CN107544022B - 一种电机状态的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电机状态的检测方法及装置。本发明实施例方法包括：应用于电机系统，所述方法包括：在电机运行时，判断电机旋转方向；若电机为顺时针方向旋转，则根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；若电机为逆时针方向旋转，则根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测。本发明实施例可以在电机无需编码器的情况下，检测出电机位置、速度、角度的实时变化，为系统闭环控制提供反馈信息，保证电机正常稳定的运转。

Description

一种电机状态的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及电机检测领域，特别涉及一种电机状态的检测方法及装置。

背景技术

在工业自动化领域，为了使电机系统能够稳定运行，需要形成闭环控制系统，这就要求电机实际位置、速度、电机当前电角度能够实时的测量。

测量方法通常采用光电编码器等，测得的信号是脉冲信号。脉冲信号传送给数字处理器，进行控制功能及算法运算。实际生产应用中，编码器通常占据一定的空间位置，编码器占据一定的成本，解析编码器时需要遵循编码器所支持的解析协议。

现有技术中，永磁无刷直流电动机的位置检测装置有：离散霍尔传感器、光电编码器和旋转变压器。离散霍尔传感器在一个电角度周期提供六个位置，位置精度低，采用此位置检测装置，电机转矩脉动大、速度计算精度低。光电编码器虽然位置精度高，但价格昂贵，且受应用环境影响较大，不合适对可靠性要求高且成本低的电动车领域。旋转变压器可靠性及位置检测精度都很高，但其同样价格昂贵，且解码算法复杂，需要采用硬件芯片解码，虽然电路简单，但解码芯片价格昂贵。

发明内容

本发明实施例提供了一种电机状态的检测方法及装置，可以在电机无需编码器的情况下，检测出电机位置、速度、角度的实时变化，为系统闭环控制提供反馈信息，保证电机正常稳定的运转。

第一方面，本发明实施例提供一种电机状态的检测方法，应用于电机系统，所述方法包括：

在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

若所述电机为顺时针方向旋转，则根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；

若所述电机为逆时针方向旋转，则根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测。

可选的，在所述电机运行时，读取预设的编码器码盘值，确定所述电机的位置。

可选的，检测电机单位时间内旋转的编码器位置；

根据所述电机单位时间内旋转的编码器位置变化，计算电机运行速度。

可选的，在所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，所述方法还包括:

制定正转电角度标定表和反转电角度标定表。

可选的，所述制定正转电角度标定表和反转电角度标定表，包括：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表。

第二方面，本发明实施例提供一种电机状态的检测的装置，应用于电机系统，所述装置包括：

判断单元，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

电角度检测单元，用于在所述电机为顺时针方向旋转时，根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；在所述电机为逆时针方向旋转时，根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测。

可选的，所述装置还包括：

确定单元，用于在所述电机运行时，读取预设的编码器码盘值，确定所述电机转子的位置。

可选的，所述装置还包括；

速度检测单元，用于检测电机单位时间内旋转的编码器位置；根据所述电机单位时间内旋转的编码器位置变化，计算电机运行速度。

可选的，所述装置还包括：

制定单元，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，制定正转电角度标定表和反转电角度标定表。

可选的，所述制定单元具体用于：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表。

本发明实施例可以在电机无需编码器的情况下，检测出电机位置、速度、角度的实时变化，为系统闭环控制提供反馈信息，保证电机正常稳定的运转。

附图说明

图1是本发明实施例中电机定子绕组及霍尔传感器安装示意图；

图2是本发明实施例中电机状态的检测方法的第一实施例示意图；

图3是本发明实施例中电机转子初始角度示意图示意图；

图4是本发明实施例中电机电角度标定流程示意图；

图5是本发明实施例中电机状态的检测装置的一个实施例示意图。

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的实施例，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。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

本发明实施例应用于电机系统，所述电机系统包括直流无刷电机，所述电机的转子为永磁体、定子为电枢绕组，所述直流无刷电机上安装有用于检测所述永磁体产生的正弦空间磁场的三个霍尔传感器，每个霍尔传感器间隔120度，如图1为本发明实施例中电机定子绕组及霍尔传感器安装示意图。

