CN109781150B - 一种磁编码器的控制方法、磁编码器及针织机器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁编码器的控制方法、磁编码器及针织机器。该磁编码器包括套设于电机的转动轴上的磁环以及位于转动轴侧向的磁场传感器，其中，磁环沿磁环的周向划分成至少一对磁极，磁极沿磁环的径向充磁，且相邻的两个磁环的外环面的磁极性互为相反；该磁编码器的控制方法包括：利用磁场传感器获取磁环在垂直于磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量；利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放；利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴的机械角度。通过磁编码器的控制方法可以实现对电机的转动轴的机械角度进行精准的控制。

Description

一种磁编码器的控制方法、磁编码器及针织机器

技术领域

本发明涉及电磁传感器测量的技术领域，特别是涉及一种磁编码器的控制方法、磁编码器及针织机器。

背景技术

针织机器中有用到一种两边都要把转轴伸到外面的步进电机，一边转轴用来带动机构部件工作，另一边露出的转轴是为了卡扳手来调整电机位置。如果这种电机要求稳定运行和位置控制，那么它就需要一个编码器。目前行业内使用的编码器是用霍尔传感器检测25齿的齿轮片输出脉冲。这种霍尔齿轮编码器一圈内只能输出25个脉冲，精度不高；并且在步进电机高速转动时，还会出现脉冲丢失，最终导致位置控制不准。

因此，我们需要重新设计一种磁编码器以改善这种情况。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种磁编码器的控制方法、磁编码器及针织机器，通过该磁编码器的控制方法可以解决目前编码器精度不高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：一种磁编码器的控制方法，该磁编码器包括套设于电机的转动轴上的磁环以及位于转动轴侧向的磁场传感器，其中，磁环沿磁环的周向划分成至少一对磁极，磁极沿磁环的径向充磁，且相邻的两个磁环的外环面的磁极性互为相反；该磁编码器的控制方法包括：利用磁场传感器获取磁环在垂直于磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量；利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放；利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴的机械角度。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：一种磁编码器，该磁编码器包括磁环和磁场传感器，磁环用于套设在电机的转动轴上，磁环沿磁环的周向划分成至少一对磁极，磁极沿磁环的径向充磁，且相邻的两个磁环的外环面的磁极性互为相反，磁场传感器用于放置在传动轴的侧向上，以获取磁环在垂直于磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，磁场传感器用于利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放，以及利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴的机械角度。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种针织机器，该针织机器包括电机、磁环和磁场传感器，磁环套设在电机的转动轴上，磁环沿磁环的周向划分成至少一对磁极，磁极沿磁环的径向充磁，且相邻的两个磁环的外环面的磁极性互为相反，磁场传感器放置在传动轴的侧向上，以获取磁环在垂直于磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，磁场传感器用于利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放，以及利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴的机械角度。

本发明的有益效果是：区别现有技术的情况，本发明人将磁场传感器放置在转动轴的侧向上，以避免磁场传感器影响到电机的正常工作。但是磁场传感器放置在转动轴的侧向上会带来一个问题，磁场传感器根据所测到的垂直磁场分量和水平磁场分量而计算出来的磁场角度与转动轴的机械角度呈非线性关系，这个势必造成无法精确了解到转动轴的机械角度，机械角度和磁场角度存在比较大的偏差，从而磁场传感器无法精确控制电机的转动。因此本发明人利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放，以消除机械角度与磁场角度之间的偏差，以达到精准控制电机转动的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本申请提供的针织机器的一实施例的结构示意图；

图2是本申请提供的磁环的一实施例的结构示意图；

图3是本申请提供的磁环的另一实施例的结构示意图；；

图4是本申请提供的实际机械角度与实际磁场角度对应关系的一实施例的曲线图；

图5是本申请提供的磁编码器的控制方法的一实施例的流程图；

图6是本申请提供的磁编码器的控制方法的另一实施例的流程图；

图7是本申请提供的实际机械角度与第一误差值对应关系的一实施例的曲线图；

图8是本申请提供的实际机械角度与实际磁场角度对应关系的另一实施例的曲线图；

图9是本申请提供的实际机械角度与偏差值对应关系的一实施例的曲线图；

图10是本申请提供的磁编码器的控制方法的另一实施例的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。

请参阅图1，图1是本申请提供的针织机器的一实施例的结构示意图。

本申请的针织机器包括电机10和磁编码器20，电机10包括转动轴11和电机保护壳12，磁编码器20用于精确控制转动轴11的转动，磁编码器20包括磁环21和磁场传感器22，磁环21套设在电机10的转动轴11上，磁环21沿磁环21的周向划分成至少一对磁极，磁极沿磁环21的径向充磁，且相邻的两个磁环21的外环面的磁极性互为相反，磁场传感器22放置在传动轴的侧向上，以获取磁环21在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，从而进一步获取电机10转动的机械角度，从而达到精确控制电机10的目的。磁场传感器22具有测量、计算和控制的能力。

