确定正交脉冲的旋转方向和有效转变的方法与流程

确定正交脉冲的旋转方向和有效转变的方法
1.本技术是于2017年7月19日提交的名称为“确定正交脉冲的旋转方向和有效转变的方法”的中国专利申请201710590129.6的分案申请。
技术领域
2.公开的实施例总体涉及跟踪旋转运动的领域，例如在电动机中。更具体地并非意在限制，本公开涉及确定正交脉冲的旋转方向和有效转变的方法。


背景技术：

3.两种基本类型的编码器或换能器用于将轴或轮轴的角运动转换成信号：正交编码器和正弦编码器。这些编码器使用被放置成分开九十电角度(electrical degree)以便提供两个正交信号a和b的两个传感器、以及每转一次提供输出基准的可选第三传感器。按照信号对之间的相位关系来编码方向信息；其中输入a比输入b超前或滞后90度。轴的每次旋转通常有几千个电循环。
4.正交编码器传递通过输入位置改变状态的数字信号对(a和b，其可以是逻辑1或0)。通过对边沿的数目进行计数来获得相对位置测量值；累积计数根据移动方向递增或递减。正弦编码器提供两个模拟信号，所述模拟信号提供更高的位置和速度分辨率。用于接合到编码器的硬件技术或软件技术可以对已实现的位置分辨率和准确度具有可测量的影响。在信号a与信号b之间始终维持正交相位关系，所以两个输入的同时改变是非法情况并且通常指示编码器或接线存在问题。
5.解码装置必须能够检测识别运动方向的a与b之间的相位关系以及非法的边沿转变。用于识别这些关系的硬件实现可能是非常有效的；软件实现通常是较慢的。需要进行改善。


技术实现要素：

6.公开的实施例将象限标识号(quadrant identity number)(“qid”)分配给四个可能输入条件中的每一个。通过将第一信号的逻辑值左移一个位置、并且增加第二信号的逻辑值以便产生在0至3范围内的两位二进制数来形成这个号码。一种方法使用当前的qid和最近的先前qid来计算转变码(transition code)。这个转变码可以快速识别移动方向并且还可以指示非法转变。
7.在一个方面中，本发明公开了确定轴的旋转方向的方法的实施例。所述方法包括：从附接到轴的换能器接收第一二进制信号和第二二进制信号，所述第一二进制信号和第二二进制信号是正交的；通过将所述第一信号值左移并且增加所述第二信号值将当前象限标识号qid
present
确定为两位二进制数；在经过了采样间隔之后，将过去象限标识号qid
past
设置为所述qid
present
的值，确定qid
present
的新值(new value)，并且使用对qid
present
和qid
past
进行操作的等式来计算转变码值；以及使用所述转变码来确定轴的旋转方向。
8.在另一个方面中，本发明公开了具有程序指令序列的非暂时性计算机可读介质的
实施例，所述指令在被处理器执行时执行确定轴的旋转方向的方法。所述方法包括：从附接到轴的换能器接收第一二进制信号和第二二进制信号，所述第一二进制信号和第二二进制信号是正交的；通过将所述第一信号值左移并且增加所述第二信号值而将当前象限标识号qid
present
确定为两位二进制数；在经过了采样间隔之后，将过去象限标识号qid
past
设置为所述qid
present
的值，确定qid
present
的新值，并且使用对qid
present
和qid
past
进行操作的等式来计算转变码值；以及使用所述转变码来确定轴的旋转方向。
9.在又另一个方面中，本发明公开了集成电路的实施例。所述集成电路包括：脉宽调制(pwm)驱动器，其可操作以便提供用于控制电动机的pwm信号；连接件(connection)，其可操作以便从附接到电动机的轴的换能器接收第一二进制信号和第二二进制信号；以及反馈回路，其连接在所述连接件与所述pwm驱动器之间，所述反馈回路包括程序指令序列，所述指令在被处理器执行时执行确定轴的旋转方向的方法，所述方法包括：通过将所述第一信号值左移并且增加所述第二信号值将当前象限标识号qid
