CN108896074B - 八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法及装置 - Google Patents

八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法及装置。该解算方法及装置包括：单对极霍尔传感器测量，得到八路模拟信号，经过模数转换得到数字信号，通过单对极角度值计算模块获得单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4，四组单对极角度值间相位偏差90°；单对极角度值整合模块对四组单对极角度值进行解算处理，输出多周期角度值θ5；角度值细分模块对单对极角度值θ1_tran和多周期角度值θ5_tran进行细分整合，输出高分辨角度值；本发明避免了传统采用单对极磁钢与多对极磁钢组合实现角度值高分辨率的复杂结构、体积大、重量大的问题，本发明结构简单可靠，便于在复杂恶劣环境、小体积工况条件下保证稳定工作。

Description

八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法及装置
技术领域
本发明总体上涉及磁电编码器，具体地说，涉及一种高分辨率角度值解算方法。
背景技术
磁电编码器是一种测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件等传感器对磁性材料的角度或者位移进行测量，磁性材料粘接在转子上旋转，在转子与定子气隙间产生变化的磁场信号，霍尔元件对磁场信号进行采集，并通过模数转换模块输出数字信号，常用的磁电编码器通过上述过程将磁场信号转化为两路相位相差90°的正余弦信号，再通过信号处理板进行解算，从而实现角度测量。磁电编码器具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，因此，可广泛应用于机械制造、船舶、纺织、印刷、航空等领域。
然而，由于环境噪声、电源噪声、模数转换分辨率的有限能力造成磁电编码器角度值噪声大，有效分辨率低，不适合在高精度、高分辨率的应用场合使用。为提高磁电编码器分辨率，经常采用单对极磁钢与多对极磁钢组合的方式，单对极磁钢旋转一周，单对极霍尔接收磁场信号输出单周期模拟信号。多对极磁钢旋转一周，多对极霍尔接收磁场信号输出多周期模拟信号，单周期信号与多周期信号通过模数转换模块进入角度计算环节，得到单对极与多对极角度值后，通过整合细分得到高分辨率的多对极角度值，然而，该种方法结构复杂，体积大，并且随着外界温度及振动环境的变化会导致单对极与多对极角度值间的映射关系发生改变，造成多对极角度值跳点，不利于磁电编码器角度值的高精度输出。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在提高磁电编码器分辨率，采用单对极磁钢，八个霍尔进行整周分布，通过角度值解算处理，提高磁电编码器的分辨率。
本发明是这样构思的：
八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)采集磁电编码器的八个霍尔的输出信号；
(2)解算单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4；
(3)依据单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4进行角度值数据整合，输出多周期角度值θ5；
(4)将得到的多周期角度值θ5与单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4进行角度值细分整合，输出细分后的多对极角度值θ6。
优选地，所述的步骤(1)通过以下方法实现：
首先将八个沿着圆周等间距阵列分布的霍尔传感器分别命名为A+、A-、B+、B-、C+、C-、D+、D-，其中机械夹角相差90°的为一组霍尔传感器；然后采集单对极角度值模拟信号HA+与HA-、单对极角度值模拟信号HB+与HB-、单对极角度值模拟信号HC+与HC-、单对极角度值模拟信号HD+与HD-，在得到八个霍尔输出的模拟信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-后，通过模数转换模块将其转换为数字信号DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-、DD+、DD-。
优选地，所述的步骤(2)通过以下方法实现：
数字信号DA+与DA-、信号DB+与DB-、信号DC+与DC-、信号DD+与DD-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(1)、(2)、(3)、(4)求解出单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4：
