CN111623807A - 一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法及装置，基于多对极磁电编码器角度值冗余输出方法的实现装置，首先解算单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂；经过角度值细分进而得到细分后多对极角度值θ₃；将θ₃进行等比例缩放得到角度幅值范围在0～65535LSB内的多对极角度值θ₄；将单对极角度值θ₁向角度值θ₄进行拟合得到拟合后的单对极角度值θ₅；依据拟合后的单对极角度值θ₅与角度值θ₄的差值范围判断最终角度值θ_fin输出，即判断是否角度值差值范围超过设定范围，从而确定角度值θ₄是否出现解算故障，若出现解算故障，则使用角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，若未出现解算故障，则使用角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出。本发明旨在校正磁电编码器的跳点误差，即使温度发生变化，磁电编码器测量结果可避免产生跳点，有效提高磁电编码器的测量精度。

Description

一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法及装置

技术领域

本发明总体上涉及磁电编码器，具体地说，涉及一种用于实现多对极磁电编码器角度值冗余输出的方法及装置。

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。如图1所示为多对极磁电编码器的示例性霍尔元件分布图。图中，4个霍尔元件A+、B+、A-、B-，其中单对极霍尔A+、A-围绕着定子的圆周相隔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-围绕着定子的圆周按照相隔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，在实际工作环境中，多对极磁钢因为环境振动或温度过高等问题常出现磁钢碎裂现象，因为多对极磁电编码器角度值的输出依靠多对极角度值和单对极角度值的对应关系进行解算，当多对极磁电编码器磁钢突然碎裂时，会导致角度值输出突然发生跳变，角度值输出错误，控制系统无法正常使用，针对该问题本发明提出一种冗余角度值输出方法，当多对极磁钢发生故障时，采用单对极角度值维持角度值的正常输出，提高了控制系统的整体可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出一种方案，旨在提高磁电编码器角度值输出的可靠性，当多对极角度值输出出现异常时，采用单对极角度值输出，并且保持角度值的变化趋势一致，没有角度值的突变，保证伺服控制系统角度值的平滑输出，提高整个伺服控制系统的可靠性。

本发明公布了一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，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，依据差值范围判断最终角度值θ_fin输出，当角度值差值范围超过设定范围时，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，当角度值差值范围没有超过设定范围时，则使用细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出。

2.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(1)，采取以下方法实施：

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]：

3.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(2)，采取以下方法实施：

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，其中高10位角度值变化范围从0到1023，然后由式(3)得到细分后的多对极角度值θ₃：

θ₃＝65535(P-1)+θ₂ (3)

4.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(3)，采取以下方法实施：

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：

5.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(4)，采取以下方法实施：

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位角度值为查表项，其中高10位角度值变化范围从0到1023，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)

6.根据权利要求1所述的种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(5)，采取以下方法实施：

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角度偏差判断值θ_{err_f}：

θ_{err_f}＝θ₅-θ₄ (7)

设理想的角度偏差判断值范围为M时，即θ_{err_f}＞M或θ_{err_f}＜-M时，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄由于软件或硬件问题出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₅ (8)

当角度值差值范围没有超过设定范围时，即M＞θ_{err_f}＞-M时，则使用细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₄ (9)

7.一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法的装置，其特征在于：所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法的装置包括：

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；

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；

角度差值范围判断模块，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，并依据差值范围决定最终角度值θ_fin输出。

本发明的有益效果：

1.针对实际应用中大量出现多对极磁钢由于振动过温等原因破碎的问题，采用单对极角度值向细分后的多对极角度值拟合，进而得到一个与经过细分后的角度值变化趋势一致的单对极角度值，计算俩个角度值之前的差值，当角度值差值超出正常范围时，则判断可能由于软件或硬件问题造成细分后的角度值解算故障，此时则使用拟合后的单对极作为最终角度值输出，因为角度值变化趋势一致，因此，对于控制系统而言，不会因为角度值突变而产生失控现象。

2.当角度值差分范围在合理范围内时，则使用经过细分得到的多对极角度值作为最终角度值输出，经过细分的多对极角度值分辨率要高于单对极角度值，此时伺服控制系统电路环参数可以使用更大的增益系数，控制系统响应快。

