CN109443451A - 一种电机位置速度检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电机位置速度检测装置，电机运行时磁钢或磁栅尺产生表征电机位置的磁信号，通过位置传感器采集后经模数转换电路转化得到数字磁信号传送到ROM查表模块得到原始位置数据，位置计算模块根据电机和传感器参数将原始位置数据换算成电机实时位置数据，电机实时位置数据经电机速度计算模块计算得到电机的实时速度传送到信号输出电路，然后通过电机驱动器作为电机的位置、速度反馈。与现有技术相比，本发明成本低，能够检测电机的位置和速度，检测效率高，对很多场合的电机速度位置反馈系统有广泛的应用前景。

Description

一种电机位置速度检测装置

技术领域

本发明涉及电机检测装置，特别涉及一种电机位置速度检测装置。

背景技术

传统的电机高精度位置反馈采用光栅、磁栅、容栅等，现有的技术中，需要采用与其相匹配的读数头或解码芯片，但对于有固定分辨率、精度、电机速度要求的场合，其成本高昂。

电机位置反馈系统经常采用对环境要求不高，耐水耐油污耐粉尘耐震动，价格低廉的磁栅尺或磁钢，利用磁传感器细分芯片，得到电机位置，但是这种芯片适用于固定磁极距的磁栅尺或磁钢；对于某些直线电机应用场合或带传动机构的数控机床、伺服控制系统、机器人系统还需要另外的设备计算绝对位置或电机速度，增加成本。另外，有些场合将磁信号转换为位置信号采用MCU软件细分以替代解码芯片，运算速度慢，延时时间长，且在相同位置分辨率情况下，达不到相对高速高精度的检测要求。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种电机位置速度检测装置，具有成本低、可检测电机的位置和速度信号的优点。

为了实现上述技术目的，本发明提供的技术方案为：一种电机位置速度检测装置，电机运行时磁钢或磁栅尺产生表征电机位置的磁信号；其特征是：包括位置传感器、模数转换电路、ROM查表模块、电机位置计算模块、电机速度计算模块以及信号输出电路；

位置传感器为磁性传感器，用于采集所述磁信号，其输出端连接模数转换电路；

模数转换电路用于将模拟信号转换为数字信号，其输出端连接ROM查表模块；

所述ROM查表模块存储磁信号与电机位置的对应关系，通过查表，得到电机原始位置信号，其输出端连接电机位置计算模块；

电机位置计算模块包括数据计算单元，所述数据计算单元根据直线电机总行程和磁钢或磁栅尺之间的极距关系，或者旋转电机上旋转磁钢极对数关系计算电机的绝对位置，其输出端连接电机速度计算模块与信号输出电路；

电机速度计算模块根据电机的绝对位置，采用M/T法计算电机的实际速度，其输出端连接信号输出电路；

所述信号输出电路用于将电机的绝对位置信号与实际速度信号转换为所需的输出信号类型，通过电机驱动器反馈至电机。

所述电机为直线电机时，所述磁信号表征直线电机的线性位置；所述电机为旋转电机时，所述磁信号表征电机的角度位置。

作为一种实现方式，磁性传感器采样两路相位差为90°的磁信号，得到正弦磁信号与余弦磁信号。作为进一步优选，磁性传感器输出端连接传感器信号处理电路，传感器信号处理电路用于调整正弦磁信号、余弦磁信号的幅度和/或滤波，其输出端连接模数转换电路。

作为另一种实现方式，磁性传感器采样四路相位差为90°的磁信号，得到正弦差分磁信号与余弦差分磁信号。作为进一步优选，磁性传感器输出端连接传感器信号处理电路，传感器信号处理电路用于调整正弦磁信号、余弦磁信号的幅度和/或滤波，其输出端连接模数转换电路。

作为优选，所述模数转换电路连接数据处理模块，所述数据处理模块包括三角函数计算单元，用于将正弦磁信号、余弦磁信号转换为正切磁信号，其输出端连接ROM查表模块。作为进一步优选，所述数据处理模块还包括偏差补偿单元与错误信号提示单元，当磁信号的理论值和实际值的偏差较小，则与上一采样时刻比较进行补偿，如果磁信号的理论值和实际值的偏差较大，则系统报错，停止工作。

所述ROM查表模块的位置分辨率越高，电机控制精度越高，但电机运行速度越慢。作为优选，所述ROM查表模块包括三种可选择的分辨率：1024位分辨率，2048位分辨率，以及4096位分辨率。

