本发明属于半导体技术领域，涉及一种角度传感器和旋转编码器，尤其涉及一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法。
背景技术
角度传感器和旋转编码器是用来测量各种机械结构转动过程中的角度信息的重要载体。目前，它们被广泛应用于各个领域，诸如工业设备控制汽车、智能家居、智能多媒体设备、物联网技术等。
在所有的这些应用领域中，都存在着各种各样的噪声信号。当转动方向逆变发生的瞬间，瞬时速度会降到零，那么叠加的噪声会对转动方向的判断产生很大的干扰。另外，当转子处于静止状态的时候，噪声效应也会对位置信息的判断产生干扰。
有鉴于此，如今迫切需要设计一种新的角度传感器和旋转编码器转动方向处理方式，以便克服现有处理方式存在的上述缺陷。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是：提供一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，可提前对可能的转动方向逆变进行预判，并可以对真实发生逆变的转动情况进行处理，达到避免噪声干扰的作用。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，其特征在于，所述方法利用刚体当前时刻之前的几个采样点的角度信息，估算出在下一个采样周期内是否会发生转动方向的变化；该迟滞方法能滤除系统运行中的噪声所带来的错误的转向信号；所述方法包括：
步骤1、按照刚体在当前时刻之前的几个采样点的角度信息，并且假定刚体在短时内的运动遵循匀角加速度运动，计算出当前时刻的角速度和角加速度；
步骤2、根据得到的角速度和角加速度，计算出是否在下一个采样周期内发生转动方向的逆变；
步骤3、当发现转动方向可能发生逆变的时候，当前的角度信息被锁存；根据之后的采样点的角度信息进行如下的判断：
(1)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向一致的时候，则释放迟滞效应，释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息；
(2)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向相反的时候，则保持锁存的角度数据及迟滞状态，直到反向运动相对锁存的角度数据的运动角度超过迟滞阈值的设定，那么判定刚体转动方向转向，并且释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息。
作为本发明的一种优选方案，所述方法具体的实现步骤如下：
步骤s0、当刚体转动角度的时候，按照转动的惯性原理，在临近的两个采样点之间，由于时间很短，假设运动遵循匀角加速度进行；即：
β(t)＝β(0)+α*t公式(1)
那么，当角速度和角加速度方向相反的情况下，就有可能发生转动方向的逆变；
步骤s1、判定在下一个采样周期之内是否有旋转方向角度逆变的可能；
假设采用相邻的三个采样点作为预测计算的依据，并且转子遵循匀角加速度转动；给定这三个点所采样到的角度位置分别为：θ0,θ1和θ2；根据匀角加速度原理公式，推倒出角加速度、初始角速度、θ2位置处的角速度和相邻的三个角度值之间的函数关系：
由计算可得，由θ2位置时刻为时间原点，角速度为0的时刻为：
当这个求得的时间t落入第二时刻t2的下一个采样周期之内，即t<1/fsample_rate时，则将第二时刻t2的采样角度信息保存下来，并且在第二时刻t2之后的一个采样周期内所有的前向插值输出值等于第二时刻t2的采样输出；其中，fsample_rate为采样频率；
在实现这个算法的数字系统中，由于时间变量被时钟信号离散化处理，将转动方向逆变之后的第一个采样时刻作为近似的角速度0时刻保存下来；并且保存该时刻的角度信息以作为之后的计算的原点；
步骤s2、当预测下一个周期会出现转动方向逆变并且维持该周期内刷新数据不变之后，需要对是否真实发生逆变进行判断；假设按照时间的先后的顺序，运动先后经过第零时刻t0,第一时刻t1和第二时刻t2；从第零时刻t0到第一时刻t1运动方向为逆时针方向；如果第二时刻t2的采样值在第一时刻t1的采样值基础上继续沿逆时针方向增加，则更新输出数据到第二时刻t2的采样值并且继续判断第二时刻t2之后是否会发生转动方向的逆变；
当第二时刻t2的采样值相对于t1时刻的采样值发生顺时针转动变化，则认为发生了角度逆变并且打开逆变迟滞窗口；
