一种电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案

1.本发明涉及电机位置传感器解码领域，具体是一种电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案。


背景技术：

2.电机能够发挥出其高性能的关键，是在于高性能控制方法的配合，作为目前主流的交流电机控制方式，矢量控制、磁场定向控制对定子电流中转矩分量和励磁分量的解耦，实现电机高性能控制。利用磁场定向控制技术对其实施高性能控制的核心是实时获取电机转子磁极的位置信息以实现定子电流解耦控制，以及转子的实时转速信息以实现速度闭环控制。
3.为了获取精确的转子电角度位置信息和电机的转速，安装位置传感器是工业界最广泛应用的方案，正余弦编码器作为位置传感器的一种，在数控机床、行走驱动电机方面被大量采用，但由于正余弦编码器输出的位置信号为模拟信号，因此极易受到外界干扰，尤其是在大电流或大功率等级的电机应用场合，且限制了位置信号线的长度，因此过长的信号线会导致模拟信号失真，受干扰的位置信号会严重影响电机正常运行，甚至导致电机失控的情况存在。
4.现有的正余弦编码器位置信号解码方案主要是在硬件上做处理与抗干扰，增加了硬件成本，并且硬件上的处理对干扰与噪声的抑制有限，相当程度上制约了现有一些方案的实际应用，同时对速度信号并未有合适的解算方案，现提出一种合适的、节约成本且性能较好的电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案，通过完整的一套解码方案实现由位置编码器的输出信号处理为去干扰、滤噪声的可用于电机高性能控制的转子位置角信息与速度信息。
6.本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
7.一种电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案，所述解码方案包括硬件、软件、预处理和信号调理电路模块，位置编码器包括正余弦编码器和脉冲编码器，硬件包括硬件滤波和滞环比较器，位置编码器输出信号经过硬件滤波的采样信号调理作为软件的模拟信号采样，滞环比较器用于做辅助测速环节。
8.进一步的，所述解码方案针对正余弦编码器的输出信号进行解码：
9.s1:信号调理电路模块对正余弦位置传感器的输出信号做硬件上的调理与跟踪的预处理。
10.s2:软件通过模拟采样读取硬件滤波与预处理的信号。
11.s3:软件给定虚拟角度的电压矢量,电机低速测试性的旋转，软件对编码器输出asin与bcos信号的幅值进行读取并储存，软件采用带遗忘因子的最小二乘法进行编码器输
出信号幅值的确定，读取编码器输出信号计算收敛获得位置信号输出的最大值与最小值信息，完成鉴幅环节，为电机正常运行的位置信号提供幅值校正。
12.s4:软件对编码器输出信号进行模拟信号的采样读取，软件利用s3中得到的asin与bcos收敛幅值信息实现位置信号的幅值校正，asin与bcos幅值校正后的结果分别为asin*与bcos*，结合asin*、bcos*信号与软件反正切计算，完成位置信号的初步计算，得到未处理的位置信号,未处理的位置信号传输给非线性微分跟踪。
13.s5：软件实现的非线性微分跟踪算法对未处理的位置信号进行跟踪微分计算与滤波处理，得到削弱干扰后的改进处理位置信息与速度信息。
14.进一步的，所述解码方案针对正余弦编码器的输出信号进行辅助测速参考：
15.s1:利用硬件滞环比较器，将正余弦编码器的每路输出信号在一个三角函数周期内输出单个双电平脉冲。
16.s2:软件完成数字信号采样进行脉冲捕获与时间记录，软件检测比较器输出脉冲信号的间隔时间，计算当前转速，双电平脉冲信号输入至单片机的数字io口，在单片机内完成时间差的计算，完成辅助测速。
17.s3：软件速度综合切换计算，结合辅助测速与微分测速，获得精准速度信号。