作为优选，所述电机位置计算模块还包括数据滤波单元，用于计算过程中存在数据延时进行滤波处理。

作为优选，所述电机位置计算模块还包括数据转换单元，用于将计算得到的原始位置信号转换为所需的信号类型输出，例如增量信号、PWM信号或其他所需的编码器类型。

所述信号输出电路的输出信号类型包括模拟量形式输出，串行输出，PWM形式输出，增量式差分输出，二进制、格雷码、码盘形式输出等。作为优选，所述的串行输出包括SPI、SSI、IIC三种形式。

作为优选，所述的数据处理模块、ROM查表模块、电机位置计算模块、电机速度计算模块集成在一个FPGA芯片上。作为进一步优选，所述的FPGA芯片可高速计算电机位置和速度，在不考虑到传感器检测速度情况下，FPGA内部计算出电机的位置和速度在100ns以内，若在直线电机上采用极距为X(mm)的磁栅尺或磁钢，其位置分辨率可达X/2(um)，电机最大速度可达5X(m/s)。

作为优选，电机位置速度检测装置还包括人机交互系统，用于进行参数设置、信息显示等。参数设置包括设置电机参数、磁性传感器类型、磁极尺寸或磁性角度、电机和传感器磁信号传送比等。其中磁性传感器类型为直线电机线性位置或旋转电机角度位置类型；磁极尺寸为磁钢或磁栅尺极距；磁性角度为旋转电机旋转一周极对数；电机和传感器磁信号传送比是指当磁性传感器安装在旋转电机传动装置上时，旋转电机转一周与传感器转一圈的比例。

本发明中，电机运行时通过位置传感器得到电机位置的磁场信号，磁场信号经模数转换电路模数转换得到数字量磁场信号传送ROM查表模块，得到原始位置数据，位置计算模块根据电机和传感器参数将原始位置数据换算成电机实时位置数据，电机实时位置数据经电机速度计算模块计算得到电机的实时速度，经信号输出电路输出电机驱动器所需的传感器信号，作为电机的位置、速度反馈。与现有技术相比，本发明成本低，能够检测电机的位置和速度，检测效率高。并且，本发明的电机位置速度检测装置不受电机本体、磁性传感器类型限制，在同等位置分辨率情况下，电机速度限值更小，成本更低，支持多种类型位置和速度反馈信号输出，对很多场合的电机速度位置反馈系统有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明实施例1中电机位置速度检测装置整体结构示意图。

图2是为电机位置速度检测装置功能示意图。

图3是图1中FPGA内部架构示意图。

图4是图1中的位置传感器种类示意图。

图5是旋转磁场信号示意图。

图6是线性磁场信号示意图。

图7是图1中数据处理模块功能示意图。

图8是图1中ROM查表模块功能示意图。

图9是图1中参数设置模块功能示意图。

图10是图1中电机位置计算模块功能示意图。

图11是图1中电机速度计算模块功能示意图。

图12是图1中人机交互系统功能示意图。

图13是图1中信号输出电路功能示意图。

图1-13中的附图标记如下：

1-位置传感器，2-传感器信号处理电路，3-高速模数转换电路，4-数据处理模块，5-ROM查表模块，6-参数设置模块，7-电机位置计算模块，8-电机速度计算模块，9-人机交互系统，10-信号输出电路，11-电机，12-FPGA，13-电机驱动器，14-角度传感器，15-线性递增传感器，16-霍尔效应传感器，17-各向异性磁阻传感器，18-巨磁阻传感器，19-隧道磁阻传感器，20-三角函数计算，21-偏差补偿，22-错误信号提示，23-1024位分辨率模式，24-2048位分辨率模式，25-4096位分辨率模式，26-磁性传感器类型，27-磁极尺寸或角度，28-电机和传感器信号传送比，29-数据计算，30-数据滤波，31-位置数据转换，32-直线电机速度，33-旋转电机转速，34-磁信号错误提示，35-电机位置显示，36-电机速度显示，37-电机传感器参数设置，38-磁信号转换分辨率设置，39-电机速度位置模拟量形式输出，40-电机速度位置模拟量形式输出，41-电机速度位置PWM形式输出，42-增量式差分输出，43-二进制、格雷码、码盘形式输出。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1是本发明的电机位置速度检测装置整体结构示意图，包括位置传感器1、传感器信号处理电路2、高速模数转换电路3、数据处理模块4、ROM查表模块5、参数设置模块6、电机位置计算模块7、电机速度计算模块8、人机交互系统9、信号输出电路10。箭头所示方向为信号的传输方向。

