CN115355937B - 磁性编码器的自校准方法及电机 - Google Patents

Abstract

本申请属于对磁场信号进行检测处理的技术领域，提供了一种磁性编码器的自校准方法及电机，该自校准方法包括：磁性编码器采集检测值θ_det（ij）；对检测值θ_det（ij）进行低通滤波得到滤波值θ_filt（ij）；在360°内设置m个参考点θ_ref（n），选取每个周期与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij‑n）}；选取与θ_{det（ij‑n）}对应的滤波值θ_{filt（ij‑n）}；计算修调值θ_{cal（i‑n）}=θ_{filt（ij‑n）}‑θ_{det（ij‑n）}；对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_{cal（i‑n）}做均化处理得到目标修调值θ_cal（n）；将各个参考点θ_ref（n）和与之对应的目标修调值θ_cal（n）一一对应地存储作为修调参考表。本申请提供的磁性编码器的自校准方法能够降低磁性编码器的校准成本。

Description

磁性编码器的自校准方法及电机

技术领域

本申请属于对磁场信号进行检测处理的技术领域，更具体地说，是涉及一种磁性编码器的自校准方法及电机。

背景技术

对于需要闭环控制转动角度或转速的电机，例如伺服电机，通常都配置有编码器，例如磁性编码器或光学编码器。光学编码器的精度通常高于磁性编码器，但其价格也通常高于磁性编码器。对于电机配置磁性编码器的场景，通常需要对磁性编码器进行校准。现有的做法是，增加一个校准用的、精度较高的光学编码器，该光学编码器和待校准的磁性编码器检测同一个转轴的转动角度，利用该光学编码器的高精度输出值来校准磁性编码器的检测值。

例如，专利文献CN114001768A公开了一种磁电编码器的自校准装置，其为了校准磁电编码器的检测精度，需要增设主动电机和高精度编码器（例如光学编码器），记录磁电编码器的每个输出角度对应的高精度编码器的输出角度，得到校准表，后续根据该校准表对磁电编码器的角度偏差进行校准。

主动电机和高精度编码器无疑增加了对磁性编码器进行校准所需要的硬件成本和时间成本，即整体上增加了磁性编码器的校准成本。

发明内容

本申请的目的在于提供一种磁性编码器的自校准方法，以解决现有技术中存在的磁性编码器的校准成本较高的技术问题。

为实现上述目的，本申请采用的技术方案是：提供一种磁性编码器的自校准方法，所述磁性编码器用于检测转轴的旋转角度，所述磁性编码器的自校准方法包括：

所述转轴匀速转动，所述磁性编码器采集所述转轴的旋转角度的检测值θ_det（ij），i和j均为正整数，θ_det（ij）代表第i个周期的第j个检测值；

对检测值θ_det（ij）进行低通滤波得到滤波值θ_filt（ij），θ_filt（ij）与θ_det（ij）一一对应；

在360°内设置m个参考点θ_ref（n），选取每个周期与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，n和m均为正整数，且1≤n≤m，m≥2，θ_{det（ij-n）}代表第i个周期的与参考点θ_ref（n）最接近的检测值；

选取与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}；

计算修调值θ_cal（i-n）=θ_{filt（ij-n）}-θ_{det（ij-n）}，θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值；

对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）做均化处理得到目标修调值θ_cal（n），θ_ref（n）与θ_cal（n）一一对应，p为正整数，且p≥2；

将各个参考点θ_ref（n）和与之对应的目标修调值θ_cal（n）一一对应地存储从而得到修调参考表。

可选地，对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）进行低通滤波得到目标修调值θ_cal（n）。

可选地，在采集检测值θ_det（i）的过程中，所述转轴的转速位于1000RPM至5000RPM之间。

可选地，θ_ref（1）=0，θ_ref（n+1）=θ_ref（n）+2^K，K为正整数。

可选地，检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）均以二进制表示，检测值θ_det（ij）和二进制的2^K-1相加得到θ_{index（ij）}，将θ_{index（ij）}与各个参考点θ_ref（n）相比较以找到与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}。

