CN115931014A - 一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，旨在解决尺寸较大的轴上使用磁电编码器时，由于充磁工艺的限制，无法对大直径的单对极磁钢进行充磁，在不能使用单对极磁钢的情况下，磁电编码器绝对角度值的解算问题。通过使用两个极对数相邻且互质的多对极磁钢，以制表查表的方法，以其中的一个多对极角度值为标尺，对另一个多对极角度值进行标定处理，使得要进行角度值细分放大的多对极角度值与作为标尺的多对极角度值具有一一对应的关系，以此来确定多对极角度值的极数区间，并对其进行角度值细分放大处理。

Description

一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法

技术领域

本发明属于编码器制造领域，具体涉及一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法。

背景技术

磁电编码器的工作原理与光电编码器类似，但其采用的是磁场信号。在磁电编码器内部有着通过充磁处理的磁钢、接收磁场信号的霍尔传感器，当磁钢旋转时，会引起内部磁场强度的变化，霍尔传感器检测到磁场强度的变化后再经过电路的信号处理即可输出信号。采用磁场原理产生信号的优势是，磁场信号不会受到灰尘、湿气、高温以及振动的影响。磁电编码器同传统的光电式和光栅式编码器相比，更具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，因此磁电编码器是专门为极端恶劣环境设计的编码器，这些场合一般要求宽的温度特性，能够抵御强烈的振动和冲击等。

磁电编码器按工作原理可分为绝对式磁电编码器和增量式磁电编码器，按磁钢极对数可分为单对极磁电编码器与多对极磁电编码器。目前使用范围较广泛的是单对极与多对极同时使用的组合式磁电编码器，这种编码器能够有效的提高编码器的分辨率，其中单对极磁钢旋转一周产生单周期磁场信号，多对极磁钢旋转一周产生多周期磁场信号。以单对极输出的角度值确定编码器的绝对位置，并对多对极角度值信号进行角度细分。但是由于工艺能力的限制，目前无法对于大直径的单对极磁钢进行均匀充磁，这样在一些大型的磁电编码器中就不能使用单对极磁钢进行绝对位置的确定。因此本发明提出了一种使用两个极对数相邻且互质的多对极磁钢的磁电编码器，使用其中的一个多对极磁钢代替原来的单对极磁钢的记录绝对位置的作用，提出了一种制表查表的方法来对另一个多对极角度值进行标定，这样就确定了多对极角度值的绝对位置。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，旨在解决磁电编码器在不能使用单对极磁钢的情况下，磁电编码器绝对角度值的解算问题。通过使用两个极对数相邻且互质的多对极磁钢，采用制表查表的方式，以其中的一个多对极角度值为标尺，对另一个多对极角度值进行标定，使得要进行角度值细分放大的多对极角度值与作为标尺的多对极角度值具有一一对应的关系，以此来确定多对极角度值的极数区间，并对其进行后续的角度细分放大处理。

本发明公布了一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，包括以下步骤：

步骤一：在安装双多对极磁电编码器的两个多对极磁钢时，将m对极磁钢的某一磁钢拼接缝与n对极磁钢的某一磁钢拼接缝对齐安装，保证霍尔元件收集到的两组多对极信号起点相同。

步骤二：电机通电，电机主轴开始旋转，与电机主轴胶接的m对极磁钢和与电机主轴胶接的保持架上所胶接的n对极磁钢一起随着电机主轴同步旋转。其中m对极磁钢采用径向充磁方式，n对极磁钢采用轴向充磁方式，m对极磁钢与n对极磁钢同步产生径向磁场与轴向磁场。多对极霍尔a1，多对极霍尔a2锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔a1与多对极霍尔a2之间的安装角度为θ_m，其计算公式为(1)

其中m为m对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1。

多对极霍尔b1，多对极霍尔b2，锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2之间的安装角度为θ_n，其计算公式为(2)

其中n为n对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1。

步骤三：m对极磁钢转动，多对极霍尔a1、多对极霍尔a2采集m对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的m对极角度值数字信号HA+、HA-，进行解算，得到多对极角度值θ₁，解算公式为(3)

n对极磁钢转动，多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集n对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的n对极角度值数字信号HB+、HB-，进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式为(4)