18.进一步的，所述解码方案在原有解码方案且不改变原有硬件装置的基础上，提供的其他种类脉冲编码器解码流程：
19.硬件滞环比较器结构在前级输入数字量信号，数字量信号是脉冲型位置编码器，滞环的结构提高位置信号的准确度，滞环后级的数字信号被软件读取，由软件作位置信号处理。
20.进一步的，所述设置虚拟角度作为电机的位置角度，设定固定幅值的电压矢量，给定电压矢量固定角频率的旋转，强制拉动电机转子低速运行，检测电机正余弦编码器的位置信号最值，获得多次最值数据，使用收敛算法进行幅值校正，幅值校正采用遗忘因子最小二乘的估算方法，其中设定的性能指标j为：
[0021][0022]
其中，k代表第k个采样时刻，l代表数据向量长度即采样点个数；y(k)为所需辨识系统的样本输出向量，本发明中包含采样得到的两路输出信号的最大值与最小值，φ(k)代表系统向量，θ(k)需要拟合辨识的变量矩阵，即算法鉴幅结果，最新的实时数据用1加权，而前k个采样周期的数据则用λl-k加权。从而实现带遗忘因子的最小二乘法形式如下：
[0023][0024]
其中，k(k)为中间收敛矩阵，认为相邻两次辨识结果的误差向量ε(k)满足时完成收敛鉴幅过程：
[0025]
ε(k)＝[ε1(k) ε2(k) ... εn(k)]
t
[0026][0027]
进一步的，所述幅值校正后的正余弦编码器输出信号进行角度计算，当信号幅值校正后的bcos信号bcos*大于零，机械位置角θr＝arctan(asin*/bcos*)；当信号幅值校正后的bcos信号bcos*小于零，机械位置角θr＝arctan(asin*/bcos*)+π。
[0028]
进一步的，一种非线性微分跟踪系统模型对幅值校正后的位置角度进行去噪与跟踪微分处理：
[0029][0030][0031]
其中，参数r为增益系数,用于调节sigmoid改型函数的幅值增益；c为收敛系数因子，用于调节改型函数的收敛速度与线性区间范围；θr(t)为未经处理直接反正切求得的机械位置角；θr1(t)为跟踪系统处理后的机械位置角；ωr1(t)为跟踪系统处理后的机械转速；r为该系统的跟踪系数。由此可以获得非线性滤波的位置信息与跟踪微分的速度信息。
[0032]
进一步的，所述正余弦编码器输出信号经过硬件滞环比较器，将正余弦编码器输出的模拟量信号转换为在一个三角函数周期内具有单个双电平脉冲的数字量信号，测量asin数字信号上升沿与bcos数字信号上升沿、asin数字量信号下降沿与bcos数字量信号下降沿的时间差。
[0033]
所述编码器输出信号的asin相较bcos相差π/2的相位角，该π/2的相位角反映了实际转子位置经过π/2的机械角度，单片机可以捕捉比较器输出的脉冲信号时间差进而获得转子经过π/2的机械角度的时间，完成辅助测速。
[0034]
所述辅助参考测速与跟踪微分速度与的平滑切换算法，加权切换函数为：
[0035][0036]
其中，ωr2(t)为辅助测速处理后的机械转速；ωr(t)为最终转速。
[0037]
进一步的，所述硬件滞环比较器结构处理正余弦编码器输出的模拟量信号，可以在前级输入脉冲编码器的数字量信号。
[0038]
所述在滞环比较器输入侧具有上拉5v电源，5v电源通过三极管接到比较器的输入信号侧，三极管由单片机io控制。
[0039]
本发明的有益效果：
[0040]
1、本发明解码方案降低了正余弦编码器输出信号的噪声干扰，显著提高了位置检测的精度；
[0041]
2、本发明解码方案通过采用软件算法避免了对位置信号直接求微分速度的方式，提高了测速系统的稳定性与准确性，削弱了微分求速可能带来的速度尖峰与脉动现象；
[0042]
3、本发明解码方案通过采用软件算法进行位置速度信号解码处理的方案具有较好的效果，解决了现有方案或发明使用的硬件滤波方案成本增加且处理效果不稳定的问题；
[0043]
4、本发明解码方案通过采用辅助测速参考与跟踪微分求速并行并平滑切换的方案，提高测速系统的抗干扰能力与鲁棒性。
[0044]
5、本发明解码方案辅助测速模块可以人为的控制作为其他脉冲型编码器的测速前级模块，为其他非正余弦类型的位置传感器提供输入接口，具有多功能性。
