CN103900463B - 一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法，它是根据设置的参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref、测量起点测量角度数字值、终点测量角度数字值以及各个机械角度下的输出电压值，能反演出各个机械角度下理论上磁编码器计算出的角度数字值，这些角度数字值就分别代表了各个机械角度下的物理意义上的机械角度。本发明利用标准角度源采集和记录磁编码器输出的模拟电压和标准角度，自适应地搜索出使绝对角度测量误差最小的磁编码器的偏移量和增益寄存器参数，并写入该寄存器。本发明提出的方法完全是由单片机操作和计算完成，速率快，效率高。由于偏移量OFFSET_Opt和增益GAIN_Opt是测量起点和测量终点范围内的最优值，因此机械角度的绝对测量精度也较高。

Description

一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法

技术领域

本发明涉及一种角度测量方法，尤其是涉及一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法。

背景技术

角度测量广泛用于军事、工业和机器人等领域。随着技术的发展，测角传感器也不断地被小型化和智能化，它通过输出模拟电压的方式提供机械角度。为了能够达到测量小范围机械角度的目的，需要对角度测量电路整个量程域内的参数进行设置。这些设置参数通常包括偏移量、增益和过零点(即BP点，一般设为0)等。

角度测量电路中有一个磁编码器(AS51/263)，能够计算出机械角度的数字值。通过读出磁编码器的内部寄存器的数字值，通过设置磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，可以确定测量机械角度的起点、终点和输出模拟电压的范围(Vpp)。机械角度是由在测量机械角度范围内的测量电路输出的模拟电压值计数出，而此时磁编码器输出的模拟电压值是由其内部的寄存器参数——偏移量和增益决定。所以，偏移量和增益这两个参数就决定了模拟输出角度的测量范围和测量精度。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法，该方法采用模拟输出的方式来测量小范围(0～100°)的机械角度，并能够自适应地调整磁编码器内部的寄存器参数——偏移量和增益，提高模拟输出角度的绝对测量精度。

本发明的目的是这样实现的：

一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法，具体步骤如下：

A、把角度测量电路安装在标准角度源上，并把标准角度源调整到待测角度的起点位置(即测量角度的起点)，标准角度源发出读取机械角度数字值和缓存标准角度的第一触发信号Tr1分别送至读角度数字值模块和标准角度缓存模块；在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器中读取起点的测量角度数字值As，并把As缓存至角度数字值缓存模块；同时，标准角度源把起点的标准角度Ds缓存至标准角度缓存模块；把标准角度源调整到待测角度的终点位置(即测量角度的终点)并准备就绪后，标准角度源再次发出第一触发信号Tr1，在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器读取终点的测量角度数字值Ae(Ae>As)，并把Ae缓存至角度数字值缓存模块；同时，标准角度源把终点的标准角度De(De>Ds)缓存至标准角度缓存模块；

B、在第一触发信号Tr1的触发下得到的起点的测量角度数字值As和终点的测量角度数字值Ae后，由乘加法运算模块按照下面的公式计算出参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref；

OFFSET _REf ＝As

${\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}=\mathrm{ROUNDDOWN}(\frac{4095}{\mathrm{Ae}-\mathrm{As}}*2048)$

公式中ROUNDDOWN为向下取整函数，如ROUNDDOWN(1.6)＝1；

C、把参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，并完成把磁编码器设置成模拟输出工作模式，等待第二触发信号Tr2；

D、把标准角度源调整到待测角度的起点位置并准备就绪后，标准角度源发出第二触发信号Tr2和第三触发信号Tr3；在第二触发信号Tr2的触发下，电压采集模块开始工作，采集磁编码器输出的模拟电压V_A得到数字电压V_D，并把数字电压V_D缓存至数据记录模块；在第三触发信号Tr3的触发下，标准角度源的标准角度D被缓存至数据记录模块，完成一次数据测量；

E、在测量角度的起点和终点的范围内，以机械角度约2°的间隔均匀地完成数字电压V_D和标准角度D的数据测量，并缓存至数据记录模块(这一过程称为过程测量)；假设在这个过程中进行了N次数据的测量和缓存；

F、完成待测量角度的起点和终点的范围内的数据测量和缓存后，进入遍历计算模块；遍历计算模块详细的过程如下：

ａ、根据步骤(E)中测量和和缓存的数据——数字电压V_D和标准角度D计算出在步骤(E)中各标准角度下的磁编码器理论计算出的角度数字值M_i(i＝1，2，…，N)，

