CN101059706A - 使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆 - Google Patents

Abstract

本发明揭示一种使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点操纵杆，其中：基于通过使用霍尔传感器来检测磁场的水平向量的旋转的原则来获得操纵杆杆身端部的二维坐标；且可以万向联轴器结构来获得人体工程学设计；且容易用其简单结构来诊断某一故障；且获得简单的组合件；且可使工作效率最大化；且获得增强的抗振性结构。

Description

使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆

技术领域

本发明涉及一种使用单个霍尔传感器(hall sensor)的万向联轴器结构(universal joint structure)的无触点操纵杆，且尤其涉及这样一种使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点操纵杆：其中，基于通过使用霍尔传感器来检测磁场的水平向量的旋转的原则来获得操纵杆杆身端部的二维坐标；且可以万向联轴器结构来获得人体工程学设计；且容易用其简单结构来诊断某一故障；且获得简单的组合件；且可使工作效率最大化；且获得增强的抗振性结构。

背景技术

图1是说明具有两个传感器结构的常规电子操纵杆结构的立体图。

如其中所示，在常规无触点电子操纵杆中，霍尔传感器11啮合在操纵杆杆身的旋转轴x和y处，且对应于每个轴的永磁体的旋转角转换成二维向量值。通过这种结构，信号测量的精确度得到增强，且由于不需要复杂的信号处理和补偿处理，所以可实时执行操作。然而，以霍尔传感器输出信号与操纵杆杆身端部之间的二维运动来执行非线性操作。另外，在上述两个霍尔传感器结构中，由于永磁体提供在每个旋转轴处以用于测量旋转角，所以设计尺寸增加，且由于抗振性设计的缘故，装置设计可能更复杂。

为了解决上述问题有人研制了图2的具有旋转组合件的新的操纵杆。

图2是说明具有单个霍尔传感器结构的常规电子操纵杆结构的立体图。如其中所示，霍尔传感器22配置在操纵杆杆身的球面中心处，且条形永磁体安装在杆身的下侧处。在此结构中，永磁体的磁力线总是朝旋转中心定向，且通过定位在旋转组合件21的球面中心处的霍尔传感器22相对于操纵杆杆身形成二维检测区域。霍尔传感器22的输出信号有助于相对于操纵杆杆身形成二维检测区域。霍尔传感器22的输出信号与由永磁体产生的磁场的水平向量成比例。当操纵杆杆身的旋转范围相对于垂直轴被限制在±30°时，在±360°即在所有方向上获得高线性度。

然而，在上述结构中，旋转组合件21在装置的整个安装区域中需要庞大体积。由于上述结构应由每个旋转组合件21支撑，所以考虑到摩擦力、抗振性结构等等应需要高强度材料。由于仅在磁力线朝旋转的中心定向时才获得所要的线性度，所以在装置处理期间需要高精确度。永磁体的磁力线可具有某一偏心构造，同时由于在长时间使用后旋转轴23出现磨损，所以磁力线从霍尔传感器平面的中心偏离，因此精确度可能受到不利影响。由于上述偏离可基于用户或使用环境而可变，所以无法执行实时补偿。

发明内容

因此，本发明的目标在于提供使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其解决了常规技术中所遇到的问题。

本发明的另一目标在于提供使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其中啮合在操纵杆杆身下侧处的条形永磁体有助于与万向联轴器的操作同步，而在霍尔传感器的二维平面上相对于条形磁体的轴向磁通量形成水平向量，且霍尔传感器检测水平向量，以藉此控制例如带有马达的轮椅的控制对象的方向和速度。

本发明的又一目标在于提供使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其中通过使用万向联轴器结构来实现基于人体工程学设计的更容易的使用；且容易用其简单结构来诊断故障；且组装过程简单；且可使工作效率最大化；且获得经增强的抗振性结构。

为了达到上述目标，本发明提供使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于啮合在操纵杆杆身下侧处的条形永磁体有助于与万向联轴器的操作同步，而在霍尔传感器的二维平面上相对于条形磁体的轴向的磁通量形成水平向量，且霍尔传感器检测水平向量的形成，以藉此控制例如电动轮椅等等的控制对象的方向和速度。

