一种高速角位置检测系统及方法技术方案

本发明专利技术属于角位置传感器技术领域，具体涉及一种高速角位置检测系统和方法，系统包括：信号发生单元、信号处理单元，通信模块和控制器；检测方法包括：在第k周期开始，控制器与角位置传感器通信，控制器通信得出第k个角度反馈值为θ

High speed angular position detecting system and method

The invention belongs to the technical field of angular position sensor, in particular to a system and method for detecting high speed angular position system comprises a signal generating unit, signal processing unit, a communication module and a controller; the detection method includes: at the beginning of the K cycle, the controller and the angular position sensor communication, communication controller to obtain the K angle feedback value 0

【技术实现步骤摘要】
一种高速角位置检测系统及方法
本专利技术属于角位置传感器
，具体涉及一种高速角位置检测系统及方法。
技术介绍
高速电机或电主轴在工业、军事等领域中有特殊的应用。用高速电机或电主轴直接驱动高速负载可以省去机械传动装置，避免了传动装置引起的损耗、机械振动与噪声，从而减小设备体积，提高运行效率和运行精度。采用矢量控制的高速电机或电主轴具有效率高、运行可靠、功率因数高、力能指标好、控制特性好等优点。然而，采用矢量控制难实现对高速电机或电主轴的控制的原因在于，其高转速对应高频电流波形，这要求控制系统具有优越的电流控制性能。对电流的控制性能一方面取决于电流控制频率，另一方面取决于电压矢量的精度。矢量控制需要电机或电主轴转子磁场的精确角度，精确的位置控制也需要转子的高精度位置反馈。当前的位置反馈器件都不能在高速情况下正常输出位置信号，很难实现对转子位置的检测，甚至无法正常工作。因此，对高速电机或电主轴很难采取真正的伺服控制，多采用无位置传感控制或变频控制等方式，结果控制特性不佳。自动化领域中，高转速一般是指每分钟数万转到每分钟数十万转的转速范围。增量式角位置传感器输出的位置信号是方波信号，高转速下，信号频率相对较高，信号传输可靠性会随频率升高而降低，很多高转速应用情况下，要降低增量式角位置传感器分辨率(单圈信号数量)来降低信号频率。一般在每分钟一万转以上，能够应用的增量式角位置传感器的分辨率一般只有数千线每圈。以目前普遍采用的光电编码器为例，要实现较高精度的位置控制，一般需要16位(每转65536线)的分辨率。光电编码器以脉冲信号形式实时输出转子位移信号，电机转速为10000r/min时，对于65536线编码器输出信号的频率约为10.92MHz，一般光敏器件的响应频率只有250kHz，即使采用特殊光敏器件和其他电子器件来保证光电编码器可以输出如此高频的位置反馈信号，伺服控制器也很难采集到。从目前高速电机的发展情况来看，转速远远不止10000r/min。因此光电编码器从信号频率的角度来看已经不适合高速控制场合。对于光电编码器和同步感应器，传感器结构、敏感元件响应时间等方面的局限也制约了在高速场合的运用。绝对式角位置传感器是以某种数据协议输出绝对位置数据，其输出的位置数据所对应的时刻是在通信开始之前的某一个时刻，两个时刻之间的时间一般为数微秒，高转速情况下，这短短数微秒所对应的角度值有可能会导致控制精度降低甚至控制失效。一般的磁电编码器只是解决的耐冲击和耐粉尘等问题，也同样存在信号频率问题。而同步感应原理的位置检测器件，其产生的感应电动势会随着速度增加而增加，变化太大就会影响位置反馈精度，因此也不适合在高速控制中使用。综上所述，现有角位置检测方法有以下缺陷：1.不能在高速下准确检测转子角度位置；2.角度反馈信号频率会随速度发生变化；3.结构复杂，安装要求高，高速下容易产生磨损；4.高速下由于信号传输过程和采样滞后的问题而导致输出角度分辨率和精度不高。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服现有技术存在的高速时角位置传感器检测到的角度容易有偏差，精度低的问题，而提出一种高速角位置检测系统及方法。为解决技术问题，本专利技术采用的技术方案是：一种高速角位置检测系统，其特征在于，包括：信号发生单元、信号处理单元，通信模块和控制器，所述信号处理单元包括A/D转换模块和运算模块，所述信号发生单元将变化的磁场信号转化成模拟电压信号后通过A/D转换模块转化成数字信号，数字信号通过运算模块转化成对应的角度值θk后通过通信模块发送给控制器，所述控制器接收到θk值后通过定时同步串口通信协议与通信模块通信，所述通信模块触发A/D转换模块再次采样。进一步地，所述信号发生单元包括霍尔磁感应元件和转子磁钢环，高速旋转的转子同步带动转子磁钢环在周围产生变化的磁场信号，霍尔元件感应磁场信号并转化成模拟电压信号输出。进一步地，所述信号发生单元安装在高速电主轴上，所述信号发生单元包括转子磁钢环和定子组合体，所述转子磁钢环套装在所述高速电主轴上，所述定子组合体定位安装在所述高速电主轴的轴承座上。进一步地，所述转子磁钢环和定子组合体为两个分离部件。进一步地，所述定子组合体包括定子支架、屏蔽钢环、霍尔磁感应元件和PCB电路板，所述定子支架内部具有用于安装定位所述屏蔽钢环的环形槽和用于定位安装所述PCB电路板的定位销，所述霍尔磁感应元件安装在所述定子支架内部的方形槽内，所述屏蔽钢环、霍尔磁感应元件和PCB电路板通过向定子支架内灌封胶体密封。进一步地，所述转子磁钢环、霍尔磁感应元件和屏蔽钢环的径向中心面处于同一平面上。进一步地，所述转子磁钢环与定子支架的中心孔之间具有间隙。更进一步地，所述运算模块采用了基于查表方式的信号处理算法。一种高速角位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、在第k周期Tk开始，控制器与高速角位置检测系统通信，控制器通信得出第k个角度反馈值为θ(k)；S2、Tk周期通信结束后，把第k-1周期里通过A/D转换模块进行模数转换且通过计算模块计算后得出的角度值θk-1为第k+1周期Tk+1将要通信发出的角度反馈值θ(k+1)赋值；S3、然后进行Tk周期的采样计算，得到角度值θk，θk在第k+1周期Tk+1通信结束后，赋值给第k+2周期Tk+2的角度反馈值θ(k+2)，即θ(k+2)＝θk。相对于现有技术，本专利技术显而易见地具有以下有益效果：1、能在高转速下正常检测转子的角度，减小了由于信号传输和采样滞后带来的检测误差，具有较高的分辨率和精度。2、采用同步串口通讯，反馈信号频率不随速度变化。3、定子和转子为分离结构，之间完全无接触，能够避免高速旋转时的快速磨损。4、本专利技术提出的角位置传感器在高转速情况下的角度的处理算法，能够精确输出对应的数据通信开始时刻或某个指定时刻的角位置绝对编码，此计算方法中包含了有效消除速度变化对角度反馈信号频率的影响，有效解决了前后信号之间采样滞后的问题。附图说明下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作进一步详细的说明。图1是本专利技术的一种高速角位置检测系统的结构图；图2是本专利技术高速角位置检测方法的工作时序；图3是角位置传感器与高速主轴连接爆炸图；图4是角位置传感器与高速主轴连接立体图；图5是角位置传感器爆炸图；图6是角位置传感器右视图；图7为本专利技术高速角位置传感器在高速电主轴上安装应用的剖视图。图中：1、信号发生单元，11、转子磁钢环，12、定子组合体，121、定子支架，1211、环形槽，1222、内环凸台，1223、外环凸台，1224、方形槽，1225、定位销，1226、中心孔，122、屏蔽钢环，123、霍尔磁感应元件，124、PCB电路板，125、自攻螺钉，126、灌胶体，2、信号处理单元，21、A/D转换模块，22、运算模块，3、通信模块，4、控制器，5、高速电主轴，6、高速电主轴轴承座，7、锁紧螺母。具体实施方式现在结合附图对本专利技术作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本专利技术的基本结构，因此其仅显示与本专利技术有关的构成。在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速角位置检测系统，其特征在于，包括：信号发生单元(1)、信号处理单元(2)，通信模块(3)和控制器(4)，所述信号处理单元(2)包括A/D转换模块(21)和运算模块(22)，所述信号发生单元(1)将变化的磁场信号转化成模拟电压信号后通过A/D转换模块(21)转化成数字信号，数字信号通过运算模块(22)转化成对应的角度值θ