可选地，K=4，检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）的二进制位数大于或等于8。

可选地，在建立所述修调参考表之后，所述磁性编码器采集所述转轴的旋转角度的检测值θ_det（x），x为正整数，根据检测值θ_det（x）查询所述修调参考表得到对应的目标修调值θ_cal（n），计算校正值θ_cor（x）=θ_det（x）+θ_cal（n）。

可选地，所述磁性编码器的自校准方法通过硬件描述语言实现数据的运算。

本申请还提供一种电机，其配设有磁性编码器和信号处理电路，所述磁性编码器相对于所述电机的定子固定，所述电机的输出轴设有磁体，所述磁性编码器用于检测所述磁体的旋转角度，所述信号处理电路根据所述磁性编码器的自校准方法建立所述修调参考表。

可选地，所述信号处理电路包括第一滤波器、比较模块、存储模块、对应模块、减法器和第二滤波器，所述存储模块存有m个参考点θ_ref（n），所述磁性编码器输出检测值θ_det（ij），检测值θ_det（ij）输入至第一滤波器进行低通滤波后得到滤波值θ_filt（ij），所述比较模块对各个周期的检测值θ_det（ij）和各个参考点θ_ref（n）进行比较而找出每个周期内与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，所述对应模块找出与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}，θ_{filt（ij-n）}和θ_{det（ij-n）}输入所述减法器进行相减而得到修调值θ_cal（i-n），p个周期的θ_cal（i-n）输入至第二滤波器进行低通滤波后得到与参考点θ_ref（n）对应的目标修调值θ_cal（n）。

可选地，所述磁性编码器位于所述磁体的沿所述电机的输出轴的轴向一侧。

本申请提供的磁性编码器的自校准方法的有益效果在于：与现有技术相比，本申请提供的磁性编码器的自校准方法对检测值θ_det（ij）进行低通滤波可提高检测数据的线性度，滤波值θ_filt（ij）可视为对检测值θ_det（ij）进性线性度校正的结果，θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值，对于每一个参考点，p个周期就有p个对应的修调值，对该p个修调值做均化处理可以得到较为准确的目标修调值θ_cal（n），由此，每个参考点都可获得与之对应的目标修调值θ_cal（n），从而形成修调参考表，无需增设昂贵的光学编码器作为校准参考，能够降低磁性编码器的校准成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的电机和磁性编码器的配置示意图。

图2为本申请实施例提供的磁性编码器的自校准方法的原理示意图。

图3为本申请实施例提供的第一滤波器的原理示意图。

其中，图中各附图标记：

10-电机，11-转轴，20-磁体，30-磁性编码器，40-减法器。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

请参阅图1至图2，现对本申请实施例提供的电机进行说明。电机配设有磁性编码器和信号处理电路，磁性编码器相对于电机的定子固定，电机的输出轴（即转轴）设有磁体，磁性编码器用于检测磁体的旋转角度，信号处理电路根据磁性编码器的自校准方法建立修调参考表。

关于磁性编码器相对于磁体的位置，本申请提供的磁性编码器可以采用在轴检测的方案，也可以采用离轴检测的方案。在轴检测和离轴检测是本领域的磁感应检测的两种不同的方式。

优选地，本申请提供的磁性编码器采用在轴检测的方案，磁性编码器位于磁体的沿电机的输出轴的轴向一侧，以便于获得较高的角度检测精度。

信号处理电路包括第一滤波器、比较模块、存储模块、对应模块、减法器和第二滤波器，存储模块存有m个参考点θ_ref（n），磁性编码器输出检测值θ_det（ij），检测值θ_det（ij）输入至第一滤波器进行低通滤波后得到滤波值θ_filt（ij），比较模块对各个周期的检测值θ_det（ij）和各个参考点θ_ref（n）进行比较而找出每个周期内与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，对应模块找出与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}，θ_{filt（ij-n）}和θ_{det（ij-n）}输入减法器进行相减而得到修调值θ_cal（i-n），p个周期的θ_cal（i-n）输入至第二滤波器进行低通滤波后得到与参考点θ_ref（n）对应的目标修调值θ_cal（n）。参考点θ_ref（n）和目标修调值θ_cal（n）一一对应地存储起来即可得到修调参考表。

