CN116488534A - 一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置 - Google Patents

一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，属于编码器制造领域。本发明包括定子、定子绕组、连接板、编码器信号解算板、霍尔、单片机、导磁环、霍尔插槽、支撑板、电机转轴、转子。当定子固定，转子不固定时，给定子通电，转子开始转动，定子通过电流产生磁场，霍尔接受磁场并将磁场信号转换成电压信号，电压信号经过单片机AD转换通道转换成数字信号，将数字信号投影到直角坐标轴上，进而得到两个角度值信号，再将这两个角度值信号进行反正切算法，解算出电角度角度值，再将得出的电角度角度值进行累加。本发明解决了磁电编码器采用磁钢易破损易破裂的工作方式，并且提高了分辨率的问题。

Description

一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置
技术领域：
本发明属于编码器制造领域，具体涉及一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置。
背景技术：
磁阻电机工作原理与传统的交、直流电动机工作原理有很大的区别，不依靠定、转子绕组电流所产生磁场的相互作用而产生转矩，而是依靠磁阻最小原理产生转矩。即磁通总是沿着磁阻最小的路径闭合，从而产生磁拉力，进而形成磁阻性质的电磁转矩和磁力线具有力图缩短磁通路径以减小磁阻和增大磁导的本性。
传统的磁电编码器优点众多，磁编码器体积小，精密，无接触无磨损；同一品种既可检测角度位移，又可在机械转换装置帮助下检测直线位移，而且磁编码器寿命长，安装随意，接口形式丰富，价格合理，在恶劣的环境下也能照常工作，但是磁电编码器采用磁钢的方式，传统方式上磁钢易破损易破裂，需要隔一段时间进行更换，这样不仅不易于工作，而且还会降低工作效率。
磁电编码器是安装在伺服电机上用来测量磁极位置和伺服电机转角以及转速的一种传感器，通常由定子、转子、霍尔元件、磁钢、信号采集板等组成。磁电编码器同其他的编码器相比，具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，可应用于传统的编码器不能适应的领域。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，具有很高的防护等级。虽然磁电编码器的应用范围十分广泛，但是其分辨率却始终难以提高。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，本发明解决其技术问题的解决方案为：
一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，本方法应用于一种基于磁阻原理的磁电编码器；
一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，所述方法的具体实现过程为：
当三个定子固定，转子不固定时，给三个定子通电，转子开始转动，围绕转子的气隙间距在不断地变化着，三个定子绕组通过相同的电流产生相同磁场，气隙大小影响着磁场强弱，气隙大的时候可以减弱磁场强度，气隙小的时候可以增加磁场强度，三个霍尔接受磁场并将磁场信号转换成电压信号，电压信号大小跟转子转动的位置有关，转子花瓣距离霍尔的距离越近，电压信号越大，电压信号经过单片机AD转换通道转换成数字信号，将数字信号投影到直角坐标轴上，进而得到两个角度值信号，再将这两个角度值信号进行反正切算法，解算出电角度角度值，再将得出的电角度角度值进行累加。
上述目的主要通过以下方案实现：
步骤一：
当三个定子固定，转子不固定时，给三个定子通电，转子开始转动，围绕转子的气隙间距在不断地变化着，三个定子绕组通过相同的电流产生相同磁场，气隙大小影响着磁场强弱，气隙小的时候可以增加磁场强度，气隙大的时候可以减弱磁场强度；
步骤二：
三个霍尔接受磁场并将磁场信号转换成电压信号，其中霍尔1、霍尔3分别与霍尔2空间相位差为120°，电压信号大小跟转子转动的位置有关，转子花瓣距离霍尔的距离越近，电压信号越大，求三个霍尔之间的相位差，如图5所示，当转子处于当前状态时，霍尔2采集到电压信号的极大值，转子顺时针旋转30°，霍尔3采集到电压信号的极大值，转子逆时针30°，霍尔1采集到电压信号的极大值，所以霍尔1、霍尔3与霍尔2相位差为30°，采集到的电压信号为如图8所示，转子上有四个转子花瓣，转子旋转一周，四个转子花瓣也旋转一周，所以电压信号有四个周期，三个霍尔接收到的角度值为电角度角度值的四倍，其电压信号公式为：
其中Ua、Ub、Uc分别代表霍尔2的电压信号、霍尔1的电压信号、霍尔3的电压信号，Vm为电压信号峰值；θ为电角度角度值；
步骤三：
