CN112461119B - 一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法 - Google Patents

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Abstract

一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法；高精度多圈磁电式绝对值角度传感器包括主齿轮组件、副齿轮组件、PCB板组合；主齿轮组件、副齿轮组件分别包括主齿轮轴、副齿轮轴，其分别设有主齿轮、副齿轮，其顶部分别设置有主磁铁、副磁铁；主齿轮组件、副齿轮组件通过主齿轮、副齿轮啮合转动连接；PCB板组合包括PCB板，PCB板上设置有主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列；主齿轮组件、副齿轮组件转动设置在PCB板组合下部；绝对值角度的实现方法为：对主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列输出信号采样，计算主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度，再对旋转角度进行角度融合计算，最终得到绝对值角度；本发明的主齿轮、副齿轮啮合变速比接近1。

Description

一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法
技术领域
本发明涉及角度传感器技术领域，具体涉及一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法。
背景技术
磁电角位移传感器作为一种角度传感器，采用无接触旋转结构，无机械摩擦、寿命长，而且体积比光电式编码器更小，响应速度快，完全满足工业控制、航空航天伺服系统等高速旋转要求，具有成本低、可靠性高的技术特点。
根据信号输出格式，磁电角位移传感器分为绝对式磁电角位移传感器和增量式磁电角位移传感器两种；根据量程又可以分为单圈磁电角位移传感器和多圈磁电角位移传感器；多圈绝对值角度传感器，相对于单圈绝对式传感器具有测量范围大的优点，相对于增量式无需记忆零点位置，可以以中间任意位置作为零点，安装调试难度低，在位置控制方面的优势非常明显。
专利号CN 202885840 U提供了一种多圈磁电式绝对值角度传感器，采用变速齿轮箱和磁感应电路板实现多圈角度测量，该变速齿轮箱包括一输入轴和多个输出轴，该些输出轴中一输出轴与该输入轴的变比等于1，该些输出轴中其它输出轴与该输入轴的变比互不相等并且均大于1，该些输出轴端部均设置一磁铁,该磁感应电路板上设置有多个感应芯片与磁铁对应；这种方案使传感器必须使用齿轮变速箱，造成体积大、重量大、成本高，因此限制了多圈磁电式绝对值角度传感器的应用范围，使其仅能应用于对体积、重量要求低，对成本不敏感的领域；同时为保证齿轮变速箱变比精度，对机械加工、装配精度要求极高，因此使得多圈磁电式绝对值角度传感器的实际生产极为困难，无法得到大规模推广应用。
发明内容
为了克服背景技术中的不足，本发明公开了一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法；所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器包括主齿轮组件、副齿轮组件、PCB板组合；所述主齿轮组件包括主齿轮轴，主齿轮轴上设有主齿轮，主齿轮轴顶部设置有主磁铁；所述副齿轮组件包括副齿轮轴，副齿轮轴上设有副齿轮，副齿轮轴顶部设置有副磁铁；所述PCB板组合包括PCB板，PCB板上设置有主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列；所述主齿轮组件、副齿轮组件通过主齿轮、副齿轮啮合转动连接；主齿轮组件、副齿轮组件转动设置在PCB板组合下部；所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法为：对主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列输出信号的采样，根据采样结果通过跟踪调节算法计算出主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度，再对对主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度进行角度融合计算，最终得到绝对值角度；本发明的高精度多圈磁电式绝对值角度传感器仅使用变速比接近1的主齿轮、副齿轮啮合。
为了实现所述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器，包括主齿轮组件、副齿轮组件、PCB板组合；所述主齿轮组件包括主齿轮轴，主齿轮轴上设有主齿轮，主齿轮轴顶部设置有主磁铁；所述副齿轮组件包括副齿轮轴，副齿轮轴上设有副齿轮，副齿轮轴顶部设置有副磁铁；所述PCB板组合包括PCB板，PCB板上设置有主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列；所述主齿轮组件、副齿轮组件通过主齿轮、副齿轮啮合转动连接；主齿轮组件、副齿轮组件转动设置在PCB板组合下部，主磁铁与主霍尔元件阵列之间、副磁铁与副霍尔元件阵列之间设置有0.5-1.5mm间隙。
进一步的，所述主齿轮和副齿轮之间设有齿数差，齿数差在六个以下，通常情况下，主齿轮和副齿轮之间齿数差设置为1或2，主齿轮和副齿轮的啮合变速比接近1，主、副齿轮分度圆尺寸较为接近，且无需进行大比例降速转换，因此省去了齿轮变速箱结构。
