基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法及装置.pdf
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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910191609.4 (22)申请日 2019.03.14 (71)申请人 哈尔滨理工大学 地址 150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学 府路52号 (72)发明人 王磊任齐民张洪鑫 (51)Int.Cl. G01D 18/00(2006.01) (54)发明名称 一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点 抑制方法及装置 (57)摘要 本发明涉及一种基于单对极角度值拟合的 角度值跳点抑制方法及装置。 该方法及装置包 括: 单对极霍尔传感器测量, 通过A/D转换器对霍 尔信号进。
2、行模数转换, 通过单对极角度值计算模 块获得单对极角度值1; 多对极霍尔传感器测 量, 通过A/D转换器对霍尔信号进行模数转换, 通 过多对极角度值计算模块获得多对极角度值 2; 多对极角度值细分处理模块对多对极角度 值进行细分整合得到多对极角度值3; 等比例 缩小模块将多对极角度值缩小输出4与单对极 角度值拟合模块输出的5输入到角度值跳点处 理模块, 判断角度值跳点的位置并进行角度值跳 点处理; 本发明提供的方案通过对磁电编码器的 测量值校正, 使磁电编码器不受温度、 震动等外 界因素的影响, 从而提高测量精度。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 110095142 A 2019.。
3、08.06 CN 110095142 A 1.一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征在于: 该方法包括以下 步骤: (1)解算单对极角度值 1与多对极角度值 2; (2)依据单对极角度值 1与多对极角度值 2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 3; (3)将得到的细分后的多对极角度值 3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 4; (4)将单对极角度值 1向细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行拟合, 得到拟合后 的单对极角度值 5; (5)判断拟合后的单对极角度值 5与细分处理后经过缩放的多对极角度值 4的差值范。
4、 围, 确定出现多对极跳点的具体位置并进行多对极角度值跳点补偿。 2.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征在于: 所述的解算单对极角度值 1与多对极角度值 2的过程为: 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 1与 多对极角度值 2。
5、, 其中单对极角度值 1为16位整数型数据: 1arctg(HA+/HA-) (1) 2arctg(HB+/HB-) (2) 3.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征是: 所 述的多对极角度值的角度值细分过程包括: 通过单对极角度值 1的高10位角度值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 3: 365525P+ 2 (3) 4.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征在于: 所述的将细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行拟合包括: 将得到的细分处理后的多对极角度值 3经过式(4)进行比例缩放, 。
6、得到比例缩放后的多 对极角度值 4: 4 3/(65535*P)*65535 (4) 将单对极角度值 1向细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行拟合, 通过式(5)得到 单对极角度值 1与经过缩放的多对极角度值 4的偏差量 err: err 1- 4 (5) 以单对极磁电编码器角度值 1的高10位角度值为查表项, 以角度偏差值 err作为被查表 项, 由式(6)得到经过查表修正后的单对极磁电编码器角度值 5: 5 1+ err(6) 5.根据权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征在于: 所述的多对极角度值跳点的具体位置判断与补偿包括: 由式(7)得到拟合后的单对极。
7、角度值5与经过缩放的多对极角度值4的角度偏差值 权利要求书 1/2 页 2 CN 110095142 A 2 err_f: err_f 5- 4 (7) 此时 err_f的范围与单对极角度值 1以及拟合后的单对极角度值 5的噪声范围一致, 假 设 err_f-N,+N; 当发生角度值跳点时, 由式(8)得到细分处理后的多对极角度值 4的跳 点数值 jump: jump65535/PY (8) 磁电编码器角度值偏差 err_f中的信号噪声N要远小于多对极角度跳点数值Y, 然后对多 对极角度值跳点位置进行判断, 若磁电编码器的角度值偏差 err_fN+(Y-N)/2,Y+Y/2或 err_f-Y-。