3.本发明提供的角度值冗余输出方法可以由硬件、软件或软硬件结合的方式来实现。

附图说明

图1为本发明实施例的磁电编码器的结构示意图；

图2为本发明实施例的角度解算过程图；

图3为经过细分处理温度不变情况下的多对极角度值；

图4为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为拟合后单对极角度值θ₅及多对极角度值θ₄；

图6为经细分及等比例缩小的θ₄出现第一种解算故障情况；

图7为经细分及等比例缩小的θ₄出现第二种解算故障情况；

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所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

本发明的角度解算过程图如图2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-；

模数转换器模块，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(3)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：

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 (4)

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(1)计算得到单对极角度值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数值为查表项，其中高10位角度值变化范围从0 到1023，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 (6)

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。

角度差值范围判断模块，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，并依据差值范围决定最终角度值θ_fin输出，具体实施过程如下：

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角度偏差判断值θ_{err_f}：

θ_{err_f}＝θ₅-θ₄ (7)

设理想的角度偏差判断值范围为M时，即θ_{err_f}＞M或θ_{err_f}＜-M时，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄由于软件或硬件问题出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₅ (8)

当角度值差值范围没有超过设定范围时，即M＞θ_{err_f}＞-M时，则使用细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₄ (9)

当细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄没有出现故障时，使用该角度值作为最终角度值输出，此时角度值分辨率高、噪声低，伺服控制系统可以使用更高的增益系数进行控制，当细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄出现故障时，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，此时角度值输出分辨率较低、噪声大，但是角度值变化趋势与细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄相同，因此伺服控制系统不会因为角度值突变而引起失控问题。

实施例二：如图6所示为多对极磁电编码器经细分及等比例缩小的θ₄出现第一种解算故障情况，初始设定理想的角度偏差判断值范围为M＝300，调试过程中，采样点在42180左右的位置对应的经细分及等比例缩小的角度值θ₄出现了角度故障跳点，此时利用公式θ_{err_f}＝θ₅-θ₄，计算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角度偏差判断值θ_{err_f}，例如当采样点为 42180时，可得出θ_{err_f}＝-312，即θ_{err_f}＜-300，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄由于软件或硬件问题出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，即θ_fin＝θ₅。使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，此时角度值输出分辨率较低、噪声大，但是角度值变化趋势与细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄相同，因此伺服控制系统不会因为角度值突变而引起失控问题。

实施例三：如图7所示为多对极磁电编码器经细分及等比例缩小的θ₄出现第二种解算故障情况，初始设定理想的角度偏差判断值范围为M＝300，调试过程中，采样点在42200附近区间位置对应的经细分及等比例缩小的角度值θ₄基本保持不变，即可知出现了角度故障区间，此时利用公式θ_{err_f}＝θ₅-θ₄，计算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角度偏差判断值θ_{err_f}，例如当采样点为42200时，可得出θ_{err_f}＝308，即θ_{err_f}＞300，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄由于软件或硬件问题出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，即θ_fin＝θ₅。使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，此时角度值输出分辨率较低、噪声大，但是角度值变化趋势与细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄相同，因此伺服控制系统不会因为角度值突变而引起失控问题。

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 (7)

1.一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

(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，依据差值范围判断最终角度值θ_fin输出，当角度值差值范围超过设定范围时，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出，当角度值差值范围没有超过设定范围时，则使用细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出。

2.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(1)，采取以下方法实施：

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]：

3.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(2)，采取以下方法实施：

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，其中高10位角度值变化范围从0到1023，然后由式(3)得到细分后的多对极角度值θ₃：

θ₃＝65535(P-1)+θ₂ (3)

4.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(3)，采取以下方法实施：

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：

5.根据权利要求1所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(4)，采取以下方法实施：

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位角度值为查表项，其中高10位角度值变化范围从0到1023，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)

6.根据权利要求1所述的种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法，其特征在于：所述的步骤(5)，采取以下方法实施：

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角度偏差判断值θ_{err_f}：

θ_{err_f}＝θ₅-θ₄ (7)

设理想的角度偏差判断值范围为M时，即θ_errf＞M或θ_errf＜-M时，认为细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄由于软件或硬件问题出现解算故障，则使用拟合后的单对极角度值θ₅作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₅ (8)

当角度值差值范围没有超过设定范围时，即M＞θ_err＞-M时，则使用细分处理后经过缩放的多对极角度值θ₄作为最终角度值θ_fin输出：

θ_fin＝θ₄ (9)

7.一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法的装置，其特征在于：所述的一种多对极磁电编码器角度值冗余输出方法的装置包括：

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；

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；

角度差值范围判断模块，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，并依据差值范围决定最终角度值θ_fin输出。

Images