该迟滞窗口是单向的，只存在于逆变之后的转动方向；当第二时刻t2后续采样数据输出落入逆变迟滞窗口之内的时候，角度输出值保持在第二时刻t2的采样数据；一旦逆向角度变化超过迟滞阈值，则更新最终的角度输出值到最新的采样数据；
在迟滞窗口打开之后，由于系统存在噪声，后续的采样感应输出存在继续沿着第零时刻t0到第一时刻t1的运动方向增加的可能性；由于采用了单向的迟滞窗口技术，在遇到这种情况的时候，传感器输出数据会继续更新以避免丢失可能存在的真实低速角度位移。
一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，所述方法包括：
步骤s1、判定在下一个采样周期之内是否有旋转方向角度逆变的可能；
步骤s2、当预测下一个周期会出现转动方向逆变并且维持该周期内刷新数据不变之后，需要对是否真实发生逆变进行判断；
在假定认为可能发生转动方向逆变之后，依据后续的采样值判定是否真实发生转动方向逆变；一旦确实判定转动方向发生逆变，则在与第一时刻t1转动方向相反的方向上插入一个迟滞窗口；当逆向转动角度小于迟滞阈值时，保持当前的角度输出直到累积逆向转动角度大于迟滞阈值。
作为本发明的一种优选方案，步骤s1中，采用插值预测算法，根据匀角加速度运动为模型，对第一时刻t1之后的运动进行预测的时候；如果发现在第一时刻t1的下一个采样周期之内存在一个角速度为0的点并且随后的转动将往相反的方向进行，那么就假定认为第一时刻t1的下一个采样周期之内可能发生转动方向的逆变。
作为本发明的一种优选方案，步骤s1中，假设采用相邻的三个采样点作为预测计算的依据，并且转子遵循匀角加速度转动；给定这三个点所采样到的角度位置分别为：θ0,θ1和θ2；根据匀角加速度原理公式，推倒出角加速度、初始角速度、θ2位置处的角速度和相邻的三个角度值之间的函数关系：
由计算可得，由θ2位置时刻为时间原点，角速度为0的时刻为：
当这个求得的时间t落入第二时刻t2的下一个采样周期之内，即t<1/fsample_rate时，则将第二时刻t2的采样角度信息保存下来，并且在第二时刻t2之后的一个采样周期内所有的前向插值输出值等于第二时刻t2的采样输出；其中，fsample_rate为采样频率；
在实现这个算法的数字系统中，由于时间变量被时钟信号离散化处理，将转动方向逆变之后的第一个采样时刻作为近似的角速度0时刻保存下来；并且保存该时刻的角度信息以作为之后的计算的原点；
作为本发明的一种优选方案，步骤s2中，若从第零时刻t0到第一时刻t1运动方向为逆时针方向；如果第二时刻t2的采样值在第一时刻t1的采样值基础上继续沿逆时针方向增加，则更新输出数据到第二时刻t2的采样值并且继续判断第二时刻t2之后是否会发生转动方向的逆变；当第二时刻t2的采样值相对于t1时刻的采样值发生顺时针转动变化，则认为发生了角度逆变并且打开逆变迟滞窗口；
若从第零时刻t0到第一时刻t1运动方向为顺时针方向；如果第二时刻t2的采样值在第一时刻t1的采样值基础上继续沿顺时针方向增加，则更新输出数据到第二时刻t2的采样值并且继续判断第二时刻t2之后是否会发生转动方向的逆变；当第二时刻t2的采样值相对于t1时刻的采样值发生逆时针转动变化，则认为发生了角度逆变并且打开逆变迟滞窗口。
作为本发明的一种优选方案，步骤s2中，该迟滞窗口是单向的，只存在于逆变之后的转动方向；当第二时刻t2后续采样数据输出落入逆变迟滞窗口之内的时候，角度输出值保持在第二时刻t2的采样数据；一旦逆向角度变化超过迟滞阈值，则更新最终的角度输出值到最新的采样数据；
作为本发明的一种优选方案，步骤s2中，在迟滞窗口打开之后，由于系统存在噪声，后续的采样感应输出存在继续沿着第零时刻t0到第一时刻t1的运动方向增加的可能性；由于采用了单向的迟滞窗口技术，在遇到这种情况的时候，传感器输出数据会继续更新以避免丢失可能存在的真实低速角度位移。
作为本发明的一种优选方案，所述方法在步骤s1之前还包括步骤s0：
当刚体转动角度的时候，按照转动的惯性原理，在临近的两个采样点之间，由于时间很短，假设运动遵循匀角加速度进行；即：
β(t)＝β(0)+α*t公式(1)
那么，当角速度和角加速度方向相反的情况下，就有可能发生转动方向的逆变；
采用插值预测算法，根据匀角加速度运动为模型，对第一时刻t1之后的运动进行预测的时候；如果发现在第一时刻t1的下一个采样周期之内存在一个角速度为0的点并且随后的转动将往相反的方向进行，那么就假定认为第一时刻t1的下一个采样周期之内可能发生转动方向的逆变；
