CN116232162B - 一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及霍尔编码器检测技术领域，本发明公开了一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，包括以下步骤：步骤（1）：通过传感器模块采集AMR霍尔传感器的正余弦信号和磁性开关霍尔的高低电平信号；步骤（2）：通过转换模块对正余弦信号进行模数转换；步骤（3）：通过初次滤波模块对正余弦信号进行一阶滤波；步骤（4）：通过位置初处理模块一方面将正余弦信号偏置为标准的正余弦信号；步骤（5）：位置初处理后进入位置细处理模块；步骤（6）：采用串行数据传输的方式传输到外部设备中。本发明能够以一种低成本的方式，使动子在上电时可以直接获取当前的绝对位置，帮助磁悬浮运输装置控制电机，保证获取较高精度的位置且位置计算速度快。

Description

一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法
技术领域
本发明涉及霍尔编码器检测技术领域，具体为一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法。
背景技术
当前主流的柔性磁悬浮运输线通常采用磁驱式直线电机，定子线圈通过伺服驱动器和位置传感器，精确地控制电机磁场与动子产生作用力，从而无接触的驱动动子运行，动子可作为载体进行物体运输。
驱动器控制定子产生定向磁场所需要的最关键信号就是动子的位置信息，而目前主流的方案都是采用磁栅、光栅、多点绝对式传感器作为位置反馈传感器，但随着市场需求量的增大和对成本的控制，此类位置反馈方案成本过高，无法有效的替代传统皮带运输线，具体包括以下问题：
（1）当前使用的磁栅、光栅方案不仅成本高，对运行环境要求高，而且无法上电后直接读取当前动子位置；
（2）当前使用的多点绝对式霍尔尺方案，虽然可以上电直接读取动子位置，但是一段电机上阵列排布的AMR霍尔传感器数量大于等于动子磁板上的磁极数量，成本过高；
（3）当前使用的单点式霍尔尺方案，虽然成本低，但无法上电后直接读取当前动子位置，每次上电都需要人工对所有动子进行特殊操作，流程复杂操作难度高；
因此需要一种低成本、精度高、完全绝对式的位置反馈方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：通过传感器模块采集AMR霍尔传感器的正余弦信号和磁性开关霍尔的高低电平信号，并将信号传输到转换模块；
步骤（2）：通过转换模块对正余弦信号进行模数转换，对磁性霍尔开关的电平信号进行预处理为具体数值，并将转换后的信号传递给初次滤波模块；
步骤（3）：通过初次滤波模块对正余弦信号进行一阶滤波，对电平信号进行防抖滤波，后进行位置初处理；
步骤（4）：通过位置初处理模块一方面将正余弦信号偏置为标准的正余弦信号，另一方面将防抖处理后的磁性开关霍尔的电平信号转换为粗位置数据；
步骤（5）：位置初处理后进入位置细处理模块，在位置细处理模块中正余弦信号通过反正切获得具体的磁极角度数据，将角度数据转换为精确位置数据后与初处理的粗位置数据进行结合，从而获得最终动子相对编码器的位置；
步骤（6）：通过数据传输模块，采用串行数据传输的方式传输到外部设备中。
优选的，所述AMR霍尔传感器采用ADA4571BRZ，所述AMR霍尔传感器能够通过检测动子磁板产生的磁场信号，产生正余弦交变的数据信号，当磁场从N->S极变换或者S->N极变换，均会产生一个长度360°且幅值固定的Sin和Cos信号。
优选的，阵列的所述磁性霍尔开关采用0或者1的电平信号，双极性磁性霍尔开关能够检测N极或者S极的磁场，当霍尔数量与磁极数量相等且阵列排布，则能够根据开关霍尔的信号判断霍尔尺覆盖的磁极数量。
优选的，所述转换模块通过模数转换芯片采集AMR霍尔传感器输出的与磁场变换相关的电压值，通过逻辑处理芯片采集磁性开关霍尔的IO信号。
优选的，所述初次滤波模块通过模数转换芯片采集到的正余弦信号存在谐波干扰，需要进行采用一阶滤波模块进行滤波处理，处理公式为：
Figure SMS_1
式中：Y(n)为本周期输出数据，Y(n-1)为上周期输出数据，X(n)为本周期输入数据，a为滤波系数；
而通过逻辑处理芯片采集到的磁性开关霍尔信号，采用防抖滤波模块进行处理，处理公式为：
Figure SMS_2
式中：Y为最终输出信号，X(n)...X(0) 为各周期输入信号，n为当前周期数。
优选的，所述位置初处理模块的作用为：滤波后的AMR信号虽然是正余弦信号，但是反馈的都是正数，为了能够进行反正切变换求出角度，需要将滤波后的正余弦信号对称偏置为标准的正余弦信号，及相对于零点对称的正余弦波形：
Figure SMS_3