present
确定为两位二进制数；在经过了采样间隔之后，将过去象限标识号qid
past
设置为所述qid
present
的值，确定qid
present
的新值，并且使用对qid
present
和qid
past
进行操作的等式来计算转变码值；
10.以及响应于确定所述转变码是有效的，使用所述转变码来确定轴的旋转方向。
附图说明
11.本发明的各实施例在附图的各图中以举例而非限制的方式示出，在所述附图中类似的参考数字指示类似的元件。应当注意，本公开中对“一”或“一个”实施例的不同引用对于相同实施例是不必要的，并且此类引用可意味着至少一个。此外，当结合一个实施例来描述某一特定特征、结构或特性时，应当认为，无论是否明确描述，使得此类特征、结构或特性结合其他实施例起作用是在本领域的技术人员知识范围内的。
12.附图被并入本说明书中并且形成本说明书的一部分以便说明本公开的一个或多个示例性实施例。将从以下结合所附权利要求书并参考附图的详细描述中理解本发明的各种优点和特征，其中：
13.图1描绘了根据本公开的实施例的来自换能器的正交信号以及对那些信号的象限分配的示例；
14.图2描绘了根据本公开的实施例的可以使用所公开的方法的系统；
15.图3a描绘了根据本公开的实施例的确定轴的旋转方向的方法的流程图；
16.图3b
‑
3d描绘了根据本公开的一个或多个实施例的确定轴的旋转方向的方法的附加元素；
17.图4a描绘了传统正交编码器的传感器布置；
18.图4b描绘了图4a的正交编码器的代码道和与装置旋转相关联的波形的对准；
19.图5a和图5b分别描绘了由正弦编码器生成的波形和从正弦波形导出的方波；以及
20.图6描绘了根据现有技术的用于对从旋转换能器提供的方波进行解码的状态机。
具体实施方式
21.现在将参考附图来详细描述本发明的具体实施例。在本发明的各实施例的以下详细描述中陈述了许多具体细节，以便提供对本发明的更充分的理解。然而，对本领域的技术
人员将是显而易见的是，在没有这些具体细节的情况下可以实践本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的特征，以便避免不必要地使描述复杂化。
22.首先转到图4a，示出了传统正交编码器的传感器布置。在此示例中，旋转盘402附接到要跟踪和/或控制其转动速度和方向的装置的轴404。代码道406围绕旋转盘402的外围行进，并且被配置成交替地阻挡和允许光通过盘。当光源408瞄准旋转盘402后面的光传感器410时，盘的旋转产生跟踪旋转的方波。图4b给出了在旋转盘402上承载的两个代码道(被指定为通道a和通道b)、以及由通道a和通道b生成的信号的更近视图。可以看出，这两个代码道的模式彼此偏移四分之一周期并且产生正交的信号。
23.正弦编码器(又称为sincos换能器)是感测旋转的另一种方法；其优点在于通过一些计算可以检测被感测的轴的精确角度。角度计算包括通过对正交边沿计数而发现的“粗略”部分、以及使用对正弦曲线的反正切计算而发现的“精细”部分。图5a描绘了由正弦编码器产生的两个信号。信号由磁传感器产生，如可从两个不同传感器得知的，所述磁传感器连续感测与旋转轴相关联的磁场的强度。为了确定移动速度的方向，这些模拟信号被转换成在图5b中可见的方波，其基本上与较早代码道所产生的信号相同。因此，应当理解，尽管本技术中描述的方法被设计用于正弦编码器，该方法也可以与正交编码器一起使用。
24.图6示出了根据已经用于对图5b所示的正交信号进行解码并且确定轴正在移动的方向现有技术的状态机。在此图中示出了四个位置602a、602b、602c、602d，其携带10、11、01、00的相应指定以便指示信号a和信号b的值。在这种情况下，该对中的最左数位是信号a的值，而最右数位是信号b的值。应当理解，从指定为值10的位置602a起，轴的顺时针移动(其致使计数器递增)将意味着下一个值为11，并且轴的逆时针移动(其致使计数器递减)将意味着下一个值为00。因为这些信号总是处于正交相位，所以10到01的转变将是无效值并且将指示接收信号中的故障。图6的状态机可能以硬件或软件来实现。当以硬件实现时，这种状态机可以在快速确定移动方向时是非常有效的。然而，当适当的硬件状态机不可用或不实用时，此概念的软件实现尚未及时获得结果。