可选地，水平磁场分量为沿磁环21的径向的磁场分量，垂直磁场分量为沿磁环21的切向的磁场分量，这两个方向上的磁场分量互不干扰，可以直接用于计算磁场角度。

如图2所示，为磁环21的周向划分成一对磁极的情况，如图3所示，为磁环21的周向划分成两对磁极的情况，两对磁极的情况还包括一种状态：磁环21的内部不额外嵌设磁环21，图3所示在磁环21的内部额外嵌设磁环21的设计可以提高磁环21整体的稳定性。在下述实施例中，将以一对磁极的情况进行讲解说明。

针织机器用于纺织针织物，例如毛衣或者袜子等，针织机器的电机10需要将转动轴11的两端均从电机保护壳12伸出，转动轴11的一端用来带动机构部件工作以纺织针织物，转动轴11的另一端用来在调机时供扳手夹持以调整电机10的转动轴11的位置。因此本发明人将磁场传感器22放置在转动轴11的侧向上，以避免磁场传感器22影响到电机10的正常工作。但是磁场传感器22放置在转动轴11的侧向上会带来一个问题，如图4所示，磁场传感器22根据所测到的垂直磁场分量和水平磁场分量而计算出来的磁场角度与转动轴11的机械角度呈非线性关系，这个势必造成无法精确了解到转动轴11的机械角度，机械角度和磁场角度存在比较大的偏差，从而磁场传感器22无法精确控制电机10的转动。因此本发明人设计了一种磁编码器20的控制方法以消除机械角度与磁场角度之间的偏差，以达到精准控制电机10转动的目的。

请参阅图5，图5是本申请提供的磁编码器20的控制方法的一实施例的流程图。该控制方法包括如下步骤，具体步骤是基于磁场传感器22完成：

S101：利用磁场传感器22获取磁环21在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量。

磁场传感器22可以直接获取在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，从而计算出实际的磁场角度α₁，

其中，X为垂直磁场分量，Y为水平磁场分量。

S102：利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放。

缩放系数为一个常数，主要是为了以一定倍数的缩放垂直磁场分量或水平磁场分量，从而使计算出来磁场角度与机械角度相同，或者使计算出来磁场角度与机械角度的偏差减小。

S103：利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴11的机械角度。

在以缩放系数为标准缩放了垂直磁场分量或水平磁场分量后，计算出来的磁场角度当做机械角度去控制电机10。

请参阅图6，图6是本申请提供的磁编码器20的控制方法的另一实施例的流程图。该控制方法包括如下步骤，具体步骤是基于磁场传感器22完成：

S201：利用磁场传感器22获取磁环21在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量。

磁场传感器22可以直接获取在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，从而计算出实际的磁场角度α₁，

其中，X为垂直磁场分量，Y为水平磁场分量。

S202：获取磁环21在参考平面内的磁场角度与转动轴11的实际机械角度之间的对应关系。

在电机10的转动过程中，可以模拟电机10的转动，以得到转动轴11的实际机械角度与磁场角度的对应关系。如图4所示。

S203：计算磁场角度与对应的实际机械角度之间的第一误差值。

在得到图4数据后，以实际的机械角度为X轴，实际机械角度减去磁场角度后的第一误差值为Y轴得到如图7所示的曲线图。

S204：选择第一误差值处于极值位置处的磁场角度与实际机械角度，并利用公式计算得到缩放系数。

从图7可以得知磁场角度相对于实际的机械角度的偏差情况。图7中存在多个波峰和波谷，此时，磁场角度相对于机械角度的偏差最大，我们称这些位置为极值位置处；图7中存在多个波峰和波谷，此时，磁场角度等于机械角度，偏差为零，我们称这些位置为零点位置处。

本发明人取在第一误差值处于极值位置处的磁场角度与实际机械角度，并利用公式计算得到缩放系数。

其中，K为缩放系数，θ1为实际机械角度，θ2磁场角度。

例如，机械角度为64度时的极值位置处，实际磁场角度为41度，此时存在偏差23度，带入公式得到的K＝2.36。

值得注意的是，以上为一对磁极的情况说明，当磁极对数为N时，磁场角度的范围变成0-360°·N，此时

实际机械角度经过N倍放大后，从而拉大了实际磁场角度与实际机械角度的偏差范围，使实际磁场角度与放大后的实际机械角度的曲线关系更加接近于直线，即实际磁场角度与放大后的实际机械角度更加接近于线性变化。每个位置的磁场角度在经过缩放系数缩放后，与实际每个位置的放大后的机械角度的偏差更加均衡，误差大幅波动的现象得到改善。如图8所示为两对磁极的情况下实际机械角度和实际磁场角度的对应曲线关系，在对实际机械角度进行对应倍数的放大后，类似将该曲线沿X轴横向拉伸对应的倍数，曲线的斜率明显变缓，这样放大后的机械角度与磁场角度的偏差波动也会明显变缓。

