CN111551194B - 基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置 - Google Patents

基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置 Download PDF

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CN111551194B CN202010430321.0A CN202010430321A CN111551194B CN 111551194 B CN111551194 B CN 111551194B CN 202010430321 A CN202010430321 A CN 202010430321A CN 111551194 B CN111551194 B CN 111551194B
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Abstract

本发明涉及于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置，包括：单对极、多对极霍尔传感器对角度值信号进行测量，模数转换器对霍尔信号进行模数转换，通过单对极角度计算模块和多对极角度计算模块获得单对极角度值、多对极角度值；采用边界数整除及当前解算周期多对极角度值极数计算模块，用于确定当前解算周期多对极角度值极数计算值；角度精分处理模块，依据当前解算周期多对极角度值极数计算值进行角度值精分处理，得到最终精分后的多对极角度值，本发明能够有效解决由于磁电编码器信号噪声引起的角度值过零点位置难以准确判断问题，实现准确的多对极磁电编码器极数判断，实现角度精分。

Description

基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置
技术领域
本发明属于编码器制造领域，具体涉及基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置。
背景技术
磁电编码器具有具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。例如，图1是多对极磁电编码器的示例性霍尔元件分布图，如图1所示，4个霍尔元件A+、B+、A-、B-，其中单对极霍尔A+、A-围绕着信号处理板的圆心相隔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-围绕着信号处理板的圆心按照相隔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，因为磁电编码器角度值解算过程依赖磁场信号的模数转换过程，因此系统电源噪声、信号噪声对于磁电编码器的精度存在极大影响，磁电编码器角度值中夹杂着高频噪声，在磁电编码器角度值过零点位置存在着往复过零点现象，该种现象直接导致多对极角度值极数难以判断，导致多对极角度值在精分过程中存在跳点，直接影响磁电编码器角度值输出稳定性，针对以上问题本发明提出基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法及装置。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在解决由于磁电编码器信号噪声引起的角度值过零点位置难以准确判断问题，实现准确的多对极磁电编码器极数判断，实现角度精分。
本发明公布了基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法，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)对单对极角度值信号A+、A-，多对极角度值信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-，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)得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，得到以边界单对极角度值θkL、θkR为横坐标，以边界数M为纵坐标的表格，并依据边界数M-4与2做除法的商quo及余数值rem，对多对极角度值极数Pfin进行计算；
(5)依据最终多对极角度值极数值Pfin，得到最终精分的多对极角度值θseg；
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角度值信号A+、A-，通过多对极霍尔传感器得到多对极角度值信号B+、B-。
作为优选，所述的步骤(2)，经过模数转换器对单对极角度值信号A+、A-以及多对极角度值信号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：
Figure BDA0002500300750000021
作为优选，所述的步骤(4)，采用以下方法实施：
得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，单对极角度值θ1和多对极角度值θ2测量范围均为[0,65535]，将多对极角度值θ2进行前后差分计算，当差分计算过程处于多对极编码器角度值过零点位置前后时，差分值会产生跳变，如果多对极磁电编码器的充磁极对数为k，则经过该差分计算过程则会产生k次角度值跳变过程；
由于磁电编码器角度值信号的噪声影响，在多圈采集得到单对极角度值与多对极角度值排序后，每旋转一圈多对极角度值过零点位置对应的单对极角度值不完全一致，致使k个过零点区间对应的单对极角度值不是一个固定数值，而是一个区间范围，首先依据多对极角度值差分计算产生的角度跳变值，提取k个多对极角度值过零点边界位置对应单对极角度值θk，以θk为基准，分别向左侧、右侧延伸区间宽度θt，得到k个左侧边界单对极角度值θkL，得到k个右侧边界单对极角度值θkR，如式(2)所示：
