CN109099938B - 基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法及装置，包括：单对极、多对极霍尔传感器对角度值信号进行测量，A/D转换器对霍尔信号进行模数转换，通过计算模块获得单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂；角度值极值区间制表模块依据单对极θ₁、多对极角度值θ₂对多对极极数P_check及区间数Z_check进行制表，通过区间判断模块对当前多对极角度值区间数进行判断，通过区间扫描对比模块对查表区间Z_check以及多对极角度值θ₂所处区间值Z_judge进行对比判断，依据判断结果输出极数调整值P_mod；依据P_mod、P_check进行多对极角度值细分处理，输出高分辨率角度值θ_{duo_org}，本发明能够有效抑制角度值噪声、温度变化等原因造成的多对极角度值跳点问题，提高多对极编码器的可靠性及分辨率。

Description

基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法及装置

技术领域

本发明总体上涉及磁电编码器，具体地说，涉及一种用于抑制多对极磁电编码器角度值跳点的方法及装置。

背景技术

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，可广泛应用于工业控制、机械制造、船舶、纺织、印刷、航空、航天、雷达、通讯、军工等领域。磁电编码器包括定子、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，通过信号处理板进行解算，从而实现角度测量。

例如，图1是多对极磁电编码器的示例性霍尔元件分布图。图中，4个霍尔元件A+、B+、A-、B-，其中单对极霍尔A+、A-围绕着定子的圆周相隔90°分布。在单对极磁钢的作用下，在这2个霍尔元件上产生相位相差90°的电压信号。其中多对极霍尔B+、B-围绕着定子的圆周按照相隔90°除以16(多对极磁钢极对数)再乘以奇数倍的角度分布，以保证多对极编码器俩个霍尔电角度相位相差90°。在多对极磁钢的作用下，在这2个霍尔元件上产生相位相差90°的电压信号，再经过角度值解算处理得到当前单对极角度值与多对极角度值。

然而，由于磁电式角位移传感器角度值的解算是通过模拟信号采集，然后进行数字转化得到的，这种解算过程会引入模数转换过程噪声，以及硬件电路电源噪声，因此在电机转子机械位置不变情况下，解算出的磁电编码器角度值仍然会在一定范围内往复跳动。这种现象会造成磁电编码器过零点位置难以准确判断，过零点时角度值会上一个周期和当前周期角度值往复跳动，致使多对极角度值在过零点位置的角度跳动，致使当前角度位置不能准确判断。

另外，霍尔元件在不同的温度下，其特性会产生变化，会引起磁电编码器测量的结果产生偏移。温度变化条件下，霍尔采集输出的信号值发生了改变，导致单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂产生解算偏差。然而，多对极角度值的细分解算过程依赖着单对极角度值与多对极角度值的映射关系。由于温度变化造成的单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的偏差值具有随机性以及不一致性，致使单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系发生改变，导致多对极角度值θ₂细分过程出现错误，使得细分处理后的多对极角度值θ₃产生角度值跳点。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在消除磁电编码器的跳点误差，使之在常温工作过程中没有角度值跳点，即使温度发生变化，测量结果仍然平滑，提高磁电编码器的测量精度。

本发明是这样构思的：

一种基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，包括以下步骤：

(1)采集单对极角度值信号A+、A-，多对极角度值信号B+、B-；

(2)对角度值模拟信号A+、A-、B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；

(3)依据单对极角度值HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-求解单对极角度值θ₁及多对极角度值θ₂；

(4)依据单对极值θ₁、多对极角度值θ₂对多对极角度值进行角度值细分，得到细分后的单对极角度值θ₁高10位数值对应的查表极数P_check与单对极角度值θ₁高10位数值对应的查表区间值Z_check；

(5)依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，得到当前多对极角度值实际区间Z_judge；

(6)将得到的当前多对极角度值实际区间数值Z_judge与单对极角度值θ₁高10位查表得到的查表区间值Z_check进行扫描对比，得到多对极角度值极数调整值P_mod；