S205：利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放。

S206：利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴11的机械角度。

经过步骤S204得到缩放系数K，缩放系数为一个常数，主要是为了以一定倍数的缩放垂直磁场分量或水平磁场分量，从而使计算出来磁场角度与机械角度相同，或者使计算出来磁场角度与机械角度的偏差减小。计算出来的磁场角度

如图9所示，在经过缩放系数K补偿后，以实际的机械角度为X轴，实际机械角度减去补偿计算后的磁场角度的值为Y轴得到如图9所示的曲线图，该曲线图可以直观反映出偏差控制在0.6度以下(具体数值仅供参考，不同情况下的测量数值不同，具体和磁环21大小、磁环21与磁场传感器22的距离等因素有关，在此不一一赘述)，此外，零点位置由之前的4个增加到8个，显著的提高了机械角度的精度。

在以缩放系数为标准缩放了垂直磁场分量或水平磁场分量后，计算出来的磁场角度当做机械角度去控制电机10。可选地，在一般生产需求下，可以近似取实际的机械角度

可选地，在通过上述方法计算出缩放系数K后，对缩放系数K进行微调，以减小计算得到的所述机械角度相对于实际机械角度的偏差。对缩放系数K进行微调的大小与磁环21大小、磁环21与磁场传感器22的距离等因素有关。对缩放系数K进行微调的幅度不宜过大，过大反而会造成适得其反的效果。

请参阅图10，图10是本申请提供的磁编码器20的控制方法的另一实施例的流程图。该控制方法包括如下步骤，具体步骤是基于磁场传感器22完成：

S301：利用磁场传感器22获取磁环21在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量。

磁场传感器22可以直接获取在垂直于磁环21的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，从而计算出实际的磁场角度α₁，

其中，X为垂直磁场分量，Y为水平磁场分量。

S302：利用预设的缩放系数对磁场角度所对应的水平磁场分量或垂直磁场分量进行缩放，并重新计算出缩放后的磁场角度。

缩放系数为一个常数，主要是为了以一定倍数的缩放垂直磁场分量或水平磁场分量，从而重新计算出缩放后的磁场角度。

S303：计算缩放后的磁场角度与实际机械角度之间的第二误差值。

将实际机械角度减去缩放后的磁场角度从而得到第二误差值。

S304：根据第二误差值和缩放后的磁场角度的对应关系生成误差曲线。

缩放后的磁场角度为X轴，第二误差值为Y轴，对应得到误差曲线图，该曲线图可以直观反映出缩放后的磁场角度与实际机械角度的偏差情况。

S305：利用预设的缩放系数对垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放。

缩放系数为一个常数，主要是为了以一定倍数的缩放垂直磁场分量或水平磁场分量，从而使计算出来磁场角度与机械角度相同，或者使计算出来磁场角度与机械角度的偏差减小。

S306：利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算转动轴11的机械角度。

利用缩放后的垂直磁场分量或水平磁场分量计算缩放后的磁场角度，计算出来磁场角度与机械角度相同，或者使计算出来磁场角度与机械角度的偏差减小，在误差允许的范围内，可以将计算出来磁场角度作为转动轴11的机械角度。

S307：利用计算的转动轴11的机械角度在误差曲线上确定对应的第二误差值。

参考步骤S304生成的误差曲线，利用计算的转动轴11的机械角度在误差曲线上确定对应的第二误差值，即利用计算出来的磁场角度在误差曲线上确定对应的第二误差值。

S308：根据第二误差值对计算的转动轴11的机械角度进行校正。

经过步骤S308矫正后的机械角度等于计算出来的磁场角度与第二误差值的和，即实时对计算出来的磁场角度进行第二误差值的补偿，以使机械角度完全精准。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

以上仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种磁编码器的控制方法，其特征在于，所述磁编码器包括套设于电机的转动轴上的磁环以及位于所述转动轴侧向的磁场传感器，其中，所述磁环沿所述磁环的周向划分成至少一对磁极，所述磁极沿所述磁环的径向充磁，且相邻的两个所述磁环的外环面的磁极性互为相反；