进一步的，所述主磁铁、副磁铁为厚圆板状、径向极化永磁体，主磁铁、副磁铁分别镶嵌设置在主齿轮轴、副齿轮轴顶部，当主磁铁、副磁铁旋转时，使霍尔元件输出正弦电压信号。
进一步的，所述主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列分别包含四个霍尔元件，四个霍尔元件沿圆周方向均布、阵列设置；主霍尔元件阵列或副霍尔元件阵列的两相邻霍尔元件为一组，共有两组霍尔元件，每组霍尔元件输出一组正交正弦信号，因此主霍尔元件阵列或副霍尔元件阵列各输出两组正交正弦信号，且两组正交正弦信号相位角相差180°，为对径差分的正交正弦信号，差分信号可消除采样信号的共模干扰，提高采样精度；所述主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列的轴线分别与主齿轮组件、副齿轮组件的轴线重合，确保输出两组正交正弦信号的稳定性，防止两组正交正弦信号出现周期性波动。
进一步的，所述副齿轮组件设有若干组，若干组副齿轮组件通过副齿轮啮合转动连接；所述副齿轮之间设有齿数差，齿数差在六个以下，通常情况下，副齿轮之间齿数差也设置为1或2；设置若干组副齿轮组件，其目的是用于扩大高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的允许最大绝对值角度。
高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其包括以下步骤：
S1、主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列输出信号采样：主齿轮组件、副齿轮组件啮合转动，主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列分别输出两组对径差分的正交正弦信号；分别处理两组对径差分正交正弦信号，消除共模干扰，转换为分别对应主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列输出的两组正交正弦信号；定时采样两组正交正弦信号，得到主霍尔元件阵列输出的正交正弦信号sinθ1、cosθ1，及副霍尔元件阵列输出的正交正弦信号sinθ2、cosθ2；其中θ1为主齿轮组件的旋转角度，其中θ2为副齿轮组件的旋转角度。
S2、主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度计算：主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度采用跟踪调节算法实现，跟踪调节算法为闭环反馈计算系统，其计算公式为：
Figure BDA0002758895700000031
Figure BDA0002758895700000032
通过转换得到：
Figure BDA0002758895700000041
Figure BDA0002758895700000042
公式(3)、(4)所得结果经系数修正、比例积分后反馈至输入端，实现主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度闭环反馈计算系统；
其中：E1为主齿轮组件反馈角度误差；sinθ1、cosθ1为主霍尔元件阵列输出的正交正弦信号值；
Figure BDA0002758895700000043
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E1趋近零时，
Figure BDA0002758895700000044
因此实际计算时，用
Figure BDA0002758895700000045
代替
Figure BDA0002758895700000046
以减小计算量；当E1趋近零时，
Figure BDA0002758895700000047
趋近于θ1，因此闭环反馈最终计算输出结果
Figure BDA00027588957000000412
即为主齿轮组件的旋转角度；跟踪调节算法相较以往传统的通过反余切函数计算旋转角度的算法，具有计算量小、精度高、计算结果收敛速度快的优点，通常情况下经过两至三次反馈计算，其输出结果即可达到设计精度要求；
其中：E2为副齿轮组件计算反馈角度误差；sinθ2、cosθ2为副霍尔元件阵列输出的正交正弦信号值；
Figure BDA0002758895700000048
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E2趋近零时，
Figure BDA0002758895700000049
趋近于θ2，
Figure BDA00027588957000000410
即为副齿轮组件的旋转角度。
S3、绝对值角度的计算：绝对值角度的计算采用角度融合算法，其计算公式为：
当N1<N2时，
Figure BDA00027588957000000411
当N1>N2时，
Figure BDA0002758895700000051
其中，
Figure BDA0002758895700000052
为绝对值角度；N1为主齿轮的齿数；N2为副齿轮的齿数；
S4、高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度的计算：允许最大绝对值角度的计算公式为：
当N1<N2时，
Figure BDA0002758895700000053
当N1>N2时，
Figure BDA0002758895700000054