电机11运行时通过位置传感器1得到电机位置的磁场信号，磁场信号经传感器信号处理电路2调整信号，再由高速模数转换电路3模数转换得到数字量信号，数字量磁场信号传送到数据处理模块4，处理的数据通过ROM查表模块5得到原始位置数据，电机位置计算模块7再根据参数设置模块6设置的电机和传感器参数将原始位置数据换算成电机实时位置数据，电机实时位置数据经电机速度计算模块8计算得到电机的实时速度，电机位置值和速度值由FPGA12的IO(输入输出)口传送到信号输出电路10，信号输出电路10输出电机驱动器13所需的传感器信号，作为电机11的位置、速度反馈。

其中，人机交互系统9对ROM查表模块5和参数设置模块6进行参数设置，同时数据处理模块4、ROM查表模块5、参数设置模块6、电机位置计算模块7、电机速度计算模块8的数据信号由人机交互系统9显示出来。

图2是电机位置速度检测装置功能示意图，如图2所示，随着电机运行，磁钢或磁栅尺产生动态的磁场信号，磁性传感器采样两路相差90°的正余弦信号，装置将正余弦磁场信号转换成电机实时位置和速度信号，位置和速度信号反馈到电机驱动器，进而控制电机的运行。

图3是FPGA内部架构示意图，如图3所示，包括数据处理模块4、ROM查表模块5、参数设置模块6、电机位置计算模块7、电机速度计算模块8。这些功能模块采用硬件描述语言设计，提高数据处理和计算的速度。

图4是位置传感器种类示意图，如图4所示，按照适用类型分为角度传感器14和线性递增传感器15。角度传感器主要适用于旋转电机，当电机转动时，产生旋转磁场。线性递增传感器主要适用于直线电机和环形磁栅尺的旋转电机，当电机转动时，产生线性磁场信号。按照材料分为霍尔效应传感器16、各向异性磁阻传感器17、巨磁阻传感器18、隧道磁阻传感器19。

图5是旋转磁场信号示意图，如图5所示，角度传感器在旋转磁场的作用下产生正余弦信号。

图6是旋转磁场信号示意图，如图6所示，线性递增传感器在线性磁场的作用下产生正余弦信号。

图7是数据处理模块功能示意图，如图7所示，包括三角函数计算20，偏差补偿21，错误信号提示22。三角函数计算功能是根据高速模数转换电路采集的正余弦磁信号数据转换成正切磁信号数据；偏差补偿功能是当正弦磁信号数据和余弦磁信号数据相差90度的理论值和实际值有偏差时，与上一采样时刻比较进行补偿；错误信号提示是当正弦磁信号数据和余弦磁信号数据理论值和时间值偏差较大的情况下，系统报错，停止工作。

图8是ROM查表模块功能示意图，如图8所示，包括1024位分辨率模式23，2048位分辨率模式24，4096位分辨率模式25三种。此模块的功能是根据数据处理模块4输出的正弦、余弦、正切的磁场信号数据转换成对应的电机位置数据，有三种位置分辨率可选择，分辨率越高，相对应电机控制精度越高，但支持电机可运行速度越慢。

图9是参数设置模块功能示意图，如图9所示，包括磁性传感器类型26，磁极尺寸或角度27，电机和传感器信号传送比28。磁性传感器类型功能是设置选择旋转的角度传感器还是线性递增传感器；磁极尺寸或角度功能是设置线性传感器的磁极距或角度传感器极对数；电机和传感器信号传送比功能是设置当磁性传感器装在电机传动装置上，旋转电机转一周和传感器转一圈的比例。这些设置功能是计算电机实际位置和速度的参数。

图10是电机位置计算模块功能示意图，如图10所示，包括数据计算29，数据滤波30，位置数据转换31。数据计算功能是根据直线电机总行程和磁钢/磁栅极距关系或则旋转电机上旋转磁钢极对数关系进行电机绝对位置计算；数据滤波功能是在数据运算过程中会有数据延时，需要进行滤波处理；位置数据切换功能是将计算出来的绝对位置信号转换成增量信号、PWM信号或其他所需的编码器类型输出形式。

图11是电机速度计算模块功能示意图，如图11所示，包括直线电机速度32，旋转电机转速33。基于直线电机和旋转电机速度计算方式不同，本模块有直线电机速度功能和旋转电机转速功能，根据电机的实际位置，采用M/T法计算电机实际速度。