以下对本申请实施例提供的磁性编码器的自校准方法进行说明。磁性编码器的自校准方法包括：

转轴匀速转动，磁性编码器采集转轴的旋转角度的检测值θ_det（ij），i和j均为正整数，θ_det（ij）代表第i个周期的第j个检测值；

对检测值θ_det（ij）进行低通滤波得到滤波值θ_filt（ij），θ_filt（ij）与θ_det（ij）一一对应；

在360°内设置m个参考点θ_ref（n），选取每个周期与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，n和m均为正整数，且1≤n≤m，m≥2，θ_{det（ij-n）}代表第i个周期的与参考点θ_ref（n）最接近的检测值；

选取与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}；

计算修调值θ_cal（i-n）=θ_{filt（ij-n）}-θ_{det（ij-n）}，θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值；

对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）做均化处理得到目标修调值θ_cal（n），θ_ref（n）与θ_cal（n）一一对应，p为正整数，且p≥2；

将各个参考点θ_ref（n）和与之对应的目标修调值θ_cal（n）一一对应地存储从而得到修调参考表。

本申请提供的磁性编码器的自校准方法的有益效果在于：与现有技术相比，本申请提供的磁性编码器的自校准方法对检测值θ_det（ij）进行低通滤波可提高检测数据的线性度，滤波值θ_filt（ij）可视为对检测值θ_det（ij）进性线性度校正的结果，θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值，对于每一个参考点，p个周期就有p个对应的修调值，对该p个修调值做均化处理可以得到较为准确的目标修调值θ_cal（n），由此，每个参考点都可获得与之对应的目标修调值θ_cal（n），从而形成修调参考表，无需增设昂贵的光学编码器作为校准参考，能够降低磁性编码器的校准成本。

请参阅图3，对某一个周期的检测值θ_det（ij）进行低通滤波得到滤波值θ_filt（ij）。在滤波之前，检测值θ_det（ij）含有非线性偏差，经过第一滤波器的低通滤波之后，可消除或减少该非线性偏差，以尽量接近理想的线性度。第一滤波器可采用现有的低通滤波器。

在转轴的匀速转动过程中，磁性编码器采集到的检测值θ_det（i）呈周期性变化，且变化频率与转轴的转速一致。

θ_det（ij）代表第i个周期的第j个检测值，例如，θ_det（23）代表第2个周期的第3个检测值。θ_filt（ij）与θ_det（ij）一一对应，例如，与θ_det（23）对应的滤波值表示为θ_filt（23）。θ_{det（ij-n）}代表第i个周期的与参考点θ_ref（n）最接近的检测值，例如，θ_{det（2j-5）}代表第2个周期的与参考点θ_ref（5）最接近的检测值。滤波值θ_{filt（2j-5）}与θ_{det（2j-5）}对应。θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值，例如，θ_cal（2-5）代表参考点θ_ref（5）的第2个周期的修调值，且θ_cal（2-5）=θ_{filt（2j-5）}-θ_{det（2j-5）}。参考点θ_ref（5）的p个周期的修调值分别表示为θ_cal（1-5）、θ_cal（2-5）、……、θ_cal（p-5），将这p个修调值做均化处理得到目标修调值θ_cal（5），继而可以将θ_ref（5）和θ_cal（5）一一对应地存储于修调参考表。

具体地，对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）进行低通滤波得到目标修调值θ_cal（n）。也即，p个周期的θ_cal（i-n）输入至第二滤波器进行低通滤波后得到与参考点θ_ref（n）对应的目标修调值θ_cal（n）。

在磁性编码器的自校准过程中，随着转轴的匀速转动，检测值θ_det（i）所含有的非线性偏差成为频率等于转速的信号，转速越高则信号的频率越高，经过低通滤波后可消除或减少该非线性偏差，获得较为准确的检测结果。在磁性编码器的自校准过程中，转轴的转速不宜过低，以免转速抖动较大而影响检测精度；转轴的转速也不宜过高，以免对系统时钟频率要求过高而增加硬件成本和计算成本。

