CN114440940B - 基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法及装置 - Google Patents

基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于编码器制造领域，涉及基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度解算方法及装置。本发明利用转子和永磁体分离，采用异形齿轮旋转的方式来改变异形齿轮边缘与霍尔元件的绝对位置，从而使双霍尔分别采集正余弦信号，利用模数转换器对霍尔信号进行模数转换，再通过反正切计算磁电编码器角度值，最后对解算角度值和双霍尔数字信号数值关系制表，并提出一种通过查表进而利用插值法估算角度值的方法。该过程不仅极大减少了永磁体在工作中由于高温儿产生的退磁现象，并且消除了永磁体易断裂的风险，提高了编码器的精度；而且避免了许多计算反正切的步骤，极大的提高了单片机的工作效率。

Description

基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法及装置
技术领域
本发明属于编码器制造领域，具体涉及基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法及装置。
背景技术
编码器是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备，编码器把角位移或直线位移转换成电信号。在现代工业中，编码器是不可或缺的用于测量电机转子角度位置的重要元件，而且，它还是实现电机控制的核心元件。编码器被广泛应用于机械工程、机器人、航空、精密光学仪器等高技术领域。磁电编码器具有很多优点，例如结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等等。而且编码器寿命长，安装随意，接口形式丰富，适用于很多应用场所。
传统磁电编码器角度值的解算依靠磁场信号的采集，在转子带动旋转作用下，产生空间旋转磁场，霍尔采集空间旋转磁场得到模拟信号，通过模数转换模块，得到数字信号。但是由于永磁体表贴于转子上，在转子转动时产生高温，贴在转子上的永磁体易发生退磁现象，进而影响编码器的精度。且永磁体为脆性材料，在转子转动时，有可能发生断裂、产生缺口等等，在工程应用上并不可靠。并且传统利用反正切计算角度值的解算方法一般是使用单片机内置的反正切函数，调用该函数会占用大量的解算时间，极大的浪费了单片机的运行资源，降低了单片机的工作效率。
针对上述问题，本发明提出了基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法及装置。
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永磁体在工作中产生退磁现象而引发的精度下降的问题，设计一种新结构来提高编码器精度，并提出基于此结构编码器的角度估算方法。
本发明公布了基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算装置，包括：
磁钢，用于产生稳定且不变的磁场。
异形齿轮e，采用外侧轮廓展开线为线性正弦曲线的导磁铁齿轮，通过转动来改变齿轮边缘与线性霍尔传感器a的绝对位置，使磁场磁场强度发生变化。
异形齿轮f，采用与异形齿轮e同一尺寸、同一形状的导磁铁齿轮，通过转动来改变齿轮边缘与线性霍尔传感器b的绝对位置，使磁场磁场强度发生变化。
线性霍尔传感器a，用于采集异形齿轮e旋转改变齿轮边缘与线性霍尔传感器a的绝对位置时引发的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到线性霍尔传感器a角度值模拟信号A；
线形霍尔传感器b，用于采集异形齿轮f旋转改变齿轮边缘与线性霍尔传感器b的绝对位置时引发的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到线性霍尔传感器b角度值模拟信号B；
模数转换器，用于将角度值模拟信号A转换为角度值数字信号HA，将角度值模拟信号B转换为角度值数字信号HB；
角度计算模块，用于将得到的数字量计算为双霍尔角度值θ；