所述无触点电子操纵杆包括：x轴输入缓冲器，其具有第一缓冲器，用于接收对应于磁场方向的x轴分量而具有90°相位差的信号，和第二缓冲器，用于接收x方向的霍尔传感器的内参考电压；y轴输入缓冲器，其具有第三缓冲器，用于接收对应于磁场方向的y轴分量而具有90°相位差的信号，和第四缓冲器，用于接收y方向的霍尔传感器的内参考电压；参考电压缓冲器，其具有第五和第六缓冲器，用于产生控制器电路内侧的x方向和y方向的参考电压；低通滤波器，其具有第七缓冲器，用于接收穿过其一侧的第一缓冲器的输出信号和来自其另一侧的第二缓冲器和第五缓冲器的输出信号，和第八缓冲器，用于接收第三缓冲器的输出信号和穿过其另一侧的第四缓冲器和第六缓冲器的输出信号，从而相对于控制器电路的内参考电压与霍尔传感器的参考电压之间的差异而执行差分放大和低通滤波；和信号转换器电路，其为霍尔传感器的输出而设，所述信号转换器电路包括输出缓冲器，其具有第九缓冲器和第十缓冲器，用于对第七缓冲器和第八缓冲器的输出信号进行缓冲且将其输出。

在霍尔传感器的输出信号与操纵杆杆身的运动之间的非线性特征中，

${\mathrm{AD}}_x=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\cos \left(\mathrm{\α}\right),$

${\mathrm{AD}}_y=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\sin \left(\mathrm{\α}\right)$ (公式4)

从以下的公式1、2和3中获得。

B_h＝λ(θ)Bsin(θ)      (公式1)

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$ (公式2)

$V_x=c{B}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\cos \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$

$V_y=c{B}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$ (公式3)，和

从上述公式4获得 ${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}\±\sqrt{{\mathrm{AD}}_x^2+{\mathrm{AD}}_y^2}=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$ (公式5)。

其中

表示永磁体的轴向的磁通量密度，且

表示永磁体的轴向的磁通量的水平向量，且k是判定线性范围的参数，且θ_c表示最大线性范围，且n表示线性度，且L表示永磁体的长度，且D表示永磁体的端部与霍尔传感器之间的垂直距离，且θ表示操纵杆杆身的倾角，且λ(θ)表示关于操纵杆杆身的倾角的非线性函数，且α表示操纵杆杆身的旋转角，且ξ表示与信号转换器电路的放大系数成恒定比例的常量，且c表示信号转换器电路的放大系数，且N表示A/D转换器的分辨率，且V_ref表示A/D转换器的参考电压。

最大线性范围θ_c具有以下公式，

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{\mathrm{\π}}{2}[1-\exp (-S\frac{D}{L})]$ (公式6)，

且判定线性范围的参数k具有以下公式的特征，

(公式7)。

与信号转换器电路的放大系数成恒定比例的常量ξ具有基于公式3和4的以下公式，

$\frac{V_x}{{\mathrm{AD}}_x}=\frac{V_y}{{\mathrm{AD}}_y}=\frac{c.B}{\mathrm{\ξ}{D}^2}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^N-1}$ (公式8)，且具有以下公式的特征，

$\mathrm{\ξ}=\frac{c(2^N-1)B}{D^2{V}_{\mathrm{ref}}}$ (公式9)。

在关于传感器的输出和操纵杆杆身的倾角的非线性补偿中，以下公式12，

${\mathrm{\θ}}_{m+1}={\mathrm{\θ}}_m-\frac{A{D}_{\mathrm{out}}{k}^{2n}{\mathrm{\θ}}_m^{2n}+[k^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)-2k^n{\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}]{\mathrm{\θ}}_m^n+\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}{\left[k^n\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^n-\left[{\mathrm{nk}}^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^{n-1}+\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}$

从以下的公式10和11中获得，

$x_{m+1}=x_m-\frac{f\left(x_m\right)}{f^{\′}\left(x_m\right)},m=\mathrm{0,1,2},\mathrm{\Λ}$ (公式10)

