一种应用线性霍尔传感器实现电机精确控制的方法与流程

本发明涉及机电领域，特别涉及一种应用线性霍尔传感器实现电机精确控制的方法。

背景技术：

随着我国制造业的不断升级和制造技术的快速发展，行业内大量需求高质量精确控制驱动技术，传统有：有感无刷电机、伺服电机、步进电机等技术方法，但都存在一些不足，本发明提供了一种控制精度高且成本较低的电机位置闭环控制技术方法。

传统有感无刷电机采用开关型霍尔传感器，如图3所示在磁场方向发生变化后才输出信号，虽然可以实现电子换向，但滞后性高且在获取电机转子相位方面较为粗糙，目前世面上的产品使用n个开关型霍尔传感器，依传感器位置布局不同通常只能对转子磁场的相位角进行n的2倍个刻度的细分。

例如典型的3个开关型霍尔传感器成120度布局，是将一个周期均分成了6个区间，而在一个区间内却无法提供更精细的角度信息，虽然在假定电机运转速度变化率较低的情况下，可以根据电机运转速度和当前时间来估算，但在转速很低或负载变化较大时，估算的准确性将显著降低进而呈现颤抖或起步扭力小的缺点。

为得到精细而准确的转子相位角，确定转子位置，业内通常采用结合光电编码盘的伺服电机，但其缺点在于光电编码盘成本高昂，且增加了光电编码盘组件使整个电机结构复杂。

为解决上述问题，本发明提供了一种不改变有感无刷电机结构，不增加成本的技术方法，应用线性霍尔传感器测量转子磁场，传感器的输出信息可以精细反映转子的相位角，控制单元获得传感器信息并解算出相位角数值，综合当前相位角与各控制目标计算出绕组的目标状态并输出给驱动单元，驱动单元再驱动电机绕组，实现对电机的精确控制，从而保证电机的机械输出符合输入的控制指令。

技术实现要素：

本发明是一种应用线性霍尔传感器实现电机精确控制的方法，属于机电领域。包括：控制单元，磁场测量单元，驱动单元及无刷电机。其中所述控制单元是整个系统的核心，控制单元接受外部输入的各控制指令；并且接收所述磁场测量单元输出的信息，此信息由测量单元内的各线性霍尔传感器测量所述无刷电机的转子磁场获得；同时接收所述驱动单元反馈的温度和电流信息。控制单元解算并综合上述各指令和信息计算出无刷电机绕组的目标状态信息并通过指令发送给驱动单元，驱动单元执行指令并用动力电源驱动无刷电机输出力、位置、速度等机械物理量，实现包含反馈机制的从输入端到输出端的动态闭环控制，保证电机的输出符合输入的控制指令。

本发明中涉及的无刷电机是指由永磁体转子及线圈绕组定子组成的各种形式、规格的直、交流无刷电机。

本发明中的线性霍尔传感器及传感器电路板直接或间接的与电机定子固定，传感器以其测量面与转子永磁体磁力线相垂直的角度安装，并且以其量程与转子永磁体磁场强度相匹配的距离安装。

本发明的一个优选方案中，控制单元接收外部输入的各控制指令。

在上诉优选方案中，控制单元接收磁场测量单元输出的信息，此信息由测量单元内的各线性霍尔传感器测量无刷电机的转子磁场获得。当无刷电机转子处于不同的相位角时，固定于转子上的永磁体所产生的磁场的角度也不同，进而转子磁场在各霍尔传感器的测量方向上的磁感应强度也不同。线性霍尔传感器输出的电信号与其测量方向上的磁感应强度成线性关系，如图2所示。

在上诉优选方案中，当使用n个线性霍尔传感器时，设与传感器配合的模拟数字转换器为r位精度，则可对磁场相位角进行下限为2的r次方，上限为2的r次方的n倍个刻度的细分(具体的细分数及刻度均匀性依传感器位置布局不同而不同)，从而可以精细反映电机转子的相位角信息。

在上诉优选方案中，控制单元同时接收驱动单元反馈的温度和电流信息，用以实现如过热保护和过流保护等对温度和电流的控制功能。

在上诉优选方案中，经控制单元解算线性霍尔传感器信息得到转子相位角信息，以此为基础可以实现基于相位角的闭环控制和基于相位角的正弦波驱动等应用。控制单元综合上述各指令和信息计算出无刷电机绕组的目标状态信息并通过指令发送给驱动单元。

在上诉优选方案中，驱动单元执行控制单元指令并用动力电源驱动无刷电机输出力、位置、速度等机械物理量，实现包含反馈机制的从输入端到输出端的动态闭环控制，保证电机的输出符合输入的控制指令。

本发明应用前景广泛，在加工制造行业，各种数控切削设备和堆叠加工设备都需要位移电机有位置反馈能力，以保证位移可靠准确。在加工制造生产线，各种机械手，加工机器人，也同样需要受程序控制的关节转动和位置移动，以保证操作可靠准确。在应用领域，各种电动设备，装置，大到飞机和船的各种控制舵面，小到家用和娱乐用机器人，模型，玩具，都需要闭环控制目标速度，目标位置，本发明就是一种控制精度高且成本较低的电机控制技术方法。