下面首先介绍电机状态的检测方法的实施例，该电机状态的检测方法的执行主体为电机状态的检测装置。

请参阅图2，本发明实施例中电机状态的检测方法第一实施例包括：

201、在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

202、若所述电机为顺时针方向(正向)旋转，则根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；

203、若所述电机为逆时针方向(反向)旋转，则根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测。

本发明实施例中通过预设的正转电角度标定表、反转电角度标定表可以对不同电机旋转方向的电机进行电角度检测，进而可以检测出电机位置、速度、角度的实时变化，为系统闭环控制提供反馈信息，保证电机正常稳定的运转。

可选的，在第一实施例的基础上，本发明实施例的第二实施例进一步包括：

在所述电机运行时，读取预设的编码器码盘值，确定所述电机的位置。

可选的，在第一实施例或第二实施例的基础上，本发明第三实施例中，包括：

检测电机单位时间内旋转的编码器位置；

根据所述电机单位时间内旋转的编码器位置变化，计算电机运行速度。

可选的，在第一实施例、第二实施例或第三实施例的基础上，在本发明第四实施例中，在所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，所述方法还包括:

制定正转电角度标定表和反转电角度标定表。

可选的，所述制定正转电角度标定表和反转电角度标定表，包括：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表。

下面以三相电枢绕组电机图为例说明电机状态检测原理。

霍尔元件输出电压大小为：U_H＝R_H×I×B/d(mV)

式中：R_H—霍尔常数，d—元件厚度，B—磁感应强度，I—控制电流

若控制电流保持不变，则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化，根据这一原理，将电机三相绕组A、B、C分别通以电流，使定子产生旋转磁链，转子为永磁体，在定子选择磁链的作用下，转子跟随定子旋转，当转子旋转过程中，霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响，输出脉冲信号，霍尔传感器感应转子位置。

其实现原理如下：

三相绕组AX、BY、CZ间隔120度放置于定子上，霍尔传感器H1、H2、H3放置于BZ、CX、AY的角平分线上，每个霍尔传感器间隔120度。安装原理图见图1所示。

霍尔传感器输出的正负由转子磁极的位置决定，当转子的N级贴近霍尔传感器时，霍尔传感器输出为正值1，反之，当转子的S级贴近霍尔传感器时，霍尔传感器输出为负值0。以此根据霍尔传感器的输出组合，可以将转子定位到60°的范围内，将平面分成6个区域，霍尔传感器输出与转子N极所在区域的具体关系见表1所示。如图3所示为电机转子初始角度示意图示意图，图4为电机电角度标定流程示意图，该标定过程包括：

401、控制电机旋转一周；

402、记录霍尔输出跳变时的机械角度；

403、计算出霍尔跳变的电角度；

404、计算每个扇区中间电角度。

具体的，例如，将转子N极定位到60°的区间后，取其区间角平分线所对应角度为转子的初始机械角度θ,根据电机极对数，计算出对应的电角度。控制电机以极慢的速度旋转一周，记录不同霍尔输出组合跳变瞬间的电角度值，得到电机旋转一周霍尔边沿切换电角度，进而计算出每个扇区内的电角度值。

表1

因为电机正反转，经过的霍尔输出组合不同，所以增加电机正反转判断，根据判断结果，进行电角度的切换，实现角度检测。因为电机旋转一周，对应的电角度变化是定值，所以可以将其视作编码器，编码器线数为一周电角度变化次数，利用软件设计成的编码器，实现位置检测。以位置检测为依托，检测对位码数切换时间，实现速度检测。

下面结合具体应用场景对本发明进行进一步详细说明。

本发明实施例中三个霍尔传感器产生三个霍尔信号，输出6种状态，以P＝4对极电机为例，电机旋转一周，霍尔输出组合跳变时的机械角度有6个，分别为θ_MA、θ_MB、θ_MC、θ_MD、θ_ME、θ_MF。根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度，根据边沿电角度，根据公式θE中间＝(θE_左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度。P＝4时，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度均为24个。P为电机极对数，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度个数由所选电机决定。从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表。从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表。因为扇区数为定值，每个扇区对应编码器的一线，则将4对极电机虚拟成24线绝对是编码器。

