一种角位置检测方法及角位移传感器与流程

本发明涉及角位置传感器技术领域，尤其涉及一种角位置检测方法及角位移传感器。

背景技术：

在电机控制领域中应用的位置检测装置主要是编码器，编码器一种是将电机转子旋转角位置、角速度等物理量转换为脉冲或数字的位置传感器，编码器的分辨率和精度直接影响到自动化系统控制性能。

目前，工程技术领域中应用的编码器主要是光电式编码器，然而，光电编码器存在一些难以克服的缺点：光电编码器由玻璃物质通过刻线而成，其抗震动和冲击能力不强，并且不适用于尘埃、结露等恶劣环境，结构和定位组装复杂；刻线间距有极限，要提高分辨率必须增大码盘，从而难以做到小型化；生产过程中装配精度要求很高，直接影响到生产效率，最终影响产品成本。

磁电式编码器可以解决光电编码器的不足。中国专利ZL200910137761.0提出了一种磁电编码器，包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，其中，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，磁感应元件置于该缝隙内，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。

日本专利JP特开2004-340681A中公开了一种磁电式旋转角度检测方法，披露了一种不使用温度传感器的情况下，利用两相信号平方和来计算温度漂移量，从而减小温度漂移对角度检测影响的方法。

综上所述，现有磁电式角位置检测方法有以下缺陷：1.对外部磁场没有屏蔽措施，可靠性不高；2.对信号质量要求较高，如果信号高次谐波分量较高，两相信号平方和不是常数，则温度漂移造成的影响不能有效消除；3.只针对两相信号适用；4.忽略了各相信号间的温度漂移量差异，实际应用中会影响检测精度。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的检测精度不高、可靠性差的缺点，而提出的一种角位置检测法及角位移传感器。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明的角位置检测方法包括以下步骤：

S01.采样处理：对角位移传感器所产生的原始信号A、B进行采样处理得到两相信号实时采样值U′_A、U′_B；

S02.修正处理：对采样处理得到的两相信号实时采样值U′_A、U′_B进行修正处理得到两相用于查询校准数据的信号值U″_A、U″_B；

S03.区间判断：经过修正处理后的两相信号值U″_A、U″_B再进行区间判断得到区间信息；

S04.获取角度：以区间信息以及修正后的两相信号值U″_A、U″_B作为输入，经过与校准数据的相互传输进行角度计算，获取角度值θ_A、θ_B；

S05.整定输出：对角度值θ_A、θ_B再进行整定最终输出角度值θ；

S06.修正量计算：在步骤S04完成后，根据角度值θ_A、θ_B经过差值计算得到Δθ，再结合区间信息、修正后的两相信号值U″_A、U″_B，进行对零点偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自独立计算，得出U_{_offset}、K₀、K₁；

S07.循环修正处理：通过修正量计算所得的U_{_offset}、K₀、K₁对两相信号实时采样值U′_A、U′_B进行修正处理，并在一定周期内重复执行步骤S01-S06。