25.申请人已经确定，并非以软件来实现状态机，而是两种简单计算中的任一种可能以及时的方式来提供信息。申请人认识到，所公开的方法被设计成在其旋转被测量的轴通电或不通电的情况下使用。为了确保捕获所有转变，输入信号应至少在每当输入信号可能具有转变或边沿时被采样。如果这样做，则方法将捕获所有计数。所公开的方法要求每次经过了采样周期时，使用当前信号值来确定转变码。然后在简单数学公式中使用当前的转变码和刚过去的转变码，该数学公式可以确定行进方向以及无效转换，如以下将解释的。在一个实施例中，转移代码为零指示没有发生转换，即轴不转动或轴足够慢地转动，使得在采样期间并不总是发生转换。
26.接下来转向图1，此图描绘了来自换能器的正交信号a和b、以及对那些信号的每个可能值的象限标识号(qid)分配的示例。可以将信号a的值用于最左数位并且将信号b的值用于最右数位、或换言之通过左移信号a的值并且增加信号b的值来形成两位二进制qid号码。还示出了十进制版本的qid。当两个信号都为高电平时，二进制值为11并且十进制值为3。类似地，二进制值10、00和01分别变为十进制值2、0和1；然后随着旋转继续，序列开始重复。
27.所公开的方法使用当前的qid(qid
present
)、刚过去的qid(qid
past
)和简单的等式来
确定旋转方向并且也可以识别无效转换。申请人已经发现可以提供期望信息的两个简单等式，其中各自具有自己的优点。在第一实施例中，使用等式1来确定转变码：
28.tcode1＝2*qid
present
‑
qid
past
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式1
29.表1示出了可以使用等式1来产生的有效tcode。从此表可见，当相关联的轴以顺时针方式旋转时，tcode1的值按序列5、1、
‑
2、2、5、1、
‑
2、2等进行。类似地，如果相关联的轴以逆时针方式旋转，则tcode1的值按序列4、4、
‑
1、
‑
1、4、4、
‑
1、
‑
1等进行。值得注意的是，沿顺时针方向的有效值与沿逆时针方向的有效值不重叠，所以可以通过注意tcode1的值来非常快地确定旋转方向。
30.qid320132顺时针tcode151
‑
2251逆时针tcode144
‑1‑
144
31.表1
32.如先前所指出的，所公开的方法被设计成在轴转动或不转动的情况下使用。因此，当轴不转动时，可能使得qid
present
＝qid
past
。当使用等式1时，这可能导致tcode值为3、2、0和1，这取决于停止旋转时的qid。这些值与有效顺时针tcode值和非法代码两者重叠，所以不可能根据tcode来确定是否发生转换。因此，必须在应用等式1之前进行该确定。表2示出了使用等式1的所有可能的转变码：
33.转变码cwccw非法无边沿6
ꢀꢀ
是 5是
ꢀꢀꢀ
4 是
ꢀꢀ3ꢀꢀ
是是2是
ꢀꢀ
是1是
ꢀꢀ
是0
ꢀꢀ
是是
‑
1 是
ꢀꢀ‑
2是
ꢀꢀꢀ‑3ꢀꢀ
是 34.表2
35.在第二实施例中，使用等式2来确定转变码：
36.tcode2＝(qid
present
)2–
(qid
past
)2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
等式2
37.表3示出了可以使用等式2来产生的有效tcode：
38.39.表3
40.可见，如果相关联的轴以顺时针方式旋转，则tcode2的值按序列8、
‑
5、
‑
4、1、8、
‑
