CN112362089B - 一种多对极磁电编码器及其高分辨率高可靠角度解算方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多对极磁电编码器及其高分辨率高可靠角度解算方法，由磁钢支架、单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢、编码器支架、霍尔编码器组成，n对极磁钢、m对极磁钢分别胶接在磁钢支架槽内，磁钢支架胶接在电机转轴上、单对极磁钢胶接在电机转轴端部，用于电机轴带动磁钢旋转产生磁场信号，编码器支架前端螺纹连接在电机法兰盘上，编码器支架后端螺纹连接霍尔编码器。单对极磁钢用于确定转轴绝对位置信息，两个多对极磁钢用于提高编码器分辨率。利用反正切公式解算三个磁钢角度信息，依据单对极角度值和多对极角度值映射关系对多对极角度值进行细分处理。

Description

一种多对极磁电编码器及其高分辨率高可靠角度解算方法

所属技术领域

本发明涉及一种磁电式编码器，尤其涉及一种多对极磁电编码器及其高分辨率高可靠角度解算方法，属于磁电编码器制造领域。

背景技术

目前，磁电编码器在测量领域内有着广泛的用途，随着工业化的加速发展，对于角位移传感器的分辨率，精度等指标有着较高的要求。目前磁电编码器和光电编码器作为角位移传感器被广泛使用。光电编码器精度高，但是体积较大，易碎。相对而言，磁电编码器可以在更加恶劣的环境中工作，但是磁电编码器分辨率难以提高。常用的磁电编码器结构通常包括定子、转子和传感器，转子上固定有永久磁铁，形成磁路系统。永久磁铁随着转子旋转，在旋转过程中形成旋转的磁场信号，磁电编码器信号检测板相对于电机定子处于静止状态，通过信号检测板上的霍尔器件对变化的磁场信号进行采集，通过信号处理解算得到当前转子角度位置，为了提高磁电编码器角度值分辨率，采用单对极磁钢与多对极磁钢组合的方式提高角度值分辨率，多对极磁钢旋转一周产生多周期信号磁场，单对极磁钢旋转一周产生单周期磁场。通过单周期磁场确定当前角度值的绝对位置，多对极产生的角度值信号对单对极信号解算得到的角度值进行角度细分，从而提高角度值分辨率。

但是多对极永磁体的充磁极对数受到充磁过程工艺的限制，在有限的永磁体周长内只能充磁有限的极对数，极对数的受限也限制了多对极磁电编码器的分辨率，为了进一步提高磁电编码器的分辨率，本发明提出了一种多圈多对极磁电编码器，通过重构多对极角度值，提高了多对极的极对数，进一步提高了角度值分辨率，并且多圈永磁体结构提高了角度值输出的可靠性。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种三圈多对极磁电编码器及其角度解算方法，本发明解决其技术问题的解决方案为：

一种多对极磁电编码器高分辨率高可靠角度解算方法，本方法应用于一种多对极磁电编码器；

一种多对极磁电编码器高分辨率高可靠角度解算方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一、解算角度值：

具体为电机转轴转动，磁钢与电机转轴胶接，从而单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步转动，单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2与编码器信号解算板焊锡焊接，且单对极霍尔a1与单对极霍尔a2互相垂直；多对极霍尔b1、多对极霍尔b2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2间夹角θ_2m计算公式为：

式中，m为m对极磁钢的充磁极对数，h为自然数；

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔c1与多对极霍尔c2间夹角θ_3m计算公式为：

式中，n为n对极磁钢的充磁极对数，l为自然数；

此时单对极磁钢转动，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2采集单对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算公式(3)所示：

多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集多对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的多对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式(4)如下：

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2采集多对极角度值信号C+、C-，编码器信号解算板对角度值模拟信号C+、C-进行模数转换，得到角度值数字信号HC+、HC-，再对得到的多对极角度值数字信号HC+、HC-进行解算，得到多对极角度值θ₃，解算公式(5)如下：

