CN107588793A - 基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，所述校准方法包括：首先，选择均匀分布在圆周上的N个点α[n]＝2πn/N，n＝0,1,2,…,N‑1作为基准角度点；转动磁场至角度α[n]，根据测量的x[n]和y[n]值计算此处的角度θ[n]和误差e[n]＝θ[n]‑α[n]；估算出bx、by、k和β的值；校准所得的参数bx、by、k和β存储在传感器芯片的非易失性存储器(NVM)中；第二步，根据前面的得到的参数对角度感应元件的原始输出信号x和y进行矫正。本发明利用离散正余弦变换的方法有效地估算出原始信号中的直流失调误差、幅值失配误差、正交相位误差和非线性误差，并对原始信号进行矫正，以达到提高角度精度的目的。
Description
技术领域
本发明属于磁性角度传感器技术领域，涉及一种磁性角度传感器校准方法，尤其涉及一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法。
背景技术
磁性角度传感器广泛应用于工业、汽车、家电、机器人等领域，可以用来检测各种机械结构(如汽车的方向盘、电机中的转子等)转动的角度信息。磁性角度传感器的感应元件主要有霍尔式、磁阻式、电磁感应式等几大类。
无论是哪种感应元件，它们在检测到旋转的磁场时输出的信号均为两路正交的正余弦信号，如公式(1)所示。其中，α为待检测的角度，x和y为两路输出信号(注：为简化公式，此处信号的幅值已进行了归一化处理)。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，可提高角度检测的精度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，所述校准方法包括：
首先，选择均匀分布在圆周上的N个点α[n]＝2πn/N，n＝0,1,2,…,N-1作为基准角度点；转动磁场至角度α[n]，根据测量的x[n]和y[n]值计算此处的角度θ[n]和误差e[n]＝θ[n]-α[n]；按照下面的公式估算出bx、by、k和β的值；
第二步，根据前面的得到的参数对角度感应元件的原始输出信号x和y进行矫正；矫正的目的是去除或至少减少直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差对角度计算造成的误差；矫正输入信号x和y的近似公式如下。
xc＝(1-k)(x-bx)
yc＝y-by-β(x-bx)
其中xc、yc为矫正后的正余弦信号；图6显示了实现上述公式的逻辑框图；矫正后利用同样的坐标旋转数字计算(CORDIC)算法实现atan函数计算角度值θ。
作为本发明的一种优选方案，N的值可选为2的指数次方；N越大，估算越精确，但校准所需的时间越长；此校准过程在角度传感器的生产线上成品测试时完成。
作为本发明的一种优选方案，校准所得的参数bx、by、k和β存储在传感器芯片的非易失性存储器NVM中。
上述方法不仅可以消除角度传感器元件中的直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差，还可以减小其他非理想性(如二阶或三阶非线性)对角度精度的影响，只要它们所产生的误差曲线具有类似正余弦谐波的特性。如图7所示，当Y轴信号具有三阶非线性时，通过上述方法进行矫正，其产生的角度误差可以被降低到原来的1/3左右。
上述方法还可以扩展至二次以上的谐波项来进一步提高角度精度。如图7所示，矫正后的残余误差曲线具有四次谐波的形状，所以在上述算法中加入四次谐波项亦可将其消除或减小。当然，这样会增加计算量和软硬件成本。
上面的说明假定角度传感器元件的输出信号x和y具有360°的周期。此假设适用于霍尔型、巨磁阻(GMR)型、隧道磁阻(TMR)型及电磁感应式的角度传感器。对于另外一些角度传感器元件，如各向异性磁阻(AMR)，它们所产生的信号具有180°周期。上述算法只需稍做改动(即所有的角度α变成为2α)仍然适用。
本发明的有益效果在于：本发明提出的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，适用于各类磁性角度传感器的校准。本发明利用离散正余弦变换的方法有效地估算出原始信号中的直流失调误差、幅值失配误差、正交相位误差和非线性误差，并对原始信号进行矫正，以达到提高角度精度的目的。
附图说明
图1为一种典型的磁性角度传感器系统框图。
图2为当X轴存在5％的直流失调误差时的波形图和角度误差图。
图3为当Y轴存在5％的直流失调误差时的波形图和角度误差图。
图4为当X轴存在-5％的幅值失配误差时的波形图和角度误差图。
图5为当Y轴存在5°的正交相位误差时的波形图和角度误差图。
图6为直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差的矫正算法框图。
图7为当Y轴存在10％的三阶非线性误差时的波形图和角度误差图(校准前与校准后对比)。
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
图1显示了一种典型的角度传感器的系统框图。其中角度感应元件的输出原始信号经过放大和模数转换变成便于处理的数字信号x和y。要得到待检测角度值，只需对y/x的比值做反正切函数atan运算即可，如公式(2)所示。此处通常运用CORDIC算法来实现atan函数(因为是通用算法，不再赘述)。当x和y为理想的正余弦信号时，θ即等于α。但在实际应用中，由于制造工艺的波动变化，通常角度感应元件输出的并非理想的正余弦信号，而是如公式(3)所示的信号，其中bx、by为直流失调误差(DC offset)，k为幅值失配误差(amplitudemismatch)，β为正交相位误差(orthogonalityerror)。通过简单的数学推导，可以得出当这三种误差存在时，利用公式(2)计算出的角度值θ与实际的角度值α比较的误差e可以用公式(4)来近似表达。