|x_m+1-x_m|＜ε₁   (公式11)，且因此获得

|θ_m+1-θ_m|＜ε₂ (公式13)，

其中ε₁表示设定误差范围，且α₂表示设定误差范围。

附图说明

图1是说明具有两个传感器结构的常规电子操纵杆的立体图。

图2是说明具有单个霍尔传感器结构的常规电子操纵杆的立体图。

图3是说明根据本发明的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆的构造的图。

图4是说明根据本发明的永磁体的磁通量密度分布的布置和霍尔传感器的图。

图5是说明根据本发明的关于霍尔传感器输出的信号转换器电路的电路图。

图6是根据本发明的关于公式5的不变参数值的非线性特征分析的图表。

图7是根据本发明的基于定量法的线性范围θ_c与垂直距离D之间的关系的表。

图8是根据本发明的以3D展示的基于操纵杆设计指标改变与判定线性范围的参数值之间的可变原理的结果的图。

图9是根据本发明的基于最小平方逼近法的关于霍尔传感器的信号转换器电路的输出和操纵杆倾角θ的正弦值的非线性实验曲线的第10次多项式的结果的图表。

图10是描述根据本发明的关于实验曲线的第10次多项式与非线性校正公式(公式5)的数值分析的符合的图表。

图11是说明根据本发明的基于非线性校正公式(公式5)的模拟的结果与实际实验曲线的符合的图表。

图12是描述根据本发明的操纵杆电子控制器的每个功能模块的方框图。

图13是根据本发明的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆的照片。

具体实施方式

在本发明中，啮合在操纵杆杆身下侧处的条形永磁体33有助于与万向联轴器31的操作同步，而在霍尔传感器32的二维平面上相对于条形磁体的轴向形成水平向量34。霍尔传感器检测所述水平向量，以藉此控制例如带有马达的轮椅的控制对象的方向和速度。

根据本发明，非线性关系基本上基于操纵杆结构中的设计规格而在传感器输出信号与操纵杆杆身的运动之间获得。上述的非线性效应可表达为线性范围的改变、信号宽度的改变和相对于线性范围中的曲线的线性度的改变。

假定与传感器结构有关的几何特征为确定，且磁性磁体的形状和磁回应强度为确定，那么霍尔传感器的输出信号可根据操纵杆的运动基于某一规则而改变，使得上述的非线性指标维持常量。

需要关于表示各种物理元素的参数值的分析和判定过程，以基于关于永磁体的磁通量密度分布和霍尔传感器的物理特征而分析非线性特征，这使得复杂性增加。

因此，在本发明中，在避免基于物理理论的复杂的建模过程的同时，使用具有基于线性范围θ_c的某一遗传性、信号宽度ξ和非线性曲线的线性度n的非线性函数λ(θ)，因此基于操纵杆杆身的运动来分析霍尔传感器输出信号的特征，且获得基于非线性校正公式的新的补偿算法。

如图3中所示，霍尔传感器输出在磁场方向上对应于x和y轴分量具有90°的相位差的信号(图5的51、52)。提供偏移电压，其基于例如温度的外部环境的改变而具有某一偏离。即使在不提供磁场的状态下，也可基于外部磁场作用和电磁波噪声相对于参考电压(图5和3的54)而维持偏移电压。上述特征成为影响测量误差的原因。

如图5中所示，基于控制器电路的内部的参考电压55、56与霍尔传感器参考电压53、54之间的差异来形成差分放大和低通滤波器57，因此获得不具有偏移电压和噪声成分的信号。

通过信号转换器电路的每个功能模块，获得具有单独缓冲器的简单电路的最优设计，从而达到信号流均一性和基于硬件的独立性，藉此发生在一个功能模块处的故障不会影响其它模块，且实现更容易的维护。

将参看附图描述本发明的优选实施例的构造和操作。在本发明的描述内容中，参考数字以两位数来表达，其中第一位数表示图式的序列，且第二位数表示图式的每个元件的序列。举例来说，在图3中，由于第一元件为万向联轴器，所以给出参考数字31。在剩下的其它图式中，以相同的方式提供上述规则。

实施例

图3是说明根据本发明的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆的构造的图。

如与图1的常规操纵杆结构相比，在本发明中，永磁体的磁力线朝万向联轴器31的旋转中心定向。当永磁体由万向联轴器31的运动而倾斜θ时，中心线的磁回应强度 有助于在霍尔传感器32的平面上形成水平向量

且在霍尔传感器32的平面的中心处检测水平分量B_x，B_y。此处，霍尔传感器32输出对应于两个分量B_x，B_y具有90°相位的信号，可表达如下。

【公式1】

B_h＝λ(θ)Bsin(θ)