式中：StdSin表示偏置后的标准正弦波形，RawSin表示原始的经过滤波后的正弦波形，RawSinMax表示原始滤波后正弦波形的最大值，RawSinMin表示原始滤波后正弦波形的最小值；
Figure SMS_4
式中：StdCos表示偏置后的标准余弦波形，RawCos表示原始的经过滤波后的余弦波形，RawCosMax表示原始滤波后余弦波形的最大值，RawCosMin表示原始滤波后余弦波形的最小值；
经过防抖滤波后的磁性开关霍尔信号能够反映当前磁极所处的初步范围，及动子磁板上当前有多少个磁极处于检测区域，根据固定的磁极间距，即可计算出动子的初步位置：
Figure SMS_5
式中：RawPos表示当前动子的初步位置，SwitchHallNum表示磁性开关霍尔的高电平信号数量，MagnetLength表示磁极间距。
优选的，所述位置细处理模块的作用为：
最终的位置拟合通过两部分组成；
其中一部分是当前AMR霍尔传感器所对应的磁极没有完全通过部分，在数据波形上的体现是不完全的正余弦波形，通过三角函数的反正切算法，能够精确地计算出当前AMR霍尔传感器对应磁极所经过的具体角度：
Figure SMS_6
其中：θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，ArchTan表示三角函数中的反正切计算，StdSin表示标准正弦波形，StdCos表示标准余弦波形；
通过反正切计算出具体的角度位置后，还需要将其整定为对于的数据值，便于和磁极间距进行统一化处理：
Figure SMS_7
其中：FinePos表示整定后磁极经过霍尔传感器的距离，θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，MagnetLength表示磁极的间距；
最终位置组成的另外一部分是磁性开关霍尔检测到的初步位置及RawPos，将这两部分位置进行拟合最终得到霍尔尺反馈的绝对位置：
Figure SMS_8
其中：FinalPos表示最终拟合后的绝对位置，FinePos表示磁极经过的精确位置，RawPos表示初步位置。优选的，所述数据传输模块的作用为：最终拟合后的位置通过串行数据+多摩川协议的通信方式，能够将绝对式的位置信息从霍尔尺中输出，从而能够使霍尔尺的外接设备如驱动器等获取当动子所处的绝对位置，用于进行磁悬浮电机的运动控制。
本发明提出的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，有益效果在于：
1.本发明能够以一种低成本的方式，使动子在上电时可以直接获取当前的绝对位置，从而帮助磁悬浮运输装置控制电机；
2.本发明通过整列磁性开关霍尔和AMR霍尔传感器相结合的方式，能够保证获取较高精度的位置且位置计算速度快。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
图2为本发明的AMR霍尔、磁性开关霍尔、动子磁极位置关系示意图。
图3为本发明的AMR霍尔信号和磁性开关霍尔信号示意图。
图4为本发明的一阶滤波模块示意图。
图5为本发明的防抖滤波模块示意图。
图6为本发明的对正值的正余弦信号偏置为标准波形示意图。
图7为本发明的AMR霍尔传感器对应磁极的正余弦波形示意图。
图8为本发明的三角函数反正切计算示意图。
图9为本发明的绝对位置信息串行发送模块示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例，请参阅图1-图9，本发明提供一种技术方案：一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，包括以下步骤：
步骤（1）：通过传感器模块采集AMR霍尔传感器的正余弦信号和磁性开关霍尔的高低电平信号，并将信号传输到转换模块；
步骤（2）：通过转换模块对正余弦信号进行模数转换，对磁性霍尔开关的电平信号进行预处理为具体数值，并将转换后的信号传递给初次滤波模块；
步骤（3）：通过初次滤波模块对正余弦信号进行一阶滤波，对电平信号进行防抖滤波，后进行位置初处理；
步骤（4）：通过位置初处理模块一方面将正余弦信号偏置为标准的正余弦信号，另一方面将防抖处理后的磁性开关霍尔的电平信号转换为粗位置数据；
步骤（5）：位置初处理后进入位置细处理模块，在位置细处理模块中正余弦信号通过反正切获得具体的磁极角度数据，将角度数据转换为精确位置数据后与初处理的粗位置数据进行结合，从而获得最终动子相对编码器的位置；
步骤（6）：通过数据传输模块，采用串行数据传输的方式传输到外部设备中。
AMR霍尔传感器采用ADA4571BRZ，AMR霍尔传感器能够通过检测动子磁板产生的磁场信号，产生正余弦交变的数据信号，当磁场从N->S极变换或者S->N极变换，均会产生一个长度360°且幅值固定的Sin和Cos信号；