(7)将单对极角度值θ₁高10位查表得到的查表极数值P_check与极数调整值P_mod进行细分处理，得到最终的多对极角度值θ_{duo_org}。

作为优选，所述的步骤(1)，通过单对极霍尔传感器得到单对极模拟电压信号A+、A-，通过多对极霍尔传感器得到多对极角度值模拟电压信号B+、B-。

作为优选，所述的步骤(2)，经过A/D转换器对单对极模拟信号A+、A-以及多对极模拟信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-。

作为优选，所述的步骤(3)，依据步骤(2)得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-对角度值进行解算，得到单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂，解算公式如式(1)所示：

作为优选，所述的步骤(4)，采用以下方法实施：

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极极数P、多对极角度值所在区间数的极数映射表格；单对极角度值θ₁为16位整数型数据，取其高10位作为查表项，多对极角度值θ₂的极数P作为被查表项目；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂所在区间数的区间映射表格，将多对极角度值θ₂划分为16个区间，多对极角度值θ₂为16位整数型数据；

以单对极角度值θ₁高10数值为查表项，对应的多对极角度值θ₂所处的区间数Z_check为被查表项，建立对应的单对极高10位查表表格；进一步地结合极数映射表格、单对极高10位查表表格可得最终查表表格；依据最终查表表格查表得到单对极角度值θ₁高10位数值对应的查表区间值Z_check以及对应的查表多对极极数P_check。

作为优选，所述的步骤(5)，通过以下方法实现：

依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，将多对极角度值θ₂(0～65535)范围分为16个区间，多对极角度值θ₂对应的当前区间值Z_judge的判断通过区间判断表格实现，最终得到当前计算周期的多对极角度值θ₂对应的区间数Z_judge。

作为优选，所述的步骤(6)，通过以下方法实现：

将得到的当前多对极角度值实际区间数值Z_judge与单对极角度值θ₁高10位查表得到的查表区间值Z_check进行扫描对比，如果Z_check-Z_judge＞8，则多对极极数调整系数P_mod＝-1；Z_check-Z_judge＜-8，则多对极极数调整系数P_mod＝1；如果-8＜Z_check-Z_judge＜8，则多对极极数调整系数P_mod＝0。

作为优选，所述的步骤(7)，通过以下方法实现：

依据步骤(6)获得的多对极极数调整系数P_mod，以及步骤(4)获得的查表多对极极数P_check，对多对极角度值进行角度值细分，得到最终的多对极角度值θ_{duo_org}如式(2)所示：

θ_{duo_org}＝(P_check+P_mod)*65535+θ₂ (2)

此时，得到的细分后的多对极角度值θ_{duo_org}范围从单对极角度值θ₁∈[0,65535]变化到细分后的多对极角度值θ_{duo_org}∈[0,65535*P]，有效提高了磁电编码器分辨率。

作为本发明的另一方面，一种基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法的装置，包括：

单对极霍尔传感器，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极角度值信号A+、A-；

多对极霍尔传感器，用于采集多对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到多对极角度值信号B+、B-；

A/D转换器，用于将单对极电压信号A+、A-转换为数字信号HA+、HA-，将多对极电压信号B+、B-转换为数字信号HB+、HB-；

单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ₁；

多对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为多对极角度值θ₂；

角度值极数区间制表模块，用于确定单对极角度值θ₁高10位与多对极角度值极数、角度值区间的映射关系；

区间判断模块，依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断；

区间扫描对比模块，扫描对比通过单对极角度值θ₁高10位查表得到的多对极角度值区间值Z_check与通过多对极角度值θ₂查区间判断表格到的Z_judge，将得到的当前多对极角度值实际区间数值Z_judge与单对极角度值θ₁高10位查表得到的查表区间值Z_check进行扫描对比；

角度细分处理，依据区间扫描对比模块108输出的P_mod以及角度值极数区间制表模块输出的P_check进行角度值细分处理，对多对极角度值进行角度值细分。

本发明的有益效果是：

1.通过极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，可以有效抑制角度值噪声造成多对极角度值跳点问题。

