一种基于磁阻磁感应元件的多圈解码方法和系统与流程

1.本发明涉及一种多圈解码方法，尤其是涉及一种基于磁阻磁感应元件的多圈解码方法和系统。


背景技术：

2.多圈解码方法是保证绝对值编码器在断电之后再次上电时恢复多圈计数的关键，传统的方法为借助多级齿轮结构，在上电的时候，解码各级齿轮位置，从而得到多圈圈数。后来发展出基于磁感元件感应过零或者与旋转圆周相关的周期性标志信号来计数多圈。后者目前的方法随传感器的不同而不同，又可以主要分为两种：基于霍尔磁感元件的多圈记录与解码方法和基于磁阻磁感元件的多圈记录方法。
3.现有技术主要存在如下应用缺陷：
4.1)霍尔信号随磁场强度编码切换电平，但磁场强度在跳变点附近时霍尔信号会出现波动，导致在切换点解码时多圈数值错误，比如专利申请cn112945283a。
5.2)虽然磁阻磁感应元件的回差特性有以下好处，避免了霍尔传感器电平波动问题：
6.在传感器敏感方向的磁场强度超过工作点门限时，输出低电平；
7.在传感器敏感方向的磁场强度低于释放点门限时，输出高电平；
8.但也带来的多圈解码算法复杂化问题，目前暂时没有基于磁阻磁感元件的多圈解码方法。如专利申请cn107941247a中只提到了多圈的装置方案。


