CN109059968B - 基于角度值生长的有限角度值细分方法及装置 - Google Patents

基于角度值生长的有限角度值细分方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及基于角度值生长的有限角度值细分方法及装置。该方法及装置包括：单对极霍尔传感器对单对极角度值信号进行测量，通过A/D转换器对霍尔信号进行模数转换，通过单对极角度值计算模块获得有限角单对极角度值θ1；多对极霍尔传感器对多对极磁钢信号进行测量，通过A/D转换器对霍尔信号进行模数转换，通过多对极角度值计算模块获得有限角多对极角度值θ2；通过角度生长模块将不完整的有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2补偿完整，输出完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及完整的有限角多对极角度值θ2_tran；通过角度值细分处理实现有限角多对极磁电编码器角度值的细分处理，实现有限角磁电编码器的高分辨角度值输出。

Description

基于角度值生长的有限角度值细分方法及装置
技术领域
本发明总体上涉及磁电编码器，具体地说，涉及一种基于角度值生长的有限角磁电编码器角度值细分方法。
背景技术
旋转编码器在现代工业中扮演着重要的角色，尤其是在电机控制方面。旋转编码器已广泛应用于许多应用领域，如机械工程、机器人技术、航空航天等领域。目前，编码器主流产品可分为两类:光电编码器和磁电编码器。光电编码器将光分布投影转换为模拟量信号，进而解算出角度值。尽管光电编码器在工业应用中得到广泛应用，但也有一些明显的缺点。它是由易碎材料制成，由于易碎性而不适合某些特殊工作场合。
相对而言，磁电编码器具有良好的环境适应性，抗冲击，耐高低温，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，磁性材料的角度或者位移的变化会引起电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，从而达到测量的目的。
在许多应用场合，转轴并不是整周旋转工作，而是在有限夹角范围内工作，这就对编码器的体积要求更为严格，要求编码器的体积小，结构设计灵活度高，磁电编码器以其绝对的优势在有限夹角应用场合中脱颖而出。有限角度磁电编码器工作原理图如图1所示，一般包括定子、转子、永久磁铁、霍尔传感器和信号处理板。永久磁铁粘接在转子上，霍尔传感器固定在信号处理板上。于是，转子旋转时，永久磁铁同步旋转，在永久磁体与定子的气隙中产生变化的磁场，霍尔传感器将磁场信号转化为电压信号，此时两个机械相位角度相差90°的霍尔输出两路相位相差90°正余弦电压信号，通过信号处理板进行解算，从而实现角度测量。为提高有限角磁电编码器分辨率，在单对极磁钢夹角对面粘贴多对极磁钢，多对极磁钢产生多对极角度值信号，通过解算得到有限角度范围内的多对极角度值，并与有限角度范围内的单对极角度值进行整合细分得到高分辨率角度值。但是，有限角度值在往复摆动过程中，初始位置及结束位置具有随机性，角度值覆盖不完整。另外，由于工作角度范围受到限制，输出的角度值方向总在往复变化，不利于有限角度值的细分处理，不利于有限角度值的高分辨率角度值输出。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在对有限角磁电编码器单对极角度值及多对极角度值起始点及终点进行自动判断，并自动生长成为完整的、不存在缺口的单对极及多对极角度值，便于有限角度磁电编码器的细分处理，为有限角度磁电编码器的高分辨角度值输出提供支撑。
本发明是这样构思的：
基于角度值生长的有限角度值细分方法，包括以下步骤：
(1)采集有限角单对极角度值模拟电压信号A+、A-与有限角多对极角度值模拟电压信号B+、B-；
(2)通过A/D转换器对模拟电压信号A+、A-、B+、B-进行转换，得到数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；
(3)解算有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2；
(4)依据有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2对有限角度进行生长，令有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2生长完整，得到生长完整的单对极角度值θ1_tran及多对极角度值θ2_tran；
(5)依据生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran及多对极角度值θ2_tran进行有限角多对极角度值细分处理，输出高分辨率的有限角度值θduo_org。
作为优选，所述的步骤(1)通过以下方法实现：
单对极霍尔对磁场信号采样输出有限角单对极角度值模拟电压信号A+、A-，多对极霍尔对磁场信号采样得到有限角多对极角度值模拟电压信号B+、B-。
作为优选，所述的步骤(2)通过以下方法实现：
通过A/D转换器进行模数转换，将步骤(1)得到的模拟电压信号A+、A-，B+、B-在A/D转换器中转换为数字信号HA+、HA-、HB+、HB-。
作为优选，所述的步骤(3)通过以下方法实现：
数字信号HA+与HA-、HB+与HB-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式，求解出有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2，如式(1)所示：
Figure BDA0001715276880000031
作为优选，所述的步骤(4)采用以下方法实施：