2.本发明提供的角度值抑制方法，适用于普通跳点抑制方法无法解决的低温角度值跳点问题。

3.本发明提供的极数查表的角度区间扫描角度值细分方法，可以有效提高多对极磁电编码器角度值分辨率。

附图说明

图1多对极磁电编码器的示例性霍尔元件分布图；

图2本发明实施例角度值解算过程结构示意图；

图3极数映射表格示意图；

图4区间映射表格示意图；

图5单对极高10位查表表格示意图；

图6最终查表表格示意图；

图7区间判断表格示意图；

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所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

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：

单对极霍尔传感器101，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极角度值信号A+、A-。

多对极霍尔传感器102，用于采集多对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到多对极角度值信号B+、B-。

A/D转换器103，用于将单对极电压信号A+、A-转换为数字信号HA+、HA-，将多对极电压信号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单对极角度值θ₁，数字信号HA+与HA-的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(1)求解出单对极角度值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多对极角度值θ₂，数字信号HB+、HB-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(2)求解出多对极角度值θ₂：

θ₂＝arctg(HB+/HB-) (2)

角度值极数区间制表模块106，用于确定单对极角度值θ₁高10位与多对极角度值极数、角度值区间的映射关系，具体实施过程如下：

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极极数P、多对极角度值所在区间数的极数映射表格如图3所示；单对极角度值θ₁为16位整数型数据，取其高10位作为查表项，多对极角度值θ₂的极数P作为被查表项目；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂所在区间数的区间映射表格如图4所示，将多对极角度值θ₂划分为16个区间，多对极角度值θ₂为16位整数型数据；

以单对极角度值θ₁高10数值为查表项，对应的多对极角度值θ₂所处的区间数Z_check为被查表项，建立对应的单对极高10位查表表格如图5所示；

最终，结合极数映射表格、单对极高10位查表表格可得最终查表表格如图6所示，依据最终查表表格查表得到单对极角度值θ₁高10位数值对应的查表区间值Z_check，以及对应的查表多对极极数P_check。

区间判断模块107，依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，具体实施过程如下：

依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，将多对极角度值θ₂(0～65535)范围分为16个区间，多对极角度值θ₂对应的当前区间值Z_judge的判断通过区间判断表格实现，区间判断表格如图7所示，最终得到当前计算周期的多对极角度值θ₂对应的区间数Z_judge。

区间扫描对比模块108，扫描对比通过单对极角度值θ₁高10位查表得到的多对极角度值区间值Z_check与通过多对极角度值θ₂查区间判断表格到的Z_judge，将得到的当前多对极角度值实际区间数值Z_judge与单对极角度值θ₁高10位查表得到的查表区间值Z_check进行扫描对比，如果Z_check-Z_judge＞8，则多对极极数调整系数P_mod＝-1；Z_check-Z_judge＜-8，则多对极极数调整系数P_mod＝1；如果-8＜Z_check-Z_judge＜8，则多对极极数调整系数P_mod＝0。

角度细分处理109，依据区间扫描对比模块108输出的P_mod以及角度值极数区间制表模块输出的P_check进行角度值细分处理，对多对极角度值进行角度值细分，具体实施过程如下：

依据步骤(6)获得的多对极极数调整系数P_mod，以及步骤(4)获得的查表多对极极数P_check，对多对极角度值进行角度值细分，得到最终的多对极角度值θ_{duo_org}如式(3)所示：

θ_{duo_org}＝(P_check+P_mod)*65535+θ₂ (3)

此时，得到的细分后的多对极角度值θ_{duo_org}范围从单对极角度值θ₁∈[0,65535]变化到细分后的多对极角度值θ_{duo_org}∈[0,65535*P]，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 (8)

1.基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)采集单对极电压信号A+、A-，多对极电压信号B+、B-；

(2)对单对极电压信号A+、A-和多对极电压信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-和多对极角度值数字信号HB+、HB-；

(3)依据单对极角度值数字信号HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-求解单对极角度值θ₁及多对极角度值θ₂；

