阅读说明：本技术 一种关于有域角磁电编码器及其信号逻辑延伸精分方法 (Domain angle magnetoelectric encoder and signal logic extension fine-dividing method thereof ) 是由 王磊 肖磊 谢欣悦 曾璇 潘巍 姜金刚 于 2020-05-15 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种有域角编码器及其信号逻辑延伸精分方法,所述编码器充分利用有域角狭小的可工作空间,采用单对极磁钢与多对极磁钢的对称结构设计的布局,采用贴片霍尔对单对极和多对极磁场信号进行收集,针对有域角磁电编码器角度信号失真的特点,采用虚拟有域角填充方法将有域角磁电编码器的角度值信号补充完整,采用主动适应多窗口滤波角度精分方法对磁电编码器角度值进行细致划分,消除了磁电编码器角度值噪声引发的区间判断不正确问题,有效提高了有域角磁电编码器的分辨率,该方法能够所述编码器有效消除角度值跳动的影响,电机速度控制更加稳定,电流正弦特性更优,分辨率可以达到13位,精度达到±0.25°。(The invention discloses a domain angle encoder and a signal logic extension fine-dividing method thereof, wherein the encoder fully utilizes a working space with a narrow domain angle, adopts the layout of a symmetrical structural design of single-pair-pole magnetic steel and multi-pair-pole magnetic steel, adopts a surface-mounted Hall to collect single-pair-pole and multi-pair-pole magnetic field signals, adopts a virtual domain angle filling method to completely supplement the angle value signals of the domain angle magneto-electric encoder aiming at the characteristic of the distortion of the angle signals of the domain angle magneto-electric encoder, adopts an active adaptive multi-window filtering angle fine-dividing method to finely divide the angle value of the magneto-electric encoder, eliminates the problem of incorrect interval judgment caused by the noise of the angle value of the magneto-electric encoder, effectively improves the resolution ratio of the domain angle magneto-electric encoder, can effectively eliminate the influence of the jitter of the angle value by the encoder, and has more stable motor speed control, the current sinusoidal characteristic is better, the resolution can reach 13 bits, and the precision reaches +/-0.25 degrees.)

一种关于有域角磁电编码器及其信号逻辑延伸精分方法

技术领域：

本发明涉及一种关于有域角磁电编码器及其信号逻辑延伸精分方法，属于磁电编码器制造技术领域。

背景技术：

目前，高精度编码器主流产品可分为：光电编码器、磁电编码器、旋转变压器、电感式角位移传感器、电容式角位移传感器。

其中，磁电编码器主要由永磁体和磁敏元件组成。磁敏元件能够通过霍尔效应或磁阻效应感应由永磁体旋转运动造成的空间磁场变化，且能将这一磁场变化转化为电压信号的变化，并能通过后续的信号处理系统达到对旋转部件角位移检测的目的。相比旋转变压器和光电编码器，磁电编码器具有结构简单、耐高温、抗油污、抗冲击和体积小、成本低等优点，在小型化和恶劣环境条件的应用场所具有独特优势。

然而，在磁电编码器应用技术领域磁电编码器角度值会因为振动、温度变化、磁场变化等环境因素的改变而产生角度值跳点或角度值偏差从而造成磁电编码器角度值的突变，国内外学者提出了一些方法，这些方法包括两个方面：提高多对极磁电编码器磁钢充磁精度以及霍尔分布的机械精度，另一种则是采用信号处理方法以提高磁电编码器分辨率，但采用现有的角位移编码器提高分辨率的方法通常采用软件处理，但是使用软件进行角度值细分的计算时间长，会造成角度值解算滞后，并且一旦在不能适用的使用环境下工作会产生角度值跳点。

发明内容

针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种关于有域角磁电编码器及其信号逻辑延伸精分方法，通过单片机内置的模数转换通道得到单对极磁电编码器角度值信号和多对极磁电编码器角度值信号，以及采样线性填补方法对编码器误差表格进行填补进行角度标定修正，以提高磁电编码器计算的稳定性和测量精度。

上述目的主要通过以下方案实现：

本发明公布了一种关于有域角磁电编码器及其信号逻辑延伸精分方法，通过使用本发明所述的有域角编码器结构及其信号逻辑延伸精分方法，充分利用有域角狭小的可工作空间，针对有域角磁电编码器角度信号失真的特点，消除了磁电编码器角度值噪声引发的区间判断不准确问题，有效提高了有域角磁电编码器的分辨率。

