CN109579880B - 带有自适应补偿功能的磁编码器 - Google Patents

带有自适应补偿功能的磁编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有自适应补偿功能的磁编码器，本磁编码器包括磁阻传感器、控制模块、信号调理模块、通讯模块、温度检测模块、故障检测模块和数据存储模块，控制模块的温度补偿处理单元实时在线利用温度检测模块和ADC处理单元提供的温度和模拟量采样数据，对ADC处理单元采样得到的原始正余弦信号进行温漂补偿；位置校正处理单元实时在线对温度补偿处理单元输出数据的缓存结果进行离散傅里叶变换，利用其变换结果进行基波和高次谐波校正，校正之后的数据送入位置解析单元通过求反正切的方式得到电机转子当前位置值。本磁编码器通过自适应补偿功能，可以在磁编码器产品生命周期中进行在线动态补偿，以达到较好的位置解析精度及环境适应能力。

Description

带有自适应补偿功能的磁编码器
技术领域
本发明涉及用于检测电机位置或速度的磁编码器，尤其涉及一种带有自适应补偿功能的磁编码器。
背景技术
随着工业自动化进程的发展,对检测电机运动的编码器成本、可靠性、环境适应能力以及检测精度提出了越来越高的要求。传统的光电编码器存在成本较高、环境要求高，不耐冲击等问题，旋转变压器存在结构复杂、精度不高等缺点；而基于各向异性磁电阻技术(AMR)的磁编码器，凭借其环境要求低、分辨率高、成本低廉等优点逐渐成为市场关注的对象。
由于AMR磁编码器本身的温度特性，其输出电平随温度变化较大，这必将严重影响磁编码器在温度环境下的检测精度，限制其使用范围。同时AMR磁编码器输出的正余弦模拟信号不是理想信号，存在幅值偏差、相位偏差、直流偏置以及高次谐波，若不对其进行补偿，必然无法获取到较为精准的位置信号。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种带有自适应补偿功能的磁编码器，本磁编码器克服AMR磁编码器的缺陷，通过自适应补偿功能，可以在磁编码器的产品生命周期中进行在线动态补偿，以达到较好的位置解析精度及环境适应能力。
为解决上述技术问题，本发明带有自适应补偿功能的磁编码器包括设于电机的磁阻传感器、控制模块、信号调理模块、通讯模块、温度检测模块、故障检测模块和数据存储模块，所述磁阻传感器检测电机旋转磁场并输出包含各次谐波的正余弦模拟量，该正余弦模拟量经所述信号调理模块输入到所述控制模块，所述控制模块经所述通讯模块与电机控制器通讯连接，所述温度检测模块检测所述磁阻传感器的环境温度并且检测数据传输至所述控制模块，所述故障检测模块采集所述磁阻传感器电源信号判断当前是否处于欠压状态，若处于欠压状态则输出故障信号至所述控制模块，所述数据存储模块储存电机控制参数及磁阻传感器的补偿参数，所述控制模块调用数据存储模块储存的相关数据；
所述控制模块包括通信处理单元、ADC处理单元、温度补偿处理单元、位置校正处理单元、位置解析单元、数据存储处理单元和故障处理单元，所述通信处理单元与通信模块通讯连接实现数据交互，所述ADC处理单元将所述信号调理模块输出的磁阻传感器正余弦信号转换为数字信号，所述温度补偿处理单元根据所述温度检测模块输出信号在线补偿由于环境温度变化导致的所述磁阻传感器输出信号的温度漂移，所述位置校正处理单元根据所述ADC处理单元输出信号在线补偿磁阻传感器非理想正余弦模拟量输出对位置解析引入的误差，所述数据存储处理单元管理所述数据存储模块，实现非易失性数据的存取，所述故障处理单元根据所述故障检测模块输出信号进行故障处理；
所述位置解析单元根据所述温度补偿处理单元和位置校正处理单元输出的补偿信号以及所述ADC处理单元输出的磁阻传感器正余弦数字信号，采用下式得到电机转子当前位置值，
Figure BDA0001922090880000021
其中，θ为电机转子当前位置值，SINraw和COSraw为正余弦信号的原始值，ASIN(T)和ACOS(T)为正余弦信号温度补偿后的幅值，OFFSIN(T)和OFFCOS(T)为正余弦信号温度补偿后的直流偏置，T为当前温度值，REG表示对温度补偿后的正余弦值进行正规化的位置校正处理，arctan表示求反正切。