θ1＝arctg(DA+/DA-) (1)
θ2＝arctg(DB+/DB-) (2)
θ3＝arctg(DC+/DC-) (3)
θ4＝arctg(DD+/DD-) (4)
优选地，所述的步骤(3)通过以下方法实现：
由步骤(2)解算出的单对极角度值θ1，θ2，θ3，θ4均为弧度制角度值，角度值范围θ1，θ2，θ3，θ4∈(0,2π)，通过式(5)对单对极角度值进行数据整合处理，得到多周期角度值θ5：
θ5＝θ1+θ2+θ3+θ4-π/2-π-3π/2 (5)
此时，单对极磁钢旋转一周，多周期角度值θ5将输出4个周期，通过公式(6)、(7)将单对级角度值θ1、多周期角度值θ5由角度范围0～2π等比例放大到角度范围0～65535，得到数据类型为16位整数型数据的比例放大后的单周期角度值θ1_tran、比例放大后的多周期角度值θ5_tran：
θ5_tran＝θ5/2π*65535 (6)
θ1_tran＝θ1/2π*65535 (7)
优选地，所述的步骤(4)，通过以下方法实现：
首先通过比例放大后的单周期角度值θ1_tran的高10位查表得到多周期个数P，然后通过式(8)将得到的多周期角度值与单对极角度值进行角度值细分整合，输出细分后的多对极角度值θ6：
θ6＝P*65535+θ5_tran (8)
此时，得到的细分后的多对极角度值θ6的范围从比例放大后的单周期角度值θ1_tran∈[0,65535]变化到整合后的多对极角度值
Figure BDA0001683516950000031
提高了磁电编码器分辨率。
优选地，所述的八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法的装置，其特征在于，包括：
霍尔传感器A+、霍尔传感器A-、霍尔传感器B+、霍尔传感器B-、霍尔传感器C+、霍尔传感器C-、霍尔传感器D+、霍尔传感器D-，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号输出HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-；
A/D转换器，用于将单对极电压信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-转换为数字信号DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-、DD+、DD-；
单对极角度计算模块A，用于将得到的数字信号DA+、DA-转换为单对极角度值θ1；
单对极角度计算模块B，用于将得到的数字信号DB+、DB-转换为单对极角度值θ2；
单对极角度计算模块C，用于将得到的数字信号DC+、DC-转换为单对极角度值θ3；
单对极角度计算模块D，用于将得到的数字信号DD+、DD-转换为单对极角度值θ4；
单对极角度值整合模块，用于将单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4整合成多周期角度值θ5；
角度值细分模块，用于将比例放大后的单周期角度值θ1_tran、比例放大后的多周期角度值θ5_tran进行角度值细分处理，最终得到细分后的多对极角度值θ6。
本发明的有益效果是：
1.实现单对极编码器的高分辨率角度值解算，提高了单对极磁电编码器的分辨率，避免了采用单对极磁钢与多对极磁钢组合实现角度值高分辨率造成的结构复杂、体积大、重量大的不良影响，结构简单可靠，便于在复杂恶劣环境、小体积工况条件下保证稳定工作。
2.本发明提供的单对极高分辨率角度值解算方法可以由硬件、软件或软硬件结合的方式来实现。例如，可以用集成电路、现场可编程门阵列(FPGA)等方式实现。
3.本发明提供的单对极高分辨率角度值解算方法通过八霍尔对磁场信号采集，角度值解算整合，提高了单对极磁电编码器角度值分辨率。
附图说明
图1信号处理板及霍尔分布示意图；
图2模拟电压信号HA+、HB+、HC+、HD+波形示意图；
图3模拟电压信号HA-、HB-、HC-、HD-波形示意图；
图4八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算过程结构示意图；
图5数字信号DA+、DB+、DC+、DD+示意图；
图6数字信号DA-、DB-、DC-、DD-示意图；
图7单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4示意图；
图8多周期角度值θ5与单对极角度值θ1示意图；
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，本具体实施方式采用以下技术方案：
