一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法技术

本发明专利技术公开了电机控制技术领域的一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法，包括以下步骤：进行正余弦编码器电压信号的检测与采样；进行正余弦数字变量的幅值缩放和零点偏移；进行正余弦变量的正交误差计算；进行理想余弦变量的计算；进行正交误差补偿后的位置角计算。本发明专利技术通过曲线拟合的方法，根据采样到的存在正交误差的正余弦波形拟合出理想的余弦波形，用以减少正交误差带来的位置误差过大的问题，在采用低成本正余弦编码器降低成本的同时，提高了控制系统的稳定性；无需电机参数，仅需原本正余弦编码器的电压采样值即可实现，精度更高、效果更好、实现方法更容易；无需占用MCU过多的算力，所需指令周期数更少。所需指令周期数更少。所需指令周期数更少。

【技术实现步骤摘要】
一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法


[0001]本专利技术属于电机控制
，具体涉及一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法。

技术介绍

[0002]永磁电机结构简单，效率高，应用范围广泛。永磁电机需要位置反馈来进行有效的控制，然而，采用高精度的位置传感器成本太高，因此实际产品中经常会采用成本较低的编码器方案。通常高精度的位置传感器，例如光电编码器、旋转变压器等价格可能达到几百，在大批量生产中的成本几乎是不可接收的。相比之下，低成本的正余弦编码器结构简单，通常只需要一个霍尔传感器配上相关的调理电路即可实现，成本可达到几十甚至更低。且正余弦编码器能够输出绝对位置，甚至比成本更高的增量式光电编码器使用起来更为方便，比起普通霍尔传感器只能实现分区判断精度大大提高了，因此经常在需要正弦波控制永磁电机的企业产品上使用。
[0003]正余弦位置编码器通常会产生两条相互正交的正弦和余弦电压波形，MCU通过AD采样后将正余弦电压的幅值缩放、偏移到
‑
π～π之间，并通过atan2运算即可获得当前的机械位置角。然而实际应用中低成本的正余弦编码器产生的正余弦波形通常并不精确，主要误差包含正余弦幅值不相等、中位偏移、存在谐波和不正交等。其中幅值不等和中位偏移在采样后通过缩放和偏移可以基本消除影响，谐波问题可以通过采样电路增加跟随电路、软硬件滤波等方法减小影响，但是正余弦波形不正交带来的问题相对难以消除。高精度的正余弦编码器在正弦、余弦电压波形之间的相位差基本为π/2，误差一般小于
±
0.5
°
，但低成本的正余弦编码器在正弦、余弦电压波形之间的相位差与π/2相差较大，实际使用过的低成本正余弦编码器产品甚至误差可达3.77
°
，使用这种低成本编码器时计算出来的位置角精度大大降低。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法，以解决上述
技术介绍
中提出的问题。
[0005]本专利技术的目的可以通过以下技术方案实现：
[0006]一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法，包括以下步骤：
[0007]步骤1、进行正余弦编码器电压信号的检测与采样：
[0008]检测位置编码器输出的正余弦电压信号u
sin5
和u
cos5
，经过电平转换芯片或运放进行幅值缩放得到可供MCU采样的正余弦电压信号u
sin3
和u
cos3
，并通过MCU的AD采样模块将电压信号转换为数字变量D
sindata
和D
cosdata
；
[0009]步骤2、进行正余弦数字变量的幅值缩放和零点偏移：
[0010]取步骤1中得到的正余弦数字变量D
sindata
和D
cosdata
，计算这两个变量的最大值、最小值和中值，通过对幅值与中点进行缩放和偏移得到标准的幅值范围在
‑
π～π，中值为0的
正余弦变量D
sincorr
和D
coscorr
；
[0011]步骤3、进行正余弦变量的正交误差计算：
[0012]将电机匀速旋转时的正余弦变量D
sincorr
和D
coscorr
每个时刻的值记录下来，计算出这两个变量对应当前转速下的幅值A
sin
，A
cos
、频率f
sin
，f
cos
和初相和初相可得到正余弦变量关于时间的表达式D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)，确认幅值频率一致后对和做差，得到真实的正余弦相位差
[0013]步骤4、进行理想余弦变量的计算：
[0014]用步骤3计算得到的真实的正余弦相位差与理想情况下的正交相位差π/2做差得到正交误差基于采样到的余弦变量的表达式D
coscorr
(t)计算出一条与正弦变量表达式D
sincorr
(t)正交的理想余弦变量表达式D
cosideal