附图说明
[0045]
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
[0046]
图1为本发明电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案的结构示意图；
[0047]
图2为本发明电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案的软件工作流程图；
[0048]
图3为软件参数辨识与鉴幅收敛过程图；
[0049]
图4为具有干扰噪声的正余弦编码器两路输出信号图；
[0050]
图5为编码器输出信号的幅值校正结果及其直接求反正切的结果；
[0051]
图6为非线性微分跟踪的sigmoid改型函数曲线图；
[0052]
图7为反正切位置信号采用跟踪算法进行滤波处理前的位置信息结果；
[0053]
图8为反正切位置信号采用跟踪算法进行滤波处理后的位置信息结果；
[0054]
图9为位置信号采用跟踪算法进行滤波处理前的位置信息时域放大图；
[0055]
图10为位置信号采用跟踪算法进行滤波处理后的位置信息时域放大图；
[0056]
图11为对反正切位置信号使用直接微分处理后的速度信息结果；
[0057]
图12为对反正切位置信号使用非线性微分算法处理后的速度信息结果；
[0058]
图13为速度信号使用直接微分处理后的速度信息时域放大图；
[0059]
图14为速度信号使用非线性微分结果处理后的速度信息时域放大图；
[0060]
图15为硬件滞环比较器的功能示意图；
[0061]
图16为辅助测速参考与非线性微分测速的切换函数图。
具体实施方式
[0062]
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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
[0063]
一种电机正余弦编码器的位置速度信息解码方案，如图1所示，解码方案包括硬件、软件、预处理和信号调理电路模块，位置编码器的输出通过信号调理电路模块实现信号调理与跟踪的预处理，单片机的模拟信号采样将硬件、预处理信号读取到软件内。
[0064]
位置编码器包括正余弦编码器和脉冲编码器。
[0065]
硬件包括硬件滤波和滞环比较器，位置编码器输出信号经过硬件滤波的采样信号调理作为软件的模拟信号采样，滞环比较器用于做辅助测速环节。
[0066]
如图2所示，解码方案包括以下步骤：
[0067]
步骤一：预测试
[0068]
s1：电机测试旋转，设置虚拟角度作为电机的位置角度，设定固定幅值的电压矢量带动电机低速运行，该电压矢量的角度即为设置的虚拟角度，通过给定电压矢量的旋转来强制拉动电机转子，同时算法检测电机正余弦编码器的位置信号。
[0069]
s2：软件对编码器输出asin与bcos信号的幅值进行读取并储存，软件采用带遗忘因子的最小二乘法进行编码器输出信号幅值的确定，通过由给定虚拟角度的电压矢量使得电机低速测试性的旋转，以判定位置信号输出的最大值与最小值信息，完成鉴幅环节，鉴定幅值时需要参数辨识系统具有实时数据迭代的能力，为电机正常运行的位置信号提供幅值校正，幅值校正方法中，设定的性能指标j为：
[0070][0071]
其中，k代表第k个采样时刻，l代表数据向量长度即采样点个数；y(k)为所需辨识系统的样本输出向量，本发明中包含采样得到的两路输出信号的最大值与最小值；φ(k)代表系统向量；θ(k)需要拟合辨识的变量矩阵，即算法鉴幅结果。
[0072]
与普通最小二乘的性能指标不同，添加了指数型权重意味着对数据施加了时变加权系数，最新的实时数据用1加权，而前k个采样周期的数据则用λl-k加权。从而实现带遗忘因子的最小二乘法形式如下：
[0073][0074]
其中，k(k)为中间收敛矩阵。
[0075]