8、Y/2,-N-(Y-N)/2, 则认为当前角度值为跳点。 在判断出角度值跳动点后对跳动点值进行补偿, 如果 err_fN+(Y-N)/2, Y+Y/2则由 式(9)得到经过跳点补偿的多对极角度值 6: 6 4+65535/P (9) 若 err_f-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2, 则由式(10)得到经过跳点补偿的多对极角度值 6: 6 4-65535/P (10) 6.一种基于权利要求1所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法的装置, 其特征在于, 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。
9、信号, 并将其转换为电压信号; A/D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 1; 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 2; 多对极角度值细分处理模块, 用于将多对极角度值 2进行细分整合, 假设多对极磁钢极 数为16, 单对极角度值 1角度值范围在065535LSB, 多对极角度值 2的角度值范围在0 65535LSB, 经过细分整合后的多对极角度值 3角度值范围在065535*16LSB; 等比例缩小模块, 用于将得到的多对极角度值 3等比例缩小到065535LS。
10、B范围内, 输 出角度值 4; 单对极角度值拟合模块, 用于将单对极角度值 1向多对极 4拟合, 并输出拟合后的单对 极角度值 5; 角度值跳点处理模块, 用于判断单对极角度值拟合模块输出角度值 5与经过等比例缩 小模块的多对极角度值 4的差值范围, 并将角度值跳点进行处理, 得到平滑无跳点的多对 极角度值。 权利要求书 2/2 页 3 CN 110095142 A 3 一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法及装置 技术领域 0001 本发明总体上涉及磁电编码器, 具体地说, 涉及一种用于校正多 对极磁电编码器 角度值跳点的方法。 背景技术 0002 磁电编码器是一种测量装置, 其原理是。
11、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。 0003 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。 于是, 转子。
12、旋转 时, 永久磁铁同步旋转, 在永 久磁体与定子的气隙中产生变化的磁场, 霍尔传感器将磁场 信号转化 为电压信号, 通过信号处理板进行解算, 从而实现角度测量。 0004 然而, 诸如霍尔元件之类的传感器, 在不同的温度下, 其特性会 产生些许变化, 这 引起磁电编码器测量的结果产生偏移。 也就是说, 在机械位置相同但温度不同的情况下, 磁电编码器中传感器特性的变 化会造成测量结果不同。 例如, 在温度变化的条件下, 霍尔 元件采集 输出的信号值发生了改变, 导致单对极角度值与多对极角度值产生解 算偏差。 由于温度变化造成的单对极角度值与多对极角度值的偏差值 具有随机性以及不一致性, 致使单。
13、对极角度值与多对极角度值的映射 关系发生改变, 最终导致多对极角度值细分过 程出现错误, 产生角度 值跳点。 发明内容 0005 针对上述问题, 本发明提出一种方案, 旨在校正磁电编码器的跳 点误差, 使之在 工作过程中, 即使温度发生变化, 测量结果仍然平滑, 没有角度值跳点产生, 因此可以提高 磁电编码器的测量精度。 0006 本发明是这样构思的: 0007 一种基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法, 其特征在于: 该方法包括以 下步骤: 0008 (1)解算单对极角度值 1与多对极角度值 2; 0009 (2)依据单对极角度值 1与多对极角度值 2对多对极角度值进行 角度值细分, 得。
14、 到细分后的多对极角度值 3; 0010 (3)将得到的细分后的多对极角度值 3进行等比例缩放, 进而 得到角度幅值范围 在065535LSB内的多对极角度值 4; 0011 (4)将单对极角度值 1向细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行拟合, 得到拟 说明书 1/6 页 4 CN 110095142 A 4 合后的单对极角度值 5; 0012 (5)判断拟合后的单对极角度值 5与细分处理后经过缩放的多 对极角度值 4的差 值范围, 确定出现多对极跳点的具体位置并进行多 对极角度值跳点补偿。 0013 优选地, 所述的解算单对极角度值 1与多对极角度值 2的过程为: 0014 霍尔信号采集。
15、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 1与多对极角度值 2, 其中单对极角度值 1为16 位整数型数据: 0015 1arctg(HA+/HA-) (1) 0016 2arctg(HB+/HB-) (2) 0017 优选地, 所述的多对极角度值的角度值细分过程包括:。
16、 0018 通过单对极角度值 1的高10位角度值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 3: 0019 365525P+ 2 (3) 0020 优选地, 所述的将细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行拟 合包括: 0021 将得到的细分处理后的多对极角度值 3经过式(4)进行比例缩 放, 得到比例缩放 后的多对极角度值 4: 0022 4 3/(65535*P)*65535 (4) 0023 将单对极角度值 1向细分处理后经过缩放的多对极角度值 4进行 拟合, 通过式 (5)得到单对极角度值 1与经过缩放的多对极角度值 4的偏差量 err: 0024 err。