技术实现要素：

9.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种准确、低成本的基于磁阻磁感应元件的多圈解码方法和系统。
10.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
11.一种基于磁阻磁感应元件的编码器多圈解码方法，包括以下步骤：
12.1)基于磁阻磁感应元件的回差信号确定标定零点，并实现象限划分；
13.2)获取起始信息，所述起始信息包括起始象限值和起始单圈位置；
14.3)获取当前信息，所述当前信息包括当前象限值、当前单圈位置、磁阻计数值和磁阻多圈值，其中磁阻多圈值等于磁阻计数值除以4的商的整数部分；
15.4)通过判断当前象限值与起始象限值的关系以及磁阻计数值的正负确定多圈计数。所述标定零点位于磁阻电平信号与转动方向不相关的区域内。
16.进一步地，所述象限划分通过初始化步骤实现，所述初始化步骤具体为：
17.101)读取磁阻磁感元件电平状态和单圈位置，转动编码器确定单圈零点位置处磁阻电平状态作为第一象限的电平，从而划定第一象限；
18.102)顺时针转动编码器根据磁阻电平切换顺序依次划定第二、三、四象限。
19.进一步地，所述初始化步骤在第一次主电源上电时执行。
20.进一步地，所述通过判断当前象限值与起始象限值的关系以及磁阻计数值的正负确定多圈计数具体为：
21.401)判断所述当前象限值是否与起始象限值相同，若是，则通过子流程0获得多圈计数，若否，则执行步骤402)；
22.402)判断所述磁阻计数值是否大于0，若是，则通过子流程1获得多圈计数，若否，则通过子流程2获得多圈计数。
23.进一步地，所述子流程0具体包括以下步骤：
24.001)判断起始象限值是否为第一象限，若是，则执行步骤002)，若否，则以以磁阻多圈值作为多圈计数；
25.002)判断是否存在起始单圈位置》180
°
且当前单圈位置《180
°
，若是，则以磁阻多圈值+1作为多圈计数，若否，则执行步骤003)；
26.003)判断是否存在起始单圈位置《180
°
且当前单圈位置》180
°
，若是，则以磁阻多圈值-1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
27.进一步地，所述子流程1具体包括以下步骤：
28.101)令起始位置与零点位置夹角α等于单圈最大值-起始单圈位置，起始位置与当前位置夹角β等于当前单圈位置-起始单圈位置；
29.102)判断是否存在β《0，若是，则令β等于α+单圈最大值后执行步骤103)，若否，则直接执行步骤103)；
30.103)判断是否存在α《β，若是，则以磁阻多圈值+1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
31.进一步地，所述子流程2具体包括以下步骤：
32.201)令起始位置与零点负向夹角γ等于起始单圈位置，起始位置与当前位置负向夹角δ等于起始单圈位置-当前单圈位置；
33.202)判断是否存在δ《0，若是，则令δ等于γ+单圈最大值后执行步骤203)，若否，则直接执行步骤203)；
34.203)判断是否存在γ《δ，若是，则以磁阻多圈值-1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
35.本发明还提供一种基于磁阻磁感应元件的编码器多圈解码系统，包括：
36.单圈解码单元，用于获取起始单圈位置和当前单圈位置；
37.磁阻计数单元，用于获取起始磁阻电平和当前磁阻电平，进而相应获得起始象限值和当前象限值，并根据磁阻电平信号获得磁阻计数值；
38.多圈解码单元，用于根据所述单圈解码单元和磁阻计数单元的输出，解码获得最终的多圈位置，获得多圈计数；
39.数据备份单元，用于备份所述起始单圈位置和起始磁阻电平；
40.所述磁阻计数单元在编码器工作情况下一直处于工作状态。
41.进一步地，所述磁阻计数单元包括与转轴固定连接的磁钢以及以该转轴为圆心的同心圆上两个正交放置的磁阻磁感应元件。
42.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
43.1)本发明基于磁阻磁感应元件实现，避免了霍尔传感器电平波动问题；
44.2)本发明多圈解码方案能够准确地获取多圈计数，且具有低成本的优点。
附图说明
45.图1为本发明解码方法总体工作流程图；
46.图2为磁阻磁感元件信号随磁场强度变化输出信号图；
47.图3为两路正交磁阻信号正向运动随磁场强度变化输出电平信号切换图；
48.图4为回差信号状态切换及象限划分图；
49.图5为本发明解码方法的具体流程图；
50.图6为图5中子流程0的示意图；
51.图7为图5中子流程1的示意图；
52.图8为图5中子流程2的示意图；
53.图9为本发明解码系统的结构示意图。
具体实施方式
54.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
55.实施例1
56.本实施例提供一种基于磁阻磁感应元件的编码器多圈解码方法，包括以下步骤： 1)基于磁阻磁感应元件的回差信号确定标定零点，并实现象限划分；2)获取起始信息，所述起始信息包括起始象限值和起始单圈位置；3)获取当前信息，所述当前信息包括当前象限值、当前单圈位置、磁阻计数值和磁阻多圈值；4)通过判断当前象限值与起始象限值的关系以及磁阻计数值的正负确定多圈计数。
57.上述方法基于磁阻磁感元件实现更为简单的多圈解码算法，且可靠性高，能够有效保证绝对值编码器在断电之后再次上电时恢复准确的多圈计数，实现多圈记录的多圈解码与校正。
58.如图1所示，上述编码器多圈解码方法主要分为两个阶段，初始化阶段和正常运行阶段。其中，初始化阶段实现零点的标定和象限的划分，正常运行阶段实现断电之后再次上电的准确多圈计数，进入正常运行阶段后，当主电源上电后计算多圈值时，根据备份与当前信号数据执行多圈解码算法输出多圈值。