本发明所述的角位置检测方法中修正量计算采用递推算法，具体如下：

S501：校准数据关系式为：

参数含义为：

A_幅——A相信号幅值；B_幅——B相信号幅值；

U_A——A相信号值；U_B——B相信号值；

θ——信号对应角度值。

实时采样值关系式为：

参数含义为：

A′_幅——A相信号幅值实时采样值；

B′_幅——B相信号幅值实时采样值；

U_{A_offset}——A相信号零点偏移量；

U_{B_offset}——B相信号零点偏移量；

U′_A——A相信号实时采样值；

U′_B——B相信号实时采样值；

其中：初始化幅值比例修正值：K₀＝K₁＝1；

查询校准数据的数值公式为：

U″_A(K)＝(U′_A(K)-U_{A_offset})·K_0(K-1)，

U″_B(K)＝(U′_B(K)-U_{B_offset})K₁·K_0(K-1)；

参数含义为：

U′_A(k)——第k周期A相信号实时采样值；

U′_B(k)——第k周期B相信号实时采样值；

K_0(k-1)——第k-1周期比例修正值；

U″_A(k)——用于查询校准数据的A相信号值；

U″_B(k)——用于查询校准数据的B相信号值；

使用U″_A(K)、U″_B(K)查询校准数据得到的角度值：θ_A(K)、θ_B(K)；

得到角度总误差：Δθ_(K)＝θ_B(K)-θ_A(K)；

θ_A与角度真值θ的误差为：

θ_B与角度真值θ的误差为：

参数含义为：

θ_A——A相信号值查询校准数据得到的角度值；

θ_B——B相信号值查询校准数据得到的角度值；

Δθ_A(k)——第k周期A相所查角度与真值角度之间的误差预估值；

Δθ_B(k)——第k周期B相所查角度与真值角度之间的误差预估值；

S502：根据区间划分判定输出角度值：θ_输出为θ_A(K)或θ_B(K)；

而θ_A真(K)＝θ_A(K)+Δθ_A(K)或θ_B真(K)＝θ_B(K)+Δθ_B(K)；

参数含义为：

θ_A真(k)——第k周期通过A相得到的真实角度预估值；

θ_B真(k)——第k周期通过B相得到的真实角度预估值；

则幅值误差值：ΔU_A真(K)＝Δθ_A(K)·Acosθ_A真(K)；ΔU_B真(K)＝-Δθ_B(K)·Bsinθ_B真(K)；

参数含义为：

ΔU_A真(k)——第k周期A相幅值误差预估值；

ΔU_B真(k)——第k周期B相幅值误差预估值；

S503：根据区间划分计算比例修正值公式：

K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_A真(K)/(U′_A(K)-U_{A_offset})；

或者K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_B真(K)/((U′_B(K)-U_{B_offset})K₁)；

参数含义为：

K_0(k)——第k周期比例修正值。

本发明还提供一种角位移传感器，用于上述的角位置检测方法，所述角位移传感器包括转子磁钢环和定子组合体，所述定子组合体包括外套体以及内置在外套体中的屏蔽钢环、霍尔磁感应元件和PCB电路板，所述外套体具有内环凸台，所述转子磁钢环位于所述内环凸台的环形口内并自由转动，所述内环凸台的外周向上均匀布设多个所述霍尔磁感应元件，多个所述霍尔磁感应元件的外周向上布置所述屏蔽钢环，所述PCB电路板套设在所述内环凸台上并与所述霍尔磁感应元件电连接。

本发明所述外套体固定在电机后法兰面上，所述转子磁钢环套装在电机尾轴上，所述转子磁钢环相对于所述外套体自由转动，所述霍尔磁感应元件用于感应转子磁钢环产生的磁场并将磁信号转换成模拟电压信号输出，多个所述霍尔磁感应元件输出A+、A-、B+、B-四路信号，其中相对的两个霍尔磁感应元件输出为A+和A-或者B+和B-信号，所述PCB电路板用于对霍尔磁感应元件输出的模拟电压信号进行处理并通过信号接口输出A、B两相模拟电压信号。

本发明所述内环凸台的外周向上设有环形槽，所述环形槽内设置所述屏蔽钢环，所述环形槽和所述内环凸台之间设有多个环形布置的方形槽，所述方形槽内设置所述霍尔磁感应元件，所述环形槽的外周为外环凸台，所述内环凸台与外环凸台构成内槽结构用于灌封灌胶体。

本发明所述外套体内还设有定位销和螺孔，所述定位销用于定位安装PCB电路板，所述螺孔与自攻螺钉相互配合锁紧所述PCB电路板，所述外套体朝向所述电机后法兰面的一面具有环形凸台，所述外套体通过环形凸台与电机后法兰面预定位，所述外套体上还设有槽孔，所述槽孔与锁紧螺钉相互配合以将所述外套体锁紧到所述电机后法兰面上。

本发明还提供另外一种角位移传感器，用于上述的角位置检测方法，包括磁钢片和定子组件，所述定子组件包括屏蔽罩以及位于屏蔽罩内的内环体、固定在内环体上的PCB电路板、设置在PCB电路板上的磁感应芯片，所述磁感应芯片面向所述磁钢片，所述磁钢片相对所述磁感应芯片自由转动，所述屏蔽罩内具有屏蔽环，所述屏蔽环布置在所述内环体的外周向上。

本发明所述磁钢片镶嵌在电机尾轴端部的槽中，所述磁感应芯片焊接在PCB电路板上，所述磁钢片与磁感应芯片之间有间隙，所述磁感应芯片用于感应磁钢片产生的磁场并将磁信号转换成模拟电压信号输出，所述PCB电路板用于对磁感应芯片输出的模拟电压信号进行处理并通过信号接口输出A、B两相模拟电压信号。