17、 1- 4 (5) 0025 以单对极磁电编码器角度值 1的高10位角度值为查表项, 以角度偏 差值 err作为 被查表项, 由式(6)得到经过查表修正后的单对极磁 电编码器角度值 5: 0026 5 1+ err (6) 0027 优选地, 所述的多对极角度值跳点的具体位置判断与补偿包括: 0028 由式(7)得到拟合后的单对极角度值 5与经过缩放的多对极角 度值 4的角度偏差 值 err_f: 0029 err_f 5- 4 (7) 0030 此时 err_f的范围与单对极角度值 1以及拟合后的单对极角度值 5的噪声范围一 致, 假设 err_f-N,+N; 当发生角度值跳点时, 由式(8。
18、) 得到细分处理后的多对极角度值 4的跳点数值 jump: 0031 jump65535/PY (8) 0032 磁电编码器角度值偏差 err_f中的信号噪声N要远小于多对极角 度跳点数值Y, 然 后对多对极角度值跳点位置进行判断, 若磁电编码 器的角度值偏差 err_fN+(Y-N)/2,Y+ Y/2或 err_f-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2, 则认为当前角度值为跳点。 0033 在判断出角度值跳动点后对跳动点值进行补偿, 如果 err_fN+(Y-N)/2, Y+Y/ 2, 则由式(9)得到经过跳点补偿的多 对极角度值 6: 0034 6 4+65535/P (9) 说明书 2/6 。
19、页 5 CN 110095142 A 5 0035 若 err_f-Y-Y/2,-N-(Y-N)/2, 则由式(10)得到经过跳 点补偿的多对极角度值 6: 0036 6 4-65535/P (10) 0037 优选地, 所述的基于单对极角度值拟合的角度值跳点抑制方法的 装置, 其特征在 于, 包括: 0038 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; 0039 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; 0040 A/D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; 004。
20、1 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 1; 0042 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 2; 0043 多对极角度值细分处理模块, 用于将多对极角度值 2进行细分整 合, 假设多对极 磁钢极数为16, 单对极角度值 1角度值范围在065535 LSB, 多对极角度值 2的角度值范围 在065535LSB, 经过细分整合 后的多对极角度值 3角度值范围在065535*16LSB; 0044 等比例缩小模块, 用于将得到的多对极角度值 3等比例缩小到 065535LSB范围 内, 输出角度值 4; 0045 单对极角度值拟合模块, 用于将单对极角。
21、度值 1向多对极 4拟合, 并输出拟合后 的单对极角度值 5; 0046 角度值跳点处理模块, 用于判断单对极角度值拟合模块输出角度 值 5与经过等 比例缩小模块的多对极角度值 4的差值范围, 并将角度 值跳点进行处理, 得到平滑无跳点 的多对极角度值; 0047 本发明的有益效果: 0048 1.本发明提供的多对极角度值跳点补偿方法通过对磁电编码器 的测量值进行修 正, 使得磁电编码器尽可能不受温度、 振动等外界因 素的影响, 使测量值在不同温度下保 持平滑, 没有角度值跳点, 从而 提高了测量精度。 0049 2.本发明提供的多对极角度值跳点补偿方法可以由硬件、 软件或 软硬件结合的 方式。
22、来实现。 附图说明 0050 图1本发明实施例的磁电编码器的结构示意图; 0051 图2本发明实施例的单对极角度值与多对极角度值; 0052 图3本发明实施例的经过细分处理温度不变情况下的多对极角度值; 0053 图4本发明实施例的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; 0054 图5本发明实施例的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; 0055 图6本发明实施例的拟合后单对极角度值 5及多对极角度值 4; 说明书 3/6 页 6 CN 110095142 A 6 0056 图7本发明实施例的角度值跳点区间判断范围; 具体实施方式 0057 为使本发明的。
23、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。 0058 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: 0059 本发明实施例的磁电编码器的结构示意图如图1所示: 0060 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-; 0061 多对极霍尔传感器模块, 用于采集多对极磁钢。
24、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-; 0062 A/D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-; 0063 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 1, 通过反正切 公式(11)求解出单对极角度值 1: 0064 1arctg(HA+/HA-) (11) 0065 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 2, 通过反正切 公式(12)求解出多对极角度值 2: 0066 2ar。