在假定认为可能发生转动方向逆变之后，依据后续的采样值判定是否真实发生转动方向逆变；一旦确实判定转动方向发生逆变，则在与第一时刻t1转动方向相反的方向上插入一个迟滞窗口；当逆向转动角度小于迟滞阈值时，保持当前的角度输出直到累积逆向转动角度大于迟滞阈值。
在角度传感器和旋转编码器所应用的领域，转动的方向都是双向的(顺时针方向和逆时针方向)，并且可以在物体转动的过程中随时在两种转动方向之间进行切换。本发明根据刚体转动的惯性原理，在不改变采样速率的基础上，利用基于插值预测的方法，能更准确的预判物体转动方向的变化。当真实发生转动方向逆变的时候，打开迟滞功能，对小于迟滞阈值的角度变化进行屏蔽以滤除静态扰动产生的高频噪声，进而避免在编码器输出端触发错误的跳变。
本发明的有益效果在于：本发明提出的角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，利用插值算法为基础，提前对可能的转动方向逆变进行预判。本发明采用角度信息锁存技术和单向迟滞窗口技术，对真实发生逆变的转动情况进行处理，达到避免噪声干扰的作用。
附图说明
图1为根据插值预测转动方向逆变的原理示意图。
图2为存在转动方向逆变的周期内的插值方法示意图。
图3为预测转动方向逆变之后的角度信息锁存原理图。
图4为根据实际采样数据进行单向迟滞滤波的原理图。
图5为数字电路实现算法结构框图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明的优选实施例。
实施例一
在角度传感器和旋转编码器所应用的领域，转动的方向都是双向的(顺时针方向和逆时针方向)，并且可以在物体转动的过程中随时在两种转动方向之间进行切换。本发明根据刚体转动的惯性原理，在不改变采样速率的基础上，利用基于插值预测的方法，能更准确的预判物体转动方向的变化。当真实发生转动方向逆变的时候，打开迟滞功能，对小于迟滞阈值的角度变化进行屏蔽以滤除静态扰动产生的高频噪声，进而避免在编码器输出端触发错误的跳变。
当刚体转动角度的时候，按照转动的惯性原理，在临近的两个采样点之间，由于时间很短，可以假设运动遵循匀角加速度进行。即：
β(t)＝β(0)+α*t公式(1)
那么，当角速度和角加速度方向相反的情况下，就有可能发生转动方向的逆变(如图1所示)。
采用插值预测算法，根据匀角加速度运动为模型，对t1时刻之后的运动进行预测的时候。如果发现在t1的下一个采样周期之内存在一个角速度为0的点并且随后的转动将往相反的方向进行，那么就可以假定认为t1的下一个采样周期之内可能发生转动方向的逆变。
在假定认为可能发生转动方向逆变之后，依据后续的采样值判定是否真实发生转动方向逆变。一旦确实判定转动方向发生逆变，则在与t1时刻转动方向相反的方向上插入一个迟滞窗口如图2所示。当逆向转动角度小于迟滞阈值时，保持当前的角度输出直到累积逆向转动角度大于迟滞阈值。
本发明揭示了一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，所述方法利用刚体当前时刻之前的几个采样点的角度信息，估算出在下一个采样周期内是否会发生转动方向的变化；该迟滞方法能滤除系统运行中的噪声所带来的错误的转向信号；所述方法包括：
步骤1、按照刚体在当前时刻之前的几个采样点的角度信息，并且假定刚体在短时内的运动遵循匀角加速度运动，计算出当前时刻的角速度和角加速度；
步骤2、根据得到的角速度和角加速度，计算出是否在下一个采样周期内发生转动方向的逆变；
步骤3、当发现转动方向可能发生逆变的时候，当前的角度信息被锁存；根据之后的采样点的角度信息进行如下的判断：
(1)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向一致的时候，则释放迟滞效应，释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息；
(2)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向相反的时候，则保持锁存的角度数据及迟滞状态，直到反向运动相对锁存的角度数据的运动角度超过迟滞阈值的设定，那么判定刚体转动方向转向，并且释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息。
所述方法具体的实现步骤如下：
【步骤s1】判定在下一个采样周期之内是否有旋转方向角度逆变的可能。
所述步骤s1包括上述步骤1、步骤2。