步骤四：m对极角度值θ₁、n对极角度值θ₂其取值范围均在[0，k]，在一个旋转周期内，m对极角度值θ₁从0到k变化m次，n对极角度值θ₂从0到k变化n次。在普通的磁电编码器中，通常使用单对极磁钢所产生的单对极角度值对所要细分放大的多对极角度值进行绝对位置的确定。在一个旋转周期内，单对极角度值是从[0，k]逐渐增大的单调直线，这就使得每一个单对极角度值都能唯一确定一个多对极角度值所处在的极数区间。在本发明中所使用的两个极对数相邻且互质的m对极磁钢与n对极磁钢中，以m对极磁钢输出的多对极角度值θ₁为标定角度值，以n对极磁钢输出的多对极角度值θ₂为要进行细分放大的角度值。在同一个旋转周期内，多对极角度值θ₂从0到k变化n次，多对极角度值θ₂中的任意一个角度值x也会出现n次，任意一个角度值x所对应的多对极角度值θ₁都是唯一确定的，通过不同的多对极角度值θ₁来判定多对极角度值θ₂所处在的极数区间。按照多对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的一一对应关系，将θ₁与θ₂制成标定表格，标定表格共有三列，第一列为多对极角度值θ₁，第二列为多对极角度值θ₂，第三列为多对极角度值θ₂所属的极数区间。

步骤五：将标定表格存储在单片机内存中，将采集到的多对极角度值θ₂通过查找与之对应的标定表格中的第一列多对极角度值θ₁，去判断当前多对极角度值θ₂所处在的极数区间，再通过细分放大公式对多对极角度值θ₂进行细分放大，如公式(5)

θ₃＝(k-1)×65535+θ₂ (5)

其中θ₃为细分放大后的多对极角度值，k为通过标定表格判断的当前多对极角度值所处的极数，θ₂为当前多对极角度值。

本发明的有益效果为：

1.本发明的磁电编码器是一种未使用单对极磁钢的绝对式磁电编码器，用两组多对极磁钢的组合设计确定绝对角度位置。克服了在大尺寸轴中，因充磁工艺限制无法对大直径单对极磁钢进行充磁，从而无法使用单对极磁钢的缺点。

2.本发明的绝对式双多对极磁电编码器中，磁钢全部为多对极磁钢，其充磁过程相比较单对极磁钢更简单、充磁均匀性更好，相比较传统的单对极与多对极组合的磁电编码器的精度更高。

3.本发明使用极对数相邻且互质的两组多对极磁钢，以其中的一个多对极角度值为标定角度值，对另一个多对极角度值进行角度标定，通过二者的对应关系进行制表查表去判断多对极角度值所处的极数区间，是一种简单、高效、快捷的判断方法。

附图说明：

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述：

图1为本发明所述总体结构示意图；

图2为本发明所述总体结构拆分示意图；

图3为本发明所述磁钢安装位置示意图；

图4为本发明所述编码器信号解算板示意图；

图5为本发明所述导磁环结构图；

图6为本发明所述两组多对极角度值对应关系示例图；

图7为本发明所述标定表格图；

图8为本发明所述的采用标定表格判断法的角度值细分图；

图中1、m对极磁钢；2、隔磁环；3、n对极磁钢；4、磁场导向环；5、编码器信号解算板；6、编码器端盖；7、编码器保持架；8、电机主轴；9、电机法兰盘；10、电机；1-1、多对极霍尔a1；1-2、多对极霍尔a2；2-1、多对极霍尔b1；2-2、多对极霍尔b2；4-1、多对极霍尔槽c1；4-2、多对极霍尔槽c2；5-1、单片机；

具体实施方式：

下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。

在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。

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、图8所示，本发明具体实施方式采用以下技术方案：

所述的一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，其特征在于：所述的双多对极磁电编码器，它包括m对极磁钢(1)，隔磁环(2)，n对极磁钢(3)，磁场导向环(4)，编码器信号解算板(5)，编码器端盖(6)，编码器保持架(7)，电机主轴(8)，电机法兰盘(9)，电机(10)；多对极霍尔a1(1-1)，多对极霍尔a2(1-2)，多对极霍尔b1(2-1)，多对极霍尔b2(2-2)，多对极霍尔槽c1(4-1)，多对极霍尔槽c2(4-2)，单片机(5-1)；其中，多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)均为插件式霍尔，多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)均为贴片式霍尔；其中m对极磁钢(1)与电机主轴(8)胶接；磁场导向环(4)上的多对极霍尔槽c1(4-1)中***多对极霍尔a1(1-1)，多对极霍尔槽c2(4-2)中***多对极霍尔a2(1-2)后，与编码器信号解算板(5)胶接；隔磁环(2)与n对极磁钢(3)胶接后，再一起与编码器保持架(7)胶接；编码器保持架(7)与电机主轴(8)胶接；多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)均与编码器信号解算板(5)锡焊焊接，多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)均与编码器信号解算板(5)锡焊焊接，单片机(5-1)与编码器信号解算板(5)锡焊焊接；编码器信号解算板(5)胶接在编码器端盖(6)的底部；编码器端盖(6)与电机法兰盘(9)螺纹连接；当电机(10)通电，电机主轴(8)开始旋转，m对极磁钢(1)、隔磁环(2)、n对极磁钢(3)随着电机主轴(8)同步旋转。m对极磁钢(1)产生的径向磁场经过胶接在编码器信号解算板(5)上的磁场导向环(4)改变磁场方向后，由编码器信号解算板(5)上的多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)接收m对极磁场信号；n对极磁钢(3)产生轴向磁场，由编码器信号解算板(5)上的多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)接收n对极磁场信号；