本发明所述PCB电路板通过自攻螺钉固定在内环体上，所述内环体固定在电机后法兰面上，所述屏蔽罩通过锁紧螺钉固定在电机后法兰面上。

本发明所述内环体包括环本体和设置在环本体外周面上的多个凸耳,所述凸耳上设有通孔，所述环本体朝向所述屏蔽罩的端面具有螺纹孔，所述屏蔽罩上设有安装孔，所述屏蔽罩侧面还开设有出线孔。

本发明提出的角位置检测方法及角位移传感器的有益效果在于：

1、本发明的角位置检测方法包括以下步骤：首先对角位移传感器所产生的原始信号A、B，进行采样处理得到两相信号实时采样值U′_A、U′_B；根据3个修正量，即零点偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁，经过处理算出修正后的两相信号值U″_A、U″_B，再进行区间判断得到区间信息；其次，以区间信息、修正后两相信号值U″_A、U″_B作为输入，经过与校准数据的相互传输进行角度计算，得到角度值θ_A、θ_B；最后，对角度值θ_A、θ_B再进行整定最终输出角度值θ；与此同时，根据角度值θ_A、θ_B经过差值计算得到Δθ，再以区间信息、修正后两相信号值U″_A、U″_B作为输入，进行对零点偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自独立计算，再给对两相原始输入信号A、B采样处理后得到的实时采样值U′_A、U′_B进行修正处理，由于算法中最大程度消除了信号不一致性对角度检测精度的影响，在精度要求不高的应用场合，可不校准，极大降低应用成本；

2、信号处理算法避免了多相信号温漂的耦合，在多相信号之间零漂和温漂有差异的情况下，可有效消除每相信号的零漂和温漂；

3、角位移传感器设有屏蔽外部磁场的屏蔽结构，可以防止外部磁场干扰，提高初始信号质量，保证精度；

4、可利用集成磁感应元件，提高初始信号一致性和相位精度；

5、可适应微型化设计，并且也可适应大轴径设计。

附图说明

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本实施例一中的角位移传感器的角度计算原理框图。

图2为本实施例一中的角位移传感器结构示意图；

图3为本实施例一中的角位移传感器的爆炸结构示意图；

图4为本实施例一中的角位移传感器的外套体正视图；

图5为本实施例一中的角位移传感器的外套体后视图；

图6为本实施例一中的角位移传感器的剖视结构示意图；

图7为本实施例二中的角位移传感器结构示意图；

图8为本实施例二中的角位移传感器的爆炸结构示意图；

图9为本实施例二中的内环体结构示意图；

图10为本实施例二中的屏蔽罩结构示意图；

图11为本实施例二中的角位移传感器的剖视结构示意图。

图中：1转子磁钢环、2定子组合体、21外套体、211环形槽、212内环凸台、213方形槽、214定位销、215外环凸台、216螺孔、217环形凸台、218槽孔、22屏蔽钢环、23霍尔磁感应元件、24PCB电路板、25自攻螺钉、26灌胶体、3锁紧螺钉、4磁钢片、5内环体、51环本体、52凸耳、53螺纹孔、54通孔、6磁感应芯片、7屏蔽罩、71槽孔、72屏蔽环、73出线孔、8电机尾轴、9电机后法兰面。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“径向”、“轴向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一：

图1示出了本实施例中对角位移传感器信号发生部分输出A、B两相信号时的角度计算原理框图，该角位置检测方法包括以下步骤：

S01.采样处理：对角位移传感器所产生的原始信号A、B进行采样处理得到两相信号实时采样值U′_A、U′_B；

S02.修正处理：对采样处理得到的两相信号实时采样值U′_A、U′_B进行修正处理得到两相用于查询校准数据的信号值U″_A、U″_B；

S03.区间判断：经过修正处理后的两相信号值U″_A、U″_B再进行区间判断得到区间信息；

S04.获取角度：以区间信息以及修正后的两相信号值U″_A、U″_B作为输入，经过与校准数据的相互传输进行角度计算，获取角度值θ_A、θ_B；

S05.整定输出：对角度值θ_A、θ_B再进行整定最终输出角度值θ；

S06.修正量计算：在步骤S04完成后，根据角度值θ_A、θ_B经过差值计算得到Δθ，再结合区间信息、修正后的两相信号值U″_A、U″_B，进行对零点偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自独立计算，得出U_{_offset}、K₀、K₁；