进一步，所述温度补偿处理单元包括最值搜索器、运行圈数计数器、温度系数计算器和温漂补偿处理器，所述最值搜索器根据ADC处理单元输出的正余弦信号，实时检索最大值和最小值，所述运行圈数计数器对电机运行圈数计数，当电机运行圈数大于设定值，则所述最值搜索器检索的最大值和最小值有效，采用下式计算由所述温度检测模块检测的当前温度下的正余弦信号幅值，
Figure BDA0001922090880000022
其中，AMP为正余弦信号幅值，VMAX和VMIN分别为由最值搜索器检索的最大值和最小值；
采用下式计算由所述温度检测模块检测的当前温度下的正余弦信号直流偏置，
Figure BDA0001922090880000031
其中，OFFSET为正余弦信号直流偏置值；
所述温度系数计算器根据不同温度下的正余弦信号幅值和直流偏置值，计算当前状态下磁阻传感器的幅值温度系数和直流偏置温度系数，
Figure BDA0001922090880000032
Figure BDA0001922090880000033
其中，TCV为幅值温度系数，TCO为直流偏置温度系数，T1和T2分别为所述温度检测模块检测的间隔温度值；
所述温漂补偿处理器根据温度检测模块检测的当前实际温度以及幅值温度系数和直流偏置温度系数对正余弦信号的幅值和直流偏置进行补偿。
进一步，所述位置校正处理单元包括数据缓存器、数据处理器、高次谐波补偿器和基波补偿器，所述数据缓存器存储所述温度补偿处理单元输出的正余弦信号数据，所述数据处理器对所述数据缓存器储存的正余弦信号数据按下式进行离散傅里叶变换处理，
Figure BDA0001922090880000034
其中，xn表示采样信号幅度，n表示采样点，k表示频率段，i是虚数单位，N表示总采样点数；得到正余弦信号的各次谐波分量；
所述高次谐波补偿器将所述数据处理器按离散傅里叶变换处理后的正余弦信号中包含的高次谐波分量和直流偏置分量去除，剩下一次基波分量为：
SIN1＝Asin sin(ωt) (7)
Figure BDA0001922090880000035
其中，Asin表示正弦信号幅值，Acos表示余弦信号幅值，ω表示信号角频率，
Figure BDA0001922090880000036
表示正余弦信号相位差，t表示时间；
所述基波补偿器按下式将所述高次谐波补偿器输出的一次基波幅值归一化，
Figure BDA0001922090880000037
Figure BDA0001922090880000038
其中，SIN1表示一次原始正弦信号，COS1表示一次原始余弦信号，SIN2表示进行了幅值补偿后的一次正弦信号，COS2表示进行了幅值补偿后的一次余弦信号；
采用下式进行正余弦信号的相位误差校正，
Figure BDA0001922090880000041
COS3＝COS2 (12)
得到幅值和相位保持一致且无直流偏置的理想正余弦信号SIN3和COS3，将该理想正余弦信号传送至所述位置解析单元，所述位置解析单元通过求反正切的方式得到电机转子精确电位置的解析值。
进一步，所述控制模块是基于Cortex-M4嵌入式处理器的单片机。
进一步，所述ADC处理单元采用16位差分模式实现对磁阻传感器输出的正余弦信号进行采样的功能并将其转换为数字信号。
由于本发明带有自适应补偿功能的磁编码器采用了上述技术方案，即本磁编码器包括磁阻传感器、控制模块、信号调理模块、通讯模块、温度检测模块、故障检测模块和数据存储模块，其中，控制模块的温度补偿处理单元实时在线利用温度检测模块和ADC处理单元提供的温度和模拟量采样数据，对ADC处理单元采样得到的原始正余弦信号进行温漂补偿；位置校正处理单元实时在线对温度补偿处理单元输出数据的缓存结果进行离散傅里叶变换，利用其变换结果进行基波和高次谐波校正，校正之后的数据送入位置解析单元通过求反正切的方式得到电机转子当前位置值。本磁编码器利用温度补偿处理单元在线补偿由于环境温度变化导致的磁阻传感器输出的温度漂移，提高环境自适应能力与温度稳定性；利用位置校正处理单元在线自适应补偿磁阻传感器的非理想正余弦模拟量输出对位置解析引入的误差，提高位置解析精度，且无需复杂的编码器校正装置，易于批量化生产。
