CN107091653A - 一种组合算法磁电编码器数字转换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：通过将查表算法和追踪算法有机组合以实现磁电编码器性能提升。所述组合算法磁电编码器数字转换器的系统构成主要包括：信号状态检测模块、算法组合时序调度模块、查表算法模块、追踪算法模块和算法组合参数调度模块。通过时序调度和参数调度将查表算法和追踪算法有机组合——用查表算法大幅削减追踪算法的追踪过渡过程，本发明所述组合算法磁电编码器数字转换器整合查表算法和追踪算法的性能优势，可使得磁电编码器在频繁启动、故障检测和容错运行等场合的应用得以推广。

Description

一种组合算法磁电编码器数字转换器
技术领域
本发明属于运动信息检测传感器领域，具体涉及一种对电磁器件（如霍尔传感器、磁阻传感器和旋转变压器）输出的正弦调制信号进行角度位置信息解算的磁电编码器数字转换器。
背景技术
磁电编码器是一种借助电磁器件进行磁场信号检测，并通过数字转换器对磁场信号进行运动信息解算的位置传感器。相比光电编码器，磁电编码器不受雾霭、烟尘和油污等影响且对振动冲击和工装误差等不敏感，具有较好的环境适应性和抗干扰能力，在数控机床、机器人等伺服系统的运动信息检测中具有十分重要的地位。
根据国内外相关文献和资料报道，磁电编码器数字转换器对于正弦调制信号的解算存在多种算法方案。根据解算过程不同，主要可分为查表算法方案和追踪型算法方案。查表算法的本质是反三角函数运算,通过将调制信号(V s和V c）向数字转换器内置的反三角函数标准表映射比较,可实时解算出绝对角度位置，再通过差分运算即可获得速度和加速度信息。该方案除算法执行本身所需的时间外，几乎没有其他延时环节，因此不存在过渡过程，响应十分迅速。同时，也由于缺乏积分和滤波等环节，查表算法方案对噪声信号较为敏感，抗干扰性能不足。追踪型算法以闭环控制原理为基础，包括CORDIC算法、追踪算法、观测器算法和Kalman滤波器算法等多种算法方案。追踪型算法通过闭环调节对运动信息（角度位置、速度和加速度等）进行锁相追踪和滤波，因此具有良好的鲁棒性和抗干扰能力，但追踪过渡过程和滤波延时也使得响应的快速性不足。
目前国内外针对磁电编码器数字转换器中运动信息解算算法的研究大多集中于单一类型的算法方案（查表算法方案或追踪型算法方案），因此在响应性能、鲁棒性和抗干扰能力上难以兼顾，对于需要频繁启动、故障检测和容错运行的诸多场合应用受限。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼备响应快、鲁棒性好和抗干扰能力强的磁电编码器数字转换器，其特征在于：根据查表算法和追踪算法各自的特点，通过时序调度和参数调度将查表算法和追踪算法有机组合——用查表算法大幅削减追踪算法的追踪过渡过程，基于组合算法方案实现磁电编码器数字转换器在响应性能、鲁棒性和抗干扰能力上的大幅提升。
本发明所公布组合算法磁电编码器数字转换器的系统构成主要包括：信号状态检测模块、算法组合时序调度模块、查表算法模块、追踪算法模块和算法组合参数调度模块。其中各模块的功能及其相互之间的关系如下：
信号状态检测模块主要是通过逻辑运算、幅值计算和比较判断对磁电编码器的启动和故障状态进行实时检测，为算法组合时序调度模块提供磁电编码器的状态信息，为算法组合参数调度模块提供调制信号的参考幅值。
算法组合时序调度模块主要是根据磁电编码器的状态信息通过使能信号a、b、c分别对查表算法模块、追踪算法模块和算法组合参数调度模块的工作时序进行有机调度。其中，查表算法模块通常只工作于磁电编码器启动和故障状态的起始阶段，追踪算法模块工作于查表算法模块不工作的其他工作时段，算法组合参数调度模块在全部工作时段上分别对查表算法模块和追踪算法模块进行适时的分时匹配和输出整合。
查表算法模块根据时序调度使能信号a，在磁电编码器启动和故障状态的起始阶段，对调制信号开启基于查表算法的角度位置解算，为算法组合参数调度模块提供初始角度位置、初始角速度和初始角加速度等。