图2至图5给出了上述几种误差存在时的x和y信号示意图及角度误差e的波形图。其中x_id和y_id为理想的曲线。示意图中误差e是用角度表示的，与上述公式中用弧度表示的值存在180/π的倍数关系。从这些实例可以看出，正余弦输入信号的非理想性导致了角度误差，而角度误差的存在会降低传感器的精度。要想达到小于1°的误差或更好的角度精度必须对这些非理想性进行矫正。下面将具体介绍一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法。
本发明的基本思想是找到一种方法估算出前述的误差bx、by、k和β的值，然后将它们从输入信号x、y中去除。观察公式(4)和图2至图5中的波形可以发现每一种误差曲线都具有和输入信号的基频或二次谐波一样的形状，所以可用通过类似正弦变换或余弦变换的方法提取出bx、by、k和β的值，如公式(5)到(8)所示。
具体的操作方法如下。首先，选择均匀分布在圆周上的N个点α[n]＝2πn/N，n＝0,1,2,…,N-1作为基准角度点。转动磁场至角度α[n]，根据测量的x[n]和y[n]值计算此处的角度θ[n]和误差e[n]＝θ[n]-α[n]。按照下面的公式(9)到(12)估算出bx、by、k和β的值。N的值可选为16、32、64等2的指数次方。N越大，估算越精确，但校准所需的时间越长。此校准过程可以在角度传感器的生产线上成品测试时完成。校准所得的参数bx、by、k和β可以存储在传感器芯片的非易失性存储器(NVM)中。
第二步，根据前面的得到的参数对角度感应元件的原始输出信号x和y进行矫正；矫正的目的是去除或至少减少直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差对角度计算造成的误差；根据公式(3)可以推导出矫正输入信号x和y的近似公式如下。
xc＝(1-k)(x-bx)
yc＝y-by-β(x-bx)
其中xc、yc为矫正后的正余弦信号；图6显示了实现上述公式的逻辑框图；矫正后利用同样的坐标旋转数字计算(CORDIC)算法实现atan函数计算角度值θ。
上述方法不仅可以消除角度传感器元件中的直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差，还可以减小其他非理想性(如二阶或三阶非线性)对角度精度的影响，只要它们所产生的误差曲线具有类似正余弦谐波的特性。如图7所示，当Y轴信号具有三阶非线性时，通过上述方法进行矫正，其产生的角度误差可以被降低到原来的1/3左右。
上述方法还可以扩展至二次以上的谐波项来进一步提高角度精度。如图7所示，矫正后的残余误差曲线具有四次谐波的形状，所以在上述算法中加入四次谐波项亦可将其消除或减小。当然，这样会增加计算量和软硬件成本。
上面的说明假定角度传感器元件的输出信号x和y具有360°的周期。此假设适用于霍尔型、巨磁阻(GMR)型、隧道磁阻(TMR)型及电磁感应式的角度传感器。对于另外一些角度传感器元件，如各向异性磁阻(AMR)，它们所产生的信号具有180°周期。上述算法只需稍做改动(即所有的角度α变成为2α)仍然适用。
综上所述，本发明提出的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，适用于各类磁性角度传感器的校准。本发明利用离散正余弦变换的方法有效地估算出原始信号中的直流失调误差、幅值失配误差、正交相位误差和非线性误差，并对原始信号进行矫正，以达到提高角度精度的目的。
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。
Claims (5)
1.一种基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，其特征在于，所述校准方法包括：
首先，选择均匀分布在圆周上的N个点α[n]＝2πn/N，n＝0,1,2,…,N-1作为基准角度点；转动磁场至角度α[n]，根据测量的x[n]和y[n]值计算此处的角度θ[n]和误差e[n]＝θ[n]-α[n]；按照下面的公式估算出bx、by、k和β的值；
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第二步，根据前面的得到的参数对角度感应元件的原始输出信号x和y进行矫正；矫正的目的是去除或至少减少直流失调误差、幅值失配误差和正交相位误差对角度计算造成的误差；矫正输入信号x和y的近似公式如下：
xc＝(1-k)(x-bx)
yc＝y-by-β(x-bx)
其中xc、yc为矫正后的正余弦信号；矫正后利用同样的坐标旋转数字计算CORDIC算法实现atan函数计算角度值θ。
2.根据权利要求1所述的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，其特征在于：
N的值为2的指数次方；N越大，估算越精确，但校准所需的时间越长；此校准过程在角度传感器的生产线上成品测试时完成。
3.根据权利要求1所述的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，其特征在于：
校准所得的参数bx、by、k和β存储在传感器芯片的非易失性存储器NVM中。
4.根据权利要求1所述的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，其特征在于：
上述方法扩展至二次以上的谐波项来进一步提高角度精度；矫正后的残余误差曲线具有四次谐波的形状，所以在上述算法中加入四次谐波项将其消除或减小。
5.根据权利要求1所述的基于离散正余弦变换的磁性角度传感器校准方法，其特征在于：
假定角度传感器元件的输出信号x和y具有360°的周期；此假设适用于霍尔型、巨磁阻GMR型、隧道磁阻TMR型及电磁感应式的角度传感器；对于另外一些角度传感器元件，如各向异性磁阻AMR，它们所产生的信号具有180°周期；上述算法只需稍做改动仍然适用，改动方式为所有的角度α变成为2α。
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