S07.循环修正处理：通过修正量计算所得的U_{_offset}、K₀、K₁对两相信号实时采样值U′_A、U′_B进行修正处理，并在一定周期内重复执行步骤S01-S06。

上述角位置检测方法中修正量计算采用递推算法，具体如下：

S501：校准数据关系式为：

参数含义为：

A_幅——A相信号幅值；B_幅——B相信号幅值；

U_A——A相信号值；U_B——B相信号值；

θ——信号对应角度值。

实时采样值关系式为：

参数含义为：

A′_幅——A相信号幅值实时采样值；

B′_幅——B相信号幅值实时采样值；

U_{A_offset}——A相信号零点偏移量；

U_{B_offset}——B相信号零点偏移量；

U′_A——A相信号实时采样值；

U′_B——B相信号实时采样值。

其中：初始化幅值比例修正值：K₀＝K₁＝1；

查询校准数据的数值公式为：

U″_A(K)＝(U′_A(K)-U_{A_offset})·K_0(K-1)，

U″_B(K)＝(U′_B(K)-U_{B_offset})K₁·K_0(K-1)；

参数含义为：

U′_A(k)——第k周期A相信号实时采样值；

U′_B(k)——第k周期B相信号实时采样值；

K_0(k-1)——第k-1周期比例修正值；

U″_A(k)——用于查询校准数据的A相信号值；

U″_B(k)——用于查询校准数据的B相信号值。

使用U″_A(K)、U″_B(K)查询校准数据得到的角度值：θ_A(K)、θ_B(K)；

得到角度总误差：Δθ_(K)＝θ_B(K)-θ_A(K)；

θ_A与角度真值θ的误差为：

θ_B与角度真值θ的误差为：

参数含义为：

θ_A——A相信号值查询校准数据得到的角度值；

θ_B——B相信号值查询校准数据得到的角度值；

Δθ_A(k)——第k周期A相所查角度与真值角度之间的误差预估值；

Δθ_B(k)——第k周期B相所查角度与真值角度之间的误差预估值。

S502：根据区间划分判定输出角度值：θ_输出为θ_A(K)或θ_B(K)；

而θ_A真(K)＝θ_A(K)+Δθ_A(K)或θ_B真(K)＝θ_B(K)+Δθ_B(K)；

参数含义为：

θ_A真(k)——第k周期通过A相得到的真实角度预估值；

θ_B真(k)——第k周期通过B相得到的真实角度预估值。

则幅值误差值：ΔU_A真(K)＝Δθ_A(K)·Acosθ_A真(K)；ΔU_B真(K)＝-Δθ_B(K)·Bsinθ_B真(K)；

参数含义为：

ΔUA_真(k)——第k周期A相幅值误差预估值；

ΔU_B真(k)——第k周期B相幅值误差预估值。

S503：根据区间划分计算比例修正值公式：

K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_A真(K)/(U′_A(K)-U_{A_offset})；

或者K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_B真(K)/((U′_B(K)-U_{B_offset})K₁)。参数含义为：

K_0(k)——第k周期比例修正值。

如图2-6所示，本实施例还提供一种角位移传感器，用于上述角位置检测方法，该角位移传感器包括转子磁钢环1和定子组合体2，转子磁钢环1和定子组合体2的形状尺寸可根据要配合安装的电机结构灵活设计，定子组合体2包括外套体21以及内置在外套体21中的屏蔽钢环22、霍尔磁感应元件23和PCB电路板24，外套体21具有内环凸台212，转子磁钢环1位于内环凸台212的环形口内并自由转动，内环凸台212的外周向上均匀布设多个霍尔磁感应元件23，多个霍尔磁感应元件23的外周向上布置屏蔽钢环22，PCB电路板24套设在内环凸台上并与霍尔磁感应元件23电连接，霍尔磁感应元件23用于感应转子磁钢环1产生的磁场并将磁信号转换成模拟电压信号输出，多个霍尔磁感应元件23输出A+、A-、B+、B-四路信号，其中相对的两个霍尔磁感应元件23输出为A+和A-或者B+和B-信号，PCB电路板4用于对霍尔磁感应元件23输出的模拟电压信号进行处理并通过信号接口输出A、B两相模拟电压信号，其中，屏蔽钢环22可以屏蔽外界干扰磁场，保护转子磁钢环1产生的磁场，从而确保PCB电路板24上的霍尔磁感应元件23所输出的模拟电压信号质量。

