编码器磁钢结构、编码器以及窗口余数区间判断矫正算法的制作方法

本发明属于编码器制造技术领域，具体涉及一种编码器磁钢结构、编码器以及窗口余数区间判断矫正算法。

背景技术：

目前工控领域的高精度伺服平台广泛采用的角位移传感器有旋转变压器、光电编码器和磁电编码器。

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。

磁电编码器主要由磁信号发生结构和信号处理电路两部分组成，其中磁信号发生源称为磁钢。根据磁钢的磁极数的不同，可分为单对极磁钢和多对极磁钢，因而根据磁电编码器磁信号发生源的不同可分为单对极磁电编码器和单多对极组合式磁电编码器。组合式磁电编码器即在传统的单对极磁电编码器的基础之上增加一个多对极磁场信号源，来实现对单对极磁钢的编码细分，达到提高分辨率的目的。

单对极磁电编码器典型结构是在单对极磁钢的周围径向间隔90°安装四个霍尔元件。当回转轴带动磁钢旋转时，在径向间隔90°的两点便会分别产生随时间变化的完整的正、余弦磁场。通过对径两个霍尔元件的差分消除干扰以及分区间反正切算法将磁场强度解算成0～360°的角度输出，再通过软件算法变换成0～2¹⁶的数字角度值。同理，当添加一个多对极磁场信号源时，回转轴每转动一圈，多对极磁钢的每一对极都会在径向间隔90°电角度的两点分别产生一个完整的正余弦磁场，通过反正切算法，便可以将每一对极对应的机械角度解算成0～360°电角度即0——216的数字角度输出，通过单对极磁钢信号解算的角度来确定多对极磁钢信号所处的周期，从而达到对多对极磁钢信号数字角度连续编码的目的。例如，多对极磁钢为3对极，其每一对极对应的机械角度为120°，此时霍尔信号在120°范围内便可完成一个完整的正余弦周期，通过软件解算，可实现0～360°的角度输出，相当于将0～120°的机械角度扩大到了0～360°的范围，通过对多对极磁钢信号周期的累加，便可实现0～3×2¹⁶的数字角度值输出，理论上在单对极磁钢的分辨率基础之上提高了3倍。

通过大量实验证明，当多对极磁钢的极对数较多时，只用单对极磁钢的有限数字角度范围来判断多对极磁钢信号的周期，有较大机率出现多对极数字角度值区间的误判断，从而出现多对极数字角度值的错误编码，大大降低了组合式磁电编码器的可靠性和精度。

技术实现要素：

本发明提出了一种编码器磁钢结构、编码器以及窗口余数区间判断矫正算法，通过使用本发明所述的编码器磁钢结构、编码器以及窗口余数区间判断矫正算法能够降低多对极磁钢的极对数较多时的数字角度值区间误判断机率，达到提高组合式磁电编码器的可靠性和精度的目的。

本发明提出了一种编码器磁钢结构，其中包括在同一空间平面内沿某一圆周法向方向上依次环形设置的单对极磁钢、第一多对极磁钢以及第二多对极磁钢；

所述第一多对极磁钢包括P对磁极；

所述第二多对极磁钢包括P'对磁极；

其中，P'大于P，P大于1。

如上所述的编码器磁钢结构，其中，所述单对极磁钢与所述第一多对极磁钢间的间距为1.5mm。

如上所述的编码器磁钢结构，其中，所述第一多对极磁钢与所述第二多对极磁钢间的间距为1.5mm。

本发明还提出了一种编码器，所述编码器包括如上任一一项所述的编码器磁钢结构。

本发明还提出了一种利用如上所述的编码器进行数字角度值的区间判断及连续编码的窗口余数区间判断矫正算法，包括以下步骤：

S1：通过确定所述多对极磁钢其中某一个周期节点对应的所述单对极磁钢的数字角度值，以此单对极磁钢数字角度值为单对极磁钢的起始点；

S2：将所述单对极磁钢的数字角度乘P，得到所述单对极磁钢在[0，65536×P]上的数字角度编码值θ_single，并对所述单对极磁钢的数字角度编码值开启一个窗口,

