CN106489064A - 用于调节旋转编码器的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于调节旋转编码器的方法和装置，即带有霍耳效应传感器的绝对磁性旋转编码器，该霍耳效应传感器当以圆的形式定位时检测在直径上极化的永久磁体的磁场。所述旋转编码器调节方法具有以下特征：致动器磁体在传感器电路上方旋转一次或若干次，其中记录/存储时间相关的旋转角；计算旋转角的时间相关的预先假设的值；接着从测量到的实际旋转角值减去这些旋转角的预先假设的值；通过分析所获得的差异，确定用于传感器电路的电力参数值，其方式为使得基于新电力参数值的新测量到的差异比变化之前小；将用于传感器电路的电力参数值写入到该传感器电路中。

Description

用于调节旋转编码器的方法和装置

本发明涉及一种用于调节旋转编码器的方法和装置，即带有霍尔元件的绝对磁性旋转编码器，该霍尔元件当以圆的形式定位时检测在直径上极化(diametricallypolarised)的永久磁体的磁场。

背景技术

带有以圆的形式定位的霍耳效应传感器的绝对磁性旋转编码器的原理功能之一是检测在直径上极化的永久磁体的磁场。通过处理由霍耳效应传感器产生的信号，有可能确定永久磁体相对于霍耳效应传感器的定向。半导体装置制造过程使得霍耳效应传感器以及能够处理信号的电子电路有可能集成在同一个半导体模，即集成电路(IC)上。带有霍耳效应传感器和信号处理电路的集成电路被称作传感器电路，并且带有霍耳效应传感器的圆的中心是传感器电路中心。封装传感器电路(传感器芯片)最经常连同额外电子组件一起安装到印刷电路板上，该额外电子组件例如是电路功能参数的保存、输出信号调节、电缆连接等。

在典型应用中，致动器磁体插入到磁体支座中并且这个支座附接在轴杆末端，轴杆的旋转角正在接受测量。带有传感器芯片即旋转编码器的印刷电路板安装在轴杆末端，从而使得磁体直接在传感器芯片上方旋转。

此旋转编码器的准确度基本上取决于致动器磁体的与其几何形状有关的磁特性以及磁体旋转中心与传感器电路中心之间的匹配。我们通常无法影响磁体本身的性质(quality)；然而，我们可以通过选择而去掉不当的磁体。因而我们可以实现磁体支座中的磁体在磁性和几何特性方面相似。

然而，磁体和传感器电路的相互作用位置是不同的情况。传感器芯片内部的传感器电路位置易发生有限程度的变化，因为这是通过将传感器电路囊封到芯片封装中的过程确定的。焊接处理(将芯片焊接到印刷电路板)过程中传感器芯片相对于印刷电路板的位置以及在最终用户的设施处的磁体和印刷电路板安装处理期间印刷电路板相对于磁体的旋转轴的位置同样易发生变化。

在磁体在传感器芯片上方旋转的过程中，在传感器电路中生成两个正弦信号(每次磁体旋转(revolution)是一个周期)，这两个正弦信号以四分之一周期彼此相移。传感器电路内部的内插块适当地评估这两个正弦信号的当前值，并将其转换成磁体相对于传感器电路的定向信息。霍耳效应传感器的均匀灵敏度、磁体性质、磁体旋转轴与传感器电路中心的匹配以及这两者之间的距离都会直接影响正弦信号的形式。当正弦信号具有相同幅值、无偏移时并且当它们恰好以四分之一周期相移时，通过内插块计算的磁体旋转信息与实际磁体旋转值的差异最小。

总的来说，由于磁体的不同特性和磁体相对于传感器电路的不同安装，正弦信号的幅值是不同的，偏移量不等于零，并且幅值不以恰好四分之一周期相移。在生产中的旋转编码器的调节处理过程中，有可能调节传感器电路的一些电力参数，其方式为使得正弦信号具有相等的幅值、最小化的偏移量并且在内插之前具有正确的相移。用于传感器电路的经过调节的电力参数值被存储到存储器中，存储器也是传感器电路的一部分，因而这些参数值不会丢失，即使在传感器电路从电源切断之后也是如此。据说这些参数值被写入到传感器电路中。