所述磁编码器的控制方法包括：

利用所述磁场传感器获取所述磁环在垂直于所述磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量；

利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放；

利用缩放后的所述垂直磁场分量或水平磁场分量计算所述转动轴的机械角度；

其中，所述缩放系数的计算公式为：

其中，K为所述缩放系数，θ1为所述磁环在所述参考平面内的磁场角度与所述转动轴的对应实际机械角度之间的第一误差值处于极值位置时的所述实际机械角度，θ2为所述第一误差值处于所述极值位置时的所述磁场角度，N为所述磁极的对数。

2.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放的步骤之前，进一步包括：

获取所述磁环在所述参考平面内的磁场角度与所述转动轴的实际机械角度之间的对应关系；

计算所述磁场角度与对应的所述实际机械角度之间的第一误差值；

基于所述第一误差值计算所述缩放系数。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征在于，所述利用缩放后的所述垂直磁场分量或水平磁场分量计算所述转动轴的机械角度的步骤包括：

利用以下公式计算所述机械角度：

其中，θ为所述计算的机械角度，X为所述垂直磁场分量，Y为所述水平磁场分量。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征在于，所述水平磁场分量为沿所述磁环的径向的磁场分量，所述垂直磁场分量为沿所述磁环的切向的磁场分量。

5.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放的步骤之前，进一步包括：

利用预设的所述缩放系数对所述磁场角度所对应的水平磁场分量或垂直磁场分量进行缩放，并重新计算出缩放后的磁场角度；

计算所述缩放后的磁场角度与所述实际机械角度之间的第二误差值；

根据所述第二误差值和所述缩放后的磁场角度的对应关系生成误差曲线；

所述利用缩放后的所述垂直磁场分量或水平磁场分量计算所述转动轴的机械角度的步骤之后，进一步包括：

利用计算的所述转动轴的机械角度在所述误差曲线上确定对应的第二误差值；

根据所述第二误差值对所述计算的所述转动轴的机械角度进行校正。

6.根据权利要求1所述的控制方法，其特征在于，所述利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放的步骤，进一步包括：

对所述缩放系数进行微调，以减小计算得到的所述机械角度相对于实际机械角度的偏差。

7.一种磁编码器，其特征在于，所述磁编码器包括磁环和磁场传感器，所述磁环用于套设在电机的转动轴上，所述磁环沿所述磁环的周向划分成至少一对磁极，所述磁极沿所述磁环的径向充磁，且相邻的两个所述磁环的外环面的磁极性互为相反，所述磁场传感器用于放置在所述转动轴的侧向上，以获取所述磁环在垂直于所述磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，所述磁场传感器用于利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放，以及利用缩放后的所述垂直磁场分量或水平磁场分量计算所述转动轴的机械角度，其中，所述缩放系数的计算公式为：

其中，K为所述缩放系数，θ1为所述磁环在所述参考平面内的磁场角度与所述转动轴的对应实际机械角度之间的第一误差值处于极值位置时的所述实际机械角度，θ2为所述第一误差值处于所述极值位置时的所述磁场角度，N为所述磁极的对数。

8.根据权利要求7所述的磁编码器，其特征在于，所述磁场传感器用于获取所述磁环在所述参考平面内的磁场角度与所述转动轴的实际机械角度之间的对应关系，以及计算所述磁场角度与对应的所述实际机械角度之间的第一误差值，基于所述第一误差值计算所述缩放系数。

9.根据权利要求8所述的磁编码器，其特征在于，所述磁场传感器用于利用以下公式计算所述机械角度：

其中，θ为所述计算的机械角度，X为所述垂直磁场分量，Y为所述水平磁场分量。

10.一种针织机器，其特征在于，所述针织机器包括电机、磁环和磁场传感器，所述磁环套设在电机的转动轴上，所述磁环沿所述磁环的周向划分成至少一对磁极，所述磁极沿所述磁环的径向充磁，且相邻的两个所述磁环的外环面的磁极性互为相反，所述磁场传感器放置在所述转动轴的侧向上，以获取所述磁环在垂直于所述磁环的轴向的参考平面内的垂直磁场分量和水平磁场分量，所述磁场传感器用于利用预设的缩放系数对所述垂直磁场分量或水平磁场分量进行缩放，以及利用缩放后的所述垂直磁场分量或水平磁场分量计算所述转动轴的机械角度，其中，所述缩放系数的计算公式为：

其中，K为所述缩放系数，θ1为所述磁环在所述参考平面内的磁场角度与所述转动轴的对应实际机械角度之间的第一误差值处于极值位置时的所述实际机械角度，θ2为所述第一误差值处于所述极值位置时的所述磁场角度，N为所述磁极的对数。

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