优选地，在采集检测值θ_det（i）的过程中，转轴的转速位于1000RPM至5000RPM之间。当转轴的转速位于该范围内时，转轴的转速较为稳定，可获得较准确的检测精度。

为了便于比较模块寻找与参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，对于参考点的分布，设定如下规则：θ_ref（1）=0，θ_ref（n+1）=θ_ref（n）+2^K，K为正整数。这样做的好处在于，2^K用二进制表示的时候只有其中一位是1，其它位都是0。在这种情况下，可以以该为1的位将各个参考点分割为两部分：比较部分（高位）和存余部分（低位），该为1的位归属于比较部分。检测值θ_det（ij）也相应地分割为比较部分（高位）和存余部分（低位），将检测值θ_det（ij）的比较部分与参考点θ_ref（n）的比较部分做比较即可。

进一步地，检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）均以二进制表示，检测值θ_det（ij）和二进制的2^K-1相加得到θ_{index（ij）}，将θ_{index（ij）}与各个参考点θ_ref（n）相比较以找到与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}。检测值θ_det（ij）和二进制的2^K-1相加，相当于十进制的“四舍五入”，2^K-1与检测值θ_det（ij）的存余部分对应，相加后，若无进位，则含噪值y_mix的比较部分不变，相当于“四舍”；若有进位，则检测值θ_det（ij）的比较部分加1，相当于“五入”。

优选地，K=4，检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）的二进制位数大于或等于8。检测值θ_det（ij）和参考点的二进制位数可以是8、12、16、20、24、28或32等。

表1示出了参考点的一个示例。

表1

在表1所示的示例中，2^K =16，K=4，检测值θ_det（ij）和参考点的二进制位数为8，检测值θ_det（ij）和参考点的高4位为比较部分，低4位为存余部分。2^K-1的二进制表示为00001000。假设第一检测值θ_det（i1）为00010001（十进制为17），则θ_{index（i1）}=θ_det（i1）+2^K-1=00010001+00001000=00011001，用θ_{index（i1）}的高4位与参考点的高4位比较可快速找到最接近的00010000（十进制为16）。假设第二检测值θ_det（i2）为00011101（十进制为29），则θ_{index（i2）}=θ_det（i2）+2^K-1=00011101+00001000=00100101，用θ_{index（i2）}的高4位与参考点的高4位比较可快速找到最接近的00100000（十进制为32）。

在一些示例中，也可以将各个参考点的高4位作为其序号，将θ_{index（ij）}的高4位与各个参考点的序号做比较可快速找到最接近的参考点。

值得注意的是，表1所列的参考点的单位不是度，所给出的数值不直接以度为单位来指示角度。为了便于二进制表示，可以用2^R表示360°，R为正整数。例如令R=8，用256（二进制为100000000）表示360°，用128（二进制为10000000）表示180°，用16（二进制为00010000）表示22.5°。在该举例中，假设二进制存储位数为8位，用256（二进制为100000000）表示360°，100000000将会溢出而变为00000000，考虑到360°与0°重合，所以在实际应用中用00000000表示360°或0°也是可以的。

在建立修调参考表之后，在实际检测的工作中，磁性编码器采集转轴的旋转角度的检测值θ_det（x），x为正整数，根据检测值θ_det（x）查询修调参考表得到对应的目标修调值θ_cal（n），计算校正值θ_cor（x）=θ_det（x）+θ_cal（n）。

优选地，磁性编码器的自校准方法通过硬件描述语言实现数据的运算。

为了获得优异的运算速度，本申请的一个实施例应用了硬件描述语言，磁性编码器的自校准方法可以通过硬件描述语言实现数据的运算。可以理解的是，磁性编码器的自校准方法也可以通过其他方式来实现数据的运算。本申请应用的硬件描述语言可以是VHDL（Very-HiCh-Speed InteCrated Circuit Hardware Description LanCuaCe），也可以是Verilog HDL。与微处理器MCU计算相比，用硬件描述语言最终生成的集成电路具有并行运算速度快的显著优点。就数学计算而言，通过硬件描述语言在集成电路内实现数据位数比较大的任意数之间的一般乘法或一般除法的计算速度相对较慢，消费硬件成本太大, 所以本申请尽量避免复杂的乘除法计算。此外值得注意的是，硬件描述语言在计算时，2的指数次幂的乘除法使用移位运算来实现，所以2的指数次幂的乘除法的计算速度也是比较快的。