判断有限角单对极角度值θ1的两个边界即有限角单对极角度值起始点θs_start以及有限角单对极角度值终点θs_end；判断有限角多对极角度值θ2的两个边界即有限角多对极角度值起始点θm_start以及有限角多对极角度值终点θm_end；
当θs_start＜θs_end，θm_start＜θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出(0～65535)；对有限角单对极θ1及有限角多对极θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，得到有限角单对极单点生长幅值θs_add与有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(2)所示：
Figure BDA0001715276880000032
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(3)所示：
Figure BDA0001715276880000033
当θs_start＞θs_end，θm_start＞θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出(0～65535)；对有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，有限角单对极θ1先从边界起始点θs_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角单对极终止点边界θs_end；有限角多对极θ2先从边界起始点θm_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角多对极终止点边界θm_end；有限角单对极单点生长幅值θs_add及有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(4)所示：
Figure BDA0001715276880000041
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(5)所示：
Figure BDA0001715276880000042
当θ1_tran与θ2_tran大于65535时，令θ1t_ran＝θt1ran_-65535，θ2_tran＝θ2_tran-65535。
作为优选，所述的步骤(5)通过以下方法实现：
高分辨率的有限角度值解算如式(6)所示：
θduo_org＝P*65535+θ2_tran (6)
式中：P是通过有限角单对极角度值θ1_tran的高10位查表得到的多周期个数；θ2_tran为当前计算周期的有限角多周期角度值。
有限角单对极角度值θ1_tran、有限角多对极角度值θ2_tran的数据类型为16位整数型数据，通过有限角单对极角度值θ1_tran的高10位角度值查下表确定有限角多对极角度值极数P的数值；
Figure BDA0001715276880000051
此时，通过步骤(5)得到的细分整合后的角度值θduo_org范围从单对极角度值θ1_tran∈[0,65535]变化到角度值θduo_org∈[0,65535*P]，提高了磁电编码器分辨率。
作为本发明的另一面，本发明提供基于角度值生长的有限角度值细分装置，包括：
有限角单对极霍尔传感器101，用于将单对极磁场信号转换为模拟电压信号A+，A-；
有限角单对极霍尔传感器102，用于将多对极磁场信号转换为模拟电压信号B+，B-；
A/D转换器103，用于将模拟电压信号A+、A-、B+、B-转换为数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；
单对极角度计算模块104，用于计算有限角单对极磁电编码器角度值，输出有限角单对极角度值θ1如式(7)所示：
θ1＝arctg(HA+/HA-) (7)
多对极角度计算模块105，用于计算有限角多对极磁电编码器角度值，输出有限角多对极角度值θ2如式(8)所示：
θ2＝arctg(HB+/HB-) (8)
角度生长模块106，用于有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2的完整生长；最终输出补偿完整的有限角单对极角度值θ1_tran及补偿完整的有限角多对极角度值θ2_tran；
角度值细分处理107，用于将补偿完整的有限角单对极角度值θ1_tran及有限角多对极角度值θ2_tran进行角度细分，提高有限角磁电编码器分辨率。
本发明的有益效果：
1.实现有限角磁电编码器的高分辨率角度值解算，提高了有限角磁电编码器的分辨率。
2.通过角度值生长，将有限角单对极角度值及有限角多对极角度值补偿完整，解决了有限角摆动起始点和终止点不确定性造成的角度值细分处理难题。
3.本发明提供的基于角度值生长的有限角度值细分方法可以由硬件、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。
附图说明
图1有限角磁电编码器的工作原理图；
图2本发明实施例有限角度值解算过程结构示意图；
图3角度生长过程原理图；
图4经过角度值生长的单对极有限角度值示意图；
图5经过角度值生长的多对极有限角度值示意图；
图6细分处理后有限角多对极角度值示意图；
具体实施方式
以下，参考附图，详细描述本发明的实施例。
图2是根据本发明实施例有限角度值解算过程结构示意图，包括以下部分：
有限角单对极霍尔传感器101，用于采集有限角单对极磁钢产生的磁场信号并将其转换为电压信号，得到单对极角度值模拟电压信号A+、A-；
有限角多对极霍尔传感器102，用于采集有限角多对极磁钢产生的磁场信号并将其转换为电压信号，得到多对极角度值模拟电压信号B+、B-；
A/D转换器103，用于将有限角单对极模拟电压信号A+、A-转换为数字信号HA+、HA-，将有限角多对极模拟电压信号B+、B-转换为数字信号HB+、HB-；
