一种永磁直线电机的位置解算方法与流程

本发明属于直线电机技术领域，尤其涉及一种永磁直线电机的位置解算方法。

背景技术：

随着机器人、精密制造、智能制造等先进制造技术的发展，高速、高效、高精度成为当前自动化及智能设备发展的主要方向之一。直接驱动及其应用技术飞速发展，在直线领域，直线电机是直接驱动的主体，已经广泛应用于各行各业，其如何不断提高其性能，同时降低成本是学术和产业界研究研发的热点。在高精度的直线电机位置控制中，位置检测是其关键技术之一，直接影响着控制系统的精度，且占据成本的很大一部分。

目前主要有以下几种位置检测方法：

1)基于光栅尺位置检测：光栅尺经常用于闭环伺服系统中，直线同步电机可以采用光栅进行直接跟踪，且具有较大的检测范围，较高的检测精度，较好的动态响应速度。现有方案在分析光栅信号检测及其输出信号的基础上，解决了使用dsp对光栅信号进行接收和处理的问题，提出了对其采样时的周期选择办法，同时，在pid算法的基础上制定了电机的控制方案，用以实现直线电机的高响应、高精度控制。但由于光栅尺生产工艺原因，若测量长度超过一定限度或较高精度应用场合，光栅元件具有价格高和安装成本大的缺点。

2)基于感应同步器位置检测：在高精度数字显示系统或数控闭环系统中圆盘式感应同步器用以检测角位移信号，直线式用以检测线位移。特点具有精度高，节距误差具有平均自补偿作用；可以采用多块定尺接长，测量长度不受限制，但是不适用于高速场合下。现有方案针对基于感应同步器位置检测目前存在的一些问题，给出了一种新型的位置检测方法——幅值细分法，克服了感应信号中动态分量对测量结果的影响，使其能够在高速运动场合下位置检测，但其实感应同步器输出的感应信号是调幅信号且幅度很低，在信号处理上比较繁琐，工程应用水平不成熟。

3)基于图像处理方法：该方法通过电机上的高速相机实时采集定子图像，图像相关图像处理方法，计算相邻图像的亚像素微量位移，得到动子的实际位置。现有方案提出一种图像亚像素测量算法的直线电机动子检测。通过直线电机上的高速相机实时采集图像，采用图像互相关算法计算出相邻整像素位移量，得到直线电机动子的实际位移。该方法能够提供实时准确的位置和速度数据，但是由于工业用高速相机价格及其昂贵，存在一定局限。

4)基于无位置传感器方法：针对传感器的位置和速度传感器在某些应用场合受限的情况，有多种无位置传感器旋转电机转子位置估计方法，如基于反电势的反电势观测法，基于永磁同步电机凸极效应的高频信号注入法，基于状态观测器的自适应观测器法和卡尔曼滤波器法等。现有方案针对空心式永磁直线同步电机动子位置和速度估算进行研究，对直线电机低俗运行时出现的磁链漂移问题进行了分析，通过磁链中值和死区补偿算法有效解决了反电势引起的磁链漂移问题，有效提高了直线电机低速运动时的动子位置估算精确度。无位置传感器算法对低速、超高速、高精度、动态性能要求高的场合还难以满足定位伺服实际使用的需求。

5)基于霍尔传感器的位置检测：线性霍尔元件可以用来检测磁通密度，在一定磁场强度范围内，输出电压和被检测磁场密度具有线性关系，经数字电路处理后，可以确定电机动子位置。目前基于霍尔传感器的应用比较广泛：现有方案提出一种基于线性霍尔元件的圆筒型永磁直线同步电机位置检测，分析不同电机结构和几种不同的位置检测技术，方法实施简单，稳定性较高。但是其是基于正余弦磁场信号解算位置信息的，实际测量的信号并非是理想的正弦波，测量引入的谐波对精度有较大影响大；此外，为了得到正弦波信号，通常传感器安装位置离永磁比较远往往在数个毫米以上，测量的磁场量较弱，极容易引入工作环境中的电磁场干扰信号，增加测量误差。

现有方案考虑永磁体外围无法形成线性磁场分布的情况，提出了一种解决非线性测量问题的方案，实验结果表明采用合理的霍尔变送系统，以提高系统的实时测量精度。但实际上基于霍尔传感器器位置检测易受高次谐波影响。

现有方案针对基于线性霍尔传感器的高速永磁同步电机转子易受高次谐波干扰的问题，提出了硬件和软件的补偿方法，在硬件上采取相应的补偿措施，在软件上采用正交锁相环(ppl)来消除霍尔位置信号的高次谐波的干扰。

