阅读说明：本技术 一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统 (method and system for accurately measuring displacement of motor rotor by using Hall sensor ) 是由 张敬良 于 2019-11-11 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统,该方法包括如下步骤：步骤S1,于电机动子上固定N个霍尔传感器形成的阵列；步骤S2,获取所述N个霍尔传感器的输出,判断当前时刻霍尔传感器阵列所工作在的与磁极对的相对区域,确定该区域工作在线性区的传感器输出,从而计算出霍尔传感器阵列与定子的位移,通过本发明,可实现利用最少的霍尔传感器实现低成本高精度的电机动子位移测量目的。(the invention discloses a method and a system for accurately measuring the displacement of a motor rotor by using a Hall sensor, wherein the method comprises the following steps: step S1, fixing an array formed by N Hall sensors on a motor rotor; and step S2, obtaining the outputs of the N Hall sensors, judging the relative area of the Hall sensor array working at the current moment and the magnetic pole pair, and determining the sensor output of the area working in the linear area, thereby calculating the displacement of the Hall sensor array and the stator.)

一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统

技术领域

本发明伺服驱动控制领域，特别是涉及一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统。

背景技术

工业机器人、各种数控设备和自动化产线的根本在于各种伺服/直线电机的实时运动控制，而电机定子和动子之间的现对位移的精确测量是实现电机转矩、速度和位置精确控制的根本，因此，电机定子与动子的测量在电机的运动控制中至关重要。

在伺服电机和直线电机上，目前的位置测量方法一般是通过光编码器（光尺，光读头）或磁编码器（磁尺，磁读头）两种方式来获得动子和定子的相对位置。然而上述两种方式都是通过离散化的光刻度或磁刻度作为额外尺子，均具有如下缺点：

1、不能测得动子和定子的初始相对位置，为了能测的动子和定子的初始相对位置，或需增加额外传感器，或增加额外刻度和读头转换成绝对值编码器以及磁偏角整定；

2、在直线电机上，随着行程的增加，光尺或磁尺也要相应增长从而增加成本；

3、测量精度直接取决于刻度，成本随着精度的提高而显著增加；

4、受限于尺子和读头的安装需求，很难安装在超小型伺服电机或直线电机上。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统，以实现利用最少的霍尔传感器实现低成本高精度的电机动子位移测量目的。

为达上述及其它目的，本发明提出一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法，包括如下步骤：

步骤S1，于电机动子上固定N个霍尔传感器形成的阵列；

步骤S2，获取所述N个霍尔传感器的输出，判断当前时刻霍尔传感器阵列所工作在的与磁极对的相对区域，确定该区域工作在线性区的传感器输出，从而计算出霍尔传感器阵列与定子的位移。

优选地，于步骤S1中，，τ为所述电机的磁极距，为霍尔传感器输出的线性区在X轴上的长度，相邻传感器之间的距离为(N-1)/N×τ。

优选地，所述霍尔传感器阵列的长度限制在所述电机的磁极距的两倍之内。

优选地，如果第n个霍尔传感器与第一个霍尔传感器的距离，则第n个霍尔传感器放置的位置如下：

τ。

优选地，步骤S2进一步包括：

步骤S200，对霍尔传感器阵列的输出进行区域分割，确定当前时刻霍尔传感器阵列所在的区域及对应区域中工作在线性区的霍尔传感器，并由此确定霍尔阵列和当前磁极对的相对位置；

步骤S201，根据该霍尔传感器阵列在当前磁极对的相对位置以及该霍尔传感器阵列跨越过的磁极对数解析出电机动子的位移。

优选地，所述区域分割的基本原则为在每个区域有且只有一个霍尔传感器工作在线性区。

优选地，于步骤S200中，所述霍尔传感器阵列和磁极对的相对位置为：

pos=Zone_No×Cross_Value×2+sel_h。

其中Zone_No为当前霍尔传感器阵列所在的区域号，为两两霍尔传感器线性区交叉点值，为工作在线性区的霍尔传感器在当前区域所在位置。

优选地，于步骤S201中，所述电机动子的位移计算如下：

pos_abs=pos+Track_No×Cross_Value×12

其中，Track_No为所述霍尔传感器阵列跨越过的磁极对数。

优选地，所述霍尔传感器阵列跨越过的磁极对数Track_No为一个相对值， 其起始值为0， 反向跨过一磁极对则减一，正向跨过一磁极对则增一。

为达到上述目的，本发明还提供一种用霍尔传感器精确测量电机动子位移的系统，包括：

霍尔传感器布设单元，用于确定所布设霍尔传感器的个数N与位置，以于电机动子上固定N个霍尔传感器形成的阵列;