追踪算法模块根据时序调度使能信号b，在查表算法模块不工作的其他工作时段，对调制信号开启基于追踪算法的角度位置解算，为算法组合参数调度模块提供其他工作时段的角度位置、角速度和角加速度等。
算法组合参数调度模块时序调度使能信号c，在查表算法模块和追踪算法模块之间适时开启参数的传递、更新和整合。基于分时匹配，算法组合参数调度模块为追踪算法模块提供参考幅值、初始角度位置、初始角速度和初始角加速度等，必要时也为查表算法模块提供参考幅值等；通过输出整合，算法组合参数调度模块将查表算法模块和追踪算法模块的在不同工作时段的输出在全时段上进行数据整合，以获得角度位置、角速度和角加速度等运动参数的全时段完整结果数据。
通过以上各模块之间时序和参数的有机调度，本发明所公布的组合算法磁电编码器数字转换器可实现查表算法和追踪算法在响应性能、鲁棒性和抗干扰能力上的优势互补，可使得磁电编码器在频繁启动、故障检测和容错运行等场合的应用得以推广。
附图说明
图1为组合算法磁电编码器数字转换器原理结构框图。
图2为组合算法磁电编码器数字转换器实施例的角度位置解算结果。
具体实施方式
图1所示为组合算法磁电编码器数字转换器原理结构框图。根据图1，组合算法磁电编码器数字转换器的系统构成主要包括：信号状态检测模块（1）、算法组合时序调度模块（2）、查表算法模块（3）、追踪算法模块（4）和算法组合参数调度模块（5）。所述组合算法磁电编码器数字转换器的特征和各模块间工作流程如下。
1、组合算法磁电编码器数字转换器中各模块均可由软件编程实现。所述软件编程可以在嵌入式单片机、数字信号处理器（DSP）和现场可编程门阵列（FPGA）等硬件平台以及Matlab Simulink等软件平台上实现。
2、信号状态检测模块（1）通过逻辑运算、幅值计算和比较判断对磁电编码器的启动和故障状态进行实时检测，为算法组合时序调度模块（2）提供磁电编码器的状态信息，为算法组合参数调度模块（5）提供调制信号（V s和V c）的参考幅值V mr。其中V mr的计算式为V mr=(V s 2+ V c 2)1/2。
3、算法组合时序调度模块（2）根据信号状态检测模块（1）提供的状态信息，通过使能信号（使能a、使能b和使能c）分别对查表算法模块（3）、追踪算法模块（4）和算法组合参数调度模块（5）进行工作时序的有机调度。其中，查表算法模块（3）通常只工作于磁电编码器启动和故障状态的起始阶段，追踪算法模块（4）工作于查表算法模块（3）不工作的其他工作时段，算法组合参数调度模块（5）在全部工作时段上对查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）进行适时的分时匹配和输出整合。
4、查表算法模块（3）根据算法组合时序调度模块（2）提供的使能信号a，对调制信号（V s和V c）开启基于查表算法的角度位置解算工作，为算法组合参数调度模块（5）提供初始角度位置θ 0、初始角速度ω 0和初始角加速度α 0等。
5、追踪算法模块（4）根据算法组合时序调度模块（2）提供的使能信号b，对调制信号（V s和V c）开启基于追踪算法的角度位置解算工作，为算法组合参数调度模块（5）提供其他工作时段的角度位置θ 1、角速度ω 1和角加速度α 1等。
6、算法组合参数调度模块（5）根据算法组合时序调度模块（2）提供的使能信号c，在查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）之间适时开启参数的传递、更新和整合。基于分时匹配，算法组合参数调度模块（5）为追踪算法模块（4）提供参考幅值V mr、初始角度位置θ 0、初始角速度ω 0和初始角加速度α 0等，必要时也为查表算法模块（3）提供参考幅值V mr等。通过输出整合，算法组合参数调度模块（5）对查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）在不同工作时段的输出结果在全时段上进行数据整合，以获得全时段角度位置θ、角速度ω和角加速度α等运动参数的全时段完整结果数据。