传统上使用中低分辨率光电编码器的应用场景，使用本发明可大大降低成本，由于去掉了光电编码器，体积和重量方面也可以做得更小，更轻，更紧凑。

传统上使用步进电机的场景，使用本发明可在硬件成本相当的前提下，实现闭环控制避免丢步问题，以及实现更高的功率。

传统上使用有感无刷电机的场景，使用本发明可以不增加成本就实现精细的位置控制，以及通过基于相位角的正弦波驱动等曲线控制方法大大改善低转速和动态负载场景下的扭矩平顺性。

附图说明

图1是本发明专利一种应用线性霍尔传感器实现电机精确控制的方法的原理图。

图2是本发明所应用的线性霍尔传感器输出信号曲线图。

图3是传统的有感无刷电机中应用的开关型霍尔传感器输出信号曲线图。

图4是本发明一个实施例的基本组件图。

图5是本发明实施例中霍尔传感器电路板俯视示意图。

图6是控制板原理图。

图7是霍尔板原理图。

图8是驱动板原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，实施例的内容不作为对本发明的保护范围的限制。

本发明的一个具体实施例结构如图4所示，其中包括无刷电机(1)，磁场测量单元(5)，控制单元(2)，驱动单元(3)。

上述磁场测量单元主要包括电路板、线性霍尔传感器(4)。所述电路板与定子固定在机座上，定子包括铁心，线圈绕组，轴承，定子通过轴承与转子配合，转子包括机壳，永磁体，轴。

实施例方法如图1，以控制单元为整个系统的核心，控制单元接受外部输入的各控制指令，并且接收磁场测量单元输出的信息，此信息由测量单元内的各线性霍尔传感器测量无刷电机的转子磁场获得，同时接收驱动单元反馈的温度和电流信息。控制单元解算并综合上述各指令和信息计算出无刷电机绕组的目标状态信息并通过指令发送给驱动单元，驱动单元执行指令并用动力电源驱动无刷电机输出力、位置、速度等机械物理量。

实施例中，控制单元接受外部输入的各控制指令，控制单元控制板原理如图6，P2接口接收外部控制指令和5V电源。

实施例中，控制单元接收磁场测量单元输出的信息，此信息由测量单元内的各线性霍尔传感器测量无刷电机的转子磁场获得，控制板原理图Hall接口：接霍尔板，输入传感器信号。

上述磁场测量单元如图5所示3个线性霍尔传感器成120度间隔分别布置在电路板上，具体位置在转子永磁体与定子铁心间隙的中心线投影于电路板的环形上，3个线性霍尔传感器结合12bitADC可将一个周期细分成12288个刻度，这个测量是直接的，和电机的转速无关，在低转速和动态负载场景下也可以不受影响。

上诉磁场测量单元霍尔板原理如图7，1，2，3号接口分别焊接电机绕组Y型接线的三个出头，4号接口焊接电机绕组Y型接线的公共出头，霍尔板通过Hall接口将测量信息输出给控制单元。

实施例中，控制单元作为整个系统的核心，除接收外部指令和磁场测量单元信息外，同时接受驱动单元反馈的温度和电流信息，然后综合上述各指令和信息做如下运算。

实施例中，设h0，h1，h2为控制单元接收的霍尔传感器输出信息，offset1，offset2为1、2号传感器相对于0号传感器偏移的相位角，上述offset1，offset2，h0，h1，h2为已知量，设neutral为传感器读数的中立点，amp为传感器放大系数，angle为0号传感器的相位角，有如下方程：

h0＝neutral+amp*sin(angle)；

h1＝neutral+amp*sin(angle+offset1)；

h2＝neutral+amp*sin(angle+offset2)；

解方程可以算出neutral，amp，angle三个未知量，即可得到转子的相位角。控制单元综合当前相位角、当前电流和温度以及各控制目标计算出无刷电机绕组的目标状态信息。针对不同的具体应用场景，有各自的具体控制目标与实现目标的控制方法。

实施例中，控制板P1接口将上述无刷电机绕组的目标状态信息输出给驱动单元。

实施例中，驱动单元驱动板电路原理图如图8：P1接口接控制板，半桥控制输入；驱动单元执行控制单元信号，P5接口接动力电源，获取动力电能；P4接口接电机，驱动电机绕组输出力、位置、速度等机械物理量。

实施例中，更精细而可靠的相位角信息可以支撑位置的闭环控制和基于相位的正弦波驱动等应用，实现包含反馈机制的从输入端到输出端的动态闭环控制，保证电机的输出符合输入的控制指令。

实施例中，控制板原理图各接口说明：

P1接口：半桥控制输出，接驱动板。

P2接口：控制指令输入和5V电源，接外部。

P3接口：调试和烧录接口。

Hall接口：接霍尔板，输入传感器信号。

3P3：接霍尔板，输出供电。

实施例中，霍尔板原理图各接口说明：

1，2，3号接口：分别焊接电机绕组Y型接线的三个出头。

4号接口：焊接电机绕组Y型接线的公共出头。

Coil接口：功率输入，接驱动板。

Hall接口：霍尔传感器输出，接控制板。

3P3接口：霍尔传感器供电，接模拟电源。

实施例中，驱动板原理图各接口说明：

P1接口：半桥控制输入，接控制板。

P2接口：保护和复位，预留接控制板。

P3接口：电流监测，预留接可选的放大器板。

P4接口：功率输出，接电机。

P5接口：功率输入，接动力电源。

上述实施例仅仅是为清楚的说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。在上述说明的基础上所做的不同形式的变化或变动，凡是本发明的技术方法所引申出的，在本发明权利要求范围内的均属于本发明的保护范围之列。