s3：软件鉴幅的参数辨识过程，如图3所示，随着测试旋转的进行，辨识的结果逐渐收敛到一个确定的值，相邻两次辨识结果的误差ε满足：
[0076]
ε(k)＝|θ(k)-θ(k-1)|＜[0.05 0.05 0.05 0.05]
t
[0077]
时，ε不满足要求时，将数值传输到上述步骤s1中进行预测试，ε满足要求时，软件的辨识收敛鉴幅测试完成，鉴幅完成的数据被存储在软件内存当中，测试完成。
[0078]
步骤二：解码
[0079]
s1：在电机实际运行时，根据预处理中得到幅值收敛参数，通过软件对调理后的编码器输出信号进行模拟信号的采样，实现了信号的读取。
[0080]
s2：利用上述预测试步骤，通过算法对编码器输出信号进行幅值校正，实际输入软件的编码器输出信号，如图4所示，经过硬件的采样信号调理后仍有干扰与噪声存在，因此需要后续的软件算法对该信号进行消噪处理。
[0081]
s3：软件利用步骤一中得到的asin与bcos收敛幅值信息实现位置信号的幅值校正，asin与bcos幅值校正后的结果分别为asin*与bcos*，结合asin*、bcos*信号与软件反正切计算，完成位置信号的初步计算，得到未处理的位置信号,未处理的位置信号传输给非线性微分跟踪。
[0082]
s4:计算电机的转子机械位置角度，以绝对式正余弦编码器为例(转子轴上额外安
装磁钢，当转子经过一个机械周期时输出信号asin与bcos信号完成一个周期，无增量式编码器的z校零信号)，位置信息计算过程：
[0083]
当信号幅值校正后的bcos信号bcos*大于零，机械位置角
[0084]
当信号幅值校正后的bcos信号bcos*小于零，机械位置角
[0085]
如图5所示，其中位置角信息为了实例的便于直观演示，已做归一化处理，由于干扰与噪声的存在，使得幅值校正后的编码器输出信号存在一定的杂波，同时直接对其求反正切的位置信息结果叶存在脉动与瞬时位置信号突变的情况存在，因此需要对其进行算法上的优化处理，使得位置信号具有尽可能小的脉动与尖峰。
[0086]
s5:采用非线性微分跟踪的方式对未处理的位置信号进行非线性干扰滤波与微分跟踪处理，得到削弱干扰后的改进处理位置信息与速度信息：
[0087]
对于系统
[0088][0089]
当系统的任意解均满足当t
→
∞时,z1(t)
→
0，z2(t)
→
0时，则对于任意有界可积函数v(t)和任意常数t》0,系统
[0090]
的解x1(t)满足设计新的微分跟踪系统，利用系统的解x1(t)实现对v(t)的跟踪，以及利用状态变量x2(t)实现对v(t)的跟踪微分求解，关于非线性跟踪函数f(x1(t)-v(t),x2(t)/m)的设计使用到了sigmoid改型函数。该函数可以用如下式子表示：
[0091][0092]
其中，参数r为增益系数,用于调节sigmoid改型函数的幅值增益；c为收敛系数因子，用于调节改型函数的收敛速度与线性区间范围；用于非线性微分跟踪的sigmoid改型函数，曲线如图6所示。
[0093]
基于此，非线性微分跟踪系统设计如下：
[0094][0095]
θr(t)为未经处理直接反正切求得的机械位置角，θr1(t)为跟踪系统处理后的机械位置角，ωr1(t)为跟踪系统处理后的机械转速，m、r为该系统的跟踪系数，增大r,可以加
快跟踪速度,但同时微分信号的噪声抑制能力将被减弱。
[0096]
对于该系统的参数整定过程可以有如下步骤：如前所述，调节c1和c2可调节跟踪信号与微分信号的收敛速度与线性区间范围，一般首先粗调确定c1和c2；转而选定r调节总体的跟踪效果，m作为微分跟踪项中sigmoid改型函数的跟踪系数，调节m来设定微分的跟踪性能；后通过综合整定r1和r2来兼顾跟踪和微分的整体效果，实现系统的整体性能达标。本实施例中，参数选取为r＝100，m＝1000，r1＝2，r2＝15，c1＝5，c2＝5。
[0097]
为了验证本发明方案中的实际位置信号去噪与跟踪微分的滤波效果，实施例中在实验平台上设置了电机转速在0
–
1s内由0加速至2400r/min，1s