阵列的磁性霍尔开关采用0或者1的电平信号，双极性磁性霍尔开关能够检测N极或者S极的磁场，当霍尔数量与磁极数量相等且阵列排布，则能够根据开关霍尔的信号判断霍尔尺覆盖的磁极数量；
更具体的，如图2所示，AMR霍尔传感器、磁性开关霍尔、动子磁极的位置关系，其中磁性开关霍尔间距与动子磁极间距保持一致，数量保持一致，均匀阵列在霍尔尺正面，两个AMR霍尔传感器位于霍尔尺背面，分别与第一个磁性开关霍尔和最后一个磁性开关霍尔对齐。
如图3所示，转换模块通过模数转换芯片采集AMR霍尔传感器输出的与磁场变换相关的电压值，通过逻辑处理芯片采集磁性开关霍尔的IO信号。
如图4所述，初次滤波模块通过模数转换芯片采集到的正余弦信号存在谐波干扰，需要进行采用一阶滤波模块进行滤波处理，处理公式为：
Figure SMS_9
式中：Y(n)为本周期输出数据，Y(n-1)为上周期输出数据，X(n)为本周期输入数据，a为滤波系数；
如图5所示，而通过逻辑处理芯片采集到的磁性开关霍尔信号，采用防抖滤波模块进行处理，处理公式为：
Figure SMS_10
式中：Y为最终输出信号，X(n)...X(0) 为各周期输入信号，n为当前周期数。
位置初处理模块的作用为：滤波后的AMR信号虽然是正余弦信号，但是反馈的都是正数，为了能够进行反正切变换求出角度，需要将滤波后的正余弦信号对称偏置为标准的正余弦信号，及相对于零点对称的正余弦波形：
Figure SMS_11
式中：StdSin表示偏置后的标准正弦波形，RawSin表示原始的经过滤波后的正弦波形，RawSinMax表示原始滤波后正弦波形的最大值，RawSinMin表示原始滤波后正弦波形的最小值；
Figure SMS_12
式中：StdCos表示偏置后的标准余弦波形，RawCos表示原始的经过滤波后的余弦波形，RawCosMax表示原始滤波后余弦波形的最大值，RawCosMin表示原始滤波后余弦波形的最小值，如图6所示；
经过防抖滤波后的磁性开关霍尔信号能够反映当前磁极所处的初步范围，及动子磁板上当前有多少个磁极处于检测区域，根据固定的磁极间距，即可计算出动子的初步位置：
Figure SMS_13
式中：RawPos表示当前动子的初步位置，SwitchHallNum表示磁性开关霍尔的高电平信号数量，MagnetLength表示磁极间距。
位置细处理模块的作用为：
最终的位置拟合通过两部分组成；
其中一部分是当前AMR霍尔传感器所对应的磁极没有完全通过部分，在数据波形上的体现是不完全的正余弦波形，通过三角函数的反正切算法，能够精确地计算出当前AMR霍尔传感器对应磁极所经过的具体角度：
Figure SMS_14
其中：θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，ArchTan表示三角函数中的反正切计算，StdSin表示标准正弦波形，StdCos表示标准余弦波形，如图7所示；
通过如图8所示的反正切计算出具体的角度位置后，还需要将其整定为对于的数据值，便于和磁极间距进行统一化处理：
Figure SMS_15
其中：FinePos表示整定后磁极经过霍尔传感器的距离，θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，MagnetLength表示磁极的间距；
最终位置组成的另外一部分是磁性开关霍尔检测到的初步位置及RawPos，将这两部分位置进行拟合最终得到霍尔尺反馈的绝对位置：
Figure SMS_16
其中：FinalPos表示最终拟合后的绝对位置，FinePos表示磁极经过的精确位置，RawPos表示初步位置。
数据传输模块的作用为：如图9所示，最终拟合后的位置通过串行数据+多摩川协议的通信方式，能够将绝对式的位置信息从霍尔尺中输出，从而能够使霍尔尺的外接设备如驱动器等获取当动子所处的绝对位置，用于进行磁悬浮电机的运动控制。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤（1）：通过传感器模块采集AMR霍尔传感器的正余弦信号和磁性开关霍尔的高低电平信号，并将信号传输到转换模块；
步骤（2）：通过转换模块对正余弦信号进行模数转换，对磁性霍尔开关的电平信号进行预处理为具体数值，并将转换后的信号传递给初次滤波模块；
步骤（3）：通过初次滤波模块对正余弦信号进行一阶滤波，对电平信号进行防抖滤波，后进行位置初处理；
步骤（4）：通过位置初处理模块一方面将正余弦信号偏置为标准的正余弦信号，另一方面将防抖处理后的磁性开关霍尔的电平信号转换为粗位置数据；