本发明实例的信号处理板及霍尔分布图如图1所示，霍尔A+、A-、B+、B-、C+、C-、D+、D-间的机械夹角为45°，其中霍尔A+、A-间夹角为90°，霍尔B+、B-间夹角为90°，霍尔C+、C-间夹角为90°，霍尔D+、D-间夹角为90°。当磁场发生变化时，霍尔传感器A+、A-、B+、B-、C+、C-、D+、D-采集单对极角度值模拟信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-，模拟信号在0～5V范围内，图2所示为HA+、HB+、HC+、HD+模拟电压信号波形，图3所示为HA-、HB-、HC-、HD-模拟电压信号波形。
图4所示为本发明实施例八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算过程结构示意图；霍尔传感器A+、A-、B+、B-、C+、C-、D+、D-分别输出八路模拟电压信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-。
A/D转换器，将八路模拟电压信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-转换为八路数字信号DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-、DD+、DD-，本实施例中A/D转换器的分辨率为12位(0～4096)，此时得到的数字信号DA+、DB+、DC+、DD+，如图5所示，数字信号DA-、DB-、DC-、DD-，如图6所示。
单对极角度值计算模块A、单对极角度值计算模块B、单对极角度值计算模块C、单对极角度值计算模块D接收A/D转换器发送的数字信号，数字信号DA+、DA-为相位相差90°的正余弦信号，DB+、DB-为相位相差90°的正余弦信号，DC+、DC-为相位相差90°的正余弦信号，DD+、DD-为相位相差90°的正余弦信号，由式(9)、(10)、(11)、(12)经过反正切计算得到单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4：
θ1＝arctg(DA+/DA-) (9)
θ2＝arctg(DB+/DB-) (10)
θ3＝arctg(DC+/DC-) (11)
θ4＝arctg(DD+/DD-) (12)
由单对极角度值计算模块A、单对极角度值计算模块B、单对极角度值计算模块C、单对极角度值计算模块D计算出的单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4，经过反正切计算的角度值θ1、θ2、θ3、θ4范围在[0,2π]，如图7所示。
单对极角度值整合模块，用于将由单对极角度值计算模块A、单对极角度值计算模块B、单对极角度值计算模块C、单对极角度值计算模块D输出的单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4进行整合，通过式(13)计算输出多周期角度值θ5：
θ5＝θ1+θ2+θ3+θ4-π/2-π-3π/2 (13)
由单对极角度值整合模块输出的多周期角度值θ5，为表现此时θ5的多周期性，将多周期角度值θ5与单对极角度值θ1一并展示在图8中。
由单对极角度值整合模块输出的多周期角度值θ5，在单对极磁钢旋转一周的条件下，多周期角度值θ5经历了4个周期的翻转；单对极角度值θ1只进行了一个周期的翻转；
角度值细分模块，将由单对极角度值整合模块输出的多周期角度值θ5与单对极角度值θ1进行细分整合；此时，单对极磁钢旋转一周，多周期角度值θ5将输出4个周期，将角度值θ1、θ5通过式(14)、(15)在角度范围0～2π上等比例放大到角度范围0～65535LSB；
θ5_tran＝θ5/2π*65535 (14)
θ1_tran＝θ1/2π*65535 (15)
进一步地，通过比例放大后的单周期角度值θ1_tran的高10位查表得到多周期个数P，其中极数查表对应表格如下表所示，然后通过式(16)将得到的多周期角度值与单对极角度值进行角度值细分整合，输出细分后的多对极角度值θ6：
θ6＝P*65535+θ5_tran (16)
Figure BDA0001683516950000071
此时，得到的细分后的多对极角度值θ6范围从单对极角度值θ1_tran∈[0,65535]变化到细分后的多对极角度值θ6∈[0,65535*4]，有效提高了磁电编码器分辨率。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。

Claims (2)

1.一种八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)采集磁电编码器的八个霍尔的输出信号；