位移计算单元，用于获取所述N个霍尔传感器的输出，判断当前时刻霍尔传感器阵列工作在与磁极对的相对区域，确定该区域工作在线性区的传感器输出，从而计算出霍尔传感器阵列与定子的位移。

与现有技术相比，本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统通过将多个霍尔传感器组成的阵列固定在电机动子上，利用多个霍尔传感器实现电机动子位移测量的目的，可以充分利用霍尔传感器的灵敏度来保证位置的解析度，本发明还通过区域分割的位置解析方法，通过各线性区的排列，避免噪音干扰的影响，有效的保证了位置解析的线性和稳定性，本发明实现了利用最少的霍尔传感器实现低成本高精度的电机动子位移测量目的。

附图说明

图1给出了霍尔传感器和磁极的相对位置示意图;

图2 给出了在不同的X位置上霍尔传感器的输出示意图；

图3给出了磁极排列以及霍尔阵列中各霍尔传感器输出示意图；

图4为本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法的步骤流程图；

图5为本发明具体实施例中各霍尔输出当三霍尔传感器阵列匀速反向跨越一磁极对再正向回到起始点的波形图；

图6为本发明具体实施例中当三霍尔传感器阵列匀速反向跨越两磁极对再正向回到起始点，各霍尔输出及位置解析信号示意图；

图7为本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的系统的系统架构图；

其中，图1中，1-霍尔传感器1；2-霍尔传感器2；3-霍尔传感器3；4-磁极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

以下先说明本发明使用霍尔传感器的原理：

图1给出了霍尔传感器和磁极的相对位置示意图，霍尔传感器在Y-轴上放置在磁极中间，保持霍尔传感器与磁极在Z-轴上的距离不变，霍尔传感器沿着X-轴运动。从图2 给出的典型的霍尔传感器的输出信号可以看出，在临近磁极的正下方区间，霍尔传感器的输出信号和位移信号成线性特性，而且霍尔传感器与磁极在Z-轴上的距离越小，霍尔输出信号斜率越大，即霍尔输出信号对位移越灵敏，在一定的信号噪音下，位置解析精度就越高，但霍尔输出信号更快的进入非线性或饱和区，线性区也越小。

图3显示了本发明直线电机中磁极的排列以及霍尔阵列中各霍尔传感器输出示意图，在本发明中，旋转电机可以看成径向剖开，平面展开。当在其上方放置一个霍尔传感器1（固定在动子上）沿着X-轴运动，如前所述，通过缩小Z-轴方向上距离来到达所需的位置解析精度，其输出信号图3下方1号实线曲线（不失一般性，非线性区用饱和区来表示）。为了能在整个行程上线性解析动子和定子之间的位移，所需要的霍尔传感器个数为，其中τ是磁极距，为霍尔传感器输出的线性区在X轴上的长度。在图3中，显示了N=3 的霍尔阵列( 相邻霍尔传感器之间的距离是2τ/3)，以及当传感器阵列沿着X-轴移动，对应的各霍尔传感器的输出。

对于任意值N（N>=2），相邻传感器之间的距离是：(N-1)/N×τ。如果N比较大，霍尔阵列长度就会超过2τ， 只要霍尔传感器尺寸允许，可以通过下面处理，让霍尔阵列长度限制在2τ之内。以第一个霍尔位置为基准，第n个霍尔传感器与第一个霍尔传感器的距离为，

(1)

如果 ，可以放置第n个霍尔传感器在如下位置：

(2)

第n个霍尔输出在时序上滞后2π，不但不影响位置解析，还能更好的反映出动子和磁极的初始相对位置。

图4为本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法，包括如下步骤：

步骤S1，于电机动子上固定N个霍尔传感器形成的阵列，其中，τ为电机的磁极距，为霍尔传感器输出的线性区在X轴上的长度，相邻传感器之间的距离是：(N-1)/N×τ，所述霍尔传感器阵列的长度限制在2τ之内。