本发明公布了一种有域角编码器结构有限角编码器磁钢结构，其特征在于：有域角磁电编码器的单对极磁钢与多对极磁钢采用对称式结构布局。

本发明还公布了一种有限角编码器霍尔分布，其特征在于：有域角编码器霍尔分布，其特征在于：单对极磁钢对应的霍尔采集板上的一对霍尔相隔90°分布；多对极磁钢对应的霍尔采集板上的一对霍尔相隔51.423°。

本发明还公布了一种有域角编码器结构，所述的编码器包括如上任意一项所述的编码器结构。

本发明还公布了一种有域角编码器信号逻辑延伸精分方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一：采集磁电信号

采用单对极磁钢与多对极磁钢的对称结构设计的布局，对磁钢进行轴向充磁，采用贴片霍尔对单对极和多对极磁场信号进行收集，当电机轴旋转时，单对极磁钢与多对极磁钢分别产生单对极磁场信号与多对极磁场信号，霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔分别采集单对极与多对极磁场信号；

步骤二：角度值信号逻辑延伸

信号采集过程中，有限角磁电编码器的单对级信号与多对极信号均失真，存在角度值缺失，对下一步的角度值精分算法处理有不利的影响，因此，需要将单对极角度值与多对极角度值进行信号逻辑延伸，用以获取完整的角度值信号区间，首先确定单对极角度值与多对极角度值的缺失位置，然后令角度值从缺失处开始生长，直至遇到下个角度值缺失时停止生长，依据当前磁电编码器角度值存在缺失的特点对角度值进行信号逻辑延伸，以获取完整的角度值信号范围；

步骤三：精分滤波角度

在得到有域角磁电编码器的单对极角度值与多对极角度值后，为了确定单对极角度值对应的多对极角度值的极数，采用主动适应多窗口滤波角度精分方法对编码器的角度区间进行划分，该方法的主动适应多窗口如公式(1)所示

其中θ_w为窗口角度值，X为多对极角度值；

首先将单对极角度值与多对极角度值进行信号逻辑延伸，然后将单对极角度值映射在512个区间内，根据式(1)建立主动适应多窗口，建立上窗口、当前窗口、下窗口的多对极角度极数与512个单对极区间角度值间的一一对应关系并制成表格，通过单对极角度值的高9位查找该表格，得到当前角度值的上窗口极数、当前窗口极数与下窗口极数，在获得上窗口、当前窗口、下窗口对应的多对极角度值的极数后进行逻辑判断；

如果上窗口的多对极角度极数大于当前窗口的多对极角度极数，并且多对极角度值位于第一象限(0-16384)内，则最终的多对极极数加上1；

如果当前窗口的多对极角度极数大于下窗口的多对极角度极数，并且多对极角度值位于第四象限(49152-65536)内，则最终的多对极角度极数减去1；

最终细分后的磁电编码器角度值如式(2)所示

α＝65535×P (2)

其中α为磁电编码器角度值，P为多对极的极数；

利用精确的上窗口极数、下窗口极数可以通过查表函数对当前多对极角度值的极数进行精确判断。其中每个窗口对应的极数如式(3)所示：

其中check(θ)为查表函数，θ∈[0，2⁹]；

根据上述可得电机的旋转角度如式(4)所示

θ＝(f_级数-1)×65535+X (4)

其中θ为电机轴旋转角度；

本发明的有益效果为：

1.采用单对极与多对极磁钢的对称布局结构，减小了结构的径向空间尺寸。

2.采用角度逻辑延伸方法补齐有域角度范围，实现整周角度值计算处理，提高了解算过程的一致性与方便性。

3.建立主动适应滤波窗口，提高了滤波窗口宽度的自适应调节能力，可以提供合理的窗口宽度，便于角度精分处理解算。

4.角度值精分过程采用查表方式，提高了解算过程的运算速度。

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为本发明所述编码器的磁钢分布示意图

图2为本发明所述的编码器的霍尔分布图

图3为本发明所述有域角磁电编码器的工作原理图

图4为本发明所述虚拟角度值信号的补偿原理图

图5为本发明所述主动适应多窗口滤波角度精分方法原理图

图6为本发明所述主动适应多窗口滤波角度精分方法流程图

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。

图1为所示本发明所述编码器的磁钢分布示意图，如图1所示，编码器的磁钢分布其特征在于：有域角磁电编码器的单对极磁钢与多对极磁钢采用对称式结构布局。

采用单对极与多对极磁钢的对称布局结构，减小了结构的径向空间尺寸。

图2为本发明所述的编码器的霍尔分布图，如图2所示，有限角编码器的霍尔分布，其特征在于：有域角编码器霍尔分布，其特征在于：单对极磁钢对应的霍尔采集板上的一对霍尔相隔90°分布；多对极磁钢对应的霍尔采集板上的一对霍尔相隔51.423°。