图12是人机交互系统功能示意图，如图12所示，包括磁信号错误提示34，电机位置显示35，电机速度显示36，电机传感器参数设置37，磁信号转换分辨率设置38。磁信号错误提示功能是数据处理模块4将错误信号提示22反馈到人机交互系统9的显示系统上的；电机位置显示功能是电机位置模块7将电机位置反馈到人机交互系统9的显示系统上的；电机速度显示功能是电机速度模块8将电机速度反馈到人机交互系统9的显示系统上的；电机传感器参数设置功能是通过按键方式调整参数设置模块6各个功能，并通过人机交互系统9的显示出来；磁信号转换分辨率设置功能是通过按键方式设置ROM查表模块5的分辨率，并通过人机交互系统9的显示出来。

图13是信号输出电路功能示意图，如图13所示，包括电机速度位置模拟量形式输出39，电机速度位置模拟量形式输出40，电机速度位置PWM形式输出41，增量式差分输出42，二进制、格雷码、码盘形式输出43。

该电机位置速度检测装置不受电机本体、磁性传感器类型限制，在同等位置分辨率情况下，电机速度限值更小，成本更低，支持多种类型位置和速度反馈信号输出，适用于多场合的电机速度位置反馈系统。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电机位置速度检测装置，电机运行时磁钢或磁栅尺产生表征电机位置的磁信号；其特征是：包括位置传感器、模数转换电路、ROM查表模块、电机位置计算模块、电机速度计算模块，以及信号输出电路；

位置传感器为磁性传感器，用于采集所述磁信号，其输出端连接模数转换电路；

模数转换电路用于将模拟信号转换为数字信号，其输出端连接ROM查表模块；

所述ROM查表模块存储磁信号与电机位置的对应关系，通过查表得到电机原始位置信号，其输出端连接电机位置计算模块；

电机位置计算模块包括数据计算单元，所述数据计算单元根据直线电机总行程和磁钢或磁栅尺之间的极距关系，或者旋转电机上旋转磁钢极对数关系计算电机的绝对位置，其输出端连接电机速度计算模块与信号输出电路；

电机速度计算模块根据电机的位置，采用M/T法计算电机的实际速度，其输出端连接信号输出电路；

所述信号输出电路用于将电机的绝对位置信号与实际速度信号转换为所需的输出信号类型，通过电机驱动器反馈至电机。

2.如权利要求1所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述磁性传感器采样两路相位差为90°的磁信号，得到正弦磁信号与余弦磁信号；

作为优选，磁性传感器输出端连接传感器信号处理电路，传感器信号处理电路用于调整正弦磁信号、余弦磁信号的幅度和/或滤波，其输出端连接模数转换电路。

3.如权利要求1所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述磁性传感器采样四路相位差为90°的磁信号，得到正弦差分磁信号与余弦差分磁信号；作为优选，磁性传感器输出端连接传感器信号处理电路，传感器信号处理电路用于调整正弦磁信号、余弦磁信号的幅度和/或滤波，其输出端连接模数转换电路。

4.如权利要求2或3所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述模数转换电路连接数据处理模块，所述数据处理模块包括三角函数计算单元，用于将正弦磁信号、余弦磁信号转换为正切磁信号，其输出端连接ROM查表模块；

作为进一步优选，所述数据处理模块还包括偏差补偿单元与错误信号提示单元，当磁信号的理论值和实际值的偏差较小，则与上一采样时刻比较进行补偿，如果磁信号的理论值和实际值的偏差较大，则系统报错，停止工作。

5.如权利要求1所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述ROM查表模块包括三种可选择的分辨率：1024位分辨率，2048位分辨率以及4096位分辨率。

6.如权利要求1所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述电机位置计算模块还包括数据滤波单元，用于计算过程中存在数据延时进行滤波处理；

作为优选，所述电机位置计算模块还包括数据转换单元，用于将计算得到的原始位置信号转换为所需的信号类型输出。

7.如权利要求1所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述信号输出电路的输出包括模拟量形式输出，串行输出，PWM形式输出，增量式差分输出，二进制、格雷码、码盘形式输出。

8.如权利要求1、2、3、5、6、7中任一权利要求所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述的数据处理模块、ROM查表模块、电机位置计算模块、电机速度计算模块集成在一个FPGA芯片上。

9.如权利要求1、2、3、5、6、7中任一权利要求所述的电机位置速度检测装置，其特征是：所述电机位置速度检测装置还包括人机交互系统，用于进行参数设置和/或信息显示。

10.如权利要求9所述的电机位置速度检测装置，其特征是：参数设置包括设置电机参数、磁性传感器类型、磁极尺寸或磁性角度、电机和传感器磁信号传送比。