CN108871181A - 一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法 - Google Patents
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Abstract
一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，用于准确判断磁电编码器多对极角度对应的极数；本发明的方法包括：(1)解算单对极及多对极磁电编码器角度值；(2)依据多对极磁电编码器角度值建立动态多窗口；(3)依据动态多窗口解算编码器的多对极角度值对应的极数；(4)依据动态多窗口、单对极角度值、多对极角度值进行多对极磁电编码器角度值细分。
Description
技术领域
本发明总体上涉及磁电编码器，具体地说，涉及一种用于多对极磁电编码器动态预测窗口角度细分方法。
背景技术
随着工业化的加速发展，对于角位移传感器的分辨率，精度等指标有着较高的要求。目前磁电编码器和光电编码器作为角位移传感器被广泛使用。光电编码器的精度高，但是体积较大，易碎。相对而言，磁电编码器可以在粉尘、油污的环境中工作，但是分辨率难以提高。为了提高磁电编码器的精度，学者做了大量的研究。常用的磁电编码器结构通常包括定子、转子和传感器，转子上固定有永久磁铁，形成磁路***。永久磁铁随着转子旋转，在旋转过程中形成旋转的磁场信号，磁电编码器信号检测板相对于电机定子处于静止状态，通过信号检测板上的霍尔器件对变化的磁场信号进行采集，通过信号处理解算得到当前转子角度位置，为了提高磁电编码器角度值分辨率，采用单对极磁钢与多对极磁钢组合的方式提高角度值分辨率，多对级磁钢旋转一周产生多周期信号磁场，单对极磁钢旋转一周产生单周期磁场。通过单周期磁场确定当前角度值的绝对位置，多对极产生的角度值信号对单对极信号解算得到的角度值进行角度细分，从而提高角度值分辨率。
然而，磁电式角位移传感器角度值的解算是通过模拟信号采集，然后进行数字转化解算得到的，这种解算过程会引入模数转换噪声，以及硬件电路引入的电源噪声。在电机转子机械位置固定的情况下，解算出的磁电编码器角度值仍然会在一定范围内往复跳动。这种现象会造成磁电编码器过零点位置难以准确判断。对于采用单对极与多对极磁钢组合的磁电编码器而言，转子旋转一周，多对极角度值会多次过零点，过零点时角度值会在0和最大角度值(65536LSB)间往复跳动。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，通过动态多窗口角度区间预测方法实现了磁电编码器多对极角度极数的准确判断，实现了磁电编码器角度值的精确细分，为实现高分辨率磁电编码器提供了技术保证。
本发明解决其技术问题的方案是：
一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，该方法包括以下步骤:
(1)解算单对极及多对极磁电编码器角度值；
(2)依据多对极磁电编码器角度值建立动态多窗口；
(3)依据动态多窗口解算编码器的多对极角度值对应的极数；
(4)依据动态多窗口、单对极角度值、多对极角度值进行多对极磁电编码器角度值细分。
本发明是这样构思的：
步骤一：解算单对极及多对极磁电编码器角度值
以16对极磁电编码器为例进行说明，其中16对极磁钢是32个N、S轴向充磁磁片形成的环形磁钢；为了解算单对极与多对极磁电编码器角度值，通过霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔获得单对极d轴霍尔值d1、单对极q轴霍尔值q1、多对极d轴霍尔值d2、多对极q轴霍尔值q2，利用单对极d轴霍尔值d1与单对极q轴霍尔值q1计算单对极角度θ单，利用多对极d轴霍尔值d2与多对极q轴霍尔值q2计算多对极角度θ多，角度计算采用反正切计算方法，其数学模型如公式(1)所示:
步骤二：依据多对极磁电编码器角度值建立动态多窗口
在得到单对极角度值θ单及多对极角度值θ多后，为了确定单对极角度值θ单对应的多对极角度值θ多的极数N，采用动态窗口进行多对极角度值θ多的极数N的判断，动态窗口θ1的数学模型如式(2)所示，其中多对极对应的当前窗口角度值为θ2∈(0～65536LSB):
依据动态窗口θ1的数学模型建立多对极角度值对应的当前窗口角度值θ2、上窗口角度值θ3与下窗口角度值θ4的数学模型如式(3)所示：
步骤三：依据动态多窗口解算编码器的多对极角度值对应的极数
以单对极磁电编码器角度值θ单(0-65536LSB)为横坐标，多对极编码器的当前窗口角度值θ2(0-65536LSB)、上窗口角度值θ3(0-65536LSB)以及下窗口角度值θ4(0-65536LSB)对应的窗口极数映射项为纵坐标，以此确定出每个单对极磁电编码器角度值θ单对应的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3的数值，在获得映射关系后，依据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3对当前单对极角度值θ单对应的当前窗口角度值θ2的最终的极数N进行判断；根据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3的大小关系以及当前窗口角度值θ2所处的象限(0-16384LSB,16384-32768LSB,32768-49152LSB,49152-65536LSB)对当前窗口角度值θ2的最终极数N进行计算，其具体过程为：