附图说明
下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：
图1为本发明带有自适应补偿功能的磁编码器原理框图；
图2为本磁编码器中控制模块的原理框图；
图3为本磁编码器的控制模块中温度补偿处理单元的原理框图；
图4为本磁编码器的控制模块中位置校正处理单元的原理框图；
图5为磁阻传感器输出的正余弦模拟量波形图。
具体实施方式
实施例如图1和图2所示，本发明带有自适应补偿功能的磁编码器包括设于电机的磁阻传感器2、控制模块1、信号调理模块3、通讯模块4、温度检测模块5、故障检测模块6和数据存储模块7，所述磁阻传感器2检测电机旋转磁场并输出包含各次谐波的正余弦模拟量，其波形如图5所示，该正余弦模拟量经所述信号调理模块3输入到所述控制模块1，所述控制模块1经所述通讯模块4与电机控制器通讯连接，所述温度检测模块5检测所述磁阻传感器2的环境温度并且检测数据传输至所述控制模块1，所述故障检测模块6采集所述磁阻传感器2电源信号判断当前是否处于欠压状态，若处于欠压状态则输出故障信号至所述控制模块1，所述数据存储模块7储存电机控制参数及磁阻传感器2的补偿参数，所述控制模块1调用数据存储模块储存的相关数据；
所述控制模块1包括通信处理单元11、ADC处理单元12、温度补偿处理单元13、位置校正处理单元14、位置解析单元15、数据存储处理单元16和故障处理单元17，所述通信处理单元11与通信模块4通讯连接实现数据交互，所述ADC处理单元12将所述信号调理模块3输出的磁阻传感器2正余弦信号转换为数字信号，所述温度补偿处理单元13根据所述温度检测模块5输出信号在线补偿由于环境温度变化导致的所述磁阻传感器2输出信号的温度漂移，所述位置校正处理单元14根据所述ADC处理单元12输出信号在线补偿磁阻传感器2非理想正余弦模拟量输出对位置解析引入的误差，所述数据存储处理单元16管理所述数据存储模块7，实现非易失性数据的存取，所述故障处理单元17根据所述故障检测模块6输出信号进行故障处理；
所述位置解析单元15根据所述温度补偿处理单元13和位置校正处理单元14输出的补偿信号以及所述ADC处理单元12输出的磁阻传感器2正余弦数字信号，采用下式得到电机转子当前位置值，
Figure BDA0001922090880000051
其中，θ为电机转子当前位置值，SINraw和COSraw为正余弦信号的原始值，ASIN(T)和ACOS(T)为正余弦信号温度补偿后的幅值，OFFSIN(T)和OFFCOS(T)为正余弦信号温度补偿后的直流偏置，T为当前温度值，REG表示对温度补偿后的正余弦值进行正规化的位置校正处理，arctan表示求反正切。
优选的，如图3所示，所述温度补偿处理单元13包括最值搜索器131、运行圈数计数器132、温度系数计算器133和温漂补偿处理器134，所述最值搜索器131根据ADC处理单元12输出的正余弦信号，实时检索最大值和最小值，所述运行圈数计数器132对电机运行圈数计数，当电机运行圈数大于设定值，则所述最值搜索器检索的最大值和最小值有效，采用下式计算由所述温度检测模块5检测的当前温度下的正余弦信号幅值，
Figure BDA0001922090880000061
其中，AMP为正余弦信号幅值，VMAX和VMIN分别为由最值搜索器检索的最大值和最小值；
采用下式计算由所述温度检测模块5检测的当前温度下的正余弦信号直流偏置，
Figure BDA0001922090880000062
其中，OFFSET为正余弦信号直流偏置值；
所述温度系数计算器133根据不同温度下的正余弦信号幅值和直流偏置值，计算当前状态下磁阻传感器的幅值温度系数和直流偏置温度系数，
Figure BDA0001922090880000063
Figure BDA0001922090880000064
其中，TCV为幅值温度系数，TCO为直流偏置温度系数，T1和T2分别为所述温度检测模块检测的间隔温度值；
所述温漂补偿处理器134根据温度检测模块5检测的当前实际温度以及幅值温度系数和直流偏置温度系数对正余弦信号的幅值和直流偏置进行补偿。
