验。

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

实施例一

本实施例所述的一种用于动子6位置信号综合处理的装置，主要包括开关电源2、控制电路板3、航空插座组件4、箱体组件5，此外还包括位于直线电机定子上的位置传感器11。

如图2所示，位置传感器1固定在直线电机的定子上，包括7个传感器盒，当直线电机的动子6运动经过传感器盒时，传感器盒输出两组四路正交编码信号(A1、B1和A2、B2)，同时位于定子端部的第一个位置传感器1产生位置基准信号(EOT信号)，该信号经过光航插座组件传送到控制电路板3。

开关电源2根据该装置的具体功能要求进行设计，其一端与外部220VDC电源相连接，另一端输出24VDC，为控制电路板3和位置传感器1单元1提供稳定可靠的直流电。

控制电路板3包含两块印制电路板，两电路板间通过数据转接头连接，其集成了电光转换电路、动子6位置信号综合处理电路，其可实现动子6位置信号的光电转换并对动子6位置信号进行综合处理。如图3、4所示，控制电路板3与航空插座组件4中光航插连接，获得两组四路动子6位置正交编码信号(分别为A1、B1和A2、B2)、位置基准信号(EOT信号)及将处理后的动子6位置信号传送给上级控制器；控制电路板3与航空插座组件4中电航插连接，向位置传感器1供电。

箱体组件5采用单面全开门式结构，方便对内部设备进行维护，箱体和门板主要由钢板进行钣金加工而成；该箱体出线方式为上进上出，在柜门上分别安装防水密封圈和电磁屏蔽条，其中密封圈在外侧，屏蔽条在内侧，可以保证该装置箱体的密封性和抗电磁干扰性能。

本发明中所述装置位置传感器1安装在直线电机定子上，箱体内部装有开关电源2、控制电路板3、航空插座组件4等。控制电路板3通过安装板安装在箱体内，安装板可以起到减震保护的作用；开关电源2通过一块铝板安装在门体内壁上，电源底面与铝板上表面贴合，铝板下表面与门板贴合，这样可以利用门板对电源进行散热；正交编码信号的接受和传输采用光纤方式，降低了强电磁环境对信号的干扰作用。

实施例二

本实施例的一种动子6位置信号综合处理装置的控制方法，包括：

第一步，将位置传感器1产生的两组四路正交编码位置信号(分别为A1、B1和A2、B2)作数字滤波处理，剔除噪声信号，再进行鉴频和倍频处理以提高控制精度；

第二步，如图6所示，当检测到正交信号A1第i信号而未检测到正交信号B1第i信号时，即判断正交信号B1第i信号缺失，执行信号缺失补偿算法，以正交信号A1第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B1中补偿第i信号，第二组正交编码信号A2、B2与此做相同处理；当信号未缺失时直接进行信号延时判断；其中，i＝1……n，n为脉冲信号的个数；

第三步，对缺失的信号进行补偿，具体的补偿方法为：

以正交信号A1第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B1中补偿第i信号；以正交信号A2第i信号上升沿和下降沿的中点为基准，在正交信号B2中补偿第i信号。

第四步，如图7所示，当正交信号B1的上升沿不在正交信号A1上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B1存在时间延时，其差值记为Δt1；当正交信号B2的上升沿不在正交信号A2上升沿和下降沿的中点时，即判断正交信号B2存在时间延时，其差值记为Δt2。

第五步，对存在延时的信号进行补偿，具体的补偿方法为：

以正交信号A1为参考，将正交信号B1的脉冲延时Δt1；以正交信号A2为参考，将正交信号B2的脉冲延时Δt2。

第六步，结合位置基准信号(EOT信号)，将两组动子6位置正交编码信号分别进行或运算，如图8所示，根据正交编码信号的脉冲的先后确定动子6运动方向，当正交信号A1超前正交信号B1时，此时其逻辑值为00-10-11-01-00，动子6正向运行，当正交信号B1超前正交信号A1时，此时其逻辑值为00-01-11-10-00，动子6反向运行；根据正交编码信号脉冲数n，计算出动子6实时位移S＝nL，其中L为动子齿间距，。

第七步，对运动方向和实时位移的第一次运算结果进行验证：

将动子6位置正交编码信号分别进行或运算，依据正交编码信号的脉冲的先后确定动子6运动方向，当正交信号A2超前正交信号B2时，判断动子6正向运行，当正交信号B2超前正交信号A2时，判断动子6反向运行，根据正交编码信号脉冲数n，计算出动子6实时位移S＝nL，其中L为动子齿间距，得到运动方向和实时位移的第二次运算结果，用第二次运算结果对第一次运算结果进行校验。

所述仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以根据滤波算法、位置信号缺失补偿算法、位置信号延时补偿算法以及动子6位置正交算法的不同做出其它不同形式的变化或变动。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

将传感器位置信号滤波算法、位置信号缺失补偿算法、位置信号延时补偿算法以及动子6位置正交算法同时植入位置控制器单元算法的具体实现方式不做限定。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。