CN109506680A

CN109506680A - 一种绝对式磁角度编码器数字实现架构

Info

Publication number: CN109506680A
Application number: CN201811408504.1A
Authority: CN
Inventors: 贺杰; 彭卓; 陈忠志; 赵翔
Original assignee: CHENGDU XINJIN ELECTRONIC Co Ltd
Current assignee: CHENGDU XINJIN ELECTRONIC Co Ltd
Priority date: 2018-11-23
Filing date: 2018-11-23
Publication date: 2019-03-22

Abstract

本发明公开了一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，本发明的数字构架涵盖了模拟端数据经A/D转换成数字信号，依次经过第一数字滤波器修正、相位检测器和模值检测器的处理、第二数字滤波器的平滑滤波、角度处理模块的处理，到最后PWM调制输出或D/A输出的全部数字端处理过程。该构架不仅具有绝对式编码器的固有优点，同时还能任意调整角度的输出范围，实现任意角度范围在0度到360度的相位映射和缩放。本发明的数字构架清晰简单，角度检测精度高，功率稳定，抗干扰能力强，可根据配置任意调整角度限幅范围和输出电压限幅范围，满足不同的实际应用需求。

Description

一种绝对式磁角度编码器数字实现架构

技术领域

本发明涉及电机控制电路技术领域，具体涉及一种绝对式磁角度编码器数字实现构架。

背景技术

在目前工业应用中的测速、计数、测角位移和直线位移等的测量过程中，光电式角度编码器和磁角度编码器的使用占据着主导地位。

光电式角度编码器是由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形通、暗的刻线，有光电发射和接收器件读取并获得信号的一类传感器，主要用来测量位移或角度，但体积大，精度有限制且不连续。

磁角度编码器采用磁电式设计，通过磁感应器件，利用磁场的变化来产生和提供转子的绝对位置，同时磁器件代替了传统的码盘，弥补了光电编码器缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、性能可靠、精度高、结构更简单。

磁角度编码器又分为增量式编码器和绝对式编码器两种。前者输出A、B两个脉冲信号和一个Z(L)零位信号。A、B脉冲互差90度相位角，通过脉冲计数可以知道转子位置、角度和圈数，通过A,B脉冲信号超前或滞后可以知道正反转。停电后，必须从约定的基准重新开始计数。后者能够记忆设备的绝对位置，角度和圈数。一旦位置、角度和圈数固定，则编码器的示值固定且唯一，包括停电后再次上电的状态。随着设计自动化程度的提高，绝对式磁角度编码器逐渐取代增量式磁角度编码器已经成为一种趋势。

发明内容

本发明提供了一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，涵盖了模拟端数据经过A/D转换成数字信号，到最后PWM调制输出和D/A输出的全部数字端处理过程。该架构不仅具有上述绝对式编码器相对于其它编码器的固有的优点，同时还能任意调整角度的输出范围，即实现任意角度范围在0度到360度的相位映射和缩放。此外，该架构简化了运算复杂度，具有面积小，功耗低的特点，有很高的实际应用价值。

本发明通过下述技术方案实现：

一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，包括：

A/D转换模块，将模拟端的水平方向和垂直方向的磁场强度信号转换为数字信号；

第一数字滤波器，对A/D转换模块输出的水平方向和垂直方向的磁场强度数字信号进行修正；

相位检测器，对经第一数字滤波器修正后的水平方向和垂直方向磁场强度数字信号进行处理，得到当前磁场强度对应的角度值；

模值检测器，对经第一数字滤波器修正后的水平方向和垂直方向磁场强度数字信号进行处理，得到当前磁场强度的模值；

第二数字滤波器，对相位检测器输出的角度值及模值检测器输出的模值进行平滑滤波处理；

角度处理模块，对经第二数字滤波器滤波后的角度值进行处理得到绝对角度值，所述绝对角度值经D/A转换模块到模拟端输出或经PWM调制模块调制输出。

为了减小量化噪声，进一步，该数字实现构架还包括：AGC模块，基于经第二数字滤波器滤波后的模值计算出增益变换值并反馈给模拟端进行调节。

进一步，该数字实现构架还包括：

寄存器组和串行接口，所述寄存器组用于写入来自串行接口的外部配置值，以及存储内部各模块的计算结果，供外部读取；所述串行接口通过I2C、SPI或SSI串行协议传输串行输入指令或输出数据。

