CN108088478A - 一种基于线性霍尔的绝对编码技术及其信号处理方法 - Google Patents

一种基于线性霍尔的绝对编码技术及其信号处理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于线性霍尔的绝对编码技术及其信号处理方法。该编码器包括电路板、线性霍尔组构成的结合体和环形编码磁铁及其安座构成的结合体，二者存在旋转关系，两结合体在不同旋转位置时，环形编码磁铁会引起线性霍尔组不同的信号输出，从而通过输出信号来检测、判断，两结合体的位置关系。本发明提高了系统的集成度和对于相对旋转运动机构的普适性，构成简单极大降低了成本。编码器采用中空结构可以有效解决机械臂及云台等串联式多级旋转机构的走线问题。通过灵活多变的布局方式解决了集成式编码器对于固定固定安装的较多限制问题。

Description

一种基于线性霍尔的绝对编码技术及其信号处理方法
技术领域
本发明属于旋转编码技术研究领域，更具体地，涉及一种基于线性霍尔的绝对编码技术结构及其信号处理方法。
背景技术
现有电机转子相对于定子旋转位置的测量方式，大多采用电位计(缺点不能整周旋转，即行程达不到360°测量空间)，而且会导致转子部与定子部有接触，不适宜做微型机电系统使用；价格较实惠的光电编码器具有不耐冲击、对环境要求较高，无法在恶劣环境工作，且对于技术人员的安装也有较高要求；现有集成式磁编码器价格普遍较高，安装复杂度较大；申请号专利(201410839045.8)和(201610753417.4)通过测试三相电机反电动势相关的气隙磁场的方法解决电机旋转编码问题，但是该发明技术与电机结构设计相关，存在不可独立应用于其他变动的电机设计中的不足；申请号专利(201180052996.5)和(200880132567.7)公开的使用基于霍尔的旋转变压器编码技术实现时需要外围环形软磁铁芯，一来布局空间较大，二来设计尺寸优化无法充分发挥。因此研究如何解决上述问题就有现实意义。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于偶数对线性霍尔单元组，配合一对极环形编码磁铁的简易绝对编码方案，极大增强了对于旋转系统的转子位置、位移及速度的测试布局的灵活性和适应性，以解决现有技术中成本高，体积大，精度易受温度影响以及作为独立旋转部走线困难的问题。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于,包括：电路板、线性霍尔组、环形编码磁铁及安装座；其中电路板上以环形编码磁铁旋转轴线为中心，等距布局固定安装线性霍尔组，环形编码磁铁固定于安装座；电路板和线性霍尔组的结合体与环形编码磁铁和安装座的结合体存在旋转关系，两结合体在不同旋转位置时，环形编码磁铁会引起线性霍尔组不同的信号输出，从而通过输出信号来检测、判断，两结合体的位置关系。
环形编码磁铁为一对极结构，环形编码磁铁材料为永磁性材料，其在磁环的磁对称平面的所有平行平面距离磁环中心轴线的同一半径圆周上，磁场分布具有类似正弦波特点，且环形编码磁铁具有与其外圆同轴的中孔结构。
电路板上开一个中心孔，孔的大小可以满足环形编码磁铁及其安装装置——环形磁铁座通过且旋转过程中无干涉现象，孔的形状优选为圆形。
线性霍尔组优先采用2个、4个或者6个线性霍尔的形式，线性霍尔组的所有线性霍尔需同时直插式器件或表贴式器件。
线性霍尔组中的所有线性霍尔具有相同的磁场感度系数，且线性霍尔敏感单元分布于距离环形编码磁铁中心轴线等距的圆周上。
线性霍尔组为直插式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的半径方向，具体的：2个直插式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互垂直，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个直插式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个直插式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，优选的，同侧布置最为简单，进一步优选的，当环形编码磁铁的磁对称平面经过各线性霍尔敏感单元中心时，模拟输出最大为直插式线性霍尔实施的最佳位置。
线性霍尔组为表贴式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的轴线平行方向，具体的：2个表贴式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互平行，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个表贴式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个表贴式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，且务必使线性霍尔敏感单元中心偏离环形编码磁铁垂直于轴线方向的对称平面一定距离，优选的，同侧布置最为简单。
信号处理方法如下：
(1)线性霍尔模拟信号经滤波和A/D转换处理后，得到：
Yi初始＝Aisin(θ+φk)+Aoi
(其中Ai为第i路线性霍尔输出幅值，φk与线性霍尔对数有关，Aoi为每路初始值直流分量)
(2)直流分量调零处理，幅值归一化处理，得到：
Yi标定＝sin(θ+φk)
(3)结合传感器使用的精度与速度要求，选择具体的方案：
1)2路霍尔输出，位置粗略估算时，采用反正切函数计算，得到：
θ＝arctan(YA/YB)
2)4路霍尔输出，位置较精准估算时，相对180°的2项做差分运算得两路信号YA、YB，增设YB项的虚拟反相YC,以提高查表法效率，其中：