还有现有方案分析了双霍尔传感器位置检测中不同种类干扰对检测结果的影响，但并未提出切实可行的应对方案。

上述研究，仍存在很多问题未待决：a)目前的位置检测全部计算基于正余弦波磁场信号，但是实际信号包含谐波，影响检测精度；b)此外，为了得到正弦波信号，通常传感器安装位置离永磁比较远往往在数个毫米以上，测量的磁场量较弱，极容易引入工作环境中的电磁场干扰信号，增加测量误差。因此，如何克服上述提出的问题，增加测量信号幅值强度，同时减少由于安装较高引入的空间电磁干扰，准确计算出永磁直线电机的位置，成为本发明待解决的问题。

技术实现要素：

针对实际需求和以上方案的不足，本专利提出了一种永磁直线电机的位置解算方法，在较低高度错开相位安装两组霍尔传感器，可以获得较高强度的信号值，预先多次往复运行，获取两组错位的马鞍形磁场信号，从而构建“磁场信号组-电角度”一一对应关系的数据库；在后续运行中，根据数据特征，通过三个主要步骤的算法结合，通过数值方法解算得到位置信息的总体方案。

为达到上述技术目的，本发明采取如下技术方案：

一种永磁直线电机的位置解算方法，其包括：

s1、通过在永磁直线电机的永磁体近表面建立相互错位的霍尔传感器检测磁场信号，并确保磁场信号与电角度具有唯一映射关系；

s2、通过预运行电机系统，建立磁场信号与电角度对应的关系数据库；

s3、在实际运行中，在所述关系数据库搜索包含磁场信号的目标区间，并通过插值算法解算出电角度。

作为本发明的优选，所述步骤s1中检测到的磁场信号分别为第一马鞍形磁场信号和第二马鞍形磁场信号。

作为本发明的优选，所述第一马鞍形磁场信号和第二马鞍形磁场信号具有相位差。

作为本发明的优选，所述步骤s2还包括：s21、根据第一马鞍形磁场信号和第二马鞍形磁场信号数值符号的不同，将初始关系数据库中的数据按照四个象限归类得到关系数据库。

作为本发明的优选，所述步骤s3还包括：

s31、根据所述步骤s1中磁场信号数值的正负，确定所述磁场信号对应的目标象限；

s32、在关系数据库中查找包含所述检测到的磁场信号以及与所述检测到的磁场信号相邻的两组磁场信号对应的电角度数据，构成目标区间；

s33、在所述目标区间内应用插值算法，解算出电角度。

作为本发明的优选，所述步骤s2还包括：根据设置采样频率或设置存储参数来调节与磁场信号对应的电角度的分辨率。

作为本发明的优选，所述步骤s32还包括：

s321、将所述目标象限中所有磁场信号值分别与所述步骤s1得到的磁场信号值求均方差，并选取所述目标象限中均方差值最小的四组磁场信号值；

s322、在第一象限，若所述四组磁场信号值与其对应的电角度具有增函数关系，则选取均方差最小的两组磁场信号值对应的电角度数据，构成目标区间；

在第一象限，若所述四组磁场信号值与其对应的电角度不具有增函数关系，则在另一条磁场曲线上选取均方差之和最小的两组磁场信号值对应的电角度数据，构成目标区间。

作为本发明的优选，所述步骤s3中根据数据特征、精度要求和计算速度要求选择相应的插值算法；所述插值算法可以为线性插值法或者分段插值法。

本发明提供的技术方案可以包括以下有益效果：

本发明提出了一种基于传感器在低高度时检测到的马鞍形磁场信号特征的位置解算方法，在较低高度错开相位安装两组霍尔传感器，能够得到具有相位差的两个磁场信号，可以有效避免或者减少谐波信号的对系统的影响，可以最大限度提高位置检测的精度。同时，根据计算的快速性和精度的要求，调整搜索算法参数和插值算法以控制性价比。

附图说明

图1为本发明实施例1的一种永磁直线电机的位置解算方法流程图；

图2为本发明实施例1的两组霍尔传感器器安装位置示意图；

图3为本发明实施例1的永磁体近表面不同高度的磁场波形示意图；

图4为本发明实施例1的两组错位设置的马鞍形磁场信号示意图；

图5为本发明实施例1的数据库目标区间搜索算法示意图；

图6为本发明实施例1的数据库目标区间搜索算法局部示意图ⅰ；

图7为本发明实施例1的数据库目标区间搜索算法局部示意图ⅱ；

图8为本发明实施例1的目标区间搜索算法流程图。

具体实施方式

现在参看后文中的附图，更完整地描述本发明，在图中，显示了本发明的实施例。然而，本发明可体现为多种不同的形式，并且不应理解为限于本文中所提出的特定实施例。确切地说，这些实施例用于将本发明的范围传达给本领域的技术人员。