25、ctg(HB+/HB-) (12) 0067 经过式(11)、 (12)求解得到的单对极角度值 1以及多对极角度 值 2如图2所示; 0068 多对极角度值细分处理模块, 用于将多对极角度值 2进行细分整 合, 假设多对极 磁钢极数为16, 单对极角度值 1角度值范围在 065535LSB, 多对极角度值 2的角度值范围 在065535LSB; 多对 极角度值 2的细分处理过程具体采用以下方法实施: 0069 通过单对极角度值 1的高10位角度值查表确定多对极角度值极 数P, 然后由式 (13)得到细分后的多对极角度值 3: 0070 365525P+ 2 (13) 0071 本实例多对极磁钢。
26、极数为16, 单对极角度值 1的高10位角度值 范围(01023), 得到多对极角度值细分处理表格如下表所示: 0072 单对极角度值高10位数值 多对极极数(P) 0 1 1 1 2 1 1021 15 说明书 4/6 页 7 CN 110095142 A 7 1022 16 1023 16 0073 通过上述实施方法, 得到经过细分处理的多对极角度值 3如图3 所示; 0074 等比例缩小模块, 用于将得到的多对极角度值 3等比例缩小到 065535LSB范围 内, 通过式(14)得到比例缩放后的多对极角度值 4: 0075 4 3/(65535*P)*65535 3/(65535*16)。
27、*65535 (14) 0076 经过等比例缩小模块输出的比例缩放后的多对极角度值 4如图4 所示; 0077 单对极角度值拟合模块, 用于将单对极角度值 1向比例缩放后的 多对极角度值 4 拟合, 并输出拟合后的单对极角度值 5, 具体实施如 下: 0078 通过式(15)计算得到单对极角度值 1与经过细分处理后的多对 极角度值 4间的 角度偏差 err: 0079 err 1- 4 (15) 0080 以单对极磁电编码器角度值 1的高10数值(01023)为查表项, 以角度偏差 err 作为被查表项, 得到角度偏差修正表格如下表所示: 0081 单对极角度值 1高10位数值 err(LSB。
28、) 0 err_0 1 err_1 2 err_2 1021 err_1021 1022 err_1022 1023 err_1023 0082 经过查角度偏差修正表格, 由式(16)得到修正后的单对极磁电 编码器角度值 5: 0083 5 1+ err (16) 0084 经过单对极角度值拟合模块输出的修正后的单对极磁电编码器 角度值 5以及比 例缩放后的多对极角度值 4如图5所示。 0085 此时将编码器放入低温箱中, 并将温度降低至-30, 保持2小 时, 然后再将经过 修正后的单对极磁电编码器角度值 5以及比例缩放 后的多对极角度值 4同步输出, 如图6 所示; 0086 由于温度改变。
29、造成单对极初始角度值 1与多对极初始角度值 2发生改变, 并且由 于温度造成的单对极与多对极角度值偏差是不一致 的, 因此, 单对极角度值 1与多对极初 始角度值 2的映射关系将发 生改变, 此时通过多对极角度值细分处理表格获取的多对极 极数出现 错误, 导致多对极角度值细分处理模块输出的多对极角度值 4产生跳 点; 0087 本实施案例中, 多对极磁电编码器极数为16, 当发生角度值跳 点时, 由式(17)得 到比例缩放后的多对极角度值 4的跳点数值 jump为 固定值Y4095.9: 0088 jump65535/164095.9 (17) 说明书 5/6 页 8 CN 110095142。
30、 A 8 0089 设定用于扫描角度值跳点的角度偏差值 err_fN+(Y-N)/2, Y+Y/2或 err_f- Y-Y/2, -N-(Y-N)/2; 修正后的 单对极磁电编码器角度值 5以及比例缩放后的多对极角度 值 4的偏 差范围N-200,200, 因此该扫描范围err_f2198, 7144及 err_f- 7144, -2198能够准确的确定跳点出现的位置, 如图7所示。 0090 进一步地, 通过 err_f所处范围对比例缩放后的多对极角度值 4进 行角度值补偿, 如果 err_f2198,7144, 由式(18)得到经过跳点补 偿的多对极角度值 6: 0091 6 4+4095。
31、.9 (18) 0092 进一步地, 通过 err_f所处范围对比例缩放后的多对极角度值 4进 行角度值补偿, 如果 err_f-7144,-2198, 由式(19)得到经过跳点 补偿的多对极角度值 6: 0093 6 4-4095.9 (19) 0094 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。
32、器、 微控 制器、 微处理器、 其他电子 单元或者其结合内实现。 0095 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。 说明书 6/6 页 9 CN 110095142 A 9 图1 图2 说明书附图 1/4 页 10 CN 110095142 A 10 图3 图4 说明书附图 2/4 页 11 CN 110095142 A 11 图5 图6 说明书附图 3/4 页 12 CN 110095142 A 12 图7 说明书附图 4/4 页 13 CN 110095142 A 13 。
- 内容关键字: 基于 角度 拟合 值跳点 抑制 方法 装置
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