优选的，如图4所示，所述位置校正处理单元14包括数据缓存器141、数据处理器142、高次谐波补偿器143和基波补偿器144，所述数据缓存器141存储所述温度补偿处理单元13输出的正余弦信号数据，所述数据处理器142对所述数据缓存器141储存的正余弦信号数据按下式进行离散傅里叶变换处理，
Figure BDA0001922090880000071
其中，xn表示采样信号幅度，n表示采样点，k表示频率段，i是虚数单位，N表示总采样点数；得到正余弦信号的各次谐波分量；
所述高次谐波补偿器143将所述数据处理器142按离散傅里叶变换处理后的正余弦信号中包含的高次谐波分量和直流偏置分量去除，剩下一次基波分量为：
SIN1＝Asin sin(ωt) (7)
Figure BDA0001922090880000072
其中，Asin表示正弦信号幅值，Acos表示余弦信号幅值，ω表示信号角频率，
Figure BDA0001922090880000073
表示正余弦信号相位差，t表示时间；
所述基波补偿器144按下式将所述高次谐波补偿器143输出的一次基波幅值归一化，
Figure BDA0001922090880000074
Figure BDA0001922090880000075
其中，SIN1表示一次原始正弦信号，COS1表示一次原始余弦信号，SIN2表示进行了幅值补偿后的一次正弦信号，COS2表示进行了幅值补偿后的一次余弦信号；
采用下式进行正余弦信号的相位误差校正，
Figure BDA0001922090880000076
COS3＝COS2(12)
得到幅值和相位保持一致且无直流偏置的理想正余弦信号SIN3和COS3，将该理想正余弦信号传送至所述位置解析单元15，所述位置解析单元15通过求反正切的方式得到电机转子精确电位置的解析值。
优选的，所述控制模块1是基于Cortex-M4嵌入式处理器的单片机。
优选的，所述ADC处理单元12采用16位差分模式实现对磁阻传感器2输出的正余弦信号进行采样的功能并将其转换为数字信号。
本磁编码器通过对磁阻传感器环境温度的补偿以及非理想正余弦模拟量的修正，提高磁编码器的环境自适应能力与温度稳定性，以及位置解析精度，确保获取到较为精准的位置信号。本磁编码器实际应用时，温度检测模块在排布PCB板时需尽量靠近磁阻传感器，以确保其检测的温度值逼近磁阻传感器的环境温度值，利用当前环境温度和磁阻传感器的温度系数实时补偿正余弦采样信号的幅值，且该温度系数也会随着工况环境的不同自适应更新，极大地提高了本磁编码器的环境自适应能力与温度稳定性。位置校正处理单元可在线补偿磁阻传感器的非理想正余弦模拟量输出对位置解析引入的误差，提高位置解析精度，且无需复杂的编码器校正装置，易于批量化生产。

Claims (3)

1.一种带有自适应补偿功能的磁编码器，包括设于电机的磁阻传感器，其特征在于：还包括控制模块、信号调理模块、通讯模块、温度检测模块、故障检测模块和数据存储模块，所述磁阻传感器检测电机旋转磁场并输出包含各次谐波的正余弦模拟量，该正余弦模拟量经所述信号调理模块输入到所述控制模块，所述控制模块经所述通讯模块与电机控制器通讯连接，所述温度检测模块检测所述磁阻传感器的环境温度并且检测数据传输至所述控制模块，所述故障检测模块采集所述磁阻传感器电源信号判断当前是否处于欠压状态，若处于欠压状态则输出故障信号至所述控制模块，所述数据存储模块储存电机控制参数及磁阻传感器的补偿参数，所述控制模块调用数据存储模块储存的相关数据；
所述控制模块包括通信处理单元、ADC处理单元、温度补偿处理单元、位置校正处理单元、位置解析单元、数据存储处理单元和故障处理单元，所述通信处理单元与通信模块通讯连接实现数据交互，所述ADC处理单元将所述信号调理模块输出的磁阻传感器正余弦信号转换为数字信号，所述温度补偿处理单元根据所述温度检测模块输出信号在线补偿由于环境温度变化导致的所述磁阻传感器输出信号的温度漂移，所述位置校正处理单元根据所述ADC处理单元输出信号在线补偿磁阻传感器非理想正余弦模拟量输出对位置解析引入的误差，所述数据存储处理单元管理所述数据存储模块，实现非易失性数据的存取，所述故障处理单元根据所述故障检测模块输出信号进行故障处理；