YC＝-YB
将整周区间划分为8段，每个区段45°空间，通过判定YA、YB、YC的正负号，选定对应4个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，从而查表得出：
3)6路霍尔输出，位置精准估算时，相对180°的2项做差分运算得三路信号YA、YB，YC,通过判定YA、YB、YC的正负号，将整周区间划分为12段，每个区段30°空间，选定对应6个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，从而查表得出:
综上所述，本发明相对于现有技术的优点及有益效果是：
1.本发明可以实现成本的大幅节约。
2.本发明在空间上具有灵活布局的结构。
3.本发明无需与具体的电机结构做对应，具有使用场景的普遍适应性，极大的推广了技术的应用范围。
4.本发明具有解决旋转机电系统中部走线的优点。
附图说明
图1为本发明的1对直插式线性霍尔轴视布局图和侧视图；
图2为本发明的2对和3对直插式线性霍尔轴视布局图；
图3为本发明的1对表贴式线性霍尔轴视布局图和侧视图；
图4为本发明的2对和3对表贴式线性霍尔轴视布局图；
图5为本发明的1对线性霍尔区间段图；
图6为本发明的2对线性霍尔区间段图；
图7为本发明的3对线性霍尔区间段图；
图8为本发明的2对线性霍尔区间段表；
图9为本发明的3对线性霍尔区间段表；
图10为本发明的信号处理方法流程图；
图中，1为电路板；11为电路板中心孔；2为线性霍尔组；3为环形编码磁铁；4为环形磁铁座。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的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。
如图1、图2所示，本发明提供的一种基于(1对、2对、3对)直插式线性霍尔的绝对编码器的结构安装布局图。如图3、图4所示，本发明提供的一种基于(1对、2对、3对)表贴式线性霍尔的绝对编码器的结构安装布局图。每一种实施类中它们包括：电路板(1)、线性霍尔组(2)、环形编码磁铁(3)及其安装座(4)，其中电路板(1)上以环形编码磁铁(3)旋转轴线为中心，等距布局固定安装线性霍尔组(2)，环形编码磁铁(3)固定于安装座(4)；电路板(1)和线性霍尔组(2)的结合体与环形编码磁铁(3)和安装座(4)的结合体存在旋转关系，两结合体在不同旋转位置时，环形编码磁铁(3)会引起线性霍尔组(2)不同的信号输出，从而通过输出信号来检测、判断，两结合体的位置关系。
采用的环形编码磁铁(5)为一对极结构，环形编码磁铁(5)材料为永磁性材料，其在磁环的磁对称平面的所有平行平面距离磁环中心轴线的同一半径圆周上，磁场分布具有类似正弦波特点，且环形编码磁铁具有与其外圆同轴的中孔结构。
电路板上开一个中心孔(11)，孔的大小可以满足环形编码磁铁(3)及安装座(4)通过且旋转过程中无干涉现象，孔的形状优选为圆形。
线性霍尔组(2)优先采用2个、4个或者6个线性霍尔的形式，线性霍尔组(2)的所有线性霍尔需同时直插式器件或表贴式器件。
线性霍尔组(2)中的所有线性霍尔具有相同的磁场感度系数，且线性霍尔敏感单元分布于距离环形编码磁铁(3)中心轴线等距的圆周上。
如图1、图2所示线性霍尔组采用直插式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的半径方向，具体的：2个直插式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互垂直，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个直插式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个直插式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，优选的，同侧布置最为简单，进一步优选的，当环形编码磁铁的磁对称平面经过各线性霍尔敏感单元中心时，模拟输出最大为直插式线性霍尔实施的最佳位置。
如图3、图4所示线性霍尔组采用表贴式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的轴线平行方向，具体的：2个表贴式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互平行，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个表贴式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个表贴式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，且务必使线性霍尔敏感单元中心偏离环形编码磁铁垂直于轴线方向的对称平面一定距离，优选的，同侧布置最为简单。
该基于线性霍尔的绝对编码技术的信号处理方法如图10所示：
(1)线性霍尔模拟信号经滤波和A/D转换处理后，得到：
Yi初始＝Aisin(θ+φk)+Aoi
(其中Ai为第i路线性霍尔输出幅值，φk与线性霍尔对数有关，Aoi为每路初始值直流分量)
(2)直流分量调零处理，幅值归一化处理，得到：
Yi标定＝sin(θ+φk)
(3)结合传感器使用的精度与速度要求，选择具体的方案：1)2路霍尔输出，位置粗略估算时，采用反正切函数计算，得到：
θ＝arctan(YA/YB)
2)4路霍尔输出，位置较精准估算时，相对180°的2项做差分运算得两路信号YA、YB，增设YB项的虚拟反相YC,以提高查表法效率，其中：
YC＝-YB