假设采用相邻的三个采样点作为预测计算的依据，并且转子遵循匀角加速度转动；给定这三个点所采样到的角度位置分别为：θ0,θ1和θ2；根据匀角加速度原理公式，推倒出角加速度、初始角速度、θ2位置处的角速度和相邻的三个角度值之间的函数关系：
由计算可得，由θ2位置时刻为时间原点，角速度为0的时刻为：
当这个求得的时间t落入t2的下一个采样周期之内，即t<1/fsample_rate时，则将t2时刻的采样角度信息保存下来，并且在t2之后的一个采样周期内所有的前向插值输出值等于t2时刻的采样输出；其中，fsample_rate为采样频率；
在实现这个算法的数字系统中，由于时间变量被时钟信号离散化处理，将转动方向逆变之后的第一个采样时刻作为近似的角速度0时刻保存下来；并且保存该时刻的角度信息以作为之后的计算的原点；
【步骤s2】对应上述步骤3。当预测下一个周期会出现转动方向逆变并且维持该周期内刷新数据不变之后，需要对是否真实发生逆变进行判断；假设按照时间的先后的顺序，运动先后经过第零时刻t0,第一时刻t1和第二时刻t2。如图4所示，从t0时刻到t1时刻运动方向为逆时针方向。如果t2时刻的采样值在t1时刻的采样值基础上继续沿逆时针方向增加，则更新输出数据到t2时刻的采样值并且继续判断t2时刻之后是否会发生转动方向的逆变。(如图4中的t2a所示)
当t2时刻的采样值相对于t1时刻的采样值发生顺时针转动变化，则认为发生了角度逆变并且打开逆变迟滞窗口。(如图4中的t2b所示)。
该迟滞窗口是单向的，只存在于逆变之后的转动方向(如图2所示)。当t2后续采样数据输出落入逆变迟滞窗口之内的时候，角度输出值保持在t2时刻的采样数据。一旦逆向角度变化超过迟滞阈值，则更新最终的角度输出值到最新的采样数据。
在迟滞窗口打开之后，由于系统存在噪声，后续的采样感应输出存在继续沿着t0到t1的运动方向增加的可能性。由于采用了单向的迟滞窗口技术，在遇到这种情况的时候，传感器输出数据会继续更新以避免丢失可能存在的真实低速角度位移。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，所述方法利用刚体当前时刻之前的几个采样点的角度信息，估算出在下一个采样周期内是否会发生转动方向的变化；该迟滞方法能滤除系统运行中的噪声所带来的错误的转向信号；所述方法包括：
步骤1、按照刚体在当前时刻之前的几个采样点的角度信息，并且假定刚体在短时内的运动遵循匀角加速度运动，计算出当前时刻的角速度和角加速度；
步骤2、根据得到的角速度和角加速度，计算出是否在下一个采样周期内发生转动方向的逆变；
步骤3、当发现转动方向可能发生逆变的时候，当前的角度信息被锁存；根据之后的采样点的角度信息进行如下的判断：
(1)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向一致的时候，则释放迟滞效应，释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息；
(2)如果之后的角度位置所处的转动方向与当前的转动方向相反的时候，则保持锁存的角度数据及迟滞状态，直到反向运动相对锁存的角度数据的运动角度超过迟滞阈值的设定，那么判定刚体转动方向转向，并且释放锁存的角度信息并且更新到刚体最新的角度信息。
实施例三
本实施例与实施例一的区别在于，本实施例中，一种角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，所述方法包括：
步骤s1、判定在下一个采样周期之内是否有旋转方向角度逆变的可能；
步骤s2、当预测下一个周期会出现转动方向逆变并且维持该周期内刷新数据不变之后，需要对是否真实发生逆变进行判断；
在假定认为可能发生转动方向逆变之后，依据后续的采样值判定是否真实发生转动方向逆变；一旦确实判定转动方向发生逆变，则在与第一时刻t1转动方向相反的方向上插入一个迟滞窗口；当逆向转动角度小于迟滞阈值时，保持当前的角度输出直到累积逆向转动角度大于迟滞阈值。
综上所述，本发明提出的角度传感器和旋转编码器的转动方向逆变迟滞方法，利用插值算法为基础，提前对可能的转动方向逆变进行预判。本发明采用角度信息锁存技术和单向迟滞窗口技术，对真实发生逆变的转动情况进行处理，达到避免噪声干扰的作用。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其它形式、结构、布置、比例，以及用其它组件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其它变形和改变。