令θ_up＝θ_single+θ_wind

θ_down＝θ_single-θ_wind

其中，θ_up、θ_down分别为该窗口的上下边界；

S3：用65536对θ_up以及θ_down进行分割，

令up_area_int＝int(θ_up/65536)

down_area_int＝int(θ_down/65536)

其中，up_area_int、down_area_int分别为所述单对极上下窗口每个数字角度对应的[0，P-1]区间值；

S4：令multi_area_int为此时P对极磁钢数字角度值所处的区间值，让每个P对极磁钢数字角度值的区间值都等于对应的单对极磁钢上窗口数字角度区间值，

令multi_area_int＝up_area_int，

且up_area_rem＝θ_up-65536×multi_area_int，

down_area_rem＝θ_down-65536×multi_area_int，

其中，up_area_rem为单对极磁钢每个数字角度确定完区间后的上窗口余数，

down_area_rem为单对极磁钢每个数字角度确定完区间后的下窗口余数；

S5：根据确定的所有P对极磁钢数字角度对应的区间N，通过公式θ＝N×65536+θ_multi便能求出连续递增的所述P对极磁钢数字角度编码值，θ_multi为所述P对极磁钢每一对极的数字角度；

将所述P对极磁钢连续编码后的数字角度值作为上述算法中理论上的单对极数字角度值，原理上重复上述算法的S1-S5便可以实现对所述P'对极磁钢数字角度值的区间判断及连续编码。

如上所述窗口余数区间判断矫正算法，其中，所述单对极磁钢的起始点的数字角度值为65536。

如上所述窗口余数区间判断矫正算法，其中，所述单对极磁钢的数字角度编码窗口可通过θ_wind进行调节。

如上所述窗口余数区间判断矫正算法，其中，此时在机械角度[0，360°]上将有由每个up_area_rem、down_area_rem组合成的窗口P个，其中每个窗口的间距即是2倍θ_wind的值。

如上所述窗口余数区间判断矫正算法，其中，对所述P对极磁钢的数字角度进行连续编码后，进一步包括利用所述P対极磁钢数字角度前后差值来验证编码是否正确。

如上所述窗口余数区间判断矫正算法，其中，所述利用P対极磁钢数字角度前后差值来验证编码是否正确的过程包括以下步骤：

首先求取未连续递增编码的P对极磁钢数字角度θ_multi前后值之差；

再求取连续递增编码后的P对极磁钢数字角度θ前后值之差；

最后求取上述两个差值之差。

通过使用本发明所述的编码器磁钢结构，能够将相对较多对极的编码器相对单对极编码器等效为相对较少对极的编码器相对单对极编码器。

通过使用本发明所述的编码器，当第二多对极磁钢为24对极磁钢时，编码器分辨率可达到21位，位置检测精度达到0.05°。

通过使用本发明所述的窗口余数区间判断矫正算法，能够降低多对极磁钢的极对数较多时的数字角度值区间误判断机率，从而提高组合式磁电编码器的可靠性和精度度。

附图说明

下面结合附图详细说明本发明。通过结合以下附图所作的详细描述，本发明的上述或其他方面的内容将变得更清楚和更容易理解。附图中：

图1为本发明所述编码器磁钢结构的结构示意图；

图2为图1中本发明所述编码器磁钢结构的剖面图；

图3为本发明所述编码器两组数字角度值原始对应关系图；

图4为本发明所述编码器两组数字角度值零点重合图；

图5为本发明所述单对极磁钢数字角度窗口图；

图6为本发明所述单对极磁钢数字角度余数窗口与θ_multi的位置关系图；

图7为本发明所述连续递增编码后的θ与θ_single的位置关系图。

附图中各标记表示如下：

11：单对极磁钢；

12：第一多对极磁钢；

13：第二多对极磁钢；

14：磁钢支撑板。

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。

图1为本发明所述编码器磁钢结构的结构示意图。图2为图1中本发明所述编码器磁钢结构的剖面图。如图1、2所示，编码器磁钢结构，包括在同一空间平面内沿某一圆周法向方向上依次环形设置的单对极磁钢11、第一多对极磁钢12以及第二多对极磁钢13。