其中异形齿轮e与异形齿轮f空间位置相差90°，从而使线性霍尔传感器a与线性霍尔传感器b接收的电压信号曲线为相位相差90°的正弦曲线。
本发明还公布了基于异形齿轮的双霍尔磁电编码器角度估算方法，包括以下步骤：
步骤一：采集线性霍尔传感器a角度值模拟信号A，线性霍尔传感器b角度值模拟信号B；
步骤二：通过模数转换器对线性霍尔传感器a角度值模拟信号A，线性霍尔传感器b角度值模拟信号B进行模数转换，得到线性霍尔传感器a角度值数字信号HA，线性霍尔传感器b角度值数字信号HB；
步骤三：依据线性霍尔传感器a角度值数字信号HA及线性霍尔传感器b角度值数字信号HB求解双霍尔角度值θ，如式(1)所示：
Figure BDA0003550965260000031
步骤四：记线性霍尔传感器a角度值数字信号HA取最大幅值时对应的线性霍尔传感器b角度值数字信号HB的幅值为D，依据建立的双霍尔数字信号HA，HB与双霍尔角度值θ数值关系作为表格，以当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)作为查表项，得到当前采样点对应的双霍尔角度估计值θg，具体可以表示为：
在获得当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)后，计算当前采样点i角度估计值θg(i)过程如下：
依据映射关系作为表格，当前工作采样点i的霍尔数字信号可以表示为HA(i,yA(i))、HB(i,yB(i))，其中yA(i)，yB(i)为霍尔数字信号幅值。查表扫描数值关系表格，以yA(i)、yB(i)为例，其中yA(i)作为主要查表项、yB(i)作为辅助查表项，在表格中只能找到第t、t’两个表格点，同时使得yA(t)<yA(i)<yA(t+1)、yA(t’)>yA(i*)>yA(t’+1)成立，其中yA(t)＝yA(t’+1)、yA(t+1)＝yA(t’)、yA(i)＝yA(i*)，但是第t’个表格点使得D>yB(t’)>yB(i*)>yB(t’+1)，而第t个表格点使得D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t)，进而确定表格中唯一的第t个表格点，同时满足式(2)及式(3)：
yA(t)<yA(i)<yA(t+1) (2)
D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t) (3)
进而依据数值关系表格的第t、t+1点对当前第i个采样点的双霍尔角度估计值θg(i)进行线性插值，线性插值直线斜率如式(4)所示：
Figure BDA0003550965260000041
进而可以得到最终插值后的磁电编码器角度估计值θg(i)如式(5)所示：
Figure BDA0003550965260000042
本发明的有益效果为：
1.所提出方案采用转子和永磁体分离的方法，操作简单，便于实现，可以有效的解决由于磁电编码器永磁体在工作中产生退磁现象而引发的精度下降、使用环境要求严格等问题。
2.该方案使用异形齿轮旋转的方式来改变异形齿轮边缘与霍尔元件的绝对位置，从而使双霍尔分别采集正余弦信号，相较于传统方法，此方案更加可靠，在工程应用场所方面更加广泛。
3.对于新方案的角度估算方法，可以依据双霍尔采集信号的幅值大小，查表扫描数值关系表格，对双霍尔角度值θ进行估算，没有直接使用单片机内部的反正切函数，节省了技术资源，进而提高解算时间，提高解算精度。
4.两异形齿轮采用一种机械结构尺寸，并且采用导磁铁作为原材料，便于批量加工。
附图说明：
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的磁场发生装置示意图；
图3为本发明的异形齿轮俯视图；
图4为本发明的接收装置示意图；
图5本发明的双霍尔数字信号与角度值关系图；
图6为本发明的双霍尔数字信号HA，HB与双霍尔角度值θ数值关系表格；
图7为本发明所述编码器的工作原理图；
图中，1、编码器壳体，1-1、壳身，1-2、端盖，2、磁场发生装置，2-1、轴承c，2-2、轴，2-3、异形齿轮e，2-4、异形齿轮f，2-5、轴承d，2-6、磁钢，3、接收装置，3-1、线性霍尔传感器a，3-2、线性霍尔传感器b，3-3、编码器信号解算板，3-4、模数转换器，3-5、角度计算模块，3-6、单片机。
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：