除非另外限定，否则，本文中所使用的术语(包括技术性和科学性术语)应理解为具有与本发明所属的领域中的技术人员通常所理解的意义相同的意义。而且，要理解的是，本文中所使用的术语应理解为具有与本说明书和相关领域中的意义一致的意义，并且不应通过理想的或者过度正式的意义对其进行解释，除非本文中明确这样规定。

实施例1

下面结合附图来详细说明本发明的技术方案。

本实施例提供了一种永磁直线电机的位置解算方法，如图1所示，其具体流程如下所示：

本实施例以平面型永磁直线电机为例，圆筒形直线电机类似。

s1、通过在永磁直线电机的永磁体近表面建立相互错位的霍尔传感器检测磁场信号，确保磁场信号与电角度具有唯一映射关系。

为了增加测量信号幅值强度，减少由于安装较高引入的空间电磁干扰，根据磁场信号解算位置信息的目的，提出基于马鞍形磁场信号的位置解算方案。

优选为，近表面为离永磁体表面1mm以下的位置。

在永磁直线电机近永磁体表面较低高度如1mm以下时，距离电枢端部一个极距以上的位置，布置同种型号的2组线性霍尔传感器，安装位置如图2所示，随着动子在永磁体阵列表面反复运动，可在传感器输出端得到具有马鞍形波特征的磁场信号，一对磁极的距离对应一个信号周期。

若传感器安装高度的不同也会导致磁场的波形不同，如图3所示为其中一个霍尔传感器不同暗转高度时测得的磁场信号波形，随着传感器安装高度的增高，信号逐步变为类似正弦形。马鞍形磁场信号引入的空间电磁干扰少，自身信号幅度高，故本发明提出用马鞍形磁场信号用于数值方法位置解码。常规目前已有方法，集中于近似为正弦波信号解析公式解码，再数值化。

所述步骤s1中检测到的磁场信号分别为第一马鞍形磁场信号和第二马鞍形磁场信号。

由于单个马鞍形磁场信号f与位置θ角度映射不具有唯一性，如图3所示，故布置有相位差α的两组霍尔传感器，测量得到两组具有相位差的波形f1和f2，f1为第一马鞍形磁场信号，f2为第二马鞍形磁场信号，如图4所示。

s2、建立磁场信号与电角度对应的关系数据库。

相位差α的角度没有严格约束(确保磁场信号-电角度关系具有唯一性即可，为了方便理解，下文以α＝90度为例阐述)，θ=f(f1θ，f2θ)具有唯一解。

所述步骤s2还包括：s21、根据第一马鞍形磁场信号和第二马鞍形磁场信号数值符号的不同，将初始关系数据库中的数据按照四个象限归类得到关系数据库。

构建“磁场信号-电角度”数据库：硬件系统搭建完毕之后，在正式运行前，需要建立“磁场信号-电角度”关系数据库：在霍尔传感器组接收到数据后，嵌入式软件系统采集得到马鞍形“磁场信号-电角度”初始关系数据库。根据f1,f2数值符号的不同，将初始关系数据库的数据按照四个象限归类得到整理后的关系数据库。

所述步骤s2还包括：根据设置采样频率或设置存储参数来调节与磁场信号对应的电角度的分辨率。

实际操作中根据精度和硬件性能的需求，可以根据采样频率或者存储参数的设置来调节与数据库对应的电角度的分辨率。

s3、在实际运行中，在所述关系数据库搜索包含磁场信号的目标区间，并通过插值算法解算出电角度。

关系数据库建立完毕之后，在电机运行中通过本专利提出的三步法算法可以实时结算得到动子位置：

所述步骤s3还包括：

s31、根据所述步骤s1中磁场信号数值的正负，确定所述磁场信号对应的目标象限。

第一步，在位置解算开始时，先根据磁场信号[f1(θ)，f2(θ)]数值的正负，确定对应象限，后续的搜索算法只要在对应的象限内检索即可，可大幅度减少计算量，提升计算实时性。

s32、在关系数据库中查找包含所述检测到的磁场信号以及与所述检测到的磁场信号相邻的两组磁场信号对应的电角度数据，构成目标区间。

第二步，因为建立的数据库是基于采样存储的有限点，实际运行时获得的磁场值可能正好是数据库采样点的值，一般地可以认为是落在某两个采样点之间，本专利称之为某区间。本专利解算的第二步中，根据信号特征，提出了一种数据库目标区间搜索算法，在数据库中找到包含待测磁场信号且相邻的两组磁场信号-电角度数据，构成目标区间。如图5所示。

s33、在所述目标区间内应用插值算法，解算出电角度。

优选为，所述插值法为线性插值法。

第三步，在确定的目标区间内应用插值算法，解算出位置或者称为电角度信息(插值算法的选择可以根据精度和计算速度的需求适当调整，本专利阐述中以线性插值为例)，如图6，图7所示。

