CN111964707B - 基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法 - Google Patents

Abstract

基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法，它属于绝对式位置传感器技术领域。本发明解决了绝对式磁编码器由于码道加工、码盘和敏感芯片的机械安装误差导致无法获得准确的绝对位置信息的问题。本发明只需在绝对式磁编码器正常安装使用时，在同一个方向旋转一圈以上就可以获得用于标定的原始数据，再通过对敏感芯片输出的主码道和游标码道的信息校准过程就可以获得准确的绝对位置信息。本发明方法不需要专门的标定平台，可以简化绝对式磁编码器的标定过程和标定成本，具有标定方法易于实现的优点。本发明可以应用于绝对式磁编码器的角度校准。

Description

基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法

技术领域

本发明属于绝对式位置传感器技术领域，具体涉及一种基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法。

背景技术

位置传感器是实现机器人关节伺服驱动***的基本组成部件。常用的反馈关节和电机位置传感器主要可以分为两个类型：绝对式和增量式。绝对式输出一圈或者多圈内绝对位置信息，重新上电不丢失位置信息；增量式输出位置变化脉冲，重新上电丢失当前位置信息。按照工作原理可以分为光电编码器和磁编码器，光电编码器具有高分辨率、速度波动小和定位精度高等特点；磁编码器具有抗冲击、可靠性高等优点。目前磁编码器按照信号的激励方式，又可分为励磁线圈形式，如感应同步器和旋转变压器等；以及采用永磁体励磁形式的磁编码器。磁编码器由磁传感器和磁码盘两个部分组成，磁码盘在制造时使得其表面的磁场按照一定规律分布，如正弦规律等，磁传感器通过检测其所在位置磁感应强度即可获得位置信息。然而绝对式磁编码器由于存在码道加工、码盘和敏感芯片机械安装误差等，造成在绝对式磁编码器解算时无法获得准确的绝对位置信息。

发明内容

本发明的目的是为解决绝对式磁编码器由于码道加工、码盘和敏感芯片的机械安装误差导致无法获得准确的绝对位置信息的问题，而提出了一种基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一：获得敏感芯片的主码道和游标码道的原始数据；

步骤二：对步骤一获得的原始数据进行截取，获得一个完整圆周内的数据；

步骤三：根据所获得的完整圆周内的数据，计算出各个用于解算绝对位置的中间变量的偏差值；

步骤四：利用步骤三计算出的偏差值，分别获得校准各个中间变量的校准值；

步骤五：利用步骤四获得的校准值分别对各中间变量进行校准，获得校准后的中间变量；根据校准后的中间变量获得绝对位置数据。

本发明的有益效果是：

本发明只需在绝对式磁编码器正常安装使用时，在同一个方向旋转一圈以上就可以获得用于标定的原始数据，再通过对敏感芯片输出的主码道和游标码道的信息校准过程就可以获得准确的绝对位置信息。本发明方法不需要专门的标定平台，可以简化绝对式磁编码器的标定过程和标定成本，具有标定方法易于实现的优点。

附图说明

图1是磁极对数为6时的游标解算示意图；

图中tol为解算绝对位置时用到的中间变量；W为主尺宽度；D为相邻磁极之间tol的差值；

图2是通过原始数据计算tol值的示意图；

图3是对tol值进行处理，得到用于计算当前所在极对序数的值的示意图；

图4是基于游标码道的绝对式磁编码器的结构框图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图4说明本实施方式。本实施方式所述的基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法，该方法具体通过以下步骤实现：

步骤一：获得敏感芯片的主码道和游标码道的原始数据；

步骤二：对步骤一获得的原始数据进行截取，获得一个完整圆周内的数据；

步骤三：根据所获得的完整圆周内的数据，计算出各个用于解算绝对位置的中间变量的偏差值；

步骤四：利用步骤三计算出的偏差值，分别获得校准各个中间变量的校准值；

步骤五：利用步骤四获得的校准值分别对各中间变量进行校准，获得校准后的中间变量；根据校准后的中间变量获得绝对位置数据。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤一的具体过程为：

关节单方向旋转时，按照预定的采样周期采集原始数据p_j，j＝0,1,2,…,k-1，p_j代表采集的第j个原始数据，k代表采集的绝对式磁编码器的原始数据个数；

根据采集的原始数据，计算得到主尺原始数据m_j和游标尺原始数据n_j。

本实施方式中，采样周期根据关节(磁传感器)的旋转速度和校准时间确定，保证整个校准过程中获得完整一圈的位置信息与一定的采样点数(试验时为2000采样点/圈)。

采集得到的原始数据为主尺原始数据和游标尺原始数据拼接而成(原始数据28位＝主码道14位+游标码道14位，此处数据形式根据所采用的敏感芯片确定，不同敏感芯片此处可能有所不同)，计算主尺原始数据和游标尺原始数据的方法为基础的位与和移位运算。

根据本发明采用的敏感芯片，数据格式为：m_j＝(p_j&0x3FFF)>>14，n_j＝p_j&0x3FFF。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述步骤二的具体过程为：