所述的一种双霍尔磁电编码器，由编码器壳体1、磁场发生装置2、接收装置3三部分组成，其特征在于：所述的编码器壳体1与磁场发生装置2通过轴承c 2-1、轴承d 2-5连接，编码器壳体1与接收装置3螺钉连接；
进一步的，所述的编码器壳体1，它包括壳身1-1、端盖1-2组成。其中，壳身1-1与端盖1-2螺钉连接；
进一步的，所述的磁场发生装置2，它包括轴承c 2-1、轴2-2、异形齿轮e 2-3、异形齿轮f2-4、轴承d 2-5、磁钢2-6组成。其中，轴2-2与异形齿轮e 2-3、异形齿轮f2-4键连接，磁钢2-6与壳身1-1胶接；
进一步的，所述的接收装置3,它包括线性霍尔传感器a 3-1、线性霍尔传感器b 3-2、编码器信号解算板3-3、模数转换器3-4、角度计算模块3-5、单片机3-6组成。其中，线性霍尔传感器a 3-1、线性霍尔传感器b 3-2、模数转换器3-4、角度计算模块3-5、单片机3-6与编码器信号解算板3-3焊锡焊接，编码器信号解算板3-3与壳身1-1螺钉连接。
磁电编码器轴2-2旋转，带动异形齿轮e 2-3、异形齿轮f 2-4同步旋转，从而改变齿轮边缘与线性霍尔传感器a 3-1、线性霍尔传感器b 3-2的绝对位置，线性霍尔传感器a3-1、线性霍尔传感器b 3-2采集模拟信号，通过编码器信号解算板3-3上的模数转换器3-4得到数字信号。
综上，所述的磁电编码器实现数字信号的转化获取。
一种计算角度估算方法，本方法应用于一种双霍尔磁电编码器；
一种计算角度估算方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一：采集线性霍尔传感器a 3-1角度值模拟信号A，线性霍尔传感器b 3-2角度值模拟信号B；
步骤二：对线性霍尔传感器a 3-1角度值模拟信号A、线性霍尔传感器b 3-2角度值模拟信号B通过编码器信号解算板3-3上的模数转换器3-4进行模数转换，得到线性霍尔传感器a角度值数字信号HA，线性霍尔传感器b角度值数字信号HB；
步骤三：依据线性霍尔传感器a角度值数字信号HA及线性霍尔传感器b角度值数字信号HB求解双霍尔角度值θ，如式(1)所示：
Figure BDA0003550965260000081
步骤四：记线性霍尔传感器a角度值数字信号HA取最大幅值时对应的线性霍尔传感器b角度值数字信号HB的幅值为D，依据建立的双霍尔数字信号HA，HB与双霍尔角度值θ数值关系作为表格，以当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)作为查表项，得到当前采样点对应的双霍尔角度估计值θg，具体可以表示为：
在获得当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)后，计算当前采样点i角度估计值θg(i)过程如下：
依据映射关系作为表格，当前工作采样点i的霍尔数字信号可以表示为HA(i,yA(i))、HB(i,yB(i))，其中yA(i)，yB(i)为霍尔数字信号幅值。查表扫描数值关系表格，以yA(i)、yB(i)为例，其中yA(i)作为主要查表项、yB(i)作为辅助查表项，在表格中只能找到第t、t’两个表格点，同时使得yA(t)<yA(i)<yA(t+1)、yA(t’)>yA(i*)>yA(t’+1)成立，其中yA(t)＝yA(t’+1)、yA(t+1)＝yA(t’)、yA(i)＝yA(i*)，但是第t’个表格点使得D>yB(t’)>yB(i*)>yB(t’+1)，而第t个表格点使得D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t)，进而确定表格中唯一的第t个表格点，同时满足式(2)及式(3)：
yA(t)<yA(i)<yA(t+1) (2)
D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t) (3)
进而依据数值关系表格的第t、t+1点对当前第i个采样点的双霍尔角度估计值θg(i)进行线性插值，线性插值直线斜率如式(4)所示：
Figure BDA0003550965260000091
进而可以得到最终插值后的磁电编码器角度估计值θg(i)如式(5)所示：
Figure BDA0003550965260000092
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 (1)