5、
‑
4、1等产生。类似地，如果相关联的轴以逆时针方式旋转，则tcode2的值按序列5、4、
‑
1、
‑
8、5、4、
‑
1、
‑
8等产生。在使用等式2的情况下，沿顺时针方向的有效值与沿逆时针方向的有效值不再次重叠，从而允许通过记录tcode2的值来非常快地确定旋转方向。附加地，然而，如果因为轴不转动或比采样间隔更慢地转动而没有发生转换，则所得的tcode始终为0。由于这是唯一代码，从而与有效tcode和无效tcode都不重叠，因此使用等式2来计算tcode可以识别何时没有发生转换，使得不需要单独做出这个确定。
41.表4示出了可以使用等式2来计算的所有可能值，并且清楚地示出了每个可能代码唯一地识别该值是否表示顺时针旋转、逆时针旋转、非法值或缺少边沿。申请人注意到，尽管等式2比等式1在计算上更为复杂，但大多数处理器具有使得计算差异可以忽略不计的硬件乘法器。
42.转变码cwccw非法没有边沿9
ꢀꢀ
是 8 是
ꢀꢀ
5是
ꢀꢀꢀ
4是
ꢀꢀꢀ3ꢀꢀ
是 1 是
ꢀꢀ0ꢀꢀꢀ
是
‑
1是
ꢀꢀꢀ‑3ꢀꢀ
是
ꢀ‑
4 是
ꢀꢀ‑
5 是
ꢀꢀ‑
8是
ꢀꢀꢀ‑9ꢀꢀ
是 43.表4
44.图2是根据本公开的实施例的其中可以使用所公开的方法的电动机控制系统的框图。电动机控制系统200包括四个主要元件：电动机202、三相逆变器204、正交编码器212和数字信号处理(dsp)芯片208。三相逆变器204包含多个大功率开关并且向电动机202提供电力，电动机202可以是例如洗衣机电动机、a/c泵等。三相逆变器204由数字信号处理器(dsp)208控制。正交编码器212附接到电动机202的轴，以便生成可用于确定转子角度测量值的信号。来自编码器的输出包括直接接合到dsp 208的输入的方波信号qep_a和qep_b。
45.dsp 208包括一起作用以便提供将通过三路逆变器204控制电动机202的信号的数个模块。dsp 208包括pwm驱动器206，其生成驱动三相电力逆变器204中的开关的开关波形pwm1
‑
pwm6。三个连接器(未具体示出)接收来自正交编码器212的输入，其在该实施例中包括正交信号qep_a、qep_b和qep_index。dsp 208的剩余部分利用从正交编码器212接收的信号、从三相逆变器204接收的信号adcin
x
(ia)、adcin
x
(ib)和adcinx(vdc)、以及在ileg2drv 228处接收的用于增益和偏移的可编程输入，以便向pwm驱动器206提供反馈回路。该反馈回
路包括：正交编码器脉冲驱动器(qep drv)214、ileg2drv 228、速度和频率模块230、clark模块218、派克模块220、逆派克模块222、svgen模块224、pid
‑
reg模块226、以及未具体讨论的一些模块。qep 214接收信号qep_a和qep_b、确定转子位置，并且根据轴位置编码器脉冲生成旋转方向信号。正交编码器脉冲驱动器214提供四个输出：电动机电角度(elec_theta)、电动机机械角度(theta_mech)、电动机旋转方向(directionqep)和索引同步状态(indexsyncflag)。elec_theta用于向dsp 208内的其他模块提供转子角度216。
46.派克变换模块220和逆派克变换模块222在平衡的两相正交静止帧与正交旋转参考帧之间转换矢量。克拉克(clark)变换模块218将平衡的两相正交量转换成平衡的三相量。具有正交控制的空间矢量(svgen)224使用空间矢量pwm技术来计算生成给定定子参考电压所需的适当占空比。通过(a，b)部件、u
alpha
和u
beta
来描述定子参考电压。比例和积分调节器(pid
‑