可以通过各种方法确定传感器电路的电力参数值，使用这些电力参数值可以校正正弦信号的形式，并且这些电力参数值提供由旋转编码器返回的旋转角值与磁体的实际旋转角值之间的最小差异。一种校正方法包括相对于实际磁体旋转角记录正弦信号，其中使用参考编码器测量磁体旋转角值，该磁体旋转角值的误差是已知的，并且同时小于传感器电路的角分辨率。基于对这两个正弦信号的分析来确定用于调节传感器电路的电力参数。在第二方法中，相对于参考编码器测量到的实际磁体旋转角记录由传感器电路返回的旋转角。通过分析两个旋转角之间的差异(即误差值)，基于对正弦信号的幅值、偏移量和相移如何影响误差值的认识，确定/计算用于传感器电路的电力参数。因此，在这些电力参数已经写入到传感器电路中之后，编码器准确度比以前更好。在上述两种方法中，需要用参考编码器记录正弦信号/误差。

然而，关于写入的电力参数，事实证明，只有在磁体中心和印刷电路中心的相关位置方面误差是最小的，这在生产中的调节过程中已经实现，并且基本上稍后难以在用户的设施处继续。通过专利文献SI 22966中描述的发明可以有效地解决带有传感器芯片的印刷电路板相对于磁体旋转编码器的磁体的位置的简单并且可重复的定位的问题。如果使用工具对磁体旋转编码器进行中心安装因为空间或其它限制而不可能，并且磁体中心与传感器电路中心的相关位置无法以某种其它方式可靠地再定位，则事实证明，安装之后的误差比调节之后更大。为了实现编码器能具有的准确度，我们需要再次确定用于传感器电路的电力参数，为此，需要一种测量实际磁体旋转角的参考编码器。然而，在编码器安装之后，在用户的设施处这实际上不可能实现。

旋转编码器(包括附接到旋转零件的测量环和检测读头(read head)和测量环的相对位置的单独的读头)安装之后的准确度改进方法是几个发明的主题。举例来说，专利文献US7797981描述了一种方法，通过该方法，通过使用一个或多个额外读头，可以无需参考编码器在测量环的安装之后确定编码器误差。接着将误差校正永久性地写入到计数单元中，或者写入到编码器读头所连接到的控制器单元中。移除用于确定编码器误差的额外读头，因为不再需要了。

本发明的主题和目标涉及方法和装置，其将提供在磁体和印刷电路板的最终安装之后对用于传感器电路的电力参数的简单确定，因而使编码器误差保持尽可能最小。

方法说明：

将借助优选实施例及附图描述本发明，该图示出了：

图1：示出了用于旋转编码器调节的方法的示意图。

在已经将致动器磁体插入到旋转轴中之后并且在已经在用户的设施处安装印刷电路板之后，我们触发磁体以在传感器电路上方进行一次或几次旋转，借此我们依据时间记录由旋转编码器返回的旋转角。在已经完成记录之后，我们在时域中计算预先假设的旋转角。

如果致动器磁体旋转得足够快，我们可以预先假设，在磁体所附接到的主体的惯性力矩足够大的情况下，在调节程序期间旋转速度不变。因此，我们预先假设一次旋转中磁体的实际旋转角根据旋转方向而逐渐增大或减小。对于每个测量到的旋转角值，我们计算在一次旋转中是时间的线性函数的旋转角值。根据测量到的旋转角值与计算出的预先假设的旋转角值之间的差异(即根据误差)并且通过分析一次旋转中的误差，我们接着确定用于传感器电路的电力参数值，使得电力参数变化之后的误差小于变化之前的误差。

当调节程序期间磁体旋转速度改变时应用类似的方法。同样，我们记录在磁体的几次旋转中依据时间由编码器返回的旋转角。两个测量值之间的时间间隔应当短到能记录编码器的几乎所有位置。根据具有相同旋转角值的连续旋转之间的时间差值，我们接着确定每个已记录的旋转角值的周期。根据周期，我们首先相对于旋转角值计算角速度，然后还计算作为时间的函数的角速度。通过对作为时间的函数的角速度与两个测量值之间的时间间隔的乘积进行积分，我们根据时间计算预先假设的旋转角。接着从测量到的实际旋转角值减去计算出的预先假设的旋转角，因而我们获得几次旋转中的误差信息。通过分析误差，我们再次确定用于传感器电路的电力参数值，从而使得在新电力参数已经写入到传感器电路中之后，新测量到的差异小于变化之前的差异。通过分析几次旋转期间所计算的误差，甚至更加可靠地确定正确的电力参数值。