电压信号Ua、Ub、Uc经过单片机AD转换通道转换成数字信号Da、Db、Dc，将Da、Db、Dc投影到直角坐标轴上，如图7所示，进而得到两个角度值信号VX、VY，如图9所示，其公式为：
步骤四：
对VX、VY进行反正切算法进行解算，解算出电角度角度值θ，θ的取值范围为[0，2π]，然后将[0，2π]进行等比例放大到[0，65535]，转子花瓣从A点到下一个花瓣B点视为一个周期，转子花瓣从B点到下一个花瓣C点视为一个周期，转子花瓣从C点到下一个花瓣D点视为一个周期，转子花瓣从D点回到最初转子花瓣A点视为一个周期，如图6所示，所以电角度角度值有四个周期，如图10所示，解算公式为：
步骤五：对得出的电角度角度值θ进行四舍五入取整得出θ1。
步骤六：对得出的四舍五入取整电角度角度值θ1进行累加得θ2，θ2的取值范围为[0，262140]，因为电角度角度值有四个周期，所以电角度角度值最多累加四个周期，如图11。
本发明的有益效果为：
1.转子消除了传统意义上磁电编码器采用磁钢的方式，传统方式上磁钢易破损易破裂，不易于工作，不仅使工作效率变低还使成本变高，但本发明中转子是金属结构，坚固耐用，可大大提高使用寿命。
2.气隙可以影响磁场强弱，当气隙小的时候可以增大磁场强度，当气隙大的时候可以减弱磁场强度，本发明转子采用多极数对数的金属结构，通过定子电流调节改变磁场的强弱，进而消除了气隙大小的限制，一定程度上提高了分辨率。
3.霍尔采集到电压信号有四个周期，实现了增量式角度叠加，大大提高了分辨率。
4.转子结构可通过精密加工得到，可控制空间磁场强度，进一步精确提高编码器精度。
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为本发明所述的总体结构示意图
图2为本发明所述的局部结构示意图
图3为本发明所述的编码器信号解算板结构示意图
图4为本发明所述的导磁环结构示意图
图5为三个霍尔之间的相位差示意图
图6为转子结构示意图
图7为本发明三组数字信号投影到直角坐标轴上示意图
图8为本发明三组电压信号图像
图9为本发明三组数字信号投影到直角坐标轴上后得到的两个角度值信号图像
图10为本发明两个角度值信号进行反正切算法，解算得出电角度角度值图像
图11为电角度角度值累加图像
1、定子1；1-1、定子绕组1；2、定子2；2-1、定子绕组2；3、定子3；
3-1、定子绕组3；4、连接板；5、编码器信号解算板；5-1、霍尔1；5-2、霍尔2；5-3、霍尔3；5-4、单片机；6、导磁环；6-1、霍尔插槽1；6-2、霍尔插槽2；6-3、霍尔插槽3；7、支撑板；8、电机转轴；9、转子。
具体实施方案
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、图9、图10、图11所示，本具体实施方式采用以下技术方案。
一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，其特征在于：包括定子1(1)、定子绕组1(1-1)、定子2(2)、定子绕组2(2-1)、定子3(3)、定子绕组3(3-1)、连接板(4)、编码器信号解算板(5)、霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)、单片机(5-4)、导磁环(6)、霍尔插槽1(6-1)、霍尔插槽2(6-2)、霍尔插槽3(6-3)、支撑板(7)、电机转轴(8)、转子(9)；其中定子1(1)、定子2(2)、定子3(3)与连接板(4)胶接；连接板(4)与编码器信号解算板(5)胶接；霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)、单片机(5-4)与编码器信号解算板(5)焊锡焊接；导磁环(6)上的霍尔插槽1(6-1)、霍尔插槽2(6-2)、霍尔插槽3(6-3)中***霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)后，导磁环(6)与编码器信号解算板(5)胶接；支撑板(7)与电机转轴(8)胶接；电机转轴(8)与转子(9)胶接；
一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，所述方法的具体实现过程为：
步骤一：
当三个定子固定，转子不固定时，给三个定子通电，转子开始转动，围绕转子的气隙间距在不断地变化着，三个定子绕组通过相同的电流产生相同磁场，气隙大小影响着磁场强弱，气隙小的时候可以增加磁场强度，气隙大的时候可以减弱磁场强度；
步骤二：
三个霍尔接受磁场并将磁场信号转换成电压信号，其中霍尔1、霍尔3分别与霍尔2空间相位差为120°，电压信号大小跟转子转动的位置有关，转子花瓣距离霍尔的距离越近，电压信号越大，求三个霍尔之间的相位差，如图5所示，当转子处于当前状态时，霍尔2采集到电压信号的极大值，转子顺时针旋转30°，霍尔3采集到电压信号的极大值，转子逆时针30°，霍尔1采集到电压信号的极大值，所以霍尔1、霍尔3与霍尔2相位差为30°。采集到的电压信号为如图8所示，转子上有四个转子花瓣，转子旋转一周，四个转子花瓣也旋转一周，所以电压信号有四个周期，三个霍尔接收到的角度值为电角度角度值的四倍，其电压信号公式为：