其中，
Figure BDA0002758895700000055
为高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度。
进一步的，所述主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度的计算还包括综合滤波算法，通过综合滤波算法实际为低通滤波器，公式(3)、(4)所得结果经低通滤波器处理输出反馈角度误差E，再经系数修正、比例积分后反馈至输入端或输出。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明公开的一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器及实现方法；所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器包括主齿轮组件、副齿轮组件、PCB板组合；所述主齿轮组件包括主齿轮轴，主齿轮轴上设有主齿轮，主齿轮轴顶部设置有主磁铁；所述副齿轮组件包括副齿轮轴，副齿轮轴上设有副齿轮，副齿轮轴顶部设置有副磁铁；所述PCB板组合包括PCB板，PCB板上设置有主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列；所述主齿轮组件、副齿轮组件通过主齿轮、副齿轮啮合转动连接；主齿轮组件、副齿轮组件转动设置在PCB板组合下部；所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法为：对主霍尔元件阵列、副霍尔元件阵列输出信号的采样，根据采样结果通过跟踪调节算法计算出主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度，再对对主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度进行角度融合计算，最终得到绝对值角度；本发明的高精度多圈磁电式绝对值角度传感器仅使用变速比接近1的主齿轮、副齿轮啮合，取消了齿轮变速箱结构，使得多圈磁电式绝对值角度传感器的体积、重量、成本均得到大幅下降，同时也极大降低了对机械加工及装配精度要求，使得多圈磁电式绝对值角度传感器的实际大规模生产成为现实，因此实现了多圈磁电式绝对值角度传感器的大规模、大范围的推广应用。
附图说明
图1为高精度多圈磁电式绝对值角度传感器结构示意图；
图2为高精度多圈磁电式绝对值角度传感器结构爆炸示意图；
图3为主齿轮组件、副齿轮组件旋转角度计算方法原理框图。
图中：1、主齿轮组件；1.1、主齿轮；1.2、主磁铁；2、副齿轮组件；2.1、副齿轮；2.2、副磁铁；3、PCB板组合；3.1、PCB板；3.2、主霍尔元件阵列；3.3、副霍尔元件阵列。
具体实施方式
通过下面的实施例可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器，包括主齿轮组件1、副齿轮组件2、PCB板组合3；所述主齿轮组件1包括主齿轮轴，主齿轮轴上设有主齿轮1.1，主齿轮轴顶部设置有主磁铁1.2；所述副齿轮组件2包括副齿轮轴，副齿轮轴上设有副齿轮2.1，副齿轮轴顶部设置有副磁铁2.2；所述PCB板组合3包括PCB板3.1，PCB板3.1上设置有主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3；所述主齿轮组件1、副齿轮组件2通过主齿轮1.1、副齿轮2.1啮合转动连接；主齿轮组件1、副齿轮组件2转动设置在PCB板组合3下部，主磁铁1.2与主霍尔元件阵列3.2之间、副磁铁2.2与副霍尔元件阵列3.3之间设置有1.5毫米间隙；
所述主齿轮1.1和副齿轮2.1之间设有齿数差，齿数差为1；
所述主磁铁1.2、副磁铁2.2为厚圆板状、径向极化永磁体，主磁铁1.2、副磁铁2.2分别镶嵌设置在主齿轮轴、副齿轮轴顶部；
所述主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3分别包含四个霍尔元件，四个霍尔元件沿圆周方向均布、阵列设置；所述主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3的轴线分别与主齿轮组件1、副齿轮组件2的轴线重合。
高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其包括以下步骤：
S1、主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3输出信号的采样：主齿轮组件1、副齿轮组件2啮合转动，主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3分别输出两组对径差分的正交正弦信号；分别处理两组对径差分正交正弦信号，消除共模干扰，转换为分别对应主霍尔元件阵列3.2、副霍尔元件阵列3.3输出的两组正交正弦信号；定时采样两组正交正弦信号，得到主霍尔元件阵列3.2输出的正交正弦信号sinθ1、cosθ1，及副霍尔元件阵列3.3输出的正交正弦信号sinθ2、cosθ2；其中θ1为主齿轮组件1的旋转角度，其中θ2为副齿轮组件2的旋转角度；
S2、主齿轮组件1、副齿轮组件2旋转角度计算：主齿轮组件1、副齿轮组件2旋转角度通过跟踪调节算法实现，跟踪调节算法为闭环反馈系统，其计算公式为：
Figure BDA0002758895700000071
Figure BDA0002758895700000072
通过转换得到：
Figure BDA0002758895700000073