Figure BDA0002500300750000031
为了包含全部角度值范围，对多对极角度值起始点数据和终点数据也进行向左侧、右侧延伸区间宽度θt，因此，共得到2k+4个边界对应的单对极角度值(k+2个左侧边界单对极角度值θkL，k+2个右侧边界单对极角度值θkR)，得到2k+3个单对极角度值边界区间，以2k+4个边界单对极角度值为横坐标，以边界数M∈[6,2k+4]为纵坐标建立表格；
在实际工作中，依据当前单对极角度值θ1向表格查询所在单对极角度值边界区间，查表得到当前边界数M，对M进行以下计算处理得到商quo，如式(3)所示
Figure BDA0002500300750000032
以及余数值rem，如式(4)所示：
rem＝MOD(M-4,2) (4)
式中，MOD表示对M-4除以2的取余函数；
对余数rem进行以下判断：当余数值rem＝0时，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(5)所示：
Pfin＝quo (5)
当余数值rem≠0时，θ2＞30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(6)所示：
Pfin＝quo+1 (6)
当余数值rem≠0时，θ2≤30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(7)所示：
Pfin＝quo (7)。
作为优选，所述的步骤(5)，通过以下方法实现：
依据当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，得到精分后的多对极角度值θseg，如式(8)所示：
θseg＝65535(Pfin-1)+θ2 (8)
此时，取最大的当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，记为Pfin_max，得到的精分后的多对极角度值范围θseg∈[0,65535*Pfin_max]，有效提高了磁电编码器分辨率。
本发明还公布了基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分装置，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-；
模数转换器，用于将单对极角度值信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-，将多对极角度值信号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；
边界数整除及当前解算周期多对极角度值极数计算模块，用于确定当前解算周期多对极角度值极数计算值；
角度精分处理模块，依据当前解算周期多对极角度值极数计算值进行角度值精分处理，得到最终精分后的多对极角度值。
本发明的有益效果为：
1.所提出方法的基于简单的除法及商、余数判断，算法简单，便于实现，可以有效的解决磁电编码器过零点位置极数判断不准确的问题。
2.该种方法边界判断范围存在一定的区域宽度，可以提高该种极数判断方法的可靠性，当环境温度、信号噪声变化时，该种方法仍然能够实现准确的多对极极数判断。
3.多对极角度值极数判断计算采用查表方式，依据单对极角度值所处区间范围进行查表，提高了角度值精分过程的运算速度。
附图说明：
图1为多对极磁电编码器的示例性霍尔元件分布图；
图2为本发明所述编码器的工作原理图；
图3为排序后采样点与单对极角度值和多对极角度值关系图；
图4采样点与多对极角度值差分输出值关系图；
图5为边界数与边界对应的单对极角度值关系图；
图6为整数除法判断计算过程示例图；
图7精分后采样点与多对极磁电编码器角度值关系图；
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
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角度值精分过程结构示意图，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-；
模数转换器103，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104，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ1，单对极角度值数字信号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；
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，多对极角度值数字信号HB+、HB-间的相位角度偏差为90°，通过反正切公式(1)求解出多对极角度值θ2；
Figure BDA0002500300750000061
边界数整除及当前解算周期多对极角度值极数计算模块106，用于确定当前解算周期多对极角度值极数计算值；具体实施方式如下：
图3为排序后采样点与单对极角度值和多对极角度值关系图，得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，如图3所示，得到以边界单对极角度值θkL、θkR为横坐标，以边界数M为纵坐标的表格，并依据边界数M-4与2做除法的商quo及余数值rem，对当前解算周期多对极角度值极数Pfin进行计算；
图4采样点与多对极角度值差分输出值关系图，单对极角度值θ1和多对极角度值θ2测量范围均为[0,65535]，将多对极角度值θ2进行前后差分计算，当差分计算过程处于多对极编码器角度值过零点位置前后时，差分值会产生跳变，如果多对极磁电编码器的充磁极对数为16，则经过该差分计算过程则会产生16次角度值跳变过程，如图4所示；