(2)解算单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4；
(3)依据单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4进行角度值数据整合，输出多周期角度值θ5；
(4)将得到的多周期角度值θ5与单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4进行角度值细分整合，输出细分后的多对极角度值θ6；
所述的步骤(1)通过以下方法实现：
首先将八个沿着圆周等间距阵列分布的霍尔传感器分别命名为A+、A-、B+、B-、C+、C-、D+、D-，其中机械夹角相差90°的为一组霍尔传感器；然后采集单对极角度值模拟信号HA+与HA-、单对极角度值模拟信号HB+与HB-、单对极角度值模拟信号HC+与HC-、单对极角度值模拟信号HD+与HD-，在得到八个霍尔输出的模拟信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-后，通过模数转换模块将其转换为数字信号DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-、DD+、DD-；
所述的步骤(2)通过以下方法实现：
数字信号DA+与DA-、信号DB+与DB-、信号DC+与DC-、信号DD+与DD-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(1)、(2)、(3)、(4)求解出单对极角度值θ1、θ2、θ3、θ4：
θ1＝arctg(DA+/DA-) (1)
θ2＝arctg(DB+/DB-) (2)
θ3＝arctg(DC+/DC-) (3)
θ4＝arctg(DD+/DD-) (4)
所述的步骤(3)通过以下方法实现：
由步骤(2)解算出的单对极角度值θ1，θ2，θ3，θ4均为弧度制角度值，角度值范围θ1，θ2，θ3，θ4∈(0，2π)，通过式(5)对单对极角度值进行数据整合处理，得到多周期角度值θ5：
θ5＝θ1+θ2+θ3+θ4-π/2-π-3π/2 (5)
此时，单对极磁钢旋转一周，多周期角度值θ5将输出4个周期，通过公式(6)、(7)将单对极 角度值θ1、多周期角度值θ5由角度范围0～2π等比例放大到角度范围0～65535，得到数据类型为16位整数型数据的比例放大后的单周期角度值θ1_tran、比例放大后的多周期角度值θ5_tran：
θ5_tran＝θ5/2π*65535 (6)
θ1_tran＝θ1/2π*65535 (7)
所述的步骤(4)，通过以下方法实现：
首先通过比例放大后的单周期角度值θ1_tran的高10位查表得到多周期个数P，然后通过式(8)将得到的多周期角度值与单对极角度值进行角度值细分整合，输出细分后的多对极角度值θ6：
θ6＝P*65535+θ5_tran (8)
此时，得到的细分后的多对极角度值θ6的范围从比例放大后的单周期角度值θ1_tran∈[0,65535]变化到整合后的多对极角度值θ6∈[0,65535*P]，提高了磁电编码器分辨率。
2.一种基于权利要求1所述的八霍尔分布磁电编码器高分辨率角度值解算方法的装置，其特征在于，包括：
霍尔传感器A+、霍尔传感器A-、霍尔传感器B+、霍尔传感器B-、霍尔传感器C+、霍尔传感器C-、霍尔传感器D+、霍尔传感器D-，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将磁场信号转换为电压信号输出HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-；
A/D转换器，用于将单对极电压信号HA+、HA-、HB+、HB-、HC+、HC-、HD+、HD-转换为数字信号DA+、DA-、DB+、DB-、DC+、DC-、DD+、DD-；
单对极角度计算模块A，用于将得到的数字信号DA+、DA-转换为单对极角度值θ1；
单对极角度计算模块B，用于将得到的数字信号DB+、DB-转换为单对极角度值θ2；
单对极角度计算模块C，用于将得到的数字信号DC+、DC-转换为单对极角度值θ3；
单对极角度计算模块D，用于将得到的数字信号DD+、DD-转换为单对极角度值θ4；
单对极角度值整合模块，用于将单对极角度值θ1、单对极角度值θ2、单对极角度值θ3、单对极角度值θ4整合成多周期角度值θ5；
角度值细分模块，用于将比例放大后的单周期角度值θ1_tran、比例放大后的多周期角度值θ5_tran进行角度值细分处理，最终得到细分后的多对极角度值θ6。
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