所述位置解析单元根据所述温度补偿处理单元和位置校正处理单元输出的补偿信号以及所述ADC处理单元输出的磁阻传感器正余弦数字信号，采用下式得到电机转子当前位置值，
Figure FDA0002840538380000011
其中，θ为电机转子当前位置值，SINraw和COSraw为正余弦信号的原始值，ASIN(T)和ACOS(T)为正余弦信号温度补偿后的幅值，OFFSIN(T)和OFFCOS(T)为正余弦信号温度补偿后的直流偏置，T为当前温度值，REG表示对温度补偿后的正余弦值进行正规化的位置校正处理，arctan表示求反正切；
所述温度补偿处理单元包括最值搜索器、运行圈数计数器、温度系数计算器和温漂补偿处理器，所述最值搜索器根据ADC处理单元输出的正余弦信号，实时检索最大值和最小值，所述运行圈数计数器对电机运行圈数计数，当电机运行圈数大于设定值，则所述最值搜索器检索的最大值和最小值有效，采用下式计算由所述温度检测模块检测的当前温度下的正余弦信号幅值，
Figure FDA0002840538380000021
其中，AMP为正余弦信号幅值，VMAX和VMIN分别为由最值搜索器检索的最大值和最小值；
采用下式计算由所述温度检测模块检测的当前温度下的正余弦信号直流偏置，
Figure FDA0002840538380000022
其中，OFFSET为正余弦信号直流偏置值；
所述温度系数计算器根据不同温度下的正余弦信号幅值和直流偏置值，计算当前状态下磁阻传感器的幅值温度系数和直流偏置温度系数，
Figure FDA0002840538380000023
Figure FDA0002840538380000024
其中，TCV为幅值温度系数，TCO为直流偏置温度系数，T1和T2分别为所述温度检测模块检测的间隔温度值；
所述温漂补偿处理器根据温度检测模块检测的当前实际温度以及幅值温度系数和直流偏置温度系数对正余弦信号的幅值和直流偏置进行补偿；
所述位置校正处理单元包括数据缓存器、数据处理器、高次谐波补偿器和基波补偿器，所述数据缓存器存储所述温度补偿处理单元输出的正余弦信号数据，所述数据处理器对所述数据缓存器储存的正余弦信号数据按下式进行离散傅里叶变换处理，
Figure FDA0002840538380000025
其中，xn表示采样信号幅度，n表示采样点，k表示频率段，i是虚数单位，N表示总采样点数；得到正余弦信号的各次谐波分量；
所述高次谐波补偿器将所述数据处理器按离散傅里叶变换处理后的正余弦信号中包含的高次谐波分量和直流偏置分量去除，剩下一次基波分量为：
SIN1＝Asinsin(ωt) (7)
Figure FDA0002840538380000031
其中，Asin表示正弦信号幅值，Acos表示余弦信号幅值，ω表示信号角频率，
Figure FDA0002840538380000035
表示正余弦信号相位差，t表示时间；
所述基波补偿器按下式将所述高次谐波补偿器输出的一次基波幅值归一化，
Figure FDA0002840538380000032
Figure FDA0002840538380000033
其中，SIN1表示一次原始正弦信号，COS1表示一次原始余弦信号，SIN2表示进行了幅值补偿后的一次正弦信号，COS2表示进行了幅值补偿后的一次余弦信号；
采用下式进行正余弦信号的相位误差校正，
Figure FDA0002840538380000034
COS3＝COS2 (12)
得到幅值和相位保持一致且无直流偏置的理想正余弦信号SIN3和COS3，将该理想正余弦信号传送至所述位置解析单元，所述位置解析单元通过求反正切的方式得到电机转子精确电位置的解析值。
2.根据权利要求1所述的带有自适应补偿功能的磁编码器，其特征在于：所述控制模块是基于Cortex-M4嵌入式处理器的单片机。
3.根据权利要求1所述的带有自适应补偿功能的磁编码器，其特征在于：所述ADC处理单元采用16位差分模式实现对磁阻传感器输出的正余弦信号进行采样的功能并将其转换为数字信号。
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