reg)226是实现具有积分饱和校正的两个pi调节器的软件模块。基于双逆变器腿电阻器的负载电流测量驱动器(ileg2drv)228是驱动器模块，其将两个模拟输入转换成具有可编程增益和偏移的数字表示。转换结果表示三相电压源逆变器在已知条件下的负载电流。dsp 208使用获得的转子角度216和从收集的信息导出的附加数据，以便实现控制电动机202的控制算法。有关图2所示系统的其他文档可以在位于ti.com的标题为“pmsm3
‑
1 system documentation”的文档中获得，所述文档通过引用并入本文。
47.图3a公开了确定轴的旋转方向的方法。该方法开始于数字信号处理器接收302两个正交的二进制信号。在一个实施例中，由正交编码器(诸如正交编码器214)产生两个二进制信号。在一个实施例中，正弦换能器产生模拟正交信号，然后该模拟正交信号被转换成接收的二进制信号。dsp通过左移第一二进制信号的值并且增加第二二进制信号的值而将当前的象限标识号qid
present
确定304为两位数。方法确定306是否经过了采样周期。如前所指出的，采样周期至少出现在每次转变可能发生时。如果尚未经过采样周期，则该方法等待直到经过了采样周期。一旦经过了采样周期，方法就通过将过去象限标识号qid
past
设置308为qid
present
的值来继续，并且确定310qid
present
的新值。使用对qid
present
和qid
past
进行操作的等式来计算312转变码的值。如之前所指出的，等式1或等式2可用于该计算。方法然后确定314已被计算的转变码是否是无效的。如果转变码是无效的，则方法执行316无效的转变码例程。无效转变码例程的实际操作不属于本专利申请的范围并且本文不作讨论。如果转变码不是无效的，则方法使用318转变码来确定轴的旋转方向。然后，该信息可用于跟踪或控制电动机，从而根据需要调整电动机的操作。
48.作为确定轴的旋转方向的一部分，期望确定是否已经发生转变。然而，如之前所提及的，可以使用转变码来做出何时使用等式2的确定，而不是何时使用等式1的确定。图3b做出何时使用等式1的确定。在此实施例中，确定320转变是否已经发生，将出现在元素310中确定qid
present
的新值之后，但是出现在计算312转变码的值之前。如果没有发生转变，则方法返回到入口点a以便确定是否经过了新的采样间隔。如果已经发生转变，则方法行进到入口点b，其中计算转变码的新值。
49.在另一方面，图3c描绘这种何时使用等式2的确定。在此实施例中，在转变码已经被计算并确定为有效之后可以做出确定。如果没有发生转变，则方法再次返回到入口点a以便确定是否经过了新的采样间隔。如果已经发生转变，则方法行进到入口点c，其中使用转变码来确定轴的旋转方向。对于使用等式1或等式2中的任何一个的实施例，图3d公开了使
用转变码来确定旋转方向的其他细节。方法确定324转变码是否识别顺时针旋转。由于如已经讨论的那样，转变码唯一地识别轴是以顺时针方向还是以逆时针方向转动，因此这可以使用转变码的值来快速确定。如果旋转不是顺时针的，则对转变进行计数的计数器递减；如果旋转是顺时针的，则该计数器递增。
50.申请人已经公开了通过简单计算来确定轴的旋转方向的方法，该简单计算使用当前象限标识号和过去象限标识号来计算转变码。利用转变码还使得能够检测接收信号中的非法转变，并且在一个实施例中还指示信号中何时没有发生转变。旋转方向可用于使计数器递增或递减。然后从相同信号导出的旋转的方向和速度可以由控制器使用，以便控制轴的速度和/或位置。
51.虽然已经详细示出和描述了各种实施例，但权利要求不限于任何特定的实施例或实例。以上详细描述都不应被视为暗示任何特定的组件、元素、步骤、行为、或功能是必要的，使得它必须包括在权利要求的范围内。以单数引用元素并不旨在意味着“一个且仅一个”(除非明确这样表示)，而是“一个或多个”。本领域普通技术人员已知的上述实施例的元件的所有结构和功能等同物通过引用明确地并入本文，并且旨在被本权利要求所包含。因此，本领域技术人员将认识到可以通过以下所附权利要求的精神和范围内的各种修改和变更来实践本文所描述的示例性实施例。