CN114001768A

CN114001768A - 一种磁电编码器的自校准装置

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Publication number: CN114001768A
Application number: CN202111262978.1A
Authority: CN
Inventors: 沈安文; 张津航; 罗欣; 吴向泽; 唐其鹏
Original assignee: Huazhong University of Science and Technology
Current assignee: Huazhong University of Science and Technology
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN114001768B

Abstract

本发明属于磁电编码器技术领域，具体涉及一种磁电编码器的自校准装置，包括：主动电机及安装在其上的高精度编码器，从动电机及安装在其上的待校准磁电编码器；待校准磁电编码器中的处理器用于对磁传感器输出的正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差校准并细分解码，得到初步校准后的角度位置数据；基于该角度位置数据查找校准表以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据。本发明在建立校准表的过程中，是通过监听的方式获取角度信息，并且在同步旋转的过程中完成纠偏，从而省去了传统模式中通过控制器进行纠偏的步骤，节约了成本，同时提升了校准速度，使校准过程更加高效。

Description

一种磁电编码器的自校准装置

技术领域

本发明属于磁电编码器技术领域，更具体地，涉及一种磁电编码器的自校准装置。

背景技术

磁电编码器的基本原理是通过相关的磁传感器芯片感知转子转动时所产生的变化磁场并将其转化为模拟量的正余弦信号进行输出，之后将其送到单片机的ADC通道进行采样，对采样值进行细分解码并最终得到转子的精确位置。

高精度磁电旋转编码器可通过对测得的正余弦信号进行适当的偏差补偿以及细分解码可以得到高精度的转子角度，同时其相对于光电编码器来说成本很低且可以满足纺织、物流等多行业的精度要求。随着磁编码技术的不断创新，磁电编码器正朝着“小体积，高精度，高稳定性”的趋势不断发展进步，具有良好的发展前景。

然而，目前广泛应用的磁传感器芯片，例如AMR,GMR等，其输出的正余弦信号存在非线性因素和谐波，这会导致最终送到单片机ADC通道进行采样的正余弦信号与标准的正余弦信号之间存在偏差。同时，ADC采样的精度不够高也会给后续细分解码得到的角度数据带来误差。除此之外，如果芯片的安装位置不准确，采样得到的正余弦信号也将存在偏差。以上因素将导致细分解码得到的角度与转子实际位置之间存在偏差，限制了磁电编码器精度的提高。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种磁电编码器的自校准装置，其目的在于提高磁电编码器对电机转子位置的检测精度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种磁电编码器的自校准装置，包括：主动电机及安装在其上的高精度编码器，从动电机及安装在其上的待校准磁电编码器；

所述待校准磁电编码器中的处理器用于对磁传感器输出的正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差校准并细分解码，得到初步校准后的从动电机转子的角度位置数据；基于该角度位置数据查找校准表，以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据并输出；

其中，所述校准表为预先通过以下方法得到：

所述从动电机与所述主动电机通过连轴相连，同步旋转；所述处理器会对所述高精度编码器向外发送的主动电机转子角度数据进行监听，得到所述待校准磁电编码器每个输出角度对应的高精度编码器的输出角度并记录，得到所述校准表，所述待校准磁电编码器每个输出角度为通过对输出的正余弦信号进行所述直流偏差和幅值偏差校准并细分解码后得到。

进一步，所述基于该角度位置数据查找校准表，以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据，具体实现方式为：

将初步校准后的从动电机转子的角度位置数据记录为与预设高精度输出数据相同的位数m；

将所述角度位置数据的前n位用于查校准表以获取对应的高精度编码器输出的n位数据，其中，所述校准表内的数据均为n位；将后m-n位用于基于所述校准表中的存储数据进行线性插值计算，最终输出高精度m位角度数据。

进一步，所述待校准磁电编码器中的处理器还用于：在所述从动电机转动第一圈时，记录下整个过程中待校准磁电编码器输出的正余弦信号的最大值和最小值：Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，计算出正余弦信号的幅值Ax、Ay以及直流偏置Ox、Oy，以用于后续的所述直流偏差和幅值偏差的校准；在所述从动电机转动第二圈时，构建所述校准表，用于后续对角度偏差进行进一步的校准。