$M_i=\frac{V_i}{{\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}*L}+{\mathrm{OFFSET}}_{\mathrm{Ref}},i=\mathrm{1,2},\·\·\·,N$

式中：L＝1/2048/4096*Vpp，V_i(i＝1，2，…，N)为数据记录模块中的第i个标准角度下输出的数字电压；

b、设定一个偏移量门限GATE_OFFSET和一个增益门限GATE_GAIN，由公式：

V_i＝(M_i-OFFSET_Set)*GAIN_Set*L

(公式中的OFFSET_Set和GAIN_Set为遍历的变量，即分别对应下文中的OFFSET_m和GAIN_n)，计算出在由偏移量门限和增益门限构成的二维空间内根据磁编码器理论计算出的角度数字值M_i下的理论输出电压：

$V\_{\mathrm{TH}}_{\mathrm{mni}},\left\{\begin{array}{c}\mathrm{OFFSET}-\mathrm{GATE}\_\mathrm{OFFSET}\≤{\mathrm{OFFSET}}_m\≤\mathrm{OFFSET}+\mathrm{GATE}\_\mathrm{OFFSET}\\ \mathrm{GAIN}-\mathrm{GATE}\_\mathrm{GAIN}\≤{\mathrm{GAIN}}_n\≤\mathrm{GAIN}+\mathrm{GATE}\_\mathrm{GAIN}\end{array}\right.;$

m＝1，2，…，GATE_OFFSET*2+1；n＝1，2，，GATE_GAIN*2+1

然后，按照下述公式计算出绝对角度测量误差E_TH_mni(i＝1，2，…，N)

K_TH_mni＝V_TH_mni*H+D₁

E_TH_mni＝K_TH_mni-D_i

式中，

$H=\frac{D_N-D_1}{\mathrm{Vpp}}$

D_i(i＝1，2，…，N)数据记录模块中的第i个标准角度；

G、比较选择模块负责处理绝对角度测量误差E_TH_mni(i＝1，2，…，N)，过程如下：

ａ、对每次过程测量i(i＝1，2，…，N)搜索，搜索出每次过程测量的绝对误差最大值E_TH_mnI；

b、在N个过程测量的绝对误差最大值E_TH_mnI，(m＝1，2，…，GATE_OFFSET*2+1；n＝1，2，…，GATE_GAIN*2+1)中搜索最小值E_TH_MNI，由绝对测量误差最小原则得到最得最优偏移量OFFSET_M和最优增益GAIN_N；

c、选择OFFSET_M和GAIN_N作为最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt，发送至写偏移量和增益模块；

H、写偏移量和增益模块把最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt代替参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，完成对磁编码器的设置；磁编码器输出的测量的机械角度由其数模转换模块输出的模拟电压V_A表示，机械角度下述公式计算出，

$K=\frac{V_A}{\mathrm{Vpp}}*(D_N-D_1)+D_1$

或

K＝V_A*H+D₁。

公式推导：

当标准角度源准备就绪后发出读取机械角度数字值和缓存标准角度的第一触发信号Tr1；通过第一触发信号Tr1读出起点测量角度数字值As、终点测量角度数字值Ae、起点标准角度Ds和终点标准角度De(为了方便说明，假设As<Ae，Ds<De)；利用公式计算出参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，计算公式为

OFFSET_Ref＝As(1)

${\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}=\mathrm{ROUNDDOWN}(\frac{4095}{\mathrm{Ae}-\mathrm{As}}*2048)---\left(2\right)$

公式中ROUNDDOWN为向下取整函数；

把由公式(1)和(2)计算出的参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器。在测量起点和测量终点范围内以机械角度约2°的间隔均匀地做一次过程测量，记录在各个机械角度下的输出电压值和标准角度，根据电压值可以计算出各个机械角度下的测量角度值。测量角度的计算过程如下。

假设在测量起点和测量终点范围内标准角度源上采集了N个标准角度，这N个标准角度分别为D₁，D₂，…，D_N(D₁＝D_s，D_N＝De)。设置了参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref之后，在这N个机械角度下输出的电压分别为V₁，V₂，…，V_N，则V_i(i＝1，2，…，N)应为

$V_i=(\frac{\mathrm{Ae}-\mathrm{As}}{D_N-D_1}*(D_i-D_1)+\mathrm{As}-{\mathrm{OFFSET}}_{\mathrm{Ref}})*{\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}/2048/4096*\mathrm{Vpp}---\left(3\right)$