首先将单对极角度值θ单投影在512(29)个区间内，根据式(2)建立动态多窗口；然后建立多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3与512个单对极区间角度值间的映射关系并制成表格；在实际工作状态下，通过单对极角度值θ单的高9位查找该表格，得到多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3；在获得当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3后执行逻辑判断，如果上窗口极数N2大于当前窗口极数N1，并且当前多对极角度值θ2位于第一象限(0-16384LSB)内，则最终的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的极数N为N1+1；如果当前窗口极数N1大于下窗口极数N3，并且多对极编码器的当前窗口角度值θ2位于第四象限(49152-65536LSB)内，则多对极编码器的当前窗口角度值θ2的最终的极数N为N1-1；
步骤四：依据动态多窗口、单对极角度值、多对极角度值进行多对极磁电编码器角度值细分
通过上述方法对多对极编码器的当前窗口角度值θ2所处的最终的极数N进行判断计算，实现多对极编码器角度值θ多在整圈圆周上的细分，细分后的角度值θ5的数学模型如公式(4)所示：
θ5＝65536×N+θ2 (4)
本示例为16对极磁电编码器，因此最后细分后的磁电编码器的最大角度分辨率为65535*16＝1048576(LSB)。
本发明的有益效果是：
1.采用多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，为提高磁电编码器分辨率提供技术基础。
2.动态窗口的建立消除了磁电编码器角度值噪声引发的区间判断错误问题，有效避免了多对极区间误判的问题，提高了磁电编码器的精度。
3.采用多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法的磁电编码器可以提高角度值分辨率，使得控制***的增益变大，并且在大增益的情况下不会出现振动，提高控制***的响应速度。
附图说明
附图1：磁电编码器的结构示意图；
附图2：编码器的d轴与q轴示意图；
附图3：动态窗口示意图；
附图4：编码器的单对极角度值与多对极的当前窗口角度值、上窗口角度值以及下窗口角度值的对应关系示意图；
附图5：查表原理示意图；
附图6：多对极编码器的当前窗口角度值的最终极数逻辑判断流程图；
附图7：细分后的多对极角度值示意图；
具体实施方式
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：一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
1.一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
步骤一：解算单对极及多对极磁电编码器角度值
以16对极磁电编码器为例进行说明，其中16对极磁钢是32个N、S轴向充磁磁片形成的环形磁钢，磁电编码器的结构如图1所示；为了解算单对极与多对极磁电编码器角度值，通过霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔获得单对极d轴霍尔值d1、单对极q轴霍尔值q1、多对极d轴霍尔值d2、多对极q轴霍尔值q2，利用单对极d轴霍尔值d1与单对极q轴霍尔值q1计算单对极角度θ单，利用多对极d轴霍尔值d2与多对极q轴霍尔值q2计算多对极角度θ多，其中编码器的d轴与q轴如图2所示；角度计算采用反正切计算方法，其数学模型如公式(1)所示:
步骤二：依据多对极磁电编码器角度值建立动态多窗口
在得到单对极角度值θ单及多对极角度值θ多后，为了确定单对极角度值θ单对应的多对极角度值θ多的极数N，采用动态窗口进行多对极角度值θ多的极数N的判断，动态窗口θ1的数学模型如式(2)所示，其中多对极对应的当前窗口角度值为θ2∈(0～65536LSB):
依据上述公式(1)、(2)建立的动态窗口，如图3所示；
依据动态窗口θ1的数学模型建立多对极角度值对应的当前窗口角度值θ2、上窗口角度值θ3与下窗口角度值θ4的数学模型如式(3)所示：
步骤三：依据动态多窗口解算编码器的多对极角度值对应的极数
如图4所示，以单对极磁电编码器角度值θ单(0-65536LSB)为横坐标，多对极编码器的当前窗口角度值θ2(0-65536LSB)、上窗口角度值θ3(0-65536LSB)以及下窗口角度值θ4(0-65536LSB)对应的窗口极数映射项为纵坐标，以此确定出每个单对极磁电编码器角度值θ单对应的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3的数值，在获得映射关系后，依据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3对当前单对极角度值θ单对应的当前窗口角度值θ2的最终的极数N进行判断；根据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3的大小关系以及当前窗口角度值θ2所处的象限(0-16384LSB,16384-32768LSB,32768-49152LSB,49152-65536LSB)对当前窗口角度值θ2的最终极数N进行计算，其具体过程为：