其中λ(θ)表示函数，所述函数表示基于永磁体33的磁力线的分布特征和操纵杆杆身的倾角而形成的非线性效应。如果永磁体的磁通量密度分布均一且与操纵杆杆身的方向平行，那么λ(θ)得到满足。然而，随着倾角θ增加，水平向量

不会恒定地增加，而是在超出某一线性范围时减少。

磁力线的方向几乎与条形永磁体33内部中的中心线的方向相匹配，且磁回应强度具有最大值。然而，磁力线的分布在外侧从永磁体33的N极朝S极定向。即，内侧的磁力线的方向与外侧的磁力线的方向相反。在外侧中，随着其远离永磁体的中心线，磁通量强度降低。

当永磁体33在线性范围内移动时，霍尔传感器由仅由N极产生的磁力线环绕。随着倾角θ增加，水平向量

增加。然而，当其超过线性范围时，随着倾角θ增加，水平向量

由于从N极产生的磁力线与在永磁体33外侧从N极朝S极定向的磁力线的组合操作而减少。

非线性效应与根据本发明的操纵杆的几何结构直接有关。如图4中所示，基于永磁体的长度L、原始位置处永磁体的端部与霍尔传感器的平面之间的垂直距离D和操纵杆杆身的倾角θ的函数来达到所述几何结构。非线性函数λ(θ)可基于上述特征而建模为关于θⁿ的减函数。

【公式2】

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$

其中n表示操纵杆杆身的倾角θ的正弦值与霍尔传感器的输出之间的线性度且具有偶数，且k表示基于永磁体的几何特征、磁回应强度和装置的设计规格的常量。

由于霍尔传感器的输出电压V_x，V_y与磁回应强度B_x，B_y成线性比例，所以其可基于以下公式来获得，其中c表示信号转换电路的放大系数，且α表示操纵杆杆身的旋转角。

【公式3】

$V_x=c{B}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\cos \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$

$V_y=c{B}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$

以放大、低通滤波器57和处理器内部的偏移消除来处理霍尔传感器的输出信号，使得其可基于公式1、2和3表达如下。

【公式4】

${\mathrm{AD}}_x=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\cos \left(\mathrm{\α}\right)$

${\mathrm{AD}}_y=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\sin \left(\mathrm{\α}\right)$

其中ξ表示相对于传感器输出的信号转换器电路的放大系数，且为与永磁体的中心线处的磁回应强度和处理器内部的A/D转换器的分辨率成恒定比例、且与A/D转换器的垂直方向D²和参考值V_ref成反比的常量。

在本发明中，杆身的运动可基于操纵杆结构的形状以永磁体端部处的二维坐标来表达，且与sin(θ)成反比。如公式4中所示，由于由处理器处理的A/D值与sin(θ)之间存在非线性关系，所以应由处理器来执行关于sin(θ)的线性补偿处理。如图3中所示，可基于A/D值来计算相对于轴Z的旋转角α，且可基于公式4来获得以下非线性补偿公式。

【公式5】

${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}\±\sqrt{{\mathrm{AD}}_x^2+{\mathrm{AD}}_y^2}=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$

图6是基于公式5的关于非线性特征的分析的结果。如其中所示，水平坐标表示sin(θ)，且垂直坐标表示A/D值。由于(a)和(b)的缘故，得知随着值k增加，线性范围减少。即，k为用于判定线性范围的重要参数值。(c)和(d)为基于表示线性度的值n的改变的模拟的结果。随着值n增加，所述线变得更接近设定线性范围内的直线。

如图6中所示，将对应于A/D值的最大值的倾角界定为θ_c。在操纵杆系统中，θ_c为重要的性能指标。如图4中所示，线性范围可基于垂直距离D与永磁体的长度L的比例值的改变而改变。当D在L为固定的状态下增加时，θ_c增加，反之，当D为固定且L增加时，得知作为所述实验的结果，θ_c减少。

另外，当D和L均为固定时，θ_c与永磁体端部的面积S具有密切关系。当所述面积较大时，由于从N极产生的磁力线充分环绕霍尔传感器，所以θ_c增加。当基于公式5，k＝0时， ${\mathrm{\θ}}_c=\frac{\mathrm{\π}}{2}$ 得到满足且基于操纵杆结构表达为线性范围的限制值。可基于上述实验分析和基于设计指标的线性范围的改变特征来如下建模θ_c。