设

$M_i=\frac{\mathrm{Ae}-\mathrm{As}}{D_N-D_1}*(D_i-D_1)+\mathrm{As}---\left(4\right)$

L＝1/2048/4096*Vpp(5)

则，M_i就是第i个标准角度下在参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref条件下的磁编码器理论计算出的角度数字值，因此，

V_i＝(M_i-OFFSET_Ref)*GAIN_Ref*L(6)

此时V_i对应的测量角度应为

$K_i=\frac{V_i}{\mathrm{Vpp}}*(D_N-D_1)+D_1---\left(7\right)$

设

$H=\frac{D_N-D_1}{\mathrm{Vpp}}---\left(8\right)$

则

K_i＝V_i*H+D₁(9)

所以，机械角度测量绝对误差为

E_i＝K_i-D_i(10)

由于磁编码器的内部的偏移量和增益寄存器写入的是参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，因此此时的测量角度值绝对误差可能会比较大，需要对参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref在此基础进一步调整，以提高绝对测量精度。

本发明根据设置的参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref、测量起点测量角度数字值、终点测量角度数字值以及各个机械角度下的输出电压值，能反演出各个机械角度下理论上磁编码器计算出的角度数字值，这些角度数字值就分别代表了各个机械角度下的物理意义上的机械角度。为了减小测量角度的绝对误差，就需要提高角度测量电路在各个机械角度下输出的模拟电压值与在此机械角度下物理上的角度所表现出的模拟电压值的接近度。通过以设置参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，以此参考偏移量和增益为中心，以一定的门限在偏移量和增益组成的二维空间内搜索在各个机械角度下的过程测量绝对误差的最大值中最小的那一组偏移量和增益(称为最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt)，作为测量电路的参数写入磁编码的内部寄存器。把最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt写入磁编码器的内部寄存后，再进行机械角度测量时的绝对测量精度一般会大大提高，绝对测量精度在0.1°以内。

因此，本发明利用标准角度源采集和记录磁编码器输出的模拟电压和标准角度，自适应地搜索出使绝对角度测量误差最小的磁编码器的偏移量和增益寄存器参数，并写入该寄存器。本发明提出的方法完全是由单片机操作和计算完成，速率快，效率高。由于偏移量OFFSET_Opt和增益GAIN_Opt是测量起点和测量终点范围内的最优值，因此机械角度的绝对测量精度也较高。

附图说明：

图1是为本发明的结构框图。

具体实施方式：

下面结合实施例并对照附图对本发明进行进一步的说明。

一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法，具体步骤如下：

A、把角度测量电路安装在标准角度源上，并把标准角度源调整到待测角度的起点位置(即测量角度的起点)。标准角度源发出读取机械角度数字值和缓存标准角度的第一触发信号Tr1分别送至读角度数字值模块和标准角度缓存模块，在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器中读取起点测量角度数字值A_s，并把A_s缓存至角度数字值缓存模块。同时,标准角度源把此时起点标准角度D_s缓存至标准角度缓存模块；把标准角度源调整到待测角度的终点位置(即测量角度的终点)并准备就绪后，标准角度源再次发出第一触发信号Tr1，在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器读取终点测量角度数字值Ae(Ae>As)，并把Ae缓存至角度数字值缓存模块。同时,标准角度源把此时的终点标准角度De(De>Ds)缓存至标准角度缓存模块；

B、在第一触发信号Tr1的触发下得到的起点的测量角度数字值As和终点的测量角度数字值Ae后，由乘加法运算模块按照下述公式计算出参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref；

OFFSET_Ref＝As

${\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}=\mathrm{ROUNDDOWN}(\frac{4095}{\mathrm{Ae}-\mathrm{As}}*2048)$

公式中ROUNDDOWN为向下取整函数，如ROUNDDOWN(1.6)＝1。

C、把参考偏移量OFFSET_Ref和参考GAIN_Ref由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，并完成把磁编码器设置成模拟输出工作模式，等待第二触发信号Tr2；

D、把标准角度源调整到待测角度的起点位置并准备就绪后，标准角度源发出第二触发信号Tr2和第三触发信号Tr3，在第二触发信号Tr2的触发下，电压采集模块开始工作，采集磁编码器输出的模拟电压V_A得到数字电压V_D，并把数字电压V_D缓存至数据记录模块；在第三触发信号Tr3的触发下，标准角度源的标准角度D被缓存至数据记录模块，完成一次数据测量；