进一步，所述第一数字滤波器选取多个典型角度测试点，根据实测得到这些典型角度测试点水平方向和垂直方向磁场强度与理论状态下水平方向和垂直方向磁场强度的差值，根据这些测试点的差值得到ERROR曲线，采用该ERROR曲线对水平方向和垂直方向的磁场强度进行修正。

进一步，所述相位检测器采用CORDIC向量算法计算得到当前磁场强度对应的角度值；所述模值检测器采用CORDIC向量算法得到水平方向和垂直方向磁场强度叠加的模值。

进一步，所述第二数字滤波器对相位检测器输出的角度值及模值检测器输出的模值进行平滑滤波，以过滤掉突发噪声的干扰，平滑滤波的处理公式如下：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)

其中，α为寄存器配置的介于0～1之间的常数，x(n)为当前时刻输入值，y(n)为当前时刻输出值，y(n-1)为上一时刻输出值。

进一步，所述AGC模块通过计算第二数字滤波器滤波后的模值与参考值的误差，并反馈该误差给模拟端调整放大器的增益。

进一步，所述角度处理模块对经第二数字滤波器滤波后的角度值进行限幅处理，包括角度限幅和电压限幅。

进一步，所述PWM调制模块用于将角度处理模块处理后的角度值通过PWM波形发送给接收端，一次完整的PWM波形的高电平部分的占空比代表当前输出角度值的大小，整个PWM波形的宽度代表PWM调制模块输出数据的频率。

进一步，所述寄存器中写入的外部配置值包括第一数字滤波器的参数、第二数字滤波器的参数、AGC的参考值、角度处理模块的角度限幅范围、PWM调制的周期参数，同时提供以上配置信息和当前计算出的角度信息供外部读取。

本发明具有如下的优点和有益效果：

本发明的数字构架涵盖了模拟端数据经A/D转换成数字信号，依次经过第一数字滤波器修正、相位检测器和模值检测器的处理、第二数字滤波器的平滑滤波、角度处理模块的处理，到最后PWM调制输出或D/A输出的全部数字端处理过程。该构架不仅具有绝对式编码器固有的体积小、精度高等优点，同时还能任意调整角度的输出范围，实现任意角度范围在0度到360度的相位映射和缩放。

本发明的数字构架清晰简单，角度检测精度高，功率稳定，抗干扰能力强，可根据配置任意调整角度限幅范围和输出电压限幅范围，满足不同的实际应用需求。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明的数字构架框图。

图2为本发明的平滑滤波数字实现图。

图3为本发明正常情况下绝对式角度编码器的角度和输出电压关系图。

图4为本发明角度限幅后绝对式角度编码器的角度和输出电压关系图。

图5为本发明电压限幅后绝对式角度编码器的角度和输出电压关系图。

图6为本发明角度限幅和电压限幅后绝对式角度编码器的角度和输出电压关系图。

图7为本发明PWM调制输出波形图。

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白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例

如图1所示，本实施例提供了一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，该数字构架包括：A/D转换模块、第一数字滤波器、相位检测器、模值检测器、第二数字滤波器、角度处理模块、PWM调制模块、AGC(自动增益控制)模块、寄存器组和串行接口。

模拟端通过A/D转换模块将水平方向和垂直方向的模拟磁场强度数据转为带有固定最小分辨率的数字信号，该分辨率与最后输出角度的最小分辨率强相关。A/D模数转换模块，对模拟端的水平和垂直方向上的磁场强度采样，采样率根据输出的规格制定，要兼顾PWM输出，以及串行数据输出的要求；采样位宽需要满足数据输出的要求。