本实施例的转子磁钢环1、霍尔磁感应元件23和屏蔽钢环22从结构上基本处于同一垂直平面上。

本实施例的外套体21固定在电机后法兰面9上，转子磁钢环1套装在电机尾轴8上，转子磁钢环1相对于外套体21自由转动，其中，转子磁钢环1可以是单对极充磁，也可以是多对极；可以是平行充磁，也可以是径向充磁。本实施例的角位移传感器体积小，结构简单紧凑，转子磁钢环1套装在电机尾轴8上，并以专用磁钢胶粘贴，从而与电机转子同步旋转，定子组合体2可借助锁紧螺钉3固定在电机后法兰面9上，因此安装拆卸方便，不受电机尾轴8长度尺寸限制。

本实施例的内环凸台212的外周向上设有环形槽211，环形槽211内设置屏蔽钢环22，环形槽211和内环凸台212之间设有多个环形布置的方形槽213，方形槽213内设置霍尔磁感应元件23，环形槽211的外周为外环凸台215，内环凸台212与外环凸台215构成内槽结构用于灌封灌胶体26，灌胶体26用于将定子组合体2灌封，从而提高可靠性和使用寿命。

本实施例的外套体21内还设有定位销214和螺孔216，定位销214用于定位安装PCB电路板24，螺孔216与自攻螺钉25相互配合锁紧PCB电路板24，外套体21朝向电机后法兰面9的一面具有环形凸台217，外套体21通过环形凸台217与电机后法兰面9预定位，外套体21上还设有槽孔218，槽孔218与锁紧螺钉3相互配合以将外套体21锁紧到电机后法兰面9上。

本实施例的转子磁钢环1与定子组合体2之间有间隙，处于非接触状态，因此在电机高速旋转或温度变化大、有粉尘油污等恶劣环境下也不会有机械上的磨损，从而提高可靠性和使用寿命。

实施例二：

本实施例的角位移传感器，也可以用于上述角位置检测方法，如图7-11所示，该角位移传感器包括磁钢片4和定子组件，定子组件包括屏蔽罩7以及位于屏蔽罩7内的内环体5、固定在内环体5上的PCB电路板24、设置在PCB电路板24上的磁感应芯片6，磁感应芯片6面向磁钢片4，磁钢片4相对磁感应芯片6自由转动，屏蔽罩7内具有屏蔽环72，屏蔽环72布置在内环体5的外周向上。其中，磁钢片4和屏蔽罩7的形状尺寸可根据要配合安装的电机结构灵活设计，屏蔽罩7和屏蔽环72用于屏蔽外界干扰磁场，保护磁钢片4产生的磁场。

本实施例的磁钢片4镶嵌在电机尾轴8端部的槽中，并以专用磁钢胶粘贴，从而与电机转子同步旋转，磁感应芯片6焊接在PCB电路板24上，磁钢片4与磁感应芯片6之间有间隙，处于非接触状态，因此在电机高速旋转或温度变化大、有粉尘油污等恶劣环境下也不会有机械上的磨损，从而提高可靠性和使用寿命。

磁钢片4具有N-S极性可产生磁场，磁感应芯片6用于感应磁钢片4产生的磁场并将磁信号转换成模拟电压信号输出，PCB电路板4用于对磁感应芯片6输出的模拟电压信号进行处理并通过信号接口输出A、B两相模拟电压信号。其中，磁钢片4的中心和磁感应芯片6的中心在同一轴线上，而屏蔽环72则能有效屏蔽外部对磁场的干扰，从而确保磁感应芯片6所输出的模拟电压信号质量。

本实施例的PCB电路板24通过自攻螺钉25固定在内环体5上，内环体5固定在电机后法兰面9上，屏蔽罩7通过锁紧螺钉3固定在电机后法兰面9上。

本实施例的内环体5包括环本体51和设置在环本体51外周面上的多个凸耳52,凸耳52上设有通孔54，环本体51朝向屏蔽罩7的端面具有螺纹孔53，屏蔽罩7上设有安装孔71，屏蔽罩7侧面还开设有出线孔73，出线孔73用于穿过输出信号线。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。