(4)依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极极数P_check、多对极角度值θ₂所在区间数的极数映射表格；单对极角度值θ₁为16位整数型数据，取单对极角度值θ₁高10位数值作为查表项，多对极角度值θ₂的多对极极数P_check作为被查表项目；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，建立单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂所在区间数的区间映射表格，将多对极角度值θ₂划分为16个区间，多对极角度值θ₂为16位整数型数据；

以单对极角度值θ₁高10位数值为查表项，对应的多对极角度值区间数Z_check为被查表项，建立对应的单对极角度值θ₁高10位数值查表表格；结合极数映射表格、单对极角度值θ₁高10位数值查表表格可得最终查表表格；依据最终查表表格查表得到单对极角度值θ₁高10位数值对应的多对极角度值区间数Z_check，以及对应的查表多对极极数P_check；

(5)依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，得到当前多对极角度值实际区间数Z_judge；

(6)将得到的当前多对极角度值实际区间数Z_judge与单对极角度值θ₁高10位数值查表得到的多对极角度值区间数Z_check进行扫描对比，得到多对极角度值极数调整值P_mod；

(7)将单对极角度值θ₁高10位数值查表得到的查表多对极极数P_check与多对极角度值极数调整值P_mod进行细分处理，得到最终的多对极角度值θ_{duo_org}。

2.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(1)通过以下方法实现：

通过单对极霍尔传感器得到单对极电压信号A+、A-，通过多对极霍尔传感器得到多对极电压信号B+、B-。

3.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(2)通过以下方法实现：

经过A/D转换器对单对极电压信号A+、A-以及多对极电压信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-。

4.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(3)通过以下方法实现：

依据步骤(2)得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-及多对极角度值数字信号HB+、HB-对角度值进行解算，得到单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂，解算公式如式(1)所示：

5.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(5)通过以下方法实现：

依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断，将多对极角度值θ₂范围分为16个区间，多对极角度值θ₂对应的当前多对极角度值实际区间数Z_judge的判断通过区间判断表格实现，最终得到当前计算周期的多对极角度值θ₂对应的当前多对极角度值实际区间数Z_judge。

6.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(6)，通过以下方法实现：

将得到的当前多对极角度值实际区间数Z_judge与单对极角度值θ₁高10位数值查表得到的多对极角度值区间数Z_check进行扫描对比，如果Z_check-Z_judge＞8，则多对极角度值极数调整值P_mod＝-1；Z_check-Z_judge＜-8，则多对极角度值极数调整值P_mod＝1；如果-8＜Z_check-Z_judge＜8，则多对极角度值极数调整值P_mod＝0。

7.根据权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的步骤(7)，通过以下方法实现：

依据步骤(6)获得的多对极角度值极数调整值P_mod，以及步骤(4)获得的多对极极数P_check，对多对极角度值进行角度值细分，得到最终的多对极角度值θ_{duo_org}。

8.一种基于权利要求1所述的基于极数查表的角度区间扫描角度值跳点抑制方法的装置，其特征在于，包括：

单对极霍尔传感器，用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极电压信号A+、A-；

多对极霍尔传感器，用于采集多对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到多对极电压信号B+、B-；

A/D转换器，用于将单对极电压信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-，将多对极电压信号B+、B-转换为多对极角度值数字信号HB+、HB-；

单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ₁；

多对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为多对极角度值θ₂；

角度值极数区间制表模块，用于确定单对极角度值θ₁高10位数值与多对极极数P_check、角度值区间的映射关系；

区间判断模块，依据当前解算出的多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断；

区间扫描对比模块，扫描对比通过单对极角度值θ₁高10位数值查表得到的多对极角度值区间数Z_check与通过多对极角度值θ₂对多对极角度值所处区间进行判断得到的当前多对极角度值实际区间数Z_judge，将得到的当前多对极角度值实际区间数Z_judge与单对极角度值θ₁高10位数值查表得到的多对极角度值区间数Z_check进行扫描对比；

角度细分处理，依据区间扫描对比模块(108)输出的P_mod以及角度值极数区间制表模块输出的P_check进行角度值细分处理，对多对极角度值进行角度值细分。

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