其中Ua、Ub、Uc分别代表霍尔2的电压信号、霍尔1的电压信号、霍尔3的电压信号，Vm为电压信号峰值；θ为电角度角度值；
步骤三：
电压信号Ua、Ub、Uc经过单片机AD转换通道转换成数字信号Da、Db、Dc，将Da、Db、Dc投影到直角坐标轴上，如图7所示，进而得到两个角度值信号VX、VY，如图9所示，其公式为：
步骤四：
对VX、VY进行反正切算法进行解算，解算出电角度角度值θ，θ的取值范围为[0，2π]，然后将[0，2π]进行等比例放大到[0，65535]，转子花瓣从A点到下一个花瓣B点视为一个周期，转子花瓣从B点到下一个花瓣C点视为一个周期，转子花瓣从C点到下一个花瓣D点视为一个周期，转子花瓣从D点回到最初转子花瓣A点视为一个周期，如图6所示，所以电角度角度值有四个周期，如图10所示，解算公式为：
步骤五：对得出的电角度角度值θ进行四舍五入取整得出θ1。
步骤六：对得出的四舍五入取整电角度角度值θ1进行累加得θ2，θ2的取值范围为[0，262140]，因为电角度角度值有四个周期，所以电角度角度值最多累加四个周期，如图11。
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所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种基于磁阻原理的磁电编码器角度解算方法及装置，其特征在于：包括定子1(1)、定子绕组1(1-1)、定子2(2)、定子绕组2(2-1)、定子3(3)、定子绕组3(3-1)、连接板(4)、编码器信号解算板(5)、霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)、单片机(5-4)、导磁环(6)、霍尔插槽1(6-1)、霍尔插槽2(6-2)、霍尔插槽3(6-3)、支撑板(7)、电机转轴(8)、转子(9)；其中定子1(1)、定子2(2)、定子3(3)与连接板(4)胶接；连接板(4)与编码器信号解算板(5)胶接；霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)、单片机(5-4)与编码器信号解算板(5)焊锡焊接；导磁环(6)上的霍尔插槽1(6-1)、霍尔插槽2(6-2)、霍尔插槽3(6-3)中***霍尔1(5-1)、霍尔2(5-2)、霍尔3(5-3)后，导磁环(6)与编码器信号解算板(5)胶接；支撑板(7)与电机转轴(8)胶接；电机转轴(8)与转子(9)胶接；
其特征在于：
所述方法的具体实施过程为：
步骤一：
当三个定子固定，转子不固定时，给三个定子通电，转子开始转动，围绕转子的气隙间距在不断地变化着，三个定子绕组通过相同的电流产生相同磁场，气隙大小影响着磁场强弱，气隙小的时候可以增加磁场强度，气隙大的时候可以减弱磁场强度；
步骤二：
三个霍尔接受磁场并将磁场信号转换成电压信号，其中霍尔1、霍尔3分别与霍尔2空间相位差为120°，电压信号大小跟转子转动的位置有关，转子花瓣距离霍尔的距离越近，电压信号越大，求三个霍尔之间的相位差，如图5所示，当转子处于当前状态时，霍尔2采集到电压信号的极大值，转子顺时针旋转30°，霍尔3采集到电压信号的极大值，转子逆时针30°，霍尔1采集到电压信号的极大值，所以霍尔1、霍尔3与霍尔2相位差为30°，采集到的电压信号为如图8所示，转子上有四个转子花瓣，转子旋转一周，四个转子花瓣也旋转一周，所以电压信号有四个周期，三个霍尔接收到的角度值为电角度角度值的四倍，其电压信号公式为：
其中Ua、Ub、Uc分别代表霍尔2的电压信号、霍尔1的电压信号、霍尔3的电压信号，Vm为电压信号峰值；θ为电角度角度值；
步骤三：
电压信号Ua、Ub、Uc经过单片机AD转换通道转换成数字信号Da、Db、Dc，将Da、Db、Dc投影到直角坐标轴上，如图7所示，进而得到两个角度值信号VX、VY，如图9所示，其公式为：
步骤四：
对VX、VY进行反正切算法进行解算，解算出电角度角度值θ，θ的取值范围为[0，2π]，然后将[0，2π]进行等比例放大到[0，65535]，转子花瓣从A点到下一个花瓣B点视为一个周期，转子花瓣从B点到下一个花瓣C点视为一个周期，转子花瓣从C点到下一个花瓣D点视为一个周期，转子花瓣从D点回到最初转子花瓣A点视为一个周期，如图6所示，所以电角度角度值有四个周期，如图10所示，解算公式为：
步骤五：对得出的电角度角度值θ进行四舍五入取整得出θ1，
步骤六：对得出的四舍五入取整电角度角度值θ1进行累加得θ2，θ2的取值范围为[0，262140]，因为电角度角度值有四个周期，所以电角度角度值最多累加四个周期，如图11。
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