通过A/D转换得到的水平方向和垂直方向的磁场强度数字信号送入第一数字滤波器。在该滤波器里，会选取多个典型角度测试点，根据实测得到该点水平方向和垂直方向磁场强度与理想状况下水平方向和垂直方向磁场强度的差值。通过连接各个测试点的差值，得到近似的ERROR曲线，后续处理会根据寄存器配置选择是否运用该ERROR曲线对两个方向上的磁场强度进行修正。

磁铁在安装时，不可能做到与芯片完全对准(离轴安装时，则芯片与磁铁肯定没有正对关系)，则机械装置在转动时，在关于0角度对称的一对角度位置上，感应到的磁场强度有可能不一致，这样会导致计算当前位置角度时引入误差。该第一数字滤波器通过对水平方向和垂直方向的磁场进行修正，调整CORDIC角度计算时输入端X和Y值的大小，从而达到调整输出角度的目的。

经过第一数字滤波器修正过后的水平方向和垂直方向磁场送入到相位检测器模块。在该模块中，采用CORDIC向量算法得到水平方向和垂直方向磁场强度所对应的角度。该CORDIC算法可以兼容任意整数和小数位宽的磁场强度输入，以及任意的迭代次数。

经过第一数字滤波器修正过后的水平方向和垂直方向磁场还要同时送入到模值检测器模块。在该模块中，采用CORDIC向量算法得到水平方向和垂直方向磁场强度叠加所得到的模值。该CORDIC算法可以兼容任意整数和小数位宽的磁场强度输入，以及任意的迭代次数。

在相位检测器和模值检测器中得到的角度和模值送入到第二数字滤波器中，做平滑滤波处理，以过滤掉突发噪声的干扰。平滑滤波的处理公式为：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)

数字实现方式如图2所示，其中S表示符号延迟，代表新的数据到来时才进行的运算；D表示时钟延迟，代表系统时钟下的运算。由上图可知，在新的数据到来后，一共需要2个系统时钟完成计算，这就要求x(n)的更新频率至少为2个系统时钟一次。从实际运用上看，A/D采样率是远远低于系统时钟频率的，所以该条件很容易满足。

通过第二数字滤波器的滤波后，得到平滑的磁场强度模值曲线。在AGC(自动增益控制)模块中，利用该模值曲线与寄存器配置的磁场强度参考值做减法计算，得到的差的大小代表该次功率调整变化的大小，正负号表示调整的方向是缩小还是放大。此外，为了保证系统的安全运行，还需要对该差值做限幅处理，避免给模拟端带来过大的瞬时冲击。

通过第二数字滤波器的滤波后，得到平滑过渡的角度值曲线，并送入到角度处理模块，CORDIC角度计算出的角度默认为0～360度的绝对角度值。角度处理模块根据实际需要，可以通过配置起始和终止位置的角度值，把CORDIC计算出来的，且位于角度限幅范围之间的绝对角度值映射为0～360度的角度值(比如角度限幅范围为50度到100度，则50度对应0度输出，100度对应360度输出，线性递增)，满足实际应用的需要。

正常情况下，角度对应的模拟输出电压如图3所示：即以360°为周期，一个周期内输出电压随着角度的增大而增大。当角度增大到360°时，电压跳回0V，并从0°开始下一个角度周期的循环。