图6、图7中：点j，i为待测角度对应在波形f1,f2的坐标点，对应的磁场值可表示为[f2i,f1j]；点a,b,c,d表示这样的坐标点：f2a,f2b,f2c,f2d为数据库该象限所有点中，与f2i最接近的4个点的值。k表示在某个象限中f2马鞍形磁场波形上具有最大磁场值的点，e、j、f、g、h分别为目标点a、i、b、c、d在f1上对应的点；

以图5、图6、图7中数据点为示例，算法流程具体如下，流程图如图8所示：

(一)运行前的数据构建：

1)在霍尔传感器组接收到数据后，嵌入式软件系统采集得到马鞍形“磁场信号组-电角度”初始数据库si[f1i，f2i，θi]。其中，i＝1，2...，n表示采样点的编号，也是数据库内数据组的编号，例如图中a、b、c、d等；f1i，f2i，θi分别为1号传感器获得的第i个采样点处磁场值，2号传感器获得的第i个采样点处磁场值，第i个采样点对应的角度。

2)根据f1i，f2i数值符号的不同，将初始数据库的数据按照四个象限归类得到整理后的数据库。以两个霍尔传感器组安装成90度相位差为例(不是90度相位差时，根据对应的界限区分，也可以得到对应的四个象限，但是计算较为复杂)，分别为第1(-+)象限，第ii(--)象限，第iii(+-)象限，第iv(++)象限等四个象限。

(二)电机运行时三步法进行角度解算的过程为：

1)步骤s31，根据测量得到的，待解算角度对应的磁场信号值[f2i，f1j]的数值符号，判断待求目标角度值所在象限，以下算法以第一象限为例。

2)步骤s32，i)逐个选取数据库目标象限里的所有f2i，将其与f2i求均方差，找到均方差最小的4个点a、b、c、d；对应的电角度的为θa，θb，θc，θd；

所述步骤s32还包括：

s231、将所述目标象限中所有磁场信号值分别与所述步骤s1得到的磁场信号值求均方差，并选取所述目标象限中均方差值最小的四组磁场信号值。

3)步骤s321(若在第一象限)，ii)若f2a，f2b，f2c，f2c和θa，θb，θc，θd具有增函数关系，即θa，θb，θc，θd增大，f2a，f2b，f2c，f2c也不断增大；如图7所示，在f2上选取均方差最小的两个值b，c，然后在数据库中根据b，c可以f1上检索到f，g，则可推出目标区间为[f2bf1f，f2cf1g]。

s322、若所述四组磁场信号值与其对应的电角度具有增函数关系，则选取均方差最小的两组磁场信号值；若所述四组磁场信号值与其对应的电角度不具有增函数关系，则选取均方差之和最小的两组磁场信号值。

4)步骤s32(若在第一象限)，iii)若f2a，f2b，f2c，f2c和θa，θb，θc，θd不具有增函数关系，即θa，θb，θc，θd增大，f2a，f2b，f2c，f2c先增大然后减小；如图6所示，根据a，b，c，d在f1上检索到e，f，g，h；e，f和g，h为两组区间，若f1e，f1f与f1j均方差之和小于f1g，f1h与f1j点均方差之和，即e，f点更接近待测点j。则可推出目标区间为[f2af1e,f2bf1f]。

5)步骤s33，根据选定的插值算法推算[f2i,f1j]对应的电角度θij。以线性插值方法为例；

若如7所示，根据sc[f2b,f1g，θb]，sc[f2c,f1f，θd]推算得：

若如6所示，根据sc[f2a,f1e，θa]，sc[f2b,f1f，θb]推算得：

作为本发明的优选方案，s4、根据检索数据库预设的与永磁直线电机的位置一一对应的电角度，得到与所述解算出电角度对应的永磁直线电机的位置。

在正是解算之前，通过反复运行直线电机将永磁直线电机位置与电角度建立一一对应的关系，构建对应的检索数据库。

根据上述得出的电角度θ，在检索数据库中搜索与之对应的永磁直线电机位置，即解算出永磁直线电机的位置。

综上所述，本方案提供的一种永磁直线电机的位置解算方法，在较低高度错开相位安装两组霍尔传感器，预先多次往复运行，获取两组错位的马鞍形磁场信号，从而构建“磁场信号组-电角度”一一对应关系的数据库；在后续运行中，根据数据特征，通过三个主要步骤的算法结合，通过数值方法解算得到位置信息的总体方案。

并提出一种用于马鞍波形信号位置解算的，结合象限规划、目标区间搜索和区间内插值方法三个主要步骤的角度解算算法。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求指出。