–
2s内转速维持在2400r/min，2s
–
3s内电动机由2400r/min降至1200r/min，3s后电机保持1200r/min的转速，据此测试正余弦编码器输出信号的解码方案实际效果，并与传统方案进行对比。
[0098]
对图5中的幅值校正与反正切计算后的位置信号采用跟踪算法进行滤波处理前后的位置信息结果，如图7、图8、图9和图10所示，对图5中的幅值校正与反正切计算后的位置信号使用非线性微分算法与直接微分处理，得到的速度信息结果，如图11和图12所示，图13、图14将分别是图11、图12的时间轴缩放来展示电机加速动态情况(0-0.4s起动加速)下与稳态运行(1.1s
–
1.5s稳速运行)下的速度信息求解情况。
[0099]
由图7-图13可以得到，该解码方案对实际位置角信息有着较好的滤波效果，同时相比较直接对角度求差分的速度求解方式，跟踪微分系统有着更好的去噪效果，与直接求反正切求角度进而角度微分方法，在快速性保持一致的前提下，非线性跟踪微分系统对含有噪声与干扰的位置信息跟踪与滤波效果均较好，分别在动态与稳态情况下测试了算法的微分跟踪性能，跟踪与微分信号均无超调、较快速地跟踪上理想信号，且跟踪精度较高。
[0100]
步骤三：速度观测
[0101]
s1：速度信息的获取可以通过上述的非线性微分来实现，也可以通过硬件滞环比较器作为辅助测速的一部分，参与到了速度信息获取的工作过程当中，将正余弦编码器输出的信号在一个三角函数周期内输出单个双电平脉冲，由正余弦编码器的原理可得两脉冲上升沿之间相差1/4个机械周期，下降沿同理，测量asin经过滞环比较器后信号的上升沿与bcos上升沿、asin经过滞环比较器后信号的下降沿与bcos下降沿的时间差，可以作为辅助速度参考。双电平脉冲信号将输入至单片机的数字io口。
[0102]
s2：软件完成数字信号采样，软件进行脉冲捕获与时间记录，软件检测比较器输出脉冲信号的间隔时间，计算当前转速，如图14所示，通过编码器输出信号的asin相较bcos相差π/2的相位角，对应与正余弦绝对位置编码器，该π/2的相位角反映了实际转子位置经过了π/2的机械角度，单片机的数字io口可以捕捉到比较器输出的脉冲信号进而获得转子经过π/2的机械角度的时间，从而完成辅助测速。
[0103]
s3：软件速度综合切换计算，综合辅助测速与微分测速的结果，完成测速功能，上述步骤三中的s2对应的辅助测速结果与步骤二中的s5获得的跟踪微分速度同时作为测速切换函数的输入，切换函数基于改性sigmoid函数进行设计，在低速时主要采用跟踪微分的测速结果，在高速与辅助测速相结合进行速度观测，获得精准速度信号。
[0104]
如图15所示，加权切换函数为：
[0105][0106]
其中，ωr2(t)为辅助测速处理后的机械转速；ωr(t)为最终转速。该切换函数以ωr1(t)作为切换权重系数的变量条件，实现ωr1(t)与ωr2(t)的平滑加权求和与速度切换，得到最终转速。
[0107]
s4：在原有解码方案中，不改变原有硬件装置的基础上，提供的其他种类脉冲编码器解码，硬件滞环比较器结构，可以在前级输入数字量信号，既可以是正余弦编码器输出的模拟量信号，也可以是数字量信号(数字量信号为开关霍尔型位置传感器、光电型编码器等脉冲编码器)，且滞环的结构可以提高位置信号的准确度，避免了尖峰毛刺的存在使得位置误判断，滞环后级的数字量输出同样输入至单片机io口，由单片机作位置信号处理。
[0108]
进一步的，在滞环比较器输入侧具有上拉5v电源，5v电源通过三极管接到比较器的输入信号侧，该三极管由单片机io控制；若位置传感器的输出信号为需要电平上拉的开漏型输出信号，则可通过单片机来控制三极管开通，进而实现开漏输出信号的正常使用。
[0109]
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
[0110]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。