采用上述采用上述结构的编码器霍尔分布是为了充分利用有限角摆动框架狭小的工作空间。

本发明还提出了一种有域角编码器结构，所述编码器包括上述任一实施例所述的编码器磁钢结构。

本发明还公布了一种利用如上所述的编码器进行信号逻辑延伸精分方法。

图3为本发明所述有域角磁电编码器的工作原理，如图3所示，采用角度逻辑延伸方法补齐有域角度范围，实现整周角度值计算处理，提高了解算过程的一致性与方便性。建立主动适应滤波窗口，提高了滤波窗口的自适应能力，可以提供合理的窗口宽度，便于角度精分处理解算。角度值精分过程采用查表方式，提高了解算过程的运算速度。该方法的实现过程如下：

步骤一：采集磁电信号

采用单对极磁钢与多对极磁钢的对称结构设计的布局，对磁钢进行轴向充磁，采用贴片霍尔对单对极和多对极磁场信号进行收集，当电机轴旋转时，单对极磁钢与多对极磁钢分别产生单对极磁场信号与多对极磁场信号，霍尔信号采集板上的单对极霍尔与多对极霍尔分别采集单对极与多对极磁场信号；

步骤二：角度值信号逻辑延伸

信号采集过程中，有限角磁电编码器的单对级信号与多对极信号均失真，存在角度值缺失，对下一步的角度值精分算法处理有不利的影响，因此，需要将单对极角度值与多对极角度值进行信号逻辑延伸，用以获取完整的角度值信号区间，图4为本发明所述虚拟角度值信号的补偿原理图，如图4所示，首先确定单对极角度值与多对极角度值的缺失位置，然后令角度值从缺失处开始生长，直至遇到下个角度值缺失时停止生长，依据当前磁电编码器角度值存在缺失的特点对角度值进行信号逻辑延伸，以获取完整的角度值信号范围；

步骤三：精分滤波角度

在得到有域角磁电编码器的单对极角度值与多对极角度值后，为了确定单对极角度值对应的多对极角度值的极数，采用主动适应多窗口滤波角度精分方法对编码器的角度区间进行划分，图5为本发明所述主动适应多窗口滤波角度精分方法原理图，如图5所示，该方法的主动适应多窗口如公式(1)所示

其中θ_w为窗口角度值，X为多对极角度值；

图6为本发明所述主动适应多窗口滤波角度精分方法流程图，如图6所示，首先将单对极角度值与多对极角度值进行信号逻辑延伸，然后将单对极角度值映射在512个区间内，根据式(1)建立主动适应多窗口，建立上窗口、当前窗口、下窗口的多对极角度极数与512个单对极区间角度值间的一一对应关系并制成表格，通过单对极角度值的高9位查找该表格，得到当前角度值的上窗口极数、当前窗口极数与下窗口极数，在获得上窗口、当前窗口、下窗口对应的多对极角度值的极数后进行逻辑判断；

如如果上窗口的多对极角度极数大于当前窗口的多对极角度极数，并且多对极角度值位于第一象限(0-16384)内，则最终的多对极极数加上1；

如果当前窗口的多对极角度极数大于下窗口的多对极角度极数，并且多对极角度值位于第四象限(49152-65536)内，则最终的多对极角度极数减去1；

最终细分后的磁电编码器角度值如式(2)所示

α＝65535×P (2)

其中α为磁电编码器角度值，P为多对极的极数；

利用精确的上窗口极数、下窗口极数可以通过查表函数对当前多对极角度值的极数进行精确判断。其中每个窗口对应的极数如式(3)所示：

其中check(θ)为查表函数，θ∈[0，2⁹]；

根据上述可得电机的旋转角度如式(4)所示

θ＝(f_级数-1)×65535+X (4)

其中θ为电机轴旋转角度；

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。