三个霍尔信号H1、H2、H3组合输出6种不同状态，正转时，霍尔输出依次为010、011、001、101、100、110，对应十进制为2、3、1、5、4、6。反转时，霍尔输出依次为010、110、100、101、001、011、对应十进制为2、6、4、5、1、3。通过霍尔输出循环方向，可以判断出电机旋转方向。

当电机运行时，首先判断电机旋转方向，若为正转，则根据正转电角度标定表，进行电角度检测。若为反转，则根据反转电角度标定表，进行电角度检测。电机旋转过程中，读取虚拟编码器码盘值，实现位置检测。检测电机单位时间内旋转的编码器位置，实现电机速度检测。

下面介绍本发明实施例中电机状态的检测的装置的实施例。

请参阅图5，为本发明实施例中电机状态的检测的装置的一个实施例示意图，该电机状态的检测的装置500包括：

判断单元501，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

电角度检测单元502，用于在所述电机为顺时针方向旋转时，根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；在所述电机为逆时针方向旋转时，根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测。

可选的，所述装置还包括确定单元503，用于在所述电机运行时，读取预设的编码器码盘值，确定所述电机转子的位置。

可选的，所述装置还包括速度检测单元504，用于检测电机单位时间内旋转的编码器位置；根据所述电机单位时间内旋转的编码器位置变化，计算电机运行速度。

可选的，所述装置还包括制定单元505，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，制定正转电角度标定表和反转电角度标定表。

可选的，所述制定单元505具体用于：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；P＝4时，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度均为24个。P为电机极对数，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度个数由所选电机决定。

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种电机状态的检测方法，其特征在于，应用于电机系统，所述方法包括：

在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

若所述电机为顺时针方向旋转，则根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；

若所述电机为逆时针方向旋转，则根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测；

所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，所述方法还包括:

制定正转电角度标定表和反转电角度标定表；

所述制定正转电角度标定表和反转电角度标定表，包括：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度，θ_M为电机的机械角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表；

P＝4时，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度均为24个，P为电机极对数，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度个数由所选电机决定；

扇区数为定值，每个扇区对应编码器的一线，则将4对极电机虚拟成24线绝对式编码器。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述电机运行时，读取预设的虚拟编码器码盘值，确定所述电机的位置。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

检测电机单位时间内旋转的虚拟编码器位置；

根据所述电机单位时间内旋转的虚拟编码器位置变化，计算电机运行速度。

4.一种电机状态的检测的装置，其特征在于，应用于电机系统，所述装置包括：

判断单元，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向；

电角度检测单元，用于在所述电机为顺时针方向旋转时，根据预设的正转电角度标定表，进行电角度检测；在所述电机为逆时针方向旋转时，根据预设的反转电角度标定表，进行电角度检测；

所述装置还包括：

制定单元，用于在所述电机运行时，判断电机旋转方向之前，制定正转电角度标定表和反转电角度标定表；

所述制定单元具体用于：

根据公式θ_E＝P*θ_M计算出电机旋转一周对应的边沿电角度，θ_M为电机的机械角度；

根据边沿电角度，根据公式θ_E中间＝(θ_E左边沿+θ_E右边沿)/2,求每个扇区中间位置对应的电角度；

从初始电角度开始，按照电角度递增，制定正转电角度标定表；

从标定的最大电角度开始，按照电角度递减，制定反转电角度标定表；

P＝4时，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度均为24个，P为电机极对数，边沿电角度和每个扇区中间位置对应的电角度个数由所选电机决定；

扇区数为定值，每个扇区对应编码器的一线，则将4对极电机虚拟成24线绝对式编码器。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

确定单元，用于在所述电机运行时，读取预设的虚拟编码器码盘值，确定所述电机转子的位置。

6.根据权利要求4或5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括；

速度检测单元，用于检测电机单位时间内旋转的虚拟编码器位置；根据所述电机单位时间内旋转的虚拟编码器位置变化，计算电机运行速度。

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