Figure BDA0002758895700000074
公式(3)、(4)所得结果经系数修正、比例积分实现主齿轮组件1、副齿轮组件2旋转角度闭环反馈计算；
其中：E1为主齿轮组件1计算反馈角度误差；sinθ1、cosθ1为主霍尔元件阵列3.2输出的正交正弦信号值；
Figure BDA0002758895700000081
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E1趋近零时，
Figure BDA0002758895700000082
趋近于θ1，
Figure BDA0002758895700000083
即为主齿轮组件1的旋转角度；
其中：E2为副齿轮组件2计算反馈角度误差；sinθ2、cosθ2为副霍尔元件阵列3.3输出的正交正弦信号值；
Figure BDA0002758895700000084
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E2趋近零时，
Figure BDA0002758895700000085
趋近于θ2，
Figure BDA0002758895700000086
即为副齿轮组件2的旋转角度；
所述主齿轮组件1、副齿轮组件2旋转角度的计算还包括综合滤波算法，通过综合滤波算法为低通滤波器，公式(3)、(4)所得结果经低通滤波器输出反馈角度误差；
S3、绝对值角度的计算：绝对值角度的计算采用角度融合算法，其计算公式为：
当N1<N2时，
Figure BDA0002758895700000087
当N1>N2时，
Figure BDA0002758895700000088
其中，
Figure BDA0002758895700000089
为绝对值角度；N1为主齿轮1.1的齿数；N2为副齿轮2.1的齿数；
S4、高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度的计算：允许最大绝对值角度的计算公式为：
当N1<N2时，
Figure BDA0002758895700000091
当N1>N2时，
Figure BDA0002758895700000092
其中，
Figure BDA0002758895700000093
为高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度。
以下以实例数字具体说明绝对值角度计算过程：
绝对值角度的计算：设主齿轮1.1为60齿，副齿轮2.1为61齿，主齿轮1.1与副齿轮2.1啮合变比为60/61；
当主齿轮1.1旋转180°时，副齿轮2.1旋转180*60/61，
Figure BDA0002758895700000094
采样计算结果为180°、
Figure BDA0002758895700000095
采样计算结果为177.0492°；此时
Figure BDA0002758895700000096
代入公式(5)，绝对值角度计算结果为：
Figure BDA0002758895700000097
当主齿轮1.1旋转365°时，副齿轮2.1旋转365°*60/61，
Figure BDA0002758895700000098
采样计算结果为5°、
Figure BDA0002758895700000099
采样计算结果为359.0164°；此时
Figure BDA00027588957000000910
代入公式(5)，绝对值角度计算结果为：
Figure BDA00027588957000000911
当主齿轮1.1旋转735°时，副齿轮2.1旋转735°*60/61，
Figure BDA00027588957000000912
采样计算结果为15°、
Figure BDA00027588957000000913
采样计算结果为2.9508°；此时
Figure BDA00027588957000000914
代入公式(5)，绝对值角度计算结果为：
Figure BDA00027588957000000915
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (6)

1.一种高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其中所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器包括：主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)、PCB板组合(3)；所述主齿轮组件(1)包括主齿轮轴，主齿轮轴上设有主齿轮(1.1)，主齿轮轴顶部设置有主磁铁(1.2)；所述副齿轮组件(2)包括副齿轮轴，副齿轮轴上设有副齿轮(2.1)，副齿轮轴顶部设置有副磁铁(2.2)；所述PCB板组合(3)包括PCB板(3.1)，PCB板(3.1)上设置有主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)；所述主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)通过主齿轮(1.1)、副齿轮(2.1)啮合转动连接；主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)转动设置在PCB板组合(3)下部，主磁铁(1.2)与主霍尔元件阵列(3.2)之间、副磁铁(2.2)与副霍尔元件阵列(3.3)之间设置有间隙；其特征是：包括以下步骤：