进一步，所述高精度编码器的输出角度数据为17位数据。

进一步，所述校准表中记录的均为14位的角度数据。

进一步，所述细分解码采用CORDIC方法。

进一步，所述处理器会通过RS-485接口对所述高精度编码器向外发送的主动电机转子角度数据进行监听。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本发明先对正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差的初步校准，在此基础上再进行查表插值，进行进一步校准，有效地解决了上述背景中所提到的由于磁传感器芯片输出信号存在非线性因素和谐波，ADC采样精度不够高，芯片的安装位置不准确等因素所导致的最终细分角度与转子实际位置存在偏差的问题。

(2)当校准表中的待校准磁电编码器的输出角度数据不是经过初步校准之后的，那么在磁电编码器正式工作时需要拿其输出的未经过初步校准的角度数据进行查表插值，而由于未初步校准的角度数据与高精度的数据差别较大，直接查表插值得到的数据精度不够高，因此，本发明校准表中待校准磁电编码器的输出角度数据为经过直流偏差和幅值偏差初步校准之后的，在磁电编码器正式工作时需要将其输出的角度数据先进行直流偏差与幅值偏差初步校准在进行查表插值。

(3)在建立校准表的过程中，本发明是通过监听的方式获取角度信息，并且在同步旋转的过程中完成纠偏，从而省去了传统模式中通过控制器进行纠偏的步骤，节约了成本，同时提升了校准速度，使校准过程更加高效。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种磁电编码器的自校准装置结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种磁电编码器的自校准装置的框架图；

图3为本发明实施例提供的一种磁电编码器的自校准装置的校准流程图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为待校准的磁电编码器，2为从动电机，3为连接机构，4为主动电机，5为高精度编码器。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例一

一种磁电编码器的自校准装置，装置如附图1所示，包括主动电机4，安装在主动电机上的高精度编码器5，从动电机2，连接机构3，安装在从动电机上的磁电编码器1。

待校准磁电编码器中的处理器用于对磁传感器输出的正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差校准并细分解码，得到初步校准后的从动电机转子的角度位置数据；基于该角度位置数据查找校准表，以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据并输出。

其中，校准表为预先通过以下方法得到：从动电机与主动电机通过连轴相连，同步旋转；处理器会对高精度编码器向外发送的主动电机转子角度数据进行监听，得到待校准磁电编码器每个输出角度对应的高精度编码器的输出角度并记录，得到校准表，待校准磁电编码器每个输出角度为通过对输出的正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差校准并细分解码后得到。

需要说明的是，***可以只有一个驱动器，该驱动器驱动主动电机旋转，主动电机带动从动电机旋转。上述“高精度编码器向外发送”可以是向服务器发送。

另外，上述基于该角度位置数据查找校准表，以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据，具体实现方式为：

将所述角度位置数据的前n位用于查校准表以获取对应的高精度编码器输出的n位数据，其中，校准表内的数据均为n位；将后m-n位用于基于所述校准表中的存储数据进行线性插值计算，最终输出高精度m位角度数据。

优选的，为了对各种因素所造成的磁传感器芯片输出正余弦信号存在的直流偏差、幅值偏差进行校准，在从动电机2转动第一圈的时候，记录下整个过程中磁电编码器1输出的正余弦信号的最大值和最小值：Xmax,Xmin,Ymax，Ymin。所有的Xmax,Xmin,Ymax和Ymin需要在相同的温度下测量，否则将导致不正确的校准。数据X(COS)和Y(SIN)信号的振幅和偏移量可用上述的实测数据计算，计算公式如下：

从而计算出正余弦信号的幅值Ax，Ay和直流偏置Ox，Oy，为后续对输出正余弦信号进行直流偏移校正和振幅归一化做准备。

进一步地，为了满足高精度的要求，需要建立一个高精度编码器对应输出角度的校准表，校准表的建立过程如下：如附图2所示，从动电机2与主动电机4通过连轴3相连，同步旋转。在从动电机2转动完第一圈并完成直流偏移校正和振幅归一化之后，在从动电机2与主动电机4同步旋转第二圈的时候，磁电编码器1会通过RS-485接口对主动电机4上的高精度编码器5发送给服务器的数据进行监听，从而得到磁电编码器1每一个输出角度值对应的高精度编码器5的输出角度并记录下来，从而建立一个校准表对角度偏差进行进一步的校准，其中，待校准磁电编码器每个输出角度为通过对输出的正余弦信号进行直流偏差和幅值偏差校准并细分解码后得到。