为了满足更多的工业应用需求，在上述基础上，对角度范围和电压范围加上限制，可以得到如下几种新的特性：

a，角度范围受限

在这种设置下，会增加stop这个特殊角度，该角度值记为θ_max。令λ＝(360-θ_max)，即为受到输出限制的角度范围。其对应的模拟电压输出如图4所示。

b，电压范围受限

在这种设置下，输出电压的范围会限制在一个范围VDD1～VDD2。其对应的模拟电压输出如图5所示。

c，角度范围和电压范围均受限

在这种设置下，角度范围会限制在0°～θ_max，输出电压的范围会限制在VDD1～VDD2，如图6所示。

以上几种情况可以构造出比较复杂的电压输出波形，满足不同的工业应用需求。

角度处理之后我们就等到了真正需要输出的角度值。该角度值除了通过D/A转模拟端直接输出之外，还可以通过PWM信号发送给外部。

如图7所示，首先制定一头一尾高电平/低电平时间，用以识别PWM调制输出的开始和结束位置。时间长短由外部根据实际应用所需要的时间，通过串行通信接口向内部寄存器组的相关寄存器配置。然后根据第二数字滤波器输出的角度，转换成一定的占空比后，转换成时钟周期数(即门限)，再通过PWM调制模块的计数器对高电平计数，达到上述门限时，切换为低电平并保持到PWM调制时间结束。最后在末端低电平阶段完成角度值的更新，再次重复上述过程即可。即，一次完整的PWM波形的高电平部分的占空比代表当前输出角度值的大小，整个PWM波形的宽度代表PWM调制输出的频率，该频率可以通过寄存器配置，有多种值可选择。

所述寄存器组用于写入来自串行接口的外部配置值，以及存储内部各模块的计算结果，供外部读取。配置值包括滤波器1、滤波器2的参数，AGC的参考功率，角度处理的起始和终止角度，PWM调制的周期等参数，同时提供以上配置信息和当前角度信息供外部读取。

串行通信接口：串行接收和发送数据。外部通过该接口对芯片内部寄存器进行读写，用于改变寄存器的配置值，以达到数字端在不同条件下的不同处理效果；或者读取寄存器的当前值用于后续处理。根据串行通信协议的不同，分为双工(同时收发)，如SPI协议或半双工(某时刻只能收或只能发)如I2C协议。

经过处理后的角度值保存在寄存器组中，等待串行通信接口读取后送给外部器件。串行通信接口可以选择双工的SPI协议、SSI串行协议或者半双工的I2C协议等。在处理外部器件通过串行接口向寄存器读写数据时，必须把读写指令、片选和数据等信号与芯片数字端的高频时钟同步，避免产生不定态并向寄存器扩散。同步后的寄存器的读写周期必须小于外部器件读写数据的周期。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，该数字实现构架还包括：AGC模块，基于经第二数字滤波器滤波后的模值计算出增益变换值并反馈给模拟端进行调节。

3.根据权利要求1所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，该数字实现构架还包括：

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述第一数字滤波器选取多个典型角度测试点，根据实测得到这些典型角度测试点水平方向和垂直方向磁场强度与理论状态下水平方向和垂直方向磁场强度的差值，根据这些测试点的差值得到ERROR曲线，采用该ERROR曲线对水平方向和垂直方向的磁场强度进行修正。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述相位检测器采用CORDIC向量算法计算得到当前磁场强度对应的角度值；所述模值检测器采用CORDIC向量算法得到水平方向和垂直方向磁场强度叠加的模值。

6.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述第二数字滤波器对相位检测器输出的角度值及模值检测器输出的模值进行平滑滤波，以过滤掉突发噪声的干扰，平滑滤波的处理公式如下：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)

7.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述AGC模块通过计算第二数字滤波器滤波后的模值与参考值的误差，并反馈该误差给模拟端调整放大器的增益。

8.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述角度处理模块对经第二数字滤波器滤波后的角度值进行限幅处理，包括角度限幅和电压限幅。

9.根据权利要求1-3任一项所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述PWM调制模块用于将角度处理模块处理后的角度值通过PWM波形发送给接收端，一次完整的PWM波形的高电平部分的占空比代表当前输出角度值的大小，整个PWM波形的宽度代表PWM调制模块输出数据的频率。

10.根据权利要求3所述的一种绝对式磁角度编码器数字实现架构，其特征在于，所述寄存器中写入的外部配置值包括第一数字滤波器的参数、第二数字滤波器的参数、AGC的参考值、角度处理模块的角度限幅范围、PWM调制的周期参数，同时提供以上配置信息和当前计算出的角度信息供外部读取。