E、在待测量角度的起点和终点的范围内，以机械角度约2°的间隔均匀地完成数字电压V_D和标准角度D的数据测量和缓存(这一过程称为过程测量)。假设在这个过程中进行了N次数据的测量和缓存；

F、完成待测量角度的起点和终点的范围内的数据测量和缓存后，进入遍历计算模块，详细的过程如下；

ａ、根据步骤(E)中测量和记录的数据——数字电压V_D和标准角度D计算出在步骤(E)中各标准角度下的磁编码器理论计算出的角度数字值M_i(i＝1，2，…，N)，

$M_i=\frac{V_i}{{\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Ref}}*L}+{\mathrm{OFFSET}}_{\mathrm{Ref}},i=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,N$

式中：L＝1/2048/4096*Vpp，V_i(i＝1，2，…，N)为数据记录模块中第i个机械角度下输出的数字电压；

b、设定一个偏移量门限GATE_OFFSET和一个增益门限GATE_GAIN，由公式：

V_i＝(M_i-OFFSET_Set)*GAIN_Set*L

计算出在由偏移量门限和增益门限构成的二维空间内根据磁编码器理论计算出的角度数字值M_i下的理论输出电压

$V\_{\mathrm{TH}}_{\mathrm{mni}},\left\{\begin{array}{c}\mathrm{OFFSET}-\mathrm{GATE}\_\mathrm{OFFSET}\&le;{\mathrm{OFFSET}}_m\&le;\mathrm{OFFSET}+\mathrm{GATE}\_\mathrm{OFFSET}\\ \mathrm{GAIN}-\mathrm{GATE}\_\mathrm{GAIN}\&le;{\mathrm{GAIN}}_n\&le;\mathrm{GAIN}+\mathrm{GATE}\_\mathrm{GAIN}\end{array}\right.$

m＝1，2，…，GATE_OFFSET*2+1；n＝1，2，，GATE_GAIN*2+1；

然后，按照下述公式计算出绝对角度测量误差E_TH_mni

K_TH_mni＝V_TH_mni*H+D₁

E_TH_mni＝K_TH_mni-D_i

式中，

$H=\frac{D_N-D_1}{\mathrm{Vpp}}$

D_i(i＝1，2，…，N)数据记录模块中的第i个标准角度。

G、比较选择模块负责处理绝对角度测量误差E_TH_mni，过程如下：

ａ、对每次过程测量i(i＝1，2，…，N)搜索，搜索出每次过程测量的绝对误差最大值E_TH_mnI；

b、在N个过程测量的绝对误差最大值E_TH_mnI，(m＝1，2，…，GATE_OFFSET*2+1；n＝1，2，…，GATE_GHIN*2+1)中搜索最小值E_TH_MNI，由绝对测量误差最小原则得到最得最优偏移量OFFSET_M和最优增益GAIN_N；

c、选择OFFSET_M和GAIN_N作为最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt，发送至写偏移量和增益模块；

H、写偏移量和增益模块把最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt代替参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，完成对磁编码器的设置。磁编码器输出的测量的机械角度由其数模转换模块输出的模拟电压V_A表示，机械角度下述公式计算出，

$K=\frac{V_A}{\mathrm{Vpp}}*(D_N-D_1)+D_1$

或

K＝V_A*H+D₁。

Claims (1)

1.一种自适应提高模拟输出角度的绝对测量精度的方法,其特征在于：

A、把角度测量电路安装在标准角度源上，并把标准角度源调整到待测角度的起点位置，即测量角度的起点；标准角度源发出读取机械角度数字值和缓存标准角度的第一触发信号Tr1分别送至读角度数字值模块和标准角度缓存模块；在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器中读取起点的测量角度数字值As，并把As缓存至角度数字值缓存模块；同时，标准角度源把起点的标准角度D_s缓存至标准角度缓存模块；把标准角度源调整到待测角度的终点位置，即测量角度的终点，并准备就绪后，标准角度源再次发出第一触发信号Tr1，在第一触发信号Tr1的触发下，读角度数字值模块通过第一数字串行口从磁编码器中的角度数字值寄存器读取终点的测量角度数字值Ae，Ae>As，并把Ae缓存至角度数字值缓存模块；同时，标准角度源把终点的标准角度De，De>Ds，缓存至标准角度缓存模块；