步骤（5）：位置初处理后进入位置细处理模块，在位置细处理模块中正余弦信号通过反正切获得具体的磁极角度数据，将角度数据转换为精确位置数据后与初处理的粗位置数据进行结合，从而获得最终动子相对编码器的位置；
步骤（6）：通过数据传输模块，采用串行数据传输的方式传输到外部设备中；
所述位置初处理模块的作用为：滤波后的AMR信号虽然是正余弦信号，但是反馈的都是正数，为了能够进行反正切变换求出角度，需要将滤波后的正余弦信号对称偏置为标准的正余弦信号，及相对于零点对称的正余弦波形：
Figure QLYQS_1
式中：StdSin表示偏置后的标准正弦波形，RawSin表示原始的经过滤波后的正弦波形，RawSinMax表示原始滤波后正弦波形的最大值，RawSinMin表示原始滤波后正弦波形的最小值；
Figure QLYQS_2
式中：StdCos表示偏置后的标准余弦波形，RawCos表示原始的经过滤波后的余弦波形，RawCosMax表示原始滤波后余弦波形的最大值，RawCosMin表示原始滤波后余弦波形的最小值；
经过防抖滤波后的磁性开关霍尔信号能够反映当前磁极所处的初步范围，及动子磁板上当前有多少个磁极处于检测区域，根据固定的磁极间距，即可计算出动子的初步位置：
Figure QLYQS_3
式中：RawPos表示当前动子的初步位置，SwitchHallNum表示磁性开关霍尔的高电平信号数量，MagnetLength表示磁极间距；
所述位置细处理模块的作用为：
最终的位置拟合通过两部分组成；
其中一部分是当前AMR霍尔传感器所对应的磁极没有完全通过部分，在数据波形上的体现是不完全的正余弦波形，通过三角函数的反正切算法，能够精确地计算出当前AMR霍尔传感器对应磁极所经过的具体角度：
Figure QLYQS_4
其中：θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，ArchTan表示三角函数中的反正切计算，StdSin表示标准正弦波形，StdCos表示标准余弦波形；
通过反正切计算出具体的角度位置后，还需要将其整定为对于的数据值，便于和磁极间距进行统一化处理：
Figure QLYQS_5
其中：FinePos表示整定后磁极经过霍尔传感器的距离，θ表示磁极经过AMR霍尔传感器的角度，MagnetLength表示磁极的间距；
最终位置组成的另外一部分是磁性开关霍尔检测到的初步位置及RawPos，将这两部分位置进行拟合最终得到霍尔尺反馈的绝对位置：
Figure QLYQS_6
其中：FinalPos表示最终拟合后的绝对位置，FinePos表示磁极经过的精确位置，RawPos表示初步位置。
2.根据权利要求1所述的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，所述AMR霍尔传感器采用ADA4571BRZ，所述AMR霍尔传感器能够通过检测动子磁板产生的磁场信号，产生正余弦交变的数据信号，当磁场从N->S极变换或者S->N极变换，均会产生一个长度360°且幅值固定的Sin和Cos信号。
3.根据权利要求2所述的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，阵列的所述磁性霍尔开关采用0或者1的电平信号，双极性磁性霍尔开关能够检测N极或者S极的磁场，当霍尔数量与磁极数量相等且阵列排布，则能够根据开关霍尔的信号判断霍尔尺覆盖的磁极数量。
4.根据权利要求3所述的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，所述转换模块通过模数转换芯片采集AMR霍尔传感器输出的与磁场变换相关的电压值，通过逻辑处理芯片采集磁性开关霍尔的IO信号。
5.根据权利要求4所述的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，所述初次滤波模块通过模数转换芯片采集到的正余弦信号存在谐波干扰，需要进行采用一阶滤波模块进行滤波处理，处理公式为：
Figure QLYQS_7
式中：Y(n)为本周期输出数据，Y(n-1)为上周期输出数据，X(n)为本周期输入数据，a为滤波系数；而通过逻辑处理芯片采集到的磁性开关霍尔信号，采用防抖滤波模块进行处理，处理公式为：
Figure QLYQS_8
式中：Y为最终输出信号，X(n)...X(0) 为各周期输入信号，n为当前周期数。
6.根据权利要求5所述的一种组合式绝对位置霍尔编码器检测方法，其特征在于，所述数据传输模块的作用为：最终拟合后的位置通过串行数据+多摩川协议的通信方式，能够将绝对式的位置信息从霍尔尺中输出，从而能够使霍尔尺的外接设备获取当前动子所处的绝对位置，用于进行磁悬浮电机的运动控制。
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