实施例：为便于将本发明所公布的组合算法磁电编码器数字转换器与传统算法磁电编码器数字转换器进行性能对比，本发明以查表算法和锁相环算法构成的组合算法磁电编码器数字转换器为实施例，基于Matlab Simulink软件平台对其进行仿真验证。实施例的具体工况条件为：磁电编码器以(1000π)rad/s2加速启动，正弦调制信号为V s=1700*sin(1000πt 2)，V c=1700*cos(1000πt 2)；0.05s时刻信号幅值跳变，骤降30%，即V s=0.7*1700*sin(1000πt 2)，V c=0.7*1700*cos(1000πt 2)。
基于以上工况条件，双同步坐标变换锁相环算法磁电编码器数字转换器和组合算法磁电编码器数字转换器的性能对比仿真结果如图2所示。结果表明，组合算法磁电编码器数字转换器过渡过程极短，对比双同步坐标变换锁相环算法磁电编码器数字转换器显示出优越的性能优势。
本领域的技术人员容易理解，以上所述实施例仅为解释本发明，并不用于限定本发明。本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征，只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.本发明公开了一种组合算法磁电编码器数字转换器，其主要包括：信号状态检测模块（1）、算法组合时序调度模块（2）、查表算法模块（3）、追踪算法模块（4）和算法组合参数调度模块（5）。
2.根据权利要求1所述的组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：信号状态检测模块（1）通过逻辑运算、幅值计算和比较判断对磁电编码器的启动和故障状态进行实时检测，为算法组合时序调度模块（2）提供磁电编码器的状态信息，为算法组合参数调度模块（5）提供调制信号（V s和V c）的参考幅值V mr。
3.根据权利要求1所述的组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：算法组合时序调度模块（2）根据磁电编码器的状态信息通过使能信号（使能a、使能b和使能c）分别对查表算法模块（3）、追踪算法模块（4）和算法组合参数调度模块（5）的工作时序进行有机调度；其中，查表算法模块（3）通常只工作于磁电编码器启动和故障状态的起始阶段，追踪算法模块（4）工作于查表算法模块（3）不工作的其他工作时段，算法组合参数调度模块（5）在全部工作时段上对查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）进行适时的分时匹配和输出整合。
4.根据权利要求1所述的组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：查表算法模块（3）根据使能信号a，对调制信号（V s和V c）开启基于查表算法的角度位置解算工作，为算法组合参数调度模块（5）提供初始角度位置θ 0、初始角速度ω 0和初始角加速度α 0等。
5.根据权利要求1所述的组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：追踪算法模块（4）根据使能信号b，对调制信号（V s和V c）开启基于追踪算法的角度位置解算工作，为算法组合参数调度模块（5）提供其他工作时段的角度位置θ 1、角速度ω 1和角加速度α 1等。
6.根据权利要求1所述的组合算法磁电编码器数字转换器，其特征在于：算法组合参数调度模块（5）根据使能信号c，在查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）之间适时开启参数的传递、更新和整合；基于分时匹配，算法组合参数调度模块（5）为追踪算法模块（4）提供参考幅值V mr、初始角度位置θ 0、初始角速度ω 0和初始角加速度α 0等，必要时也为查表算法模块（3）提供参考幅值V mr等；通过输出整合，算法组合参数调度模块（5）对查表算法模块（3）和追踪算法模块（4）在不同工作时段的输出结果在全时段上进行数据整合，以获得全时段角度位置θ、角速度ω 0和角加速度α等运动参数的全时段完整结果数据。
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