CN111537004A

CN111537004A - 一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法及装置

Info

Publication number: CN111537004A
Application number: CN202010451871.0A
Authority: CN
Inventors: 王磊; 肖磊; 潘巍; 姜金刚
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2020-05-25
Filing date: 2020-05-25
Publication date: 2020-08-14

Abstract

本发明涉及一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法及装置。该方法及装置包括：单对极霍尔传感器测量，通过模数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单对极角度值θ₁；多对极霍尔传感器测量，通过模数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多对极角度值θ₂；多对极角度值细分处理模块对多对极角度值进行细分整合得到多对极角度值θ₃；等比例缩小模块将多对极角度值缩小输出θ₄与单对极角度值拟合模块输出的θ₅输入到角度值跳点处理模块，判断角度值跳点的位置并进行角度值跳点处理；本发明提供的方案通过对磁电编码器的测量值校正，使磁电编码器不受温度、震动等外界因素的影响，从而提高测量精度。

Description

一种基于单对极角度值拟合的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，涉及一种用于校正多对极磁电编码器角度值跳点的方法。

背景技术

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。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。

常用的测量角度的传统磁电编码器一般包括定子、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，通过信号处理板进行解算，从而实现角度测量。

然而，诸如霍尔元件之类的传感器，在不同的温度下，其特性会产生些许变化，这引起磁电编码器测量的结果产生偏移。也就是说，在机械位置相同但温度不同的情况下，磁电编码器中传感器特性的变化会造成测量结果不同。例如，在温度变化的条件下，霍尔元件采集输出的信号值发生了改变，导致单对极角度值与多对极角度值产生解算偏差。由于温度变化造成的单对极角度值与多对极角度值的偏差值具有随机性以及不一致性，致使单对极角度值与多对极角度值的映射关系发生改变，最终导致多对极角度值细分过程出现错误，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，旨在校正磁电编码器的跳点误差，使之在工作过程中，即使温度发生变化，测量结果仍然平滑，没有角度值跳点产生，因此可以提高磁电编码器的测量精度。

本发明是这样构思的：

一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)解算单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂；

(2)依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂对多对极角度值进行角度值细分，得到细分后的多对极角度值θ₃；

(3)将得到的细分后的多对极角度值θ₃进行等比例缩放，进而得到角度幅值范围在0～65535LSB内的多对极角度值θ₄；

(4)将单对极角度值θ₁向细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄进行拟合，得到拟合后的单对极角度值θ₅；

(5)判断拟合后的单对极角度值θ₅与细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄的差值范围，确定出现多对极跳点的具体位置并进行多对极角度值跳点补偿。

优选地，所述的解算单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的过程为：

霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔分别对单对极磁场信号与多对极磁场信号进行采集，进而得到单对极角度值信号A+、A-与多对极角度值信号B+、B-；然后通过单片机内置的模数转换通道对单对极角度值信号A+、A-与多对极角度值信号B+、B-进行数字转换，得到数字信号HA+、HA-、HB+、HB-；通过反正切公式(1)、(2)求解出单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂，其中单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂均为16位整数型数据，角度测量范围∈[0,65535]：

优选地，所述的多对极角度值的角度值细分过程包括：

通过单对极角度值θ₁的高10位角度值(变化范围从0到1023)查表确定多对极角度值极数P，然后由式(3)得到细分后的多对极角度值θ₃：

θ₃＝65535(P-1)+θ₂ (3)。

优选地，所述的将细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄进行拟合包括：

将得到的细分后的多对极角度值θ₃经过式(4)进行比例缩放，得到经过缩放的多对极角度值θ₄：

θ₄＝θ₃/(65535*P)*65535 (4)

将单对极角度值θ₁向细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄进行拟合，通过式(5)得到单对极角度值θ₁与经过缩放的多对极角度值θ₄的角度偏差量θ_err：

θ_err＝θ₁-θ₄ (5)