单对极角度计算模块104，用于将得到的数字量转换为有限角单对极角度值θ1，其中数字信号HA+与HA-的相位角度偏差为90°，因此通过反正切公式(1)求解出有限角单对极角度值θ1：
θ1＝arctg(HA+/HA-) (1)
多对极角度计算模块105，用于将得到的数字量转换为有限角多对极角度值θ2，其中数字信号HB+、HB-间的相位角度偏差为90°，因此通过反正切公式(2)求解出有限角多对极角度值θ2：
θ2＝arctg(HB+/HB-) (2)
角度生长模块106，用于将不完整的有限角度值补偿完整，角度生长过程原理图如图3所示，判断有限角单对极角度值θ1的两个边界即有限角单对极角度值起始点θs_start以及有限角单对极角度值终点θs_end；判断有限角多对极角度值θ2的两个边界即有限角多对极角度值起始点θm_start以及有限角多对极角度值终点θm_end；
当θs_start＜θs_end，θm_start＜θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出(0～65535)；对有限角单对极θ1及有限角多对极θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，得到有限角单对极单点生长幅值θs_add与有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(3)所示：
Figure BDA0001715276880000071
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(4)所示：
Figure BDA0001715276880000072
当θs_start＞θs_end，θm_start＞θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出(0～65535)；对有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，有限角单对极θ1先从边界起始点θs_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角单对极终止点边界θs_end；有限角多对极θ2先从边界起始点θm_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角多对极终止点边界θm_end；有限角单对极单点生长幅值θs_add及有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(5)所示：
Figure BDA0001715276880000081
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(6)所示：
Figure BDA0001715276880000082
当θ1_tran与θ2_tran大于65535时，令θ1_tran＝θ1_tran-65535，θ2_tran＝θ2_tran-65535。
本发明实例以有限角单对极角度值起始点θs_start＝41235、终止点θs_end＝59860，有限角多对极角度值起始点θm_start＝56873、终止点θm_end＝19270为例，设定角度值生长点数N＝20000，因为θs_start＜θs_end，因此可得θs_add＝(θs_end-θs_start)/N＝0.93；因为θm_start＞θm_end，因此可得θm_add＝[(65535-θm_start)+(θm_end-0)]/N＝1.4；此时经过角度生长模块106输出的有限角单对极角度值θ1_tran、有限角多对极角度值θ2_tran如图4、图5所示。
角度值细分处理107，用于将有限角多对极角度值θ2_tran进行细分整合，本实例中有限角多对极技术P＝6，单对极角度值θ1_tran角度值范围在0～65535LSB，多对极角度值θ2_tran的角度值范围在0～65535LSB；多对极角度值细分处理过程具体采用以下方法实施：
高分辨率的有限角度值解算如式(7)所示：
θduo_org＝P*65535+θ2_tran (7)
式中：P是通过有限角单对极角度值θ1_tran的高10位查表得到的多周期个数；θ2_tran为当前计算周期的有限角多周期角度值。
有限角单对极角度值θ1_tran、有限角多对极角度值θ2_tran的数据类型为16位整数型数据，通过有限角单对极角度值θ1_tran的高10位角度值查多对极角度值细分处理表格确定有限角多对极角度值极数P的数值；本实例多对极磁钢极数为6，单对极角度值θ1_tran的高10位角度值范围(0～1023)，多对极角度值细分处理表格如下表所示：
Figure BDA0001715276880000091
通过上述实施方法，得到经过细分处理的多对极角度值θduo_org，如图6所示。
利用上述的基于角度值生长的有限角度值细分方法及装置，可以有效简单地实现有限角多对极磁电编码器角度值的细分处理，为有限角磁电编码器角度值分辨率的提高提供技术支撑。
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 (5)

1.基于角度值生长的有限角度值细分方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)采集有限角单对极角度值模拟电压信号A+、A-与有限角多对极角度值模拟电压信号B+、B-；
(2)通过A/D转换器对模拟电压信号A+、A-、B+、B-进行转换，得到数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；
(3)解算有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2；