S1、主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)输出信号采样：主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)啮合转动，主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)分别输出两组对径差分的正交正弦信号；分别处理两组对径差分正交正弦信号，消除共模干扰，转换为分别对应主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)输出的两组正交正弦信号；定时采样两组正交正弦信号，得到主霍尔元件阵列(3.2)输出的正交正弦信号sinθ1、cosθ1，及副霍尔元件阵列(3.3)输出的正交正弦信号sinθ2、cosθ2；其中θ1为主齿轮组件(1)的旋转角度，其中θ2为副齿轮组件(2)的旋转角度；
S2、主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)旋转角度计算：主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)旋转角度通过跟踪调节算法实现，跟踪调节算法为闭环反馈系统，其计算公式为：
Figure FDA0003560835270000011
Figure FDA0003560835270000012
通过转换得到：
Figure FDA0003560835270000021
Figure FDA0003560835270000022
公式(3)、(4)所得结果经系数修正、比例积分实现主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)旋转角度闭环反馈计算；
其中：E1为主齿轮组件(1)计算反馈角度误差；sinθ1、cosθ1为主霍尔元件阵列(3.2)输出的正交正弦信号值；
Figure FDA0003560835270000023
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E1趋近零时，
Figure FDA0003560835270000024
趋近于θ1，
Figure FDA0003560835270000025
即为主齿轮组件(1)的旋转角度；
其中：E2为副齿轮组件(2)计算反馈角度误差；sinθ2、cosθ2为副霍尔元件阵列(3.3)输出的正交正弦信号值；
Figure FDA0003560835270000026
为计算输出反馈角度正交正弦信号值；当E2趋近零时，
Figure FDA0003560835270000027
趋近于θ2，
Figure FDA0003560835270000028
即为副齿轮组件(2)的旋转角度；
S3、绝对值角度的计算：绝对值角度的计算采用角度融合算法，其计算公式为：
当N1<N2时，
Figure FDA0003560835270000029
当N1>N2时，
Figure FDA0003560835270000031
其中，
Figure FDA0003560835270000032
绝对值角度；为N1为主齿轮(1.1)的齿数；N2为副齿轮(2.1)的齿数；
S4、高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度的计算：允许最大绝对值角度的计算公式为：
当N1<N2时，
Figure FDA0003560835270000033
当N1>N2时，
Figure FDA0003560835270000034
其中，
Figure FDA0003560835270000035
为高精度多圈磁电式绝对值角度传感器允许最大绝对值角度。
2.根据权利要求1所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其特征是：所述主齿轮(1.1)和副齿轮(2.1)之间设有齿数差，齿数差在六个以下。
3.根据权利要求1所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其特征是：所述主磁铁(1.2)、副磁铁(2.2)为厚圆板状、径向极化永磁体，主磁铁(1.2)、副磁铁(2.2)分别镶嵌设置在主齿轮轴、副齿轮轴顶部。
4.根据权利要求1所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其特征是：所述主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)分别包含四个霍尔元件，四个霍尔元件沿圆周方向均布、阵列设置；所述主霍尔元件阵列(3.2)、副霍尔元件阵列(3.3)的轴线分别与主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)的轴线重合。
5.根据权利要求1所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其特征是：所述副齿轮组件(2)设有若干组，若干组副齿轮组件(2)通过副齿轮(2.1)啮合转动连接；所述副齿轮(2.1)之间设有齿数差，齿数差在六个以下。
6.根据权利要求5所述高精度多圈磁电式绝对值角度传感器的实现方法，其特征是：所述主齿轮组件(1)、副齿轮组件(2)旋转角度的计算还包括综合滤波算法，所述综合滤波算法为低通滤波器；公式(3)、(4)所得结果经低通滤波器输出反馈角度误差。
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