将整周区间划分为8段，每个区段45°空间，见图6，通过判定YA、YB、YC的正负号，选定对应4个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，见图8，从而查表得出：
3)6路霍尔输出，位置精准估算时，相对180°的2项做差分运算得三路信号YA、YB，YC,通过判定YA、YB、YC的正负号，将整周区间划分为12段，每个区段30°空间，见图7，选定对应6个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，见图9，从而查表得出:
上述实施方式为本发明的一个较优实施实例，但本发明的实施方式并不受上述实施实例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替换、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于,包括：电路板(1)、线性霍尔组(2)、环形编码磁铁(3)及安装座(4)；其中电路板(1)上以环形编码磁铁(3)旋转轴线为中心，等距布局固定安装线性霍尔组(2)，环形编码磁铁(3)固定于安装座(4)；电路板(1)和线性霍尔组(2)的结合体与环形编码磁铁(3)和安装座(4)的结合体存在旋转关系，两结合体在不同旋转位置时，环形编码磁铁(3)会引起线性霍尔组(2)不同的信号输出，从而通过输出信号来检测、判断，两结合体的位置关系。
2.根据权利要求1所述的绝对编码技术，其特征在于所述的环形编码磁铁(5)为一对极结构，环形编码磁铁(5)材料为永磁性材料，其在磁环的磁对称平面的所有平行平面距离磁环中心轴线的同一半径圆周上，磁场分布具有类似正弦波特点，且环形编码磁铁具有与其外圆同轴的中孔结构。
3.根据权利要求1所述的绝对编码技术，其特征在于电路板上开一个中心孔(11)，孔的大小可以满足环形编码磁铁(3)及安装座(4)通过且旋转过程中无干涉现象，孔的形状优选为圆形。
4.根据权利要求1所述的基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于线性霍尔组(2)优先采用2个、4个或者6个线性霍尔的形式，线性霍尔组(2)的所有线性霍尔需同时直插式器件或表贴式器件。
5.根据权利要求1所述的基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于线性霍尔组(2)中的所有线性霍尔具有相同的磁场感度系数，且线性霍尔敏感单元分布于距离环形编码磁铁(3)中心轴线等距的圆周上。
6.根据权利要求1、4和5所述的基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于线性霍尔组(2)采用直插式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的半径方向，具体的：2个直插式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互垂直，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个直插式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个直插式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，优选的，同侧布置最为简单，进一步优选的，当环形编码磁铁的磁对称平面经过各线性霍尔敏感单元中心时，模拟输出最大为直插式线性霍尔实施的最佳位置。
7.根据权利要求1、4和5所述的基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于线性霍尔组(2)采用表贴式器件时，线性霍尔敏感单元法线方向为环形编码磁铁的轴线平行方向，具体的：2个表贴式线性霍尔时，二者的敏感单元法线方向相互平行，且相邻间距角为90°，在其输出波形上产生相位相差90°的波形；4个表贴式线性霍尔时，4个线性霍尔分布在相邻间距角为90°的圆周上；6个表贴式线性霍尔时，6个线性霍尔分布在相邻间距角为60°的圆周上；各线性霍尔在环形编码磁铁轴线方向的分布为线性霍尔敏感单元中心距离环形编码磁铁磁对称平面距离的相等，且务必使线性霍尔敏感单元中心偏离环形编码磁铁垂直于轴线方向的对称平面一定距离，优选的，同侧布置最为简单。
8.根据权利要求1所述的基于线性霍尔的绝对编码技术，其特征在于信号处理方法如下：
(1)线性霍尔模拟信号经滤波和A/D转换处理后，得到：
Yi初始＝Aisin(θ+φk)+Aoi
(其中Ai为第i路线性霍尔输出幅值，φk与线性霍尔对数有关，Aoi为每路初始值直流分量)
(2)直流分量调零处理，幅值归一化处理，得到：
Yi标定＝sin(θ+φk)
(3)结合传感器使用的精度与速度要求，选择具体的方案：
1)2路霍尔输出，位置粗略估算时，采用反正切函数计算，得到：
θ＝arctan(YA/YB)
2)4路霍尔输出，位置较精准估算时，相对180°的2项做差分运算得两路信号YA、YB，增设YB项的虚拟反相YC,以提高查表法效率，其中：
YC＝-YB
将整周区间划分为8段，每个区段45°空间，通过判定YA、YB、YC的正负号，选定对应4个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，从而查表得出：
3)6路霍尔输出，位置精准估算时，相对180°的2项做差分运算得三路信号YA、YB，YC,通过判定YA、YB、YC的正负号，将整周区间划分为12段，每个区段30°空间，选定对应6个区间初始值:θstart，并通过比较同号项的幅值大小，得出奇偶区间判断，从而查表得出:
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