以单对极角度值θ₁的高10位角度值(变化范围从0到1023)为查表项，以角度偏差量θ_err作为被查表项，由式(6)得到经过查表修正拟合后的单对极角度值θ₅：

θ₅＝θ₁+θ_err (6)。

优选地，所述的多对极角度值跳点的具体位置判断与补偿包括：

由式(7)得到拟合后的单对极角度值θ₅与经过缩放的多对极角度值θ₄的角度偏差判断值θ_{err_f}：

θ_{err_f}＝θ₅-θ₄ (7)

此时角度偏差判断值θ_{err_f}的范围与单对极角度值θ₁以及拟合后的单对极角度值θ₅的噪声范围一致，假设θ_{err_f}∈[-N,+N]；当发生角度值跳点时，由式(8)得到经过缩放的多对极角度值θ₄的跳点数值θ_jump：

θ_jump＝±65535/P＝±Y (8)

式(8)中，Y为多对极角度跳点数值；

磁电编码器角度偏差判断值θ_{err_f}中的信号噪声N要远小于多对极角度跳点数值Y，然后对多对极角度值跳点位置进行判断，若磁电编码器的角度偏差判断值θ_{err_f}∈[N+(Y-N)/2,Y+Y/2]或θ_{err_f}∈[-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2]，则认为当前经过缩放的多对极角度值θ₄为跳点。

在判断出角度值跳动点后对跳动点值进行补偿，如果θ_{err_f}∈[N+(Y-N)/2,Y+Y/2]，则由式(9)得到经过跳点补偿的多对极角度值θ₆：

θ₆＝θ₄+65535/P (9)

若θ_{err_f}∈[-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2]，则由式(10)得到经过跳点补偿的多对极角度值θ₆：

θ₆＝θ₄-65535/P (10)。

优选地，所述的基于单对极角度值拟合的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；

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；

模数转换器，用于将单对极电压信号转换为数字信号，将多对极电压信号转换为数字信号；

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；

多对极角度值细分处理模块，用于将多对极角度值θ₂进行细分整合，假设多对极磁钢极数为16，单对极角度值θ₁角度值范围在0～65535LSB，多对极角度值θ₂的角度值范围在0～65535LSB，细分后的多对极角度值θ₃角度值范围在0～65535*16LSB；

等比例缩小模块，用于将得到的细分后的多对极角度值θ₃等比例缩小到0～65535LSB范围内，输出经过缩放的多对极角度值θ₄；

单对极角度值拟合模块，用于将单对极角度值θ₁向经过缩放的多对极角度值θ₄拟合，并输出拟合后的单对极角度值θ₅；

角度值跳点处理模块，用于判断拟合后的单对极角度值θ₅与经过缩放的多对极角度值θ₄的差值范围，并将角度值跳点进行处理，得到平滑无跳点的经过跳点补偿的多对极角度值θ₆。

本发明的有益效果：

1.本发明提供的多对极角度值跳点补偿方法通过对磁电编码器的测量值进行修正，使得磁电编码器尽可能不受温度、振动等外界因素的影响，使测量值在不同温度下保持平滑，没有角度值跳点，从而提高了测量精度。

2.本发明提供的多对极角度值跳点补偿方法可以由硬件、软件或软硬件结合的方式来实现。

附图说明

图1本发明实施例的磁电编码器的角度解算流程示意图；

图2本发明实施例的单对极角度值与多对极角度值；

图3本发明实施例的经过细分处理温度不变情况下的多对极角度值；

图4本发明实施例的经过细分及等比例缩小处理温度不变情况下的多对极角度值；

图5本发明实施例的拟合后单对极角度值θ₅及经过细分及等比例缩小θ₄；

图6本发明实施例低温环境下的拟合后单对极角度值θ₅及经过细分及等比例缩小θ₄；

图7本发明实施例的角度值跳点区间判断范围；

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：

本发明实施例的磁电编码器的角度解算流程示意图如图1所示：

单对极霍尔传感器模块，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，得到单对极信号A+、A-；

多对极霍尔传感器模块，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-；

模数转换器，用于将单对极电压信号A+、A-转换为数字信号，将多对极电压信号B+、B-转换为数字信号；经过模数转换，得到数字信号HA+、HA-、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，通过反正切公式(11)求解出单对极角度值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，通过反正切公式(12)求解出多对极角度值θ₂：