主尺原始数据m_j和游标尺原始数据n_j组成原始数据序列(m_j,n_j)，j＝0,1,2,…,k-1，对原始数据序列作游标解算，获得未校准位置序列pos_raw_j，j＝0,1,2,…,k-1；

从未校准位置序列中截取角度值在0度到360度范围内的子序列pos_j′，j′＝j₀,j₀+1,…,j₁，j₀为所截取的圆周内第一个位置值为0度的下标，j₁为最后一个位置为360度的下标，则截取出的子序列pos_j′对应的原始数据子序列为(m_j′,n_j′)，将截取出的子序列的下标重新记为j′＝0,1,2,…,k₁-1，k₁＝j₁–j₀+1，k₁为子序列中元素个数；

原始数据子序列中的全部数据即为一个完整圆周内的数据。

具体实施方式四：结合图2说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤三的具体过程为：

tol_j′＝m_j′-n_j′*N/(N-1)

其中，tol_j′代表用于解算绝对位置的第j′个中间变量，N为主尺磁极对数；

检测m_j′的数据突变获得m_j′所在的极对序数b_j′，则第j′个中间变量tol_j′的理论值tol_c_j′为：tol_c_j′＝b_j′*D，D为定值，D＝360°/(N-1)，D为相邻两个磁极对间的tol的差值，第j′个中间变量的偏差值ε_j′为：ε_j′＝tol_j′-tol_c_j′。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤四的具体过程为：

在步骤二的完整圆周上取16个点x_i，i＝0,1,2…15，将一个完整圆周的数据划分为16个区间，分别对每个区间中包含的中间变量的偏差值做线性拟合，得到16条拟合线段L_i，i＝0,1,2…15；

x_i点对应的校准值C_i＝(L_i(x_i)+L_i-1(x_i))/2，L_i(x_i)为拟合线段L_i在端点x_i处的值，L_i-1(x_i)为拟合线段L_i-1在端点x_i处的值，(x₀,C₀)、(x₁,C₁)、…、(x₁₅,C₁₅)顺次连接获得一条补偿折线；

C₀的计算公式为：C₀＝(L₀(x₀)+L₁₅(x₁₅))/2；

各个中间变量的校准值的计算方法为：根据中间变量所在区间的上个端点校准值和下个端点校准值，利用线性插补的方法获得。

本实施方式在完整圆周上取16个点，16个点将圆周划分为16个部分，分别为[0,22.5)，[22.5,45)…。

具体实施方式六：结合图1和图3说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式五不同的是：所述步骤五的具体过程为：

将中间变量与其对应的校准值做差，得到校准后的中间变量；对校准前的中间变量进行游标解算获得未校准前的位置数据pos_ref，对校准后的中间变量进行游标解算获得校准后的位置数据；

利用pos_ref与获得的校准后位置数据计算补偿值δ；其具体过程为：

对于当前第j′个中间变量tol_j′，补偿值δ_j′为：

其中，x为中间变量tol_j′的未校准前的位置，x₀为中间变量tol_j′的未校准前位置所在区间上个端点位置，x₁为中间变量tol_j′的未校准前位置所在区间下个端点位置，tol₀为中间变量tol_j′的校准后位置所在区间上个端点的校准值，tol₁为中间变量tol_j′的校准后位置所在区间下个端点的校准值；

则当前第j′个中间变量所在极对序数b_j′′为：

b_j′′＝mod(tol_j′-δ_j′,D)

解算出的当前绝对位置数据pos_j′为：

pos_j′＝m_j′+b_j′′*W

其中，W为磁极宽度。

本实施方式中，pos_ref中包括全部中间变量的未校准前的位置数据。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式六不同的是：所述绝对式磁编码器的码盘旋转方向分为如下两种情况：

一)若原始数据m_j在每个磁极对区间内增大，则校准值从前往后处理；

二)若原始数据mj在每个磁极对区间内减小，则校准值从后往前处理。

假设主码道磁极对数为N，则游标码道磁极对数为N-1，采用iC-MU测量得到的原始数据为当前所在位置主码道和游标码道的相位值。设主码道的相位值为p_m，游标码道的相位值为p_n，p_m和p_n分别在0到360°间变化。以一个主码道具有6个磁极、游标码道具有5个磁极的码盘为例，分析设计绝对位置解算算法。将主码道和游标码道在起始处对齐，假设码盘转过完整的一周，在理想状况下获得的测量数据包括主码道相位信息p_m和游标码道相位信息p_n，如图2所示。

以主码道的尺度为基准，对游标码道的相位值p_n进行缩放，获得主码道尺度下的游标码道位置信息，此时主码道的相位信息即代表所在位置在当前磁极内的位置信息，将在同一尺度下的主码道位置值减去放缩后的游标码道位置值，获得用于解算磁极数的中间变量，记作tol：

该差值如图2中的Tol曲线所示，可以看到tol为一个分段函数，此时采用插值的方法，每个tol值可唯一解算出磁极序数。但仔细观察该函数可发现每对磁极内的tol值有正值和负值，两者之差为定值，故只需对tol值稍加处理即可获得更为方便的磁极序数解算方法，获得的磁极序数解算方法如图3所示。