【公式6】

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{\mathrm{\π}}{2}[1-\exp (-S\frac{D}{L})]$

θ_c表示对应于公式5中的最大A/D值的倾角。由于θ_c满足关于公式5的导数为“0”的条件，所以判定线性范围的参数值k与θ_c之间的关系可满足以下公式。

【公式7】

图7是说明线性范围与垂直距离之间的关系的表，且展示基于D的改变的θ_c的改变，和基于公式6的理论值与实验值之间的比较结果。另外，图8是说明基于操纵杆设计指标改变和判定线性范围的参数值的线性范围的改变规则的图。

电子控制器的信号转换电路相对于霍尔传感器的输出信号执行放大。由于ξ由A/D转换器在处理器内部处理，所以ξ与A/D转换器的放大系数c和分辨率N成恒定比例，且与永磁体的磁回应强度操纵杆杆身的端部与霍尔传感器平面之间的垂直距离具有密切关系。可基于公式3和4来获得以下公式。

【公式8】

$\frac{V_x}{{\mathrm{AD}}_x}=\frac{V_y}{{\mathrm{AD}}_y}=\frac{c.B}{\mathrm{\ξ}{D}^2}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^N-1}$

其中可基于公式8将ξ表达如下。

【公式9】

$\mathrm{\ξ}=\frac{c(2^N-1)B}{D^2{V}_{\mathrm{ref}}}$

作为用于在设计期间增加垂直距离D与永磁体的长度L的比例值的方法，线性范围θ_c增加。在此情况下，信号转换器电路的输出信号可减少，因此操纵杆杆身的端部的位置精确度降低。当操纵杆装置的设计指标为确定时，可使用值ξ以增加由公式9建模的信号转换器电路的放大系数c。

由于不可能基于非线性补偿公式(公式5)来从由处理器测量的A/D值中获得值sin(θ)，所以需要在获得操纵杆杆身的旋转角θ后使用牛顿法来获得值sin(θ)。在实际应用中，可购买到的操纵杆设计为具有在±30°内的杆身旋转范围，sin(θ)相对于某一值θ而具有唯一值。

在用于获得非线性方程f(x)＝0的解的很多方法中，牛顿法已经得到广泛使用，因为其较简单且具有可靠收敛性。当函数f(x)具有连续导数时，有可能获得曲线的切线方程y＝f(x)。即，在牛顿法中，可通过从对应于某一初始值的切线与X轴相交的点开始执行重复算法来获得方程的所要的数字解。所述重复算法如下。

【公式10】

$x_{m+1}=x_m-\frac{f\left(x_m\right)}{f^{\′}\left(x_m\right)},m=\mathrm{0,1,2},\mathrm{\Λ}$

当电流值与先前获得的值之间的差异基于牛顿法的二次收敛而进入先前设定的误差范围时，可获得满足f(x)＝0的近似解。

【公式11】

|x_m+1-x_m|＜ε₁

其中ε₁表示设定误差范围。通过上述结论的结果，有可能相对于非线性补偿公式(公式5)而获得数字值。

【公式12】

${\mathrm{\θ}}_{m+1}={\mathrm{\θ}}_m-\frac{A{D}_{\mathrm{out}}{k}^{2n}{\mathrm{\θ}}_m^{2n}+[k^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)-2k^n{\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}]{\mathrm{\θ}}_m^n+\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}{\left[k^n\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^n-\left[{\mathrm{nk}}^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^{n-1}+\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}$

重复地执行所述计算，直到满足以下条件。此处，ε₂表示先前设定的误差范围。

【公式13】

|θ_m+1-θ_m|＜ε₂

关于公式13的计算过程为递归的，因此需要一定的时间周期来获得数字解。另外，由于处理器在计算速度方面具有某种程度的限制，所以不可能实时计算，因此通过形成为实际应用请求经测量的A/D值的查找表，直接插值法更有效。

通过使用拉格朗日(Lagrange)插值法或牛顿(Newton)插值法而获得的插值多项式为精确地穿过给定点的函数。然而，由于基于实验所获得的测量值具有很多误差，所以与精确地匹配给定点的逼近函数相比，优选需要获得适合于整个数据的函数。用于获得表示给定数据的曲线的方法称为曲线的调整。在本发明中，补偿结果的符合通过最小平方逼近法以基于实验曲线的非线性补偿公式来证明。