由于磁电编码器角度值信号的噪声影响，在多圈采集得到单对极角度值与多对极角度值排序后，每旋转一圈多对极角度值过零点位置对应的单对极角度值不完全一致，致使k个过零点区间对应的单对极角度值不是一个固定数值，而是一个区间范围，首先依据多对极角度值差分计算产生的角度跳变值，提取k个多对极角度值过零点边界位置对应单对极角度值θk，以θk为基准，分别向左侧、右侧延伸区间宽度θt，得到k个左侧边界单对极角度值θkL，得到k个右侧边界单对极角度值θkR，如式(2)所示：
Figure BDA0002500300750000071
图5为边界数与边界对应的单对极角度值关系图，为了包含全部角度值范围，对多对极角度值起始点数据和终点数据也进行向左侧、右侧延伸区间宽度θt，因此，共得到2k+4个边界对应的单对极角度值(k+2个左侧边界单对极角度值θkL，k+2个右侧边界单对极角度值θkR)，得到2k+3个单对极角度值边界区间，以2k+4个边界单对极角度值为横坐标，以边界数M∈[6,2k+4]为纵坐标建立表格；
在实际工作中，依据当前单对极角度值θ1向表格查询所在单对极角度值边界区间，查表得到当前边界数M，对M进行以下计算处理得到商quo，如式(3)所示
Figure BDA0002500300750000072
以及余数值rem，如式(4)所示：
rem＝MOD(M-4,2) (4)
式中，MOD表示对M-4除以2的取余函数；
对余数rem进行以下判断：当余数值rem＝0时，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(5)所示：
Pfin＝quo (5)
当余数值rem≠0时，θ2＞30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(6)所示：
Pfin＝quo+1 (6)
当余数值rem≠0时，θ2≤30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(7)所示：
Pfin＝quo (7)
图6为整数除法判断计算过程示例图，为了便于观测对比，将多对极角度值、边界值除法余数值、边界数、边界值除法商值进行处理并同步输出，如图6所示。
角度精分处理模块107，依据当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，得到精分后的多对极角度值θseg，如式(8)所示：
θseg＝65535(Pfin-1)+θ2 (8)
图7精分后采样点与多对极磁电编码器角度值关系图，此时，本具体实施案例的多对极充磁极对数为16，得到的精分后的多对极角度值范围θseg∈[0,65535*16]，如图7所示，有效提高了磁电编码器分辨率。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (5)

1.基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
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-；
步骤(2)：对单对极角度值信号A+、A-，多对极角度值信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-，多对极角度值数字信号HB+、HB-；单对极角度值数字信号HA+与HA-的相位角度偏差为90°，多对极角度值数字信号HB+与HB-的相位角度偏差为90°；
步骤(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；
步骤(4)：得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，得到以边界单对极角度值θkL、θkR为横坐标，以边界数M为纵坐标的表格，并依据边界数M-4与2做除法的商quo及余数值rem，对多对极角度值极数Pfin进行计算；
所述的步骤(4)，采用以下方法实施：
得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，单对极角度值θ1和多对极角度值θ2测量范围均为[0,65535]，将多对极角度值θ2进行前后差分计算，当差分计算过程处于多对极编码器角度值过零点位置前后时，差分值会产生跳变，如果多对极磁电编码器的充磁极对数为k，则经过该差分计算过程则会产生k次角度值跳变过程；
由于磁电编码器角度值信号的噪声影响，在多圈采集得到单对极角度值与多对极角度值排序后，每旋转一圈多对极角度值过零点位置对应的单对极角度值不完全一致，致使k个过零点区间对应的单对极角度值不是一个固定数值，而是一个区间范围，首先依据多对极角度值差分计算产生的角度跳变值，提取k个多对极角度值过零点边界位置对应单对极角度值θk，以θk为基准，分别向左侧、右侧延伸区间宽度θt，得到k个左侧边界单对极角度值θkL，得到k个右侧边界单对极角度值θkR，如式(2)所示：
Figure FDA0003284324000000021
为了包含全部角度值范围，对多对极角度值起始点数据和终点数据也进行向左侧、右侧延伸区间宽度θt，因此，共得到2k+4个边界对应的单对极角度值，所述2k+4个边界对应的单对极角度值包括k+2个左侧边界单对极角度值θkL，k+2个右侧边界单对极角度值θkR，得到2k+3个单对极角度值边界区间，以2k+4个边界单对极角度值为横坐标，以边界数M∈[6,2k+4]为纵坐标建立表格；
在实际工作中，依据当前单对极角度值θ1向表格查询所在单对极角度值边界区间，查表得到当前边界数M，对M进行以下计算处理得到商quo，如式(3)所示
Figure FDA0003284324000000022
以及余数值rem，如式(4)所示：
rem＝MOD(M-4,2) (4)
式中，MOD表示对M-4除以2的取余函数；
对余数rem进行以下判断：当余数值rem＝0时，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(5)所示：
Pfin＝quo (5)
当余数值rem≠0时，θ2＞30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(6)所示：
Pfin＝quo+1 (6)