首先将单对极角度值θ单投影在512(29)个区间内，根据式(2)建立动态多窗口；然后建立多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3与512个单对极区间角度值间的映射关系并制成表格；在实际工作状态下，通过单对极角度值θ单的高9位查找该表格，得到多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3，其中查表原理如图5所示；在获得当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3后执行逻辑判断，如果上窗口极数N2大于当前窗口极数N1，并且当前多对极角度值θ2位于第一象限(0-16384LSB)内，则最终的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的极数N为N1+1；如果当前窗口极数N1大于下窗口极数N3，并且多对极编码器的当前窗口角度值θ2位于第四象限(49152-65536LSB)内，则最终的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的极数N为N1-1，其中多对极编码器的当前窗口角度值θ2的最终极数N逻辑判断流程图如图6所示；
步骤四：依据动态多窗口、单对极角度值、多对极角度值进行多对极磁电编码器角度值细分
通过上述方法对多对极编码器的当前窗口角度值θ2所处的最终极数N进行判断计算，实现多对极编码器角度值θ多在整圈圆周上的细分，细分后的角度值θ5的数学模型如公式(4)所示：
θ5＝65536×N+θ2 (4)
本示例为16对极磁电编码器，因此最后细分后的磁电编码器的最大角度分辨率为65535*16＝1048576(LSB)，此时依据该方法获得的细分后的多对极角度值θ5如图7所示。
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)
1.一种多对极磁电编码器动态多窗口区间预测角度细分方法，其特征在于：所述方法的具体实现过程为：
步骤一：解算单对极及多对极磁电编码器角度值
以16对极磁电编码器为例进行说明，其中16对极磁钢是32个N、S轴向充磁磁片形成的环形磁钢；为了解算单对极与多对极磁电编码器角度值，通过霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔获得单对极d轴霍尔值d1、单对极q轴霍尔值q1、多对极d轴霍尔值d2、多对极q轴霍尔值q2，利用单对极d轴霍尔值d1与单对极q轴霍尔值q1计算单对极角度θ单，利用多对极d轴霍尔值d2与多对极q轴霍尔值q2计算多对极角度θ多，角度计算采用反正切计算方法，其数学模型如公式(1)所示:
步骤二：依据多对极磁电编码器角度值建立动态多窗口
在得到单对极角度值θ单及多对极角度值θ多后，为了确定单对极角度值θ单对应的多对极角度值θ多的极数N，采用动态窗口进行多对极角度值θ多的极数N的判断，动态窗口θ1的数学模型如式(2)所示，其中多对极对应的当前窗口角度值为θ2∈(0～65536LSB):
依据动态窗口θ1的数学模型建立多对极角度值对应的当前窗口角度值θ2、上窗口角度值θ3与下窗口角度值θ4的数学模型如式(3)所示：
步骤三：依据动态多窗口解算编码器的多对极角度值对应的极数
以单对极磁电编码器角度值θ单(0-65536LSB)为横坐标，多对极编码器的当前窗口角度值θ2(0-65536LSB)、上窗口角度值θ3(0-65536LSB)以及下窗口角度值θ4(0-65536LSB)对应的窗口极数映射项为纵坐标，以此确定出每个单对极磁电编码器角度值θ单对应的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3的数值，在获得映射关系后，依据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2以及下窗口极数N3对当前单对极角度值θ单对应的当前窗口角度值θ2的最终的极数N进行判断；根据多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3的大小关系以及当前窗口角度值θ2所处的象限(0-16384LSB,16384-32768LSB,32768-49152LSB,49152-65536LSB)对当前窗口角度值θ2的最终极数N进行计算，其具体过程为：
首先将单对极角度值θ单投影在512(29)个区间内，根据式(2)建立动态多窗口；然后建立多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3与512个单对极区间角度值间的映射关系并制成表格；在实际工作状态下，通过单对极角度值θ单的高9位查找该表格，得到多对极编码器的当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3；在获得当前窗口角度值θ2的当前窗口极数N1、上窗口极数N2、下窗口极数N3后执行逻辑判断，如果上窗口极数N2大于当前窗口极数N1，并且当前多对极角度值θ2位于第一象限(0-16384LSB)内，则最终的多对极编码器的当前窗口角度值θ2的极数N为N1+1；如果当前窗口极数N1大于下窗口极数N3，并且多对极编码器的当前窗口角度值θ2位于第四象限(49152-65536LSB)内，则多对极编码器的当前窗口角度值θ2的最终的极数N为N1-1；
步骤四：依据动态多窗口、单对极角度值、多对极角度值进行多对极磁电编码器角度值细分
通过上述方法对多对极编码器的当前窗口角度值θ2所处的最终的极数N进行判断计算，实现多对极编码器角度值θ多在整圈圆周上的细分，细分后的角度值θ5的数学模型如公式(4)所示：
θ5＝65536×N+θ2 (4)
本示例为16对极磁电编码器，因此最后细分后的磁电编码器的最大角度分辨率为65535*16＝1048576(LSB)。
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