由于相对于来自A/D值的sin(θ)来执行线性补偿，所以以关于来自实验环境的公式5中的sin(θ)的测量值被判定为垂直坐标且关于

的测量值被判定为水平坐标的方式来形成图表。

具有编码器的DC马达安装在操纵杆杆身的旋转轴x和y处，且相对于旋转角来测量正弦值。此处，将编码器信号输入到从动装置A和B的处理器中，从而用于计算旋转角。通过放大和滤波过程，将霍尔传感器的输出输入到主动装置处理器中。在从动装置A和B与主动装置之间提供CAN网络，从而用于实时交换信息。在本发明中，主动装置接收来自从动装置A和B的经计数的脉冲值，且通过CAN通信传输到计算机，因此有可能获得非线性曲线。在图9中，(a)表示使用最小平方逼近法的关于实际实验曲线的10次多项式的结果，且(b)表示实际实验曲线。

在非线性补偿公式(公式5)中，参数k和ξ可直接影响操纵杆系统的性能。如果k和ξ是基于公式7和9获得的，且非线性补偿公式的数字值与使用最小平方逼近法的10次逼近多项式的值相匹配，那么有可能相对于非线性特征来描述建模法的精确度。实验法表示用于在最优化k和ξ后证明与图9的调整曲线相符合的过程。另外，图中展示经最优化的值与理论值之间的比较结果。

图10是用于描述根据本发明的10次多项式的数字分析与关于实验曲线的非线性校正公式(公式5)的符合的表，且展示关于使用10次多项式与使用基于最小平方逼近法的牛顿法的非线性补偿公式的数字解之间的符合的实验结果。

在D＝1.3cm、L＝2.5cm、S＝0.8cm2、B＝2000高斯、N＝10、Vref＝5且c＝40的条件下执行实验。在执行最优化后，值为k＝1.639、ξ＝1065，且基于公式7的理论值为k＝1.697，且基于公式9的理论值为ξ＝1136。

图11是说明根据本发明的模拟的结果与基于非线性校正公式(公式5)的实际实验曲线的符合的图表，且展示关于由霍尔传感器检测的信号的改变特征与根据操纵杆杆身的倾角基于补偿公式所执行的非线性特征分析之间的符合的比较结果。

作为所述实验的结果，信号转换器电路的垂直距离D和放大系数c通过使用关于k和ξ的经建模的公式而最优化。其它参数值与图10的实验条件相同。由于实际实验值直接比较，而无需获得关于非线性补偿公式(公式5)的数字解，所以水平坐标为sin(θ)且垂直坐标为A/D值。即使在操纵杆杆身的旋转超过线性范围时，已知非线性补偿公式也精确地追踪实验曲线的改变。

总之，实验曲线归因于噪声而固有地包括小数量的误差分量，其因为关于实际实验曲线的测量期间的人为元素、测量器件的固有误差和测量环境而发生，但作为所述实验的结果，已知非线性补偿公式相对精确地表达非线性形状。

图5是说明关于霍尔传感器的输出的信号转换器电路的电路图。所述信号转换器电路包含第一缓冲器51、第二缓冲器53、第三缓冲器52、第四缓冲器54、第五缓冲器55、第六缓冲器56、低通滤波器57和输出缓冲器58。

此处，第一缓冲器51接收对应于磁场方向的X轴分量具有90°相位差的信号，且对所述信号进行缓冲，且第二缓冲器53在X方向上接收来自霍尔传感器的内参考电压。

另外，第三缓冲器52接收对应于磁场方向的y轴分量具有90°相位差的信号，且对所述信号进行缓冲，且第四缓冲器54在y方向上接收来自霍尔传感器的内参考电压并对其进行缓冲。

第五和第六缓冲器55和56为参考电压缓冲器，且产生内控制器电路的x方向和y方向的参考电压。

第七缓冲器(57的x方向)接收穿过其一侧的第一缓冲器51的输出信号并对其进行缓冲，且接收穿过其另一侧的第二缓冲器53和第五缓冲器55的输出信号并对其进行缓冲。第八缓冲器(57的y方向)接收穿过其一侧的第三缓冲器52的输出信号并对其进行缓冲，且接收穿过其另一侧的第四缓冲器54和第六缓冲器56的输出信号并对其进行缓冲。