同时，考虑到校准表所占的内存问题，为了节约成本，提高效率，校准表中记录的均为14位的角度数据。

因此，在高精度磁电编码器转动第一圈和第二圈并进行上述的幅值Ax、Ay和直流偏置Ox、Oy以及校准表确定之后，本发明磁电编码器经过以下自校准过程可以实现为高精度磁电编码器：

首先是根据上述过程中得到的正余弦信号的幅值Ax、Ay和直流偏置Ox、Oy对磁传感器芯片输出正余弦信号进行直流偏移校正和振幅归一化，消除直流偏差和幅值偏差。

X1＝X-Ox

Y1＝Y-Oy

式中，X2和Y2是原输出信号经过直流偏差校正和幅值归一化后的信号，X1和Y1表示原输出信号经过直流偏差校正后输出的信号。

进一步地，根据经过直流偏移校正和振幅归一化的X2和Y2信号进行CORDIC细分解码得到初步校准后的转子的角度位置数据并记录下来。考虑到该数据在后续的过程中要用于查表与插值，因此均记录为17位的数据。

进一步地，为了得到更高精度的角度输出数据，在得到磁电编码器1每一个输出角度值对应的高精度编码器5的输出角度的校准表之后，则把上述经过初步校准后输出的角度位置数据的前14位用于查表，获取对应的高精度编码器5的输出的14位角度数据。

进一步地，为了得到17位的高精度输出数据，初步校准后输出的角度位置数据的后3位数据则用于对恰好处于校准表中两个存储数据之间的值进行线性插值计算，最终得到高精度的17位数据输出，完成校准。

综上所述，如附图3所示，本发明中高精度磁电编码器实现的流程为：首先是根据上述过程中得到的正余弦信号的幅值Ax，Ay和直流偏置Ox，Oy对输出正余弦信号进行直流偏移校正和振幅归一化，根据纠偏之后的正余弦信号进行CORDIC细分解码得到初步校准后的转子的角度位置数据，初步校准后输出的角度数据的前14位用于查表，后3位数据用于对恰好处于校准表中两个存储数据之间的值进行线性插值，得到高精度17位数据。

关于查表和插值计算，现在举例说明如下：

假设表中存储了4096个点，那么相邻两个存储角度值的差为0.0879°，那么由于磁电编码器的输出角度存在误差，假设表中存储的每一个磁电编码器输出角度与对应的高精度编码器的输出角度相差0.002°。那么当经过初步校准后得到的17位二进制数据用来进行查表时，首先取其前14位数据将其转化位10进制的角度数据用来判断它处于表中哪两个角度之间，假设它处于0.0859°与0.1738°之间时，对应的高精度编码器的角度区间应该是0.0879°与0.1758°之间，而17位数据的后3位数据转化为十进制的角度数据为0.05757°，则用其进行线性插值计算得到的最后数据为：

0.0879°+0.05757°/0.0879°*0.0879°＝0.14547°。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种磁电编码器的自校准装置，其特征在于，包括：主动电机及安装在其上的高精度编码器，从动电机及安装在其上的待校准磁电编码器；

其中，所述校准表为预先通过以下方法得到：

2.根据权利要求1所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述基于该角度位置数据查找校准表，以确定该角度位置数据对应的高精度角度位置数据，具体实现方式为：

3.根据权利要求1所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述待校准磁电编码器中的处理器还用于：在所述从动电机转动第一圈时，记录下整个过程中待校准磁电编码器输出的正余弦信号的最大值和最小值：Xmax，Xmin，Ymax，Ymin，计算出正余弦信号的幅值Ax、Ay以及直流偏置Ox、Oy，以用于后续的所述直流偏差和幅值偏差的校准；在所述从动电机转动第二圈时，构建所述校准表，用于后续对角度偏差进行进一步的校准。

4.根据权利要求1所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述高精度编码器的输出角度数据为17位数据。

5.根据权利要求4所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述校准表中记录的均为14位的角度数据。

6.根据权利要求1所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述细分解码采用CORDIC方法。

7.根据权利要求1所述的一种高精度磁电编码器，其特征在于，所述处理器会通过RS-485接口对所述高精度编码器向外发送的主动电机转子角度数据进行监听。