在本发明中，如前所述，如果N比较大，霍尔传感器阵列的长度就会超过2τ， 因此，只要霍尔传感器尺寸允许，可通过如下处理，让霍尔阵列长度限制在2τ之内。以第一个霍尔传感器位置为基准，第n个霍尔传感器与第一个霍尔传感器的距离为：

如果 ，可以放置第n个霍尔传感器在如下位置：

虽然第n个霍尔传感器输出在时序上滞后2π，但其不但不影响位置解析，还能更好的反映出动子和磁极的初始相对位置。

步骤S2，获取N个霍尔传感器的输出，判断当前时刻霍尔传感器阵列工作在与磁极对的相对区域，确定该区域工作在线性区的传感器输出，从而计算出霍尔传感器阵列与定子的位移。

具体地，步骤S2进一步包括：

步骤S200，对霍尔传感器阵列的输出进行区域分割，确定当前时刻霍尔传感器阵列所在的区域及对应区域中工作在线性区的霍尔传感器，并由此确定霍尔阵列和当前磁极对的相对位置。在本发明中，区域分割的基本原则是在每个区域有且只有一个霍尔传感器工作在线性区。

在本发明具体实施例中，不失一般性，以三个霍尔传感器阵列为例，如图5给出了图3中霍尔阵列向反方向匀速运动跨过一对磁极然后正方向匀速移动回初始点这个过程中，各个霍尔传感器的输出信号。其中饱和区为非线性区替代，两两霍尔传感器线性区交叉点值归一化为±0.5，正方向定义为霍尔传感器1（即图中Hall₁）输出超前霍尔传感器2（即图中Hall₂），霍尔传感器2输出超前霍尔传感器3（即图中Hall₃）， 反之则为反方向。

区域分割的基本原则是在每个区域有且只有一个霍尔传感器工作在线性区，一般的，若有N个霍尔传感器，则分割为2N个区域，以三个霍尔传感器为例，如图5中，霍尔传感器阵列反方向运动时依次经过区域 Z5,Z4,…,Z0；正向运动时依次经过区域 Z0,Z1,…,Z5。

各个区域定义如下：

Z5:

Z4:

Z3:

Z2:

Z1:

Z0:

其中为 号霍尔传感器输出。在实际应用中，为了能克服噪音干扰，采用如下判断准则进行区域分割：

Z5: h₂＞h₃＞h₁；

Z4: h₂＞h₁＞h₃；

Z3: h₁＞h₂＞h₃；

Z2: h₁＞h₃＞h₂；

Z1: h₃＞h₁＞h₂；

Z0: h₃＞h₂＞h₁；

霍尔传感器阵列和磁极对的相对位置由所在区域及工作在线性区的霍尔传感器在当前区域所在位置决定。其具体解析方法如下：

因此，霍尔传感器阵列和当前磁极对的相对位置（pos）解析为：

pos=Zone_No×Cross_Value×2+sel_h 。

其中Zone_No为当前霍尔传感器阵列所在的区域号，为两两霍尔传感器线性区交叉点值，在本发明具体实施例中，如图5所示为0.5。

步骤S201，根据该霍尔传感器阵列在当前磁极对的相对位置以及该霍尔传感器阵列跨越过的磁极对数解析出电机动子的位移。

在整个运动过程中， 动子（霍尔阵列）的位移（pos_abs）可以由霍尔阵列跨越过的磁极对数 (Track_No)和霍尔阵列在当前磁极对中的位置(pos)表示为：

pos_abs=pos+Track_No×Cross_Value×12

其中Track_No 是一个相对值，其起始值为0，反向跨过一磁极对（Zone_No由0变5）则减一，正向跨过一磁极对(Zone_No由5变0）则增一，其具体计算过程如下：

其中Zone_No_P 是上个采样点的区域号。

图6显示当霍尔阵列反向跨越过两个磁极对，再返回起始点的过程中，各位置解析信号。不同于图5，图6中的霍尔信号叠加了20%的噪音，虽然在反向点，Zone_No受到了噪音的干扰，但这并不影响到位置解析，动子（霍尔阵列）的整***移（pos_abs）仍然保持线性。