B、在第一触发信号Tr1的触发下得到的起点的测量角度数字值As和终点的测量角度数字值Ae后，由乘加法运算模块按照下面的公式计算出参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref；

OFFSET_Ref＝As

${\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Re}f}=ROUNDDOWN(\frac{4095}{Ae-As}*2048)$

公式中ROUNDDOWN为向下取整函数；

C、把参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，并完成把磁编码器设置成模拟输出工作模式，等待第二触发信号Tr2；

D、把标准角度源调整到待测角度的起点位置并准备就绪后，标准角度源发出第二触发信号Tr2和第三触发信号Tr3；在第二触发信号Tr2的触发下，电压采集模块开始工作，采集磁编码器输出的模拟电压V_A得到数字电压V_D，并把数字电压V_D缓存至数据记录模块；在第三触发信号Tr3的触发下，标准角度源的标准角度D被缓存至数据记录模块，完成一次数据测量；

E、在测量角度的起点和终点的范围内，以机械角度约2°的间隔均匀地完成数字电压V_D和标准角度D的数据测量，并缓存至数据记录模块；记在这个过程中进行了N次数据的测量和缓存；

F、完成待测量角度的起点和终点的范围内的数据测量和缓存后，进入遍历计算模块；遍历计算模块详细的过程如下：

a、根据步骤E中测量和和缓存的数据——数字电压V_D和标准角度D计算出在步骤E中各标准角度下的磁编码器理论计算出的角度数字值M_i,i＝1,2,…,N，

$M_i=\frac{V_i}{{\mathrm{GAIN}}_{\mathrm{Re}f}*L}+{\mathrm{OFFSET}}_{\mathrm{Re}f},i=1,2,...,N$

式中：L＝Vpp/(2048×4096)，Vpp为电压的峰-峰值，V_i,i＝1,2,…,N为数据记录模块中的第i个标准角度下输出的数字电压；

b、设定一个偏移量门限GATE_OFFSET和一个增益门限GATE_GAIN，由公式：

V_i＝(M_i-OFFSET_Set)*GAIN_Set*L

计算出在由偏移量门限和增益门限构成的二维空间内根据磁编码器理论计算出的角度数字值M_i下的理论输出电压：

$V\_{\mathrm{TH}}_{mni},\begin{array}{c}\left\{\begin{array}{c}OFFSET\_GATE\_OFFSET\&le;{\mathrm{OFFSET}}_m\&le;OFFSET+GATE\_OFFSET\\ GAIN-GATE\_GAIN\&le;{\mathrm{GAIN}}_n\&le;GAIN+GATE\_GAIN\end{array}\right.\\ m=1,2,...,GATE\_OFFSET*2+1;n=1,2,,GATE\_GAIN*2+1\end{array};$

然后，按照下述公式计算出绝对角度测量误差E_TH_mni,i＝1,2,…,N

K_TH_mni＝V_TH_mni*H+D₁

E_TH_mni＝K_TH_mni-D_i

式中，

$H=\frac{D_N-D_1}{Vpp}$

D_i,i＝1,2,…,N数据记录模块中的第i个标准角度；

G、比较选择模块负责处理绝对角度测量误差E_TH_mni,i＝1,2,…,N，过程如下：

a、对每次过程测量i,i＝1,2,…,N搜索，搜索出每次过程测量的绝对误差最大值E_TH_mnI；

b、在N个过程测量的绝对误差最大值

E_TH_mnI,m＝1,2,…,GATE_OFFSET*2+1；n＝1,2,…,GATE_GAIN*2+1中搜索最小值E_TH_MNI，由绝对测量误差最小原则得到最得最优偏移量OFFSET_M和最优增益GAIN_N；

c、选择OFFSET_M和GAIN_N作为最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt，发送至写偏移量和增益模块；

H、写偏移量和增益模块把最优偏移量OFFSET_Opt和最优增益GAIN_Opt代替参考偏移量OFFSET_Ref和参考增益GAIN_Ref，由写偏移量和增益模块通过第二数字串行口写入磁编码器内部的偏移量和增益寄存器，完成对磁编码器的设置；磁编码器输出的测量的机械角度由其数模转换模块输出的模拟电压V_A表示，机械角度下述公式计算出，

$K=\frac{V_A}{Vpp}*(D_N-D_1)+D_1$

或

K＝V_A*H+D₁。