1.一种编码器计算角度解算方法，本方法应用于一种双霍尔磁电编码器，双霍尔磁电编码器，它包括编码器壳体(1)、磁场发生装置(2)、接收装置(3)三部分：所述的编码器壳体(1)与磁场发生装置(2)通过轴承c(2-1)、轴承d(2-5)连接，编码器壳体(1)与接收装置(3)螺钉连接；所述的编码器壳体(1)，它包括壳身(1-1)、端盖(1-2)，其中壳身(1-1)与端盖(1-2)螺钉连接；所述的磁场发生装置(2)，它包括轴承c(2-1)、轴(2-2)、异形齿轮e(2-3)、异形齿轮f(2-4)、轴承d(2-5)、磁钢(2-6)，其中轴(2-2)与异形齿轮e(2-3)、异形齿轮f(2-4)键连接，磁钢(2-6)与壳身(1-1)胶接；所述的接收装置(3),它包括线性霍尔传感器a(3-1)、线性霍尔传感器b(3-2)、编码器信号解算板(3-3)、模数转换器(3-4)、角度计算模块(3-5)、单片机(3-6)组成，其中线性霍尔传感器a(3-1)、线性霍尔传感器b(3-2)、模数转换器(3-4)、角度计算模块(3-5)、单片机(3-6)与编码器信号解算板(3-3)焊锡焊接，编码器信号解算板(3-3)与壳身(1-1)螺钉连接；
其特征在于：所述方法的具体实施过程为：
步骤一：采集线性霍尔传感器a(3-1)角度值模拟信号A，线性霍尔传感器a(3-2)角度值模拟信号B；
步骤二：对线性霍尔传感器a(3-1)角度值模拟信号A、线性霍尔传感器b(3-2)角度值模拟信号B通过编码器信号解算板(3-3)上的模数转换器(3-4)进行模数转换，得到线性霍尔传感器a角度值数字信号HA，线性霍尔传感器b角度值数字信号HB；
步骤三：依据线性霍尔传感器a角度值数字信号HA及线性霍尔传感器b角度值数字信号HB求解双霍尔角度值θ，如式(1)所示：
Figure FDA0003858354160000011
步骤四：记线性霍尔传感器a角度值数字信号HA取最大幅值时对应的线性霍尔传感器b角度值数字信号HB的幅值为D，依据建立的双霍尔数字信号HA，HB与双霍尔角度值θ数值关系作为表格，以当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)作为查表项，得到当前采样点对应的双霍尔角度估计值θg，具体表示为：
在获得当前霍尔数字信号幅值yA(t)，yB(t)后，计算当前采样点i角度估计值θg(i)过程如下：
依据映射关系作为表格，当前工作采样点i的霍尔数字信号表示为HA(i,yA(i))、HB(i,yB(i))，其中yA(i)，yB(i)为霍尔数字信号幅值，查表扫描数值关系表格，以yA(i)、yB(i)为例，其中yA(i)作为主要查表项、yB(i)作为辅助查表项，在表格中只能找到第t、t’两个表格点，同时使得yA(t)<yA(i)<yA(t+1)、yA(t’)>yA(i*)>yA(t’+1)成立，其中yA(t)＝yA(t’+1)、yA(t+1)＝yA(t’)、yA(i)＝yA(i*)，但是第t’个表格点使得D>yB(t’)>yB(i*)>yB(t’+1)，而第t个表格点使得D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t)，进而确定表格中唯一的第t个表格点，同时满足式(2)及式(3)：
yA(t)<yA(i)<yA(t+1) (2)
D<yB(t+1)<yB(i)<yB(t) (3)
进而依据数值关系表格的第t、t+1点对当前第i个采样点的双霍尔角度估计值θg(i)进行线性插值，线性插值直线斜率如式(4)所示：
Figure FDA0003858354160000021
进而得到最终插值后的磁电编码器角度估计值θg(i)如式(5)所示：
Figure FDA0003858354160000022
异形齿轮e(2-3)，采用外侧轮廓展开线为线性正弦曲线的导磁铁齿轮，通过转动来改变齿轮边缘与线性霍尔传感器a(3-1)的绝对位置，使磁场磁场强度发生变化；
异形齿轮f(2-4)，采用与异形齿轮e(2-3)同一尺寸、同一形状的导磁铁齿轮，通过转动来改变齿轮边缘与线性霍尔传感器b(3-2)的绝对位置，使磁场磁场强度发生变化；
使用异形齿轮旋转的方式来改变异形齿轮边缘与霍尔元件的绝对位置，从而使双霍尔分别采集正余弦信号。
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