一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，本方法应用于磁电编码器领域：

一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一：在安装双多对极磁电编码器的两个多对极磁钢时，将3对极磁钢的某一磁钢拼接缝与2对极磁钢的某一磁钢拼接缝对齐安装，保证霍尔元件收集到的两组多对极信号起点相同。

步骤二：电机通电，电机主轴开始旋转，与电机主轴胶接的3对极磁钢和与电机主轴胶接的保持架上所胶接的2对极磁钢一起随着电机主轴同步旋转。其中3对极磁钢采用径向充磁方式，2对极磁钢采用轴向充磁方式，3对极磁钢与2对极磁钢同步产生径向磁场与轴向磁场。多对极霍尔a1，多对极霍尔a2锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔a1与多对极霍尔a2之间的安装角度为θ_m，其计算公式为(1)

其中m为3对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1。

多对极霍尔b1，多对极霍尔b2，锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2之间的角度为θ_n，其计算公式为(2)

其中n为2对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1。

步骤三：3对极磁钢转动，多对极霍尔a1、多对极霍尔a2采集3对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的3对极角度值数字信号HA+、HA-，进行解算，得到多对极角度值θ₁，解算公式为(3)

2对极磁钢转动，多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集2对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的2对极角度值数字信号HB+、HB-，进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式为(4)

步骤四：3对极角度值θ₁、2对极角度值θ₂其取值范围均在[0，65535]，在一个旋转周期内，3对极角度值θ₁从0到65535变化3次，2对极角度值θ₂从0到65535变化2次。在普通的磁电编码器中，通常使用单对极磁钢所产生的单对极角度值对所要细分放大的多对极角度值进行绝对位置的确定。在一个旋转周期内，单对极角度值是从[0，65535]逐渐增大的单调直线，这就使得每一个单对极角度值都能唯一确定一个多对极角度值所处在的极数区间。在本发明中所使用的两个极对数相邻且互质的3对极磁钢与2对极磁钢中，以3对极磁钢输出的多对极角度值θ₁为标定角度值，以2对极磁钢输出的多对极角度值θ₂为要进行细分放大的角度值。在同一个旋转周期内，多对极角度值θ₂从0到65535会变化2次，多对极角度值θ₂中的任意一个角度值x会出现2次，任意一个角度值x所对应的多对极角度值θ₁都是唯一确定的，通过不同的多对极角度值θ₁来判定多对极角度值θ₂所处在的极数区间。按照多对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的一一对应的关系，将θ₁与θ₂制成标定表格，标定表格共有三列，第一列为多对极角度值θ₁，第二列为多对极角度值θ₂，第三列为多对极角度值θ₂所属的极数区间。

步骤五：将标定表格存储在单片机内存中，将采集到的多对极角度值θ₂通过查找与之对应的标定表格中的第一列多对极角度值θ₁，去判断当前多对极角度值θ₂所处在的极数区间，再通过细分放大公式对多对极角度值θ₂进行细分放大，如公式(5)

θ₃＝(k-1)×65535+θ₂ (5)

其中θ₃为细分放大后的多对极角度值，k为通过标定表格判断的当前多对极角度值所处的极数，θ₂为当前多对极角度值。

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)