经过式(11)、(12)求解得到的单对极角度值θ₁以及多对极角度值θ₂如图2所示；

多对极角度值细分处理模块，用于将多对极角度值θ₂进行细分整合，假设多对极磁钢极数为16，单对极角度值θ₁角度值范围在0～65535LSB，多对极角度值θ₂的角度值范围在0～65535LSB；多对极角度值θ₂的细分处理过程具体采用以下方法实施：

通过单对极角度值θ₁的高10位角度值(数值范围为0到1023)查表确定多对极角度值极数P，然后由式(13)得到细分后的多对极角度值θ₃：

θ₃＝65535(P-1)+θ₂ (3)

本实例多对极磁钢极数为16，单对极角度值θ₁的高10位角度值范围(0～1023)，得到多对极角度值细分处理表格如下表所示：

单对极角度值高10位数值	多对极极数(P)
		0	1
1	1
		2	1
…
		…
…
		1021	15
1022	16
		1023	16

通过上述实施方法，得到细分后的多对极角度值θ₃如图3所示；

等比例缩小模块，用于将得到的细分后的多对极角度值θ₃等比例缩小到0～65535LSB范围内，通过式(14)得到经过缩放的多对极角度值θ₄：

θ₄＝θ₃/(65535*P)*65535＝θ₃/(65535*16)*65535(14)

经过等比例缩小模块输出的经过缩放的多对极角度值θ₄如图4所示；

单对极角度值拟合模块，用于将单对极角度值θ₁向经过缩放的多对极角度值θ₄拟合，并输出拟合后的单对极角度值θ₅，具体实施如下：

通过式(15)计算得到单对极角度值θ₁与经过缩放的多对极角度值θ₄间的角度偏差量θ_err:

θ_err＝θ₁-θ₄ (15)

以单对极角度值θ₁的高10数值(0～1023)为查表项，以角度偏差量θ_err作为被查表项，得到角度偏差修正表格如下表所示：

单对极角度值θ<sub>1</sub>高10位数值	θ<sub>err</sub>(LSB)
		0	θ<sub>err_0</sub>
1	θ<sub>err_1</sub>
		2	θ<sub>err_2</sub>
…
		…
…
		1021	θ<sub>err_1021</sub>
1022	θ<sub>err_1022</sub>
		1023	θ<sub>err_1023</sub>

经过查角度偏差修正表格，由式(16)得到拟合后的单对极角度值θ₅：

θ₅＝θ₁+θ_err (16)

经过单对极角度值拟合模块输出的修正后的拟合后的单对极角度值θ₅以及经过缩放的多对极角度值θ₄如图5所示。

此时将编码器放入低温箱中，并将温度降低至-30℃，保持2小时，然后再将拟合后的单对极角度值θ₅以及经过缩放的多对极角度值θ₄同步输出，如图6所示；

由于温度改变造成单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂发生改变，并且由于温度造成的单对极与多对极角度值偏差是不一致的，因此，单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系将发生改变，此时通过多对极角度值细分处理表格获取的多对极极数出现错误，导致多对极角度值细分处理模块输出的经过缩放的多对极角度值θ₄产生跳点；

本实施案例中，多对极磁电编码器极数为16，当发生角度值跳点时，由式(17)得到经过缩放的多对极角度值θ₄的跳点数值θ_jump为固定值Y＝±4095.9：

θ_jump＝±65535/16＝±4095.9 (17)