装置说明：

在优选实施例中，用于旋转编码器调节的装置由带有微控制器的电路组成。在已经将磁体附接到正在测量其旋转的轴杆之后，并且在已经安装了编码器传感器电路之后，我们将调节装置连接到传感器电路。磁体所附接到的轴杆同时也是伺服电机的旋转轴。我们让伺服电机在电源下旋转一段时间，当其达到计划的旋转速度时，我们关闭电源并让伺服电机变成空转。微控制器经过编程以读取和保存旋转角值，即轴杆位置。两次读取之间的间隔是固定的或可变的。间隔被选择成使得微控制器能够在轴杆的一次旋转期间记录大多数编码器位置。微控制器将旋转角数据与时间数据(对于旋转角值的时间相关请求)一起存储到存储器中。在一次或多次旋转之后结束存储。然后根据上述方法评定测量值：微控制器借助于算法对于每个存储的旋转角值计算轴杆的周期值。周期被计算为相差一次旋转的两个旋转角的时间值之间的差异。对于每个周期，该程序计算对应的角速度，首先是作为旋转角的函数，然后是作为时间的函数。通过对作为时间的函数的角速度与两个测量值之间的时间间隔的乘积进行积分，根据算法计算依据时间的理论旋转角。理论旋转角是在两个正弦信号具有相同幅值、无偏移的情形中并且当它们以恰好四分之一周期相移时测量到的旋转角。微控制器接着按照编程设计从测量到的实际旋转角减去计算出的预先假设的旋转角并且获得一次或多次旋转中的误差。通过应用误差分析，再次限定用于传感器电路的电力参数值。在已将新电力参数值写入到传感器电路中(这同样通过微控制器执行)之后，实际旋转角与计算出的旋转角之间的新测量到的差异小于变化之前的差异。通过分析几次旋转期间计算的误差，甚至更加可靠地确定电力参数值。

对于这个调节装置可以不应用微控制器，而是应用某种其它技术方案，例如FPGA电路或甚至具有提供与编码器通信的额外输入-输出卡的个人计算机程序。

还有可能将通过微型计算机或FPGA电路实现的调节装置附接到编码器壳体内部的传感器电路，因而使其完全集成到编码器中。

以上调节方法和装置还可以同样应用于如下情况：传感器电路和霍尔元件不集成在同一个固态电路上，而是由分立的霍尔元件和用于处理信号的单独的电子电路组成。并且，可使用其它磁场传感器而不是霍尔元件，例如AMR型的磁阻传感器(各向异性磁阻)、GMR型磁阻传感器(巨磁阻)或TMR型磁阻传感器(穿隧磁阻)。

Claims (5)

1.一种用于调节旋转编码器的方法，其特征在于，致动器磁体在传感器电路之上旋转一次或若干次，其中依据时间记录/存储旋转角；计算依据于时间的预先假设的旋转角的值；接着从测量到的实际的旋转角值减去所述预先假设的旋转角的值以获得差；通过分析所获得的差，以使得依据于新测量到的新电力参数值的差比变化之前更小的方式，来确定用于所述传感器电路的电力参数值；将用于所述传感器电路的所述电力参数值写入到所述传感器电路中。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述致动器磁体的旋转速度在所述调节方法的过程中不变化的情况下，计算预先假设的旋转角，其方式为使得对于每个记录的旋转角，所述旋转角值被计算为仿佛由所述传感器电路以逐渐增大或减小的旋转角值返回。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于在所述调节方法的过程中实际磁体的旋转速度变化的情况下，以时间间隔记录时间相关的所述旋转角，所述时间间隔足够短以覆盖所述编码器的大多数位置；根据具有相同旋转角值的连续旋转之间的时间差，确定每个记录的旋转角值的周期；根据所述周期，依据时间计算角速度；通过对所述角速度与两个测量值之间的所述时间间隔的乘积进行积分来计算预先假设的时间相关的旋转角。

4.一种用于调节旋转编码器的装置，其特征在于在已经安装编码器和致动器磁体之后，所述装置被连接到带有传感器电路的所述编码器；所述装置执行根据权利要求1、2和3所述的方法，并且使得能够依据时间记录旋转角、误差计算和计算用于所述传感器电路的电力参数，以及将新电力参数写入到所述传感器电路中。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于所述装置集成在编码器壳体内部。