1.一种双多对极磁电编码器及绝对角度值解算方法，本方法应用于一种双多对极磁电编码器，双多对极磁电编码器，它包括m对极磁钢(1)，隔磁环(2)，n对极磁钢(3)，磁场导向环(4)，编码器信号解算板(5)，编码器端盖(6)，编码器保持架(7)，电机主轴(8)，电机法兰盘(9)，电机(10)；多对极霍尔a1(1-1)，多对极霍尔a2(1-2)，多对极霍尔b1(2-1)，多对极霍尔b2(2-2)，多对极霍尔槽c1(4-1)，多对极霍尔槽c2(4-2)，单片机(5-1)；其中，多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)均为插件式霍尔，多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)均为贴片式霍尔；其中m对极磁钢(1)与电机主轴(8)胶接；磁场导向环(4)上的多对极霍尔槽c1(4-1)中***多对极霍尔a1(1-1)，多对极霍尔槽c2(4-2)中***多对极霍尔a2(1-2)后，与编码器信号解算板(5)胶接；隔磁环(2)与n对极磁钢(3)胶接后，再一起与编码器保持架(7)胶接；编码器保持架(7)与电机主轴(8)胶接；多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)均与编码器信号解算板(5)锡焊焊接，多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)均与编码器信号解算板(5)锡焊焊接，单片机(5-1)与编码器信号解算板(5)锡焊焊接；编码器信号解算板(5)胶接在编码器端盖(6)的底部；编码器端盖(6)与电机法兰盘(9)螺纹连接；当电机(10)通电，电机主轴(8)开始旋转，m对极磁钢(1)、隔磁环(2)、n对极磁钢(3)随着电机主轴(8)同步旋转；m对极磁钢(1)产生的径向磁场经过胶接在编码器信号解算板(5)上的磁场导向环(4)改变磁场方向后，由编码器信号解算板(5)上的多对极霍尔a1(1-1)、多对极霍尔a2(1-2)接收m对极磁场信号；n对极磁钢(3)产生轴向磁场，由编码器信号解算板(5)上的多对极霍尔b1(2-1)、多对极霍尔b2(2-2)接收n对极磁场信号；

其特征在于：所述方法的具体实施过程为：

步骤一：在安装双多对极磁电编码器的两个多对极磁钢时，将m对极磁钢的某一磁钢拼接缝与n对极磁钢的某一磁钢拼接缝对齐安装，保证霍尔元件收集到的两组多对极信号起点相同；

步骤二：电机通电，电机主轴开始旋转，与电机主轴胶接的m对极磁钢和与电机主轴胶接的保持架上所胶接的n对极磁钢一起随着电机主轴同步旋转；其中m对极磁钢采用径向充磁方式，n对极磁钢采用轴向充磁方式，m对极磁钢与n对极磁钢同步产生径向磁场与轴向磁场；多对极霍尔a1，多对极霍尔a2锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔a1与多对极霍尔a2之间的安装角度为θ_m，其计算公式为(1)

其中m为m对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1；

多对极霍尔b1，多对极霍尔b2，锡焊焊接在编码器信号解算板上，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2之间的安装角度为θ_n，其计算公式为(2)

其中n为n对极磁钢的充磁极对数，α为自然数，通常取值为1；

步骤三：m对极磁钢转动，多对极霍尔a1、多对极霍尔a2采集m对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的m对极角度值数字信号HA+、HA-，进行解算，得到多对极角度值θ₁，解算公式为(3)

n对极磁钢转动，多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集n对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的n对极角度值数字信号HB+、HB-，进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式为(4)

步骤四：m对极角度值θ₁、n对极角度值θ₂其取值范围均在[0，k]，在一个旋转周期内，m对极角度值θ₁从0到k变化m次，n对极角度值θ₂从0到k变化n次；在普通的磁电编码器中，通常使用单对极磁钢所产生的单对极角度值对所要细分放大的多对极角度值进行绝对位置的确定；在一个旋转周期内，单对极角度值是从[0，k]逐渐增大的单调直线，这就使得每一个单对极角度值都能唯一确定一个多对极角度值所处在的极数区间；在本发明中所使用的两个极对数相邻且互质的m对极磁钢与n对极磁钢中，以m对极磁钢输出的多对极角度值θ₁为标定角度值，以n对极磁钢输出的多对极角度值θ₂为要进行细分放大的角度值；在同一个旋转周期内，多对极角度值θ₂从0到k变化n次，多对极角度值θ₂中的任意一个角度值x也会出现n次，任意一个角度值x所对应的多对极角度值θ₁都是唯一确定的，通过不同的多对极角度值θ₁来判定多对极角度值θ₂所处在的极数区间；按照多对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的一一对应关系，将θ₁与θ₂制成标定表格，标定表格共有三列，第一列为多对极角度值θ₁，第二列为多对极角度值θ₂，第三列为多对极角度值θ₂所属的极数区间；

步骤五：将标定表格存储在单片机内存中，将采集到的多对极角度值θ₂通过查找与之对应的标定表格中的第一列多对极角度值θ₁，去判断当前多对极角度值θ₂所处在的极数区间，再通过细分放大公式对多对极角度值θ₂进行细分放大，如公式(5)

θ₃＝(k-1)×65535+θ₂ (5)

其中θ₃为细分放大后的多对极角度值，k为通过标定表格判断的当前多对极角度值所处的极数，θ₂为当前多对极角度值。

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