设定用于扫描角度值跳点的角度偏差判断值θ_{err_f}∈[N+(Y-N)/2,Y+Y/2]或θ_{err_f}∈[-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2]；拟合后的单对极角度值θ₅以及经过缩放的多对极角度值θ₄的偏差范围ΔN∈[-200,200]，因此角度偏差判断值θ_{err_f}∈[2198,7144]及θ_{err_f}∈[-7144,-2198]能够准确的确定跳点出现的位置，如图7所示。

进一步地，通过角度偏差判断值θ_{err_f}所处范围对经过缩放的多对极角度值θ₄进行角度值补偿，如果θ_{err_f}∈[2198,7144]，由式(18)得到经过跳点补偿的多对极角度值θ₆：

θ₆＝θ₄+4095.9 (18)

进一步地，通过角度偏差判断值θ_{err_f}所处范围对经过缩放的多对极角度值θ₄进行角度值补偿，如果θ_{err_f}∈[-7144,-2198]，由式(19)得到经过跳点补偿的多对极角度值θ₆：

θ₆＝θ₄-4095.9 (19)

应该理解，本文描述的上述方案可通过各种方式实现。例如，可以用硬件、软件或软硬件结合的方式来实现。对于硬件实现，可以在一个或者一个以上执行上述自校正方法的特定用途集成电路(ASIC)、数字信号处理器(DSP)、数字信号处理设备(DSPD)、可编程逻辑器件(PLD)、现场可编程门阵列(FPGA)、处理器、控制器、微控制器、微处理器、其他电子单元或者其结合内实现。

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

1.一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

(1)解算单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂；

2.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的解算单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的过程为：

3.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征是：所述的多对极角度值的角度值细分过程包括：

通过单对极角度值θ₁的高10位角度值查表确定多对极角度值极数P，然后由式(3)得到细分后的多对极角度值θ₃：

θ₃＝65525P+θ₂ (3)。

4.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的将细分后经过缩放的多对极角度值θ₄进行拟合包括：

将得到的细分后的多对极角度值θ₃经过式(4)进行比例缩放，得到缩放后的多对极角度值θ₄：

θ₄＝θ₃/(65535*P)*65535 (4)

将单对极角度值θ₁向细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄进行拟合，通过式(5)得到单对极角度值θ₁与经过缩放的多对极角度值θ₄的偏差量θ_err：

θ_err＝θ₁-θ₄ (5)

以单对极磁电编码器角度值θ₁的高10位角度值为查表项，以角度偏差值θ_err作为被查表项，由式(6)得到经过查表修正拟合后的单对极角度值θ₅：

θ₅＝θ₁+θ_err (6)。

5.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法，其特征在于：所述的多对极角度值跳点的具体位置判断与补偿包括：

θ_{err_f}＝θ₅-θ₄ (7)

θ_jump＝±65535/P＝±ΔY (8)

磁电编码器角度值偏差判断值θ_{err_f}中的信号噪声N要远小于多对极角度跳点数值Y，然后对多对极角度值跳点位置进行判断，若磁电编码器的角度偏差判断值θ_{err_f}∈[N+(Y-N)/2,Y+Y/2]或θ_{err_f}∈[-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2]，则认为当前经过缩放的多对极角度值θ₄为跳点。

θ₆＝θ₄+65535/P (9)

θ₆＝θ₄-65535/P (10)。

6.一种基于权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法的装置，其特征在于，包括：

等比例缩小模块，用于将得到的细分后的多对极角度值θ₃等比例缩小到0～65535LSB范围内，输出拟合后的单对极角度值θ₄；

单对极角度值拟合模块，用于将单对极角度值θ₁向经过缩放的多对极θ₄拟合，并输出拟合后的单对极角度值θ₅；

角度值跳点处理模块，用于判断拟合后的单对极角度值θ₅与经过缩放的多对极角度值θ₄的差值范围，并将角度值跳点进行处理，得到平滑无跳点的经过跳点补偿的多对极角度值。