图7为本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的系统的系统架构图。如图7所示，本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的系统，包括：

霍尔传感器布设单元701，用于确定所布设霍尔传感器的个数N与位置，以于电机动子上固定N个霍尔传感器形成的阵列，其中，τ为电机的磁极距，为霍尔传感器输出的线性区在X轴上的长度，相邻传感器之间的距离为：(N-1)/N×τ，所述霍尔传感器阵列的长度限制在2τ之内。

在本发明中，如果N比较大，霍尔传感器阵列的长度就会超过2τ，因此，只要霍尔传感器尺寸允许，通过如下处理，让霍尔阵列长度限制在2τ之内。以第一个霍尔传感器位置为基准，第n个霍尔传感器与第一个霍尔传感器的距离为：

如果 ，可以放置第n个霍尔在如下位置：

虽然第n个霍尔输出在时序上滞后2π，但其不但不影响位置解析，还能更好的反映出动子和磁极的初始相对位置。

位移计算单元702，用于获取N个霍尔传感器的输出，判断当前时刻霍尔传感器阵列工作在与磁极对的相对区域，确定该区域工作在线性区的传感器输出，从而计算出霍尔传感器阵列与定子的位移。

具体地，位移计算单元702进一步包括：

相对位置计算单元，用于对霍尔传感器阵列的输出进行区域分割，确定当前时刻霍尔传感器阵列所在的区域及对应区域中工作在线性区的霍尔传感器，并由此确定霍尔阵列和当前磁极对的相对位置。在本发明中，区域分割的基本原则是在每个区域有且只有一个霍尔传感器工作在线性区。

区域分割的基本原则是在每个区域有且只有一个霍尔传感器工作在线性区。 以图5为例，霍尔传感器阵列反方向运动时依次经过区域 Z5,Z4,…,Z0；正向运动时依次经过区域 Z0,Z1,…,Z5。各个区域定义如下：

Z5:

Z4:

Z3:

Z2:

Z1:

Z0:

其中为 号霍尔传感器输出。在实际应用中，为了能克服噪音干扰，采用如下判断准则进行区域分割：

Z5: h₂＞h₃＞h₁；

Z4: h₂＞h₁＞h₃；

Z3: h₁＞h₂＞h₃；

Z2: h₁＞h₃＞h₂；

Z1: h₃＞h₁＞h₂；

Z0: h₃＞h₂＞h₁；

霍尔传感器阵列和磁极对的相对位置由所在区域及对应区域中工作在线性区的霍尔传感器在当前区域所在位置输出决定。其具体解析方法如下：

因此，霍尔传感器阵列和当前磁极对的相对位置（pos）解析为：

pos=Zone_No×Cross_Value×2+sel_h 。

其中Zone_No为当前霍尔传感器阵列所在的区域号， 为两两霍尔传感器线性区交叉点值。

位移解析单元，用于根据该霍尔传感器阵列在当前磁极对的相对位置以及该霍尔传感器阵列跨越过的磁极对数解析出电机动子的位移。

在整个运动过程中， 动子（霍尔阵列）的位移（pos_abs）可以由霍尔阵列跨越过的磁极对数 (Track_No)和霍尔阵列在当前磁极对中的位置(pos)表示为：

pos_abs=pos+Track_No×Cross_Value×12

其中Track_No 是一个相对值， 其起始值为0， 反向跨过一磁极对（Zone_No由0变5）则减一，正向跨过一磁极对(Zone_No由5变0）则增一, 其具体计算如下：

其中Zone_No_P 是上个采样点的区域号。

综上所述，本发明一种利用霍尔传感器精确测量电机动子位移的方法及系统通过将多个霍尔传感器组成的阵列固定在电机动子上，利用多个霍尔传感器实现电机动子位移测量的目的，可以充分利用霍尔传感器的灵敏度来保证位置的解析度，本发明还通过区域分割的位置解析方法，通过各线性区的排列，避免噪音干扰的影响，有效的保证了位置解析的线性和稳定性，本发明实现了利用最少的霍尔传感器实现低成本高精度的电机动子位移测量目的。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。