(4)依据有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2对有限角度进行生长，令有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2生长完整，得到生长完整的单对极角度值θ1_tran及多对极角度值θ2_tran；
(5)依据生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran及多对极角度值θ2_tran进行有限角多对极角度值细分处理，输出高分辨率的有限角度值θduo_org；
所述的步骤(4)通过以下方法实现：
判断有限角单对极角度值θ1的两个边界即有限角单对极角度值起始点θs_start以及有限角单对极角度值终点θs_end；判断有限角多对极角度值θ2的两个边界即有限角多对极角度值起始点θm_start以及有限角多对极角度值终点θm_end；
当θs_start＜θs_end，θm_start＜θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出0～65535；对有限角单对极θ1及有限角多对极θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，得到有限角单对极单点生长幅值θs_add与有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(2)所示：
Figure FDA0002571509880000011
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(3)所示：
Figure FDA0002571509880000021
当θs_start＞θs_end，θm_start＞θm_end时，设定角度值生长点数N，有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2按16位整数型数据输出0～65535；对有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2在生长位置每个点的生长幅值进行求解，有限角单对极θ1先从边界起始点θs_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角单对极终止点边界θs_end；有限角多对极θ2先从边界起始点θm_start生长到角度值最大幅值65535，然后再从0生长到有限角多对极终止点边界θm_end；有限角单对极单点生长幅值θs_add及有限角多对极单点生长幅值θm_add如式(4)所示：
Figure FDA0002571509880000022
将有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2进行生长处理，得到生长完整的有限角单对极角度值θ1_tran以及生长完整的有限角多对极角度值θ2_tran，在有限角单对极角度值边界θs_start、θs_end以及有限角多对极角度值边界θm_start、θm_end间进行生长，处理过程如式(5)所示：
Figure FDA0002571509880000023
当θ1_tran与θ2_tran大于65535时，令θ1_tran＝θ1_tran-65535，θ2_tran＝θ2_tran-65535；
所述的步骤(5)通过以下方法实现：
高分辨率的有限角度值解算如式(6)所示：
θduo_org＝P*65535+θ2_tran (6)
式中：P是通过有限角单对极角度值θ1_tran的高10位查表得到的多周期个数；θ2_tran为当前计算周期的有限角多周期角度值。
2.根据权利要求1所述的基于角度值生长的有限角度值细分方法，其特征在于：所述的步骤(1)通过以下方法实现：
单对极霍尔对磁场信号采样输出有限角单对极角度值模拟电压信号A+、A-，多对极霍尔对磁场信号采样得到有限角多对极角度值模拟电压信号B+、B-。
3.根据权利要求1所述的基于角度值生长的有限角度值细分方法，其特征在于：所述的步骤(2)通过以下方法实现：
通过A/D转换器进行模数转换，将步骤(1)得到的模拟电压信号A+、A-，B+、B-在A/D转换器中转换为数字信号HA+、HA-、HB+、HB-。
4.根据权利要求1所述的基于角度值生长的有限角度值细分方法，其特征在于：所述的步骤(3)通过以下方法实现：
数字信号HA+与HA-、HB+与HB-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式，求解出有限角单对极角度值θ1、有限角多对极角度值θ2如式(1)所示：
Figure FDA0002571509880000031
5.一种基于权利要求1所述的基于角度值生长的有限角度值细分方法的装置，其特征在于，包括：
有限角单对极霍尔传感器(101)，用于将单对极磁场信号转换为模拟电压信号A+，A-；
有限角单对极霍尔传感器(102)，用于将多对极磁场信号转换为模拟电压信号B+，B-；
A/D转换器(103)，用于将模拟电压信号A+、A-、B+、B-转换为数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；
单对极角度计算模块(104)，用于计算有限角单对极磁电编码器角度值，输出有限角单对极角度值θ1；
多对极角度计算模块(105)，用于计算有限角多对极磁电编码器角度值，输出有限角多对极角度值θ2；
角度生长模块(106)，用于有限角单对极角度值θ1及有限角多对极角度值θ2的完整生长；最终输出补偿完整的有限角单对极角度值θ1_tran及补偿完整的有限角多对极角度值θ2_tran；
角度值细分处理(107)，用于将补偿完整的有限角单对极角度值θ1_tran及有限角多对极角度值θ2_tran进行角度细分，提高有限角磁电编码器分辨率。
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