低通滤波器57包含第七缓冲器(x方向)和第八缓冲器(y方向)，两者相对于内控制器电路的参考电压与霍尔传感器的参考电压之间的差异执行差分放大和低通滤波。

输出缓冲器58包含第九缓冲器和第十缓冲器，两者对第七和第八缓冲器的输出信号进行缓冲并将其输出。

信号转换器电路包含差分放大和低通滤波器，从而用于通过使用内控制电路的参考电压与霍尔传感器参考电压之间的差异来获得不具有噪声成分的偏移电压和信号。此处，每个功能模块包含第一到第六缓冲器51到56，从而用于获得信号流的恒定性和硬件独立性，第一到第六缓冲器彼此分离，使得某一功能模块的故障不会影响其它功能模块。

图12是用于描述根据本发明的操纵杆电子控制器的每个功能模块的方框图。

如图12中所示，操纵杆电子控制器包含两轴霍尔传感器、比较器、偏移消除单元、放大器、低通滤波器、处理器、CAN模块、RS232模块、D/A转换器、用户接口、马达驱动器等等。

图13是根据本发明的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆的照片。

在本发明中，使用通过用单个霍尔传感器(参看图12)来检测磁场旋转的原则来设计无触点电子操纵杆的装置和电子控制器。

通过理论上对实际旋转与操纵杆杆身的传感器输出之间的非线性关系进行建模，基于最小平方逼近法来证明实验结果与模拟之间的符合。

另外，本发明揭示基于来自万向联轴器结构的机制的非线性补偿方程而不是使用常规最小平方逼近法的新的补偿法。

所研制的操纵杆的电子控制器(图12)以例如CAN、RS232、D/A转换器等等的各种接口来调制，且很好地适合于不同应用环境。

在本发明中，有可能在操纵杆杆身的旋转范围中获得1％以内的线性误差特征，且解决双传感器结构的机械限制和由于摩擦力和振动出现的不良耐久性问题。

如上文所述，在根据本发明的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆中，使用通过用霍尔传感器检测磁场的水平向量的旋转的原则来获得操纵杆杆身端部的二维坐标。如图3中所示，万向联轴器结构适合于机械结构，且为传感器机构而检测相对于永磁体中心轴的磁场的水平向量旋转。通过使用万向联轴器结构，操纵杆结构具有较少牵连。可基本上防止归因于振动和摩擦力的性能降低。由于其构造简单，所以可容易地诊断故障，且制造和组装过程较简单，且可使工作效率最大化。可获得增强的抗振耐久性。

由于可在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下以若干形式来实施本发明，所以还应了解，除非另有指明，否则上文所述的实例并非受以上描述内容的任何细节的限制，而应在如所附权利要求书中所界定的其精神和范畴内广泛地解释，且因此希望所附权利要求书中包含所有属于权利要求书的满足条件和界限或此类满足条件和界线的等同物的改变和修改。

Claims (6)

1.一种使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于：啮合在操纵杆杆身下侧处的条形永磁体有助于与万向联轴器的操作同步，而在霍尔传感器的二维平面上相对于条形磁体的轴向的磁通量形成水平向量，且所述霍尔传感器检测所述水平向量的形成，用于藉此控制控制对象的方向和速度。

2.根据权利要求1所述的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于其中所述的无触点电子操纵杆包括：

x轴输入缓冲器，其具有第一缓冲器，用于接收对应于磁场方向的x轴分量具有90°相位差的信号，和第二缓冲器，用于接收x方向的所述霍尔传感器的内参考电压；

y轴输入缓冲器，其具有第三缓冲器，用于接收对应于磁场方向的y轴分量具有90°相位差的信号，和第四缓冲器，用于接收y方向的所述霍尔传感器的内参考电压；

参考电压缓冲器，其具有第五和第六缓冲器，用于产生控制器电路内侧的x方向和y方向的参考电压；

低通滤波器，其具有第七缓冲器，用于接收穿过其一侧的所述第一缓冲器的输出信号和来自其另一侧的所述第二缓冲器和所述第五缓冲器的所述输出信号，和第八缓冲器，用于接收所述第三缓冲器的输出信号和穿过其另一侧的所述第四缓冲器和所述第六缓冲器的所述输出信号，用于藉此相对于所述控制器电路的内参考电压与所述霍尔传感器的参考电压之间的差异来执行差分放大和低通滤波；和