【技术特征摘要】
1.一种高速角位置检测系统，其特征在于，包括：信号发生单元(1)、信号处理单元(2)，通信模块(3)和控制器(4)，所述信号处理单元(2)包括A/D转换模块(21)和运算模块(22)，所述信号发生单元(1)将变化的磁场信号转化成模拟电压信号后通过A/D转换模块(21)转化成数字信号，数字信号通过运算模块(22)转化成对应的角度值θk后通过通信模块(3)发送给控制器(4)，所述控制器(4)接收到θk值后通过定时同步串口通信协议与通信模块(3)通信，所述通信模块(3)触发A/D转换模块(21)再次采样。2.根据权利要求1所述的高速角位置检测系统，其特征在于，所述信号发生单元(1)包括霍尔磁感应元件(123)和转子磁钢环(11)，高速旋转的转子同步带动转子磁钢环(11)在周围产生变化的磁场信号，霍尔磁感应元件(123)感应磁场信号并转化成模拟电压信号输出。3.根据权利要求1或2所述的高速角位置检测系统，其特征在于，所述信号发生单元(1)安装在高速电主轴(5)上，所述信号发生单元(1)包括转子磁钢环(11)和定子组合体(12)，所述转子磁钢环(11)套装在所述高速电主轴(5)上，所述定子组合体(12)定位安装在所述高速电主轴(5)的轴承座上。4.根据权利要求3所述的高速角位置检测系统，其特征在于，所述转子磁钢环(11)和定子组合体(12)为两个分离部件。5.根据权利要求4所述的高速角位置检测系统，其特征在于，所述定子组合体(12)包括定子支架(121)、屏蔽钢环(122)、霍尔...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘杰，石晶合，
申请(专利权)人：常州寻心电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32