所述第一多对极磁钢12包括P对磁极。

所述第二多对极磁钢13包括P'对磁极。

其中，P'大于P，P大于1。

磁钢支撑板14为环形结构。沿其内孔圆周法向方向依次环形设置有单对极磁钢11、第一多对极磁钢12以及第二多对极磁钢13。所述单对极磁钢11、第一多对极磁钢12以及第二多对极磁钢13分别固定在磁钢支撑板14的环形表面。其固定方式可以为胶接。

第一多对极磁钢12包括P对磁极。第二多对极磁钢13包括P'对磁极。其中，P'大于P，P大于1。第一多对极磁钢12的极对数相对较少，而第二多对极磁钢13的极对数相对较多。

采用上述结构的编码器磁钢结构的工作原理为先通过单对极磁钢的有限数字角度范围来判断P对极磁钢信号的周期，从而实现对P对极磁钢数字角度值的连续编码。之后通过连续编码后的P对极磁钢的数字角度值来判断P'对极磁钢信号的周期。由于连续编码以后的P对极磁钢数字角度值的范围较单对极磁钢扩大了P倍，因此其角度划分更细，从而可大大降低多对极磁钢极对数P'较多时的区间误判断机率。

进一步的，所述单对极磁钢11与所述第一多对极磁钢12间的间距为1.5mm。

进一步的，所述第一多对极磁钢12与所述第二多对极磁钢13间的间距为1.5mm。

此种间距结构距设计既保证了多对极磁钢对单对极磁钢的细分作用，同时单对极磁钢与多对极磁钢的磁场之间又不会造成过多干扰。

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

通过使用本发明所述的编码器，当第二多对极磁钢13为24对极磁钢时，编码器分辨率可达到21位，位置检测精度达到0.05°。

本发明还提出了一种利用如上所述的编码器进行数字角度值的区间判断及连续编码的窗口余数区间判断矫正算法。

磁电编码器经过分区间反正切算法、校准查表法等处理后，单对极部分可以得到16位的数字角度值θ_single。同样多对极部分的每一对磁极周期也能获得16位的数字角度值θ_multi。此时通过单片机解算系统和数字采集系统，同时采集上单对极和多对极的数字角度值θ_single以及θ_multi。这组数字之间的原始对应关系如图3所示。该图显示了单对极磁钢和多对极磁钢的数字角度对应的相位关系，即显示了单对极磁钢和多对极磁钢的相对位置关系，这就为单对极磁钢和多对极磁钢统一初始零点提供了更为稳定可靠的途径。

通过MATLAB软件对采集上来的单对极磁钢和多对极磁钢的数字角度值数据进行窗口余数区间判断矫正算法仿真。该算法的实现过程如下：

S1：通过确定所述P对极磁钢12其中某一个周期节点对应的所述单对极磁钢11的数字角度值，以此单对极磁钢11数字角度值为单对极磁钢11的起始点。

图4为本发明所述编码器两组数字角度值零点重合图。如图4所示，所示单对极磁钢11的起始零点和P对极磁钢12的某周期节点重合。

该重合过程可经过人工调整，保证P对极磁钢12其中某一个周期节点与单对极磁钢11的起始点重合即可。

进一步的，为了更方便的确定单对极磁钢11的起始零点，所述单对极磁钢的起始点的数字角度值为65536。

单对极磁电编码器的典型结构是在单对极磁钢的周围径向间隔90°安装四个霍尔元件。当回转轴带动磁钢旋转时，在径向间隔90°的两点便会分别产生随时间变化的完整的正、余弦磁场。通过对径两个霍尔元件的差分消除干扰以及分区间反正切算法将磁场强度解算成0-360°的角度输出，再通过软件算法变换成0-2¹⁶的数字角度值，即0-65536的数字角度值。