将处理后的tol*记为tol，可以看出在同一对磁极NBtol恒定，相邻磁极tol偏差便相差一个定值，从图3上可以看出这个定值为：

其中将一对磁极内的相位值的满量程记作360°，将这个差值记作Δtol。利用这个性质可以解算出当前所在磁极对数m_A：

其中round()为四舍五入取整函数。为了方便在微控制器内实现，将这个函数用以下计算方法替代：

其中，fix函数为舍弃小数部分，即为采用C语言的整型数据类型进行除法运算就可以实现四舍五入的作用，并提高了运算效率。再结合主码道相位值p_m即可解算出绝对位置。

本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (2)

1.基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一：获得敏感芯片的主码道和游标码道的原始数据；

步骤二：对步骤一获得的原始数据进行截取，获得一个完整圆周内的数据；

步骤三：根据所获得的完整圆周内的数据，计算出各个用于解算绝对位置的中间变量的偏差值；

步骤四：利用步骤三计算出的偏差值，分别获得校准各个中间变量的校准值；

步骤五：利用步骤四获得的校准值分别对各中间变量进行校准，获得校准后的中间变量；根据校准后的中间变量获得绝对位置数据；

所述步骤一的具体过程为：

关节单方向旋转时，按照预定的采样周期采集原始数据p_j，j＝0,1,2,…,k-1，p_j代表采集的第j个原始数据，k代表采集的绝对式磁编码器的原始数据个数；

根据采集的原始数据，计算得到主尺原始数据m_j和游标尺原始数据n_j；

所述步骤二的具体过程为：

主尺原始数据m_j和游标尺原始数据n_j组成原始数据序列(m_j,n_j)，j＝0,1,2,…,k-1，对原始数据序列作游标解算，获得未校准位置序列pos_raw_j，j＝0,1,2,…,k-1；

从未校准位置序列中截取角度值在0度到360度范围内的子序列pos_j′，j′＝j₀,j₀+1,…,j₁，j₀为所截取的圆周内第一个位置值为0度的下标，j₁为最后一个位置为360度的下标，则截取出的子序列pos_j′对应的原始数据子序列为(m_j′,n_j′)，将截取出的子序列的下标重新记为j′＝0,1,2,…,k₁-1，k₁＝j₁–j₀+1，k₁为子序列中元素个数；

原始数据子序列中的全部数据即为一个完整圆周内的数据；

所述步骤三的具体过程为：

tol_j′＝m_j′-n_j′*N/(N-1)

其中，tol_j′代表用于解算绝对位置的第j′个中间变量，N为主尺磁极对数；

检测m_j′的数据突变获得m_j′所在的极对序数b_j′，则第j′个中间变量tol_j′的理论值tol_c_j′为：tol_c_j′＝b_j′*D，D为定值，D＝360°/(N-1)，第j′个中间变量的偏差值ε_j′为：ε_j′＝tol_j′-tol_c_j′；

所述步骤四的具体过程为：

在步骤二的完整圆周上取16个点x_i，i＝0,1,2…15，将一个完整圆周的数据划分为16个区间，分别对每个区间中包含的中间变量的偏差值做线性拟合，得到16条拟合线段L_i，i＝0,1,2…15；

x_i点对应的校准值C_i＝(L_i(x_i)+L_i-1(x_i))/2，L_i(x_i)为拟合线段L_i在端点x_i处的值，L_i-1(x_i)为拟合线段L_i-1在端点x_i处的值，(x₀,C₀)、(x₁,C₁)、…、(x₁₅,C₁₅)顺次连接获得一条补偿折线；

各个中间变量的校准值的计算方法为：根据中间变量所在区间的上个端点校准值和下个端点校准值，利用线性插补的方法获得；

所述步骤五的具体过程为：

将中间变量与其对应的校准值做差，得到校准后的中间变量；对校准前的中间变量进行游标解算获得未校准前的位置数据pos_ref，对校准后的中间变量进行游标解算获得校准后的位置数据；

利用pos_ref与获得的校准后位置数据计算补偿值δ；其具体过程为：

对于当前第j′个中间变量tol_j′，补偿值δ_j′为：

其中，x为中间变量tol_j′的未校准前的位置，x₀为中间变量tol_j′的未校准前位置所在区间上个端点位置，x₁为中间变量tol_j′的未校准前位置所在区间下个端点位置，tol₀为中间变量tol_j′的校准后位置所在区间上个端点的校准值，tol₁为中间变量tol_j′的校准后位置所在区间下个端点的校准值；

则当前第j′个中间变量所在极对序数b_j′′为：

b_j′′＝mod(tol_j′-δ_j′,D)

解算出的当前绝对位置数据pos_j′为：

pos_j′＝m_j′+b_j′′*W

其中，W为磁极宽度。

2.根据权利要求1所述的基于游标码道的绝对式磁编码器的角度校准方法，其特征在于，所述绝对式磁编码器的码盘旋转方向分为如下两种情况：

一)若原始数据m_j在每个磁极对区间内增大，则校准值从前往后处理；

二)若原始数据m_j在每个磁极对区间内减小，则校准值从后往前处理。

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