信号转换器电路，其为所述霍尔传感器的输出而设，所述信号转换器电路包括输出缓冲器，其具有第九缓冲器和第十缓冲器，用于对所述第七缓冲器和所述第八缓冲器的所述输出信号进行缓冲，且用于输出所述输出信号。

3.根据权利要求1或2所述的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于其中在所述霍尔传输器的输出信号与所述操纵杆杆身的运动之间的非线性特征中，

${\mathrm{AD}}_x=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\cos \left(\mathrm{\α}\right),$

${\mathrm{AD}}_y=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{(k.\mathrm{\θ})}^n}\sin \left(\mathrm{\α}\right)$ (公式4)

从以下的公式1、2和3中获得，

B_h＝λ(θ)Bsin(θ)    (公式1)

$\mathrm{\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{1}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$ (公式2)

$V_x=c{B}_x\cos \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\cos \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$

$V_y=c{B}_y\sin \left(\mathrm{\α}\right)=\frac{\mathrm{c\λ}\left(\mathrm{\θ}\right)B\sin \left(\mathrm{\α}\right)}{D^2}$ (公式3)，和

从上述公式4获得 ${\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}\±\sqrt{{\mathrm{AD}}_x^2+{\mathrm{AD}}_y^2}=\mathrm{\ξ}\frac{\sin \left(\mathrm{\θ}\right)}{1+{\left(\mathrm{k\θ}\right)}^n}$ (公式5)，

其中

表示永磁体的轴向的磁通量密度，且

表示永磁体的轴向的磁通量的水平向量，且k是判定线性范围的参数，且θ_c表示最大线性范围，且n表示线性度，且L表示永磁体的长度，且D表示永磁体的端部与霍尔传感器之间的垂直距离，且θ表示操纵杆杆身的倾角，且λ(θ)表示关于操纵杆杆身的倾角的非线性函数，且α表示操纵杆杆身的旋转角，且ξ表示与信号转换器电路的放大系数成恒定比例的常量，且c表示信号转换器电路的放大系数，且N表示A/D转换器的分辨率，且V_ref表示A/D转换器的参考电压。

4.根据权利要求3所述的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于其中在所述公式5中，所述最大线性范围θc具有以下公式，

${\mathrm{\θ}}_c=\frac{\mathrm{\π}}{2}[1-\exp (-S\frac{D}{L})].$ (公式6)，

且判定线性范围的参数k具有以下公式的特征，

(公式7)。

5.根据权利要求4所述的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于其中与所述信号转换器电路的放大系数成恒定比例的常量ξ具有基于所述公式3和4的以下公式，

$\frac{V_x}{{\mathrm{AD}}_x}=\frac{V_y}{{\mathrm{AD}}_y}=\frac{c.B}{{\mathrm{\ξD}}^2}=\frac{V_{\mathrm{ref}}}{2^N-1}$ (公式8)，且具有以下公式的特征，

$\mathrm{\ξ}=\frac{c(2^N-1)B}{D^2{V}_{\mathrm{ref}}}$ (公式9)。

6.根据权利要求5所述的使用单个霍尔传感器的万向联轴器结构的无触点电子操纵杆，其特征在于其中在关于所述传感器的输出和所述操纵杆杆身的倾角的非线性补偿中，以下公式12，

${\mathrm{\θ}}_{m+1}={\mathrm{\θ}}_m-\frac{{\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}{k}^{2n}{\mathrm{\θ}}_m^{2n}+[k^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)-{2k}^n{\mathrm{AD}}_{\mathrm{out}}]{\mathrm{\θ}}_m^n+\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}{\left[k^n\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^n-\left[n{k}^n\mathrm{\ξ}\sin \left({\mathrm{\θ}}_m\right)\right]{\mathrm{\θ}}_m^{n-1}+\mathrm{\ξ}\cos \left({\mathrm{\θ}}_m\right)}$

从以下的公式10和11中获得，

$x_{m+1}=x_m-\frac{f\left(x_m\right)}{f^{\′}\left(x_m\right)},m=\mathrm{0,1,2},\mathrm{\Λ}$ (公式10)

|x_m+1-x_m|＜ε₁    (公式11)，且因此获得

|θ_m+1-θ_m|＜ε₂  (公式13)，

其中ε₁表示设定误差范围，且α₂表示设定误差范围。

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