(t)，幅值和频率与D
coscorr
(t)相同，初相为
[0015]步骤5、进行正交误差补偿后的位置角计算：
[0016]用步骤3中得到的D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)去拟合步骤4中得到的D
cosideal
(t)，得到D
cosideal
与D
sincorr
和D
coscorr
关系表达式，以便通过实时采样到的正余弦信号得到实时的理想余弦信号，将真实的正弦变量D
sincorr
与计算得到的D
cosideal
进行atan2运算得到补偿后的位置角，用于矢量控制中断PARK和IPark变换，提高永磁电机矢量控制的精度和效果，确保永磁电机的稳定运行。
[0017]优选地，所述步骤1中编码器输出的正余弦电压信号u
sin5
和u
cos5
为在0～5V之间正弦变化的电压，可供MCU采样的正余弦电压信号u
sin3
和u
cos3
的幅值范围为0～3V。
[0018]优选地，所述步骤3中正余弦变量关于时间的表达式D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)如下式所示：
[0019][0020]式中，A
sin
，A
cos
分别为D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)的幅值，理想情况下A
sin
＝A
cos
＝π，f
sin
，f
cos
分别为D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)的频率，理想情况下相等且为当前匀速运行的转速对应的机械角频率。
[0021]优选地，所述步骤3中当正余弦变量存在正交误差且未经过补偿时，位置角与存在的正交误差关系如下式所示：
[0022]θ
err
＝θ
‑
θ
comp
[0023][0024]式中，θ
err
为未补偿时的机械位置角存在的理论误差。
[0025]优选地，所述步骤4中理想余弦变量表达式D
cosideal
(t)如下式所示：
[0026][0027]优选地，所述步骤5中正交误差补偿后的位置角计算表达式如下式所示：
[0028]θ
comp
＝atan2(D
sincorr
(t),本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、进行正余弦编码器电压信号的检测与采样：检测位置编码器输出的正余弦电压信号u
sin5
和u
cos5
，经过电平转换芯片或运放进行幅值缩放得到可供MCU采样的正余弦电压信号u
sin3
和u
cos3
，并通过MCU的AD采样模块将电压信号转换为数字变量D
sindata
和D
cosdata
；步骤2、进行正余弦数字变量的幅值缩放和零点偏移：取步骤1中得到的正余弦数字变量D
sindata
和D
cosdata
，计算这两个变量的最大值、最小值和中值，通过对幅值与中点进行缩放和偏移得到标准的幅值范围在
‑
π～π，中值为0的正余弦变量D
sincorr
和D
coscorr
；步骤3、进行正余弦变量的正交误差计算：将电机匀速旋转时的正余弦变量D
sincorr
和D
coscorr
每个时刻的值记录下来，计算出这两个变量对应当前转速下的幅值A
sin
，A
cos
、频率f
sin
，f
cos
和初相和初相可得到正余弦变量关于时间的表达式D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)，确认幅值频率一致后对和做差，得到真实的正余弦相位差步骤4、进行理想余弦变量的计算：用步骤3计算得到的真实的正余弦相位差与理想情况下的正交相位差π/2做差得到正交误差基于采样到的余弦变量的表达式D
coscorr
(t)计算出一条与正弦变量表达式D
sincorr
(t)正交的理想余弦变量表达式D
cosideal
(t)，幅值和频率与D
coscorr
(t)相同，初相为步骤5、进行正交误差补偿后的位置角计算：用步骤3中得到的D
sincorr
(t)和D
coscorr
(t)去拟合步骤4中得到的D
cosideal
(t)，得到D
cosideal
与D
sincorr
和D
coscorr
关系表达式，以便通过实时采样到的正余弦信号得到实时的理想余弦信号，将真实的正弦变量D
sincorr
与计算得到的D
cosideal
进行atan2运算得到补偿后的位置角，用于矢量控制中断PARK和IPark变换，提高永磁电机矢量控制的精度和效果，确保永磁电机的稳定运行。2.根据权利要求1所述的一种基于正余弦位置编码器的正交误差补偿方法，其特征在于，所述步骤1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：明耀，杨安晨，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：