对于本申请所定义的模块，其可以体现为硬件，也可以体现为软件。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁性编码器的自校准方法，所述磁性编码器用于检测转轴的旋转角度，其特征在于，所述磁性编码器的自校准方法包括：

所述转轴匀速转动，所述磁性编码器采集所述转轴的旋转角度的检测值θ_det（ij），i和j均为正整数，θ_det（ij）代表第i个周期的第j个检测值；

对检测值θ_det（ij）进行低通滤波得到滤波值θ_filt（ij），θ_filt（ij）与θ_det（ij）一一对应；

在360°内设置m个参考点θ_ref（n），选取每个周期与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，n和m均为正整数，且1≤n≤m，m≥2，θ_{det（ij-n）}代表第i个周期的与参考点θ_ref（n）最接近的检测值；

选取与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}；

计算修调值θ_cal（i-n）=θ_{filt（ij-n）}-θ_{det（ij-n）}，θ_cal（i-n）代表参考点θ_ref（n）的第i个周期的修调值；

对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）做均化处理得到目标修调值θ_cal（n），θ_ref（n）与θ_cal（n）一一对应，p为正整数，且p≥2；

将各个参考点θ_ref（n）和与之对应的目标修调值θ_cal（n）一一对应地存储从而得到修调参考表。

2.如权利要求1所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

对各个参考点θ_ref（n）的p个周期的θ_cal（i-n）进行低通滤波得到目标修调值θ_cal（n）。

3.如权利要求1所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

在采集检测值θ_det（i）的过程中，所述转轴的转速位于1000RPM至5000RPM之间。

4.如权利要求1所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

θ_ref（1）=0，θ_ref（n+1）=θ_ref（n）+2^K，K为正整数。

5.如权利要求4所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）均以二进制表示，检测值θ_det（ij）和二进制的2^K-1相加得到θ_{index（ij）}，将θ_{index（ij）}与各个参考点θ_ref（n）相比较以找到与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}。

6.如权利要求5所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

K=4，检测值θ_det（ij）和参考点θ_ref（n）的二进制位数大于或等于8。

7.如权利要求1至6任一项所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

在建立所述修调参考表之后，所述磁性编码器采集所述转轴的旋转角度的检测值θ_det（x），x为正整数，根据检测值θ_det（x）查询所述修调参考表得到对应的目标修调值θ_cal（n），计算校正值θ_cor（x）=θ_det（x）+θ_cal（n）。

8.如权利要求1至6任一项所述的磁性编码器的自校准方法，其特征在于：

所述磁性编码器的自校准方法通过硬件描述语言实现数据的运算。

9.一种电机，其特征在于：

所述电机配设有磁性编码器和信号处理电路，所述磁性编码器相对于所述电机的定子固定，所述电机的输出轴设有磁体，所述磁性编码器用于检测所述磁体的旋转角度，所述信号处理电路根据权利要求1至8任一项所述的磁性编码器的自校准方法建立所述修调参考表。

10.如权利要求9所述的电机，其特征在于：

所述信号处理电路包括第一滤波器、比较模块、存储模块、对应模块、减法器和第二滤波器，所述存储模块存有m个参考点θ_ref（n），所述磁性编码器输出检测值θ_det（ij），检测值θ_det（ij）输入至第一滤波器进行低通滤波后得到滤波值θ_filt（ij），所述比较模块对各个周期的检测值θ_det（ij）和各个参考点θ_ref（n）进行比较而找出每个周期内与各个参考点θ_ref（n）最接近的检测值θ_{det（ij-n）}，所述对应模块找出与θ_{det（ij-n）}对应的滤波值θ_{filt（ij-n）}，θ_{filt（ij-n）}和θ_{det（ij-n）}输入所述减法器进行相减而得到修调值θ_cal（i-n），p个周期的θ_cal（i-n）输入至第二滤波器进行低通滤波后得到与参考点θ_ref（n）对应的目标修调值θ_cal（n）。

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