59.如图2-图4所示为磁阻磁感元件信号随磁场强度输出电平变化及在圆周内象限划分示意图，可以看出其高低切换点不在同一个磁场强度点映射在圆周上是状态重叠区间，因此，在本方法的初始化阶段中，确定的标定零点应位于磁阻电平信号与转动方向不相关的区域内。
60.初始化阶段的象限划分通过初始化步骤实现，该初始化步骤在第一次主电源上电时执行，所述初始化步骤具体为：
61.101)读取磁阻磁感元件电平状态和单圈位置，转动编码器确定单圈零点位置处磁阻电平状态作为第一象限的电平，从而划定第一象限；
62.102)顺时针转动编码器根据磁阻电平切换顺序依次划定第二、三、四象限。
63.如图3所示，本实施例中，当第一象限磁阻电平状态为01时，(顺时针)正向转动到第一传感器磁阻信号释放点门限位置时，磁阻电平状态切换为11，进入第二象限，此时计数值加1，以此类推每此切换状态计数加1；反向转动时电平切换状态为：01—》00—》10—》11—》01，每次切换状态计数减1，其中，磁阻多圈值＝磁阻计数值/4的商的整数部分。
64.如图5所示，通过判断当前象限值与起始象限值的关系以及磁阻计数值的正负确定多圈计数具体为：
65.401)判断所述当前象限值是否与起始象限值相同，若是，则通过子流程0获得多圈计数，若否，则执行步骤402)；
66.402)判断所述磁阻计数值是否大于0，若是，则通过子流程1获得多圈计数，若否，则通过子流程2获得多圈计数。
67.其中起始象限与当前象限相等包含了磁阻计数等于0和磁阻计数不等于零的部分场景。
68.如图6所示为子流程0的流程图，当起始象限与当前象限相等时，起始单圈位置与当前单圈位置在一个象限内，只需关注所在象限内是否有零点，而本发明定义零点所在象限为第一象限，故其他象限中多圈数字等于磁阻圈数计数值，若起始象限在第一象限则可分为三种情形。子流程0具体包括以下步骤：
69.001)判断起始象限值是否为第一象限，若是，则执行步骤002)，若否，则以以磁阻多圈值作为多圈计数；
70.002)判断是否存在起始单圈位置》180
°
且当前单圈位置《180
°
，若是，则以磁阻多圈值+1作为多圈计数，若否，则执行步骤003)；
71.003)判断是否存在起始单圈位置《180
°
且当前单圈位置》180
°
，若是，则以磁阻多圈值-1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
72.如图7所示为子流程1的流程图，具体包括以下步骤：
73.101)当磁阻计数大于零时，起始位置与零点夹角是以单圈起始位置为起点顺时针转动到零点位置时转过的夹角，即令起始位置与零点位置夹角α等于单圈最大值-起始单圈位置，起始位置与当前位置夹角是以单圈起始位置为起点顺时针转动到当前位置时转过的夹角，即令起始位置与当前位置夹角β等于当前单圈位置-起始单圈位置；
74.102)判断是否存在β《0，若是，则令β等于α+单圈最大值后执行步骤103)，若否，则直接执行步骤103)；
75.103)判断是否存在α《β，若是，则认为单圈内正方向经过零点，以磁阻多圈值+1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
76.如图8所示为子流程2的流程图，当磁阻计数小于零时，起始位置与零点夹角是以单圈起始位置为起点逆时针转动到零点位置时转过的夹角等于起始单圈位置值，起始位置与当前位置夹角是以单圈起始位置为起点逆时针转动到当前位置时转过的夹角，若起始位置与当前位置夹角小于零，则起始位置与当前位置夹角等于起始位置与当前位置的负向夹角加上单圈位置最大值。当起始位置与零点夹角小于起始位置与当前位置夹角时，认为单圈内负方向经过零点，多圈计数等于磁阻多圈值
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1；否则，多圈计数等于磁阻多圈值。子流程2具体包括以下步骤：
77.201)当磁阻计数小于零时，起始位置与零点夹角是以单圈起始位置为起点逆时针
转动到零点位置时转过的夹角等于起始单圈位置值，令起始位置与零点负向夹角γ等于起始单圈位置，起始位置与当前位置夹角是以单圈起始位置为起点逆时针转动到当前位置时转过的夹角，即令起始位置与当前位置负向夹角δ等于起始单圈位置-当前单圈位置；
78.202)判断是否存在δ《0，若是，则令δ等于γ+单圈最大值后执行步骤203)，若否，则直接执行步骤203)；
79.203)判断是否存在γ《δ，若是，则认为单圈内负方向经过零点，以磁阻多圈值-1作为多圈计数，若否，则以磁阻多圈值作为多圈计数。
80.实施例2
81.本实施例提供一种基于磁阻磁感应元件的编码器多圈解码系统，包括单圈解码单元、磁阻计数单元、多圈解码单元和数据备份单元，如图9所示，单圈解码单元用于获取起始单圈位置和当前单圈位置；磁阻计数单元用于获取起始磁阻电平和当前磁阻电平，进而相应获得起始象限值和当前象限值，并根据磁阻电平信号获得磁阻计数值；多圈解码单元用于根据所述单圈解码单元和磁阻计数单元的输出，解码获得最终的多圈位置，获得多圈计数；数据备份单元用于备份所述起始单圈位置和起始磁阻电平。
82.在具体实施例方式中，单圈解码单元为单圈磁性编码器模块；磁阻计数单元包括与转轴固定连接的磁钢以及以该转轴为圆心的同心圆上两个正交放置的磁阻磁感应元件；数据备份单元可以包括备份寄存器和非易失存储器。
83.上述解码系统的多圈圈数解码工作模式具体为：
84.当处于初始化模式时，主电源供电，单圈解码单元读取单圈绝对位置，磁阻计数单元读取磁阻电平信号，保存到备份寄存器中，并将零点所在区间作为第一象限，顺时针转动，根据磁阻输出电平切换顺序依次划分为第二三四象限并保存到非易失存储器中。初始化完成后，进入正常工作模式。
85.当处于正常工作模式：主电源供电，编码器发起多圈解码信号时，多圈解码单元根据当前象限、起始象限、起始单圈位置、当前单圈位置和磁阻计数值进行多圈解码输出。
86.无论编码器主电源上电与否，磁阻计数单元始终处于工作模式，单圈位置零点处于磁阻电平信号划分的一个区间内。
87.多圈圈数解码过程参考实施例1所述。
88.以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。