S2：将所述单对极磁钢11数字角度乘P，得到所述单对极磁钢11在[0，65536×P]上的数字角度编码值θ_single，并对所述单对极磁,11的数字角度编码值开启一个窗口，

令θ_up＝θ_single+θ_wind

θ_down＝θ_single-θ_wind

其中，θ_up、θ_down分别为该窗口的上下边界。

如图5所示，其中，三条曲线从上之下依次为窗口上界、单对极磁钢在[0，65536×P]上的数字角度编码值θ_single以及窗口下界。

进一步的，所述单对极的数字角度编码窗口可通过θ_wind进行调节。

θ_wind为一设定值，根据具体需要进行设定，其范围为0～65536。本实施例中所选θ_wind为30000。

S3：用65536对θ_up以及θ_down进行分割，

令up_area_int＝int(θ_up/65536)

down_area_int＝int(θ_down/65536)

其中，up_area_int、down_area_int分别为所述单对极上下窗口每个数字角度对应的[0，P-1]区间值。

此时，up_area_int对应的数值为0～P，down_area_int对应的数值为0～(P-1)。

此时的up_area_int、down_area_int并不是P对极数字角度的区间值，还需要对P对极数字角度值加以判断矫正。

S4：令multi_area_int为此时P对极数字角度所处的区间值，让每个P对极数字角度值的区间值都等于对应的单对极上窗口数字角度区间值，

令multi_area_int＝up_area_int，

且up_area_rem＝θ_up-65536×multi_area_int，

down_area_rem＝θ_down-65536×multi_area_int，

其中，up_area_rem为单对极每个数字角度确定完区间后的上窗口余数，

down_area_rem为单对极每个数字角度确定完区间后的下窗口余数。

进一步的，此时在机械角度[0，360°]上将有由每个up_area_rem、down_area_rem组合成的窗口P个，其中每个窗口的间距即是2倍θ_wind的值。

S5：根据确定的所有多对极数字角度对应的区间N，通过公式θ＝N×65536+θ_multi便能求出连续递增的所述P对极磁钢数字角度编码值，θ_multi为所述P对极磁钢每一对极的数字角度。

如图6所示，可以看出P对极数字角度θ_multi与单对极数字角度余数窗口的位置关系，一部分P对极数字角度被包含在窗口图形内，一部分多对极数字角度在窗口图形外。其中包含在窗口内的多对极数字角度可由该窗口的区间值判定，而在窗口之外的多对极数字角度区间应是该窗口区间的前一个区间。由此便可确定所有多对极数字角度对应的区间值N，通过公式θ＝N×65536+θ_multi便能求出连续递增的所述P对极磁钢数字角度编码值。如图7所示。

当我们得到如图7所示的连续递增编码后，需要验证是否编码无误。我们可以通过θ_multi前后值之差；再求取连续递增编码后多对极数字角度θ前后值之差；最后求取这两个差值之差，如果该差值之差是恒定数0，那就说明，多对极数字角度的连续递增编码是正确的。通过区间判断矫正算法的连续递增编码并没有打乱多对极原始数据的顺序。通过上述分析可知窗口余数区间判断矫正算法实现了编码器对整圈所有数字角度的区间判断和矫正，该算法保证了多对极数字角度的区间判断准确性和稳定性。

将所述P对极磁钢连续编码后的数字角度值作为上述算法中理论上的单对极数字角度值，原理上重复上述算法的S1-S5便可以实现对所述P'对极磁钢数字角度值的区间判断及连续编码。

通过使用本发明所述的窗口余数区间判断矫正算法，能够降低多对极磁钢的极对数较多时的数字角度值区间误判断机率，从而提高组合式磁电编码器的可靠性和精度度。

需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明，而非限制本发明的范围。本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。