当余数值rem≠0时，θ2≤30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(7)所示：
Pfin＝quo (7)；
步骤(5)：依据最终多对极角度值极数值Pfin，得到最终精分的多对极角度值θseg；
所述的步骤(5)，通过以下方法实现：
依据当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，得到精分后的多对极角度值θseg，如式(8)所示：
θseg＝65535(Pfin-1)+θ2 (8)
此时，取最大的当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，记为Pfin_max，得到的精分后的多对极角度值范围θseg∈[0,65535*Pfin_max]，有效提高了磁电编码器分辨率。
2.根据权利要求1所述的基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(1)，通过单对极霍尔传感器得到单对极角度值信号A+、A-，通过多对极霍尔传感器得到多对极角度值信号B+、B-。
3.根据权利要求1所述的基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法，其特征在于：所述的步骤(2)，经过模数转换器对单对极角度值信号A+、A-以及多对极角度值信号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所述的基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分方法，其特征在于：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：
Figure FDA0003284324000000031
5.基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分装置，其特征在于：所述的基于整数除法判断的多对极磁电编码器角度精分装置包括：
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-；
模数转换器，用于将单对极角度值信号A+、A-转换为单对极角度值数字信号HA+、HA-，将多对极角度值信号B+、B-转换为多对极角度值数字信号HB+、HB-，单对极角度值数字信号HA+与HA-的相位角度偏差为90°，多对极角度值数字信号HB+与HB-的相位角度偏差为90°；
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；
边界数整除及当前解算周期多对极角度值极数计算模块，用于确定当前解算周期多对极角度值极数计算值，采用以下方法实施：
得到单对极角度值θ1和多对极角度值θ2的绝对映射关系，将单对极角度值θ1按从小到大的顺序进行排列，多对极角度值θ2按照单对极角度值θ1的初始映射关系进行移动，单对极角度值θ1和多对极角度值θ2测量范围均为[0,65535]，将多对极角度值θ2进行前后差分计算，当差分计算过程处于多对极编码器角度值过零点位置前后时，差分值会产生跳变，如果多对极磁电编码器的充磁极对数为k，则经过该差分计算过程则会产生k次角度值跳变过程；
由于磁电编码器角度值信号的噪声影响，在多圈采集得到单对极角度值与多对极角度值排序后，每旋转一圈多对极角度值过零点位置对应的单对极角度值不完全一致，致使k个过零点区间对应的单对极角度值不是一个固定数值，而是一个区间范围，首先依据多对极角度值差分计算产生的角度跳变值，提取k个多对极角度值过零点边界位置对应单对极角度值θk，以θk为基准，分别向左侧、右侧延伸区间宽度θt，得到k个左侧边界单对极角度值θkL，得到k个右侧边界单对极角度值θkR，如式(2)所示：
Figure FDA0003284324000000041
为了包含全部角度值范围，对多对极角度值起始点数据和终点数据也进行向左侧、右侧延伸区间宽度θt，因此，共得到2k+4个边界对应的单对极角度值，所述2k+4个边界对应的单对极角度值包括k+2个左侧边界单对极角度值θkL，k+2个右侧边界单对极角度值θkR，得到2k+3个单对极角度值边界区间，以2k+4个边界单对极角度值为横坐标，以边界数M∈[6,2k+4]为纵坐标建立表格；
在实际工作中，依据当前单对极角度值θ1向表格查询所在单对极角度值边界区间，查表得到当前边界数M，对M进行以下计算处理得到商quo，如式(3)所示
Figure FDA0003284324000000042
以及余数值rem，如式(4)所示：
rem＝MOD(M-4,2) (4)
式中，MOD表示对M-4除以2的取余函数；
对余数rem进行以下判断：当余数值rem＝0时，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(5)所示：
Pfin＝quo (5)
当余数值rem≠0时，θ2＞30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(6)所示：
Pfin＝quo+1 (6)
当余数值rem≠0时，θ2≤30000，当前解算周期多对极角度值极数Pfin，如式(7)所示：
Pfin＝quo (7)；
角度精分处理模块，依据当前解算周期多对极角度值极数计算值进行角度值精分处理，得到最终精分后的多对极角度值，通过以下方法实现：
依据当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，得到精分后的多对极角度值θseg，如式(8)所示：
θseg＝65535(Pfin-1)+θ2 (8)
此时，取最大的当前解算周期多对极角度值极数值Pfin，记为Pfin_max，得到的精分后的多对极角度值范围θseg∈[0,65535*Pfin_max]，有效提高了磁电编码器分辨率。
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