无编码器马达位置检测与控制技术

即使没有编码器也能精确地控制马达?

日本电产始终致力于使用无刷直流马达来替代以步进马达为代表的现有马达产品,从而实现大幅度的节能、产品的短小轻薄化。然而,要将马达准确地安装到目标位置或消除马达的旋转不均匀,您知道需要哪个部件吗?答案是“编码器”。编码器是使马达精确旋转而必不可缺的部件。但是,编码器的缺点在于难以实现小型化,且成本较高,约占马达成本的20%至40%。因此,日本电产研发出了“无需使用编码器即可精确进行旋转控制的马达”。究竟是如何实现的呢?为了回答这些疑问,我们将介绍最新研制出的“无编码器马达位置检测与控制技术”

掌握霍尔传感器的“偏差”以提高精度

目前,几乎所有的无刷直流马达都搭载了霍尔传感器。霍尔传感器的优点在于比编码器价格低廉且体积更小。本公司传统的无刷直流马达在配有霍尔传感器的基础上还搭载了位置误差:机械角度为0.9°的编码器。

              ▲转子 (磁体) 及搭载有霍尔传感器基板的结构(示意图)

通常,无刷直流马达使用霍尔传感器来检测转子(磁体)的旋转位置,但是磁体的磁化、霍尔传感器的安装、灵敏度等的“偏差”会产生误差,因此无法检测出准确的位置。日本电产成功地开发出了一种算法,能够对这种“偏差”进行修正,仅通过霍尔传感器,提高了位置控制的精度。由此,能够取消编码器的使用。

由于以往的马达控制是在无误差的、理想的马达模型上进行的马达控制,因此,即使理论上看起来可以正确地控制,但实际上,仍会发生上述的霍尔传感器的“偏差”等造成的马达个体差异的“误差”。因此,传统的无刷直流马达会出现.旋转不均匀、精度下降的问题。

对此,日本电产建立了一个以马达存在个体差异为前提的马达模型。最初,我们利用了不利于进行马达控制的马达个体差异,通过软件掌握无刷直流马达上的霍尔传感器的信号,设计了一种算法,用来检测出马达轴的角度位置。

      ▲用软件来修正霍尔传感器信号的“偏差”

具体而言,用软件统计处理霍尔传感器信号的“偏差”并进行修正。修正算法的原理基于这样的假设:无论检测到的霍尔传感器信号有多大偏差,如果马达旋转360°(即旋转一周),则在下一周旋转中可以检测到完全相同的信号波形。首先,提取每旋转一周一个周期的霍尔传感器信号。通过重复几次旋转,能够掌握(学习)确切的“偏差”状况。接下来,如图所示,连接多个霍尔传感器信号绘制的波形的交点连结而成的“线段”并形成一条折线,对齐信号波形的高度和中心线(归一化)。通过以这种方式修正“线段”,可以使所述的一条折线呈一条直线的状态。通过使用修正算法“线段连接法(CLH)”执行上述处理,可以减少由于马达的个体差异引起的误差,并可以实现高精度控制(位置误差:机械角度±0.25°、环境温度:0至60℃)。除了通过模拟验证之外,通过实机评价也验证了其大幅提高了定位的精度,是传统带编码器的无刷直流马达的3.6倍。目前,我们仍在努力提高这种无编码器马达的精度。


马达控制技术的进一步发展与推动

近年来,以机器人领域和车载领域为中心,集成包括马达单体和驱动/电路、马达控制单元在内的控制电路于一体的模块化技术不断发展。基于日本电产开发的、作为修正算法的线段连接法(CLH)以及基于线段连接法(CLH)的马达控制技术,通过无编码器技术,实现了马达控制模块的低成本化和高精度化,充分满足了在应用方面的小型化、高精度化的需求。未来,预计它将应用于成本竞争愈加激烈的、面向中国的工业用机器人和移动性系统。日本电产在实现无编码器位置检测和控制技术,以克服成本竞争的同时,并将研究进一步的性能改进并将其商业化,以彻底改革机器人及移动性市场。

      ▲有望使用线段连接法(CLH)的应用领域

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