步骤二、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₂映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0,M]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到M数值变化一次，多对极角度值θ₂从0到M数值变化m次，多对极角度值θ₃从0到M数值变化n次；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₂的前后差分值，判断多对极角度值θ₂的过零点位置，θ_2(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_2(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_2err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_2err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_2(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_2(i)来说，电机转轴旋转一周，发生m次过零点，因此需要记录m个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_2(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_2(i)处在第k个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)为

θ_2seg(i)＝θ_2(i)+(k-1)*M (6)

此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)的角度值变化范围在[0，M*m]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*m]；

步骤三、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₃的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₃的前后差分值，判断多对极角度值θ₃的过零点位置，θ_3(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_3(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_3err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_3err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_3(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_3(i)来说，电机转轴旋转一周，发生n次过零点，因此需要记录n个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_3(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_3(i)处在第j个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)为

θ_3seg(i)＝θ_3(i)+(j-1)*M (7)

此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)的角度值变化范围在[0，M*n]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*n]；

步骤四、依据单对极角度值θ₁，多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

将得到的当前计算周期角度值θ_2(i)、θ_3(i)相加得到θ_4(i)；

θ_4(i)＝θ_2(i)+θ_3(i) (8)

当θ_4(i)＞M时，θ_4(i)＝θ_4(i)-M；

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0，M]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到M数值变化一次，多对极角度值θ₂从0到M数值变化m次，多对极角度值θ₃从0到M数值变化n次，将θ_2(i)与θ_3(i)相加，此时θ_4(i)在电机转轴旋转一周情况下，θ_4(i)从0到M数值变化m+n次；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₄的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₄的前后差分值，判断多对极角度值θ₄的过零点位置，θ_4(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_4(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_4err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_4err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_4(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_4(i)来说，电机转轴旋转一周，发生m+n次过零点，因此需要记录m+n个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_4(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_4(i)处在第p个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)为：

θ_4seg(i)＝θ_4(i)+(p-1)*M (9)

此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)的角度值变化范围在[0，M*(m+n)]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*(m+n)]；

依据上面步骤方法，得到细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg、θ_4seg，其中θ_2seg角度值变化范围为[0，M*m]，θ_3seg角度值变化范围为[0，M*n]，θ_4seg角度值变化范围为[0，M*(m+n)]；

步骤五、高可靠角度值输出，具体过程如下：

将单对极角度值θ₁、细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，将角度值放大至[0，M*(m+n)]，等比例放大后的单对极角度值为θ_1z，可以表示为：

θ_1z＝θ₁*(m+n) (10)

将细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，等比例放大后的多对极角度值为θ_2z、θ_3z，可以表示为：

经过等比例放大后，θ_1z、θ_2z、θ_3z以及θ_4seg的角度值范围均为[0，M*(m+n)]，以θ_1z为依据，分别得到θ_1z与θ_2z、θ_3z、θ_4seg的角度差值：

Δerr₂＝θ_1z-θ_2z (13)

Δerr₃＝θ_1z-θ_3z (14)

Δerr₄＝θ_1z-θ_4seg (15)

以等比例放大后单对极角度值θ_1z为横坐标，分别以Δerr₂、Δerr₃、Δerr₄为纵坐标制表；

在实际工作过程中，以当前计算周期的单对极角度值θ_1z(i)为查表依据，分别查询对应纵坐标补偿数值Δerr₂(i)、Δerr₃(i)、Δerr₄(i)，此时经过补偿的角度值θ_2f(i)、θ_3f(i)、θ_4f(i)为：

θ_2f(i)＝θ_2z(i)+Δerr₂(i) (16)

θ_3f(i)＝θ_3z(i)+Δerr₃(i) (17)

θ_4f(i)＝θ_4seg(i)+Δerr₄(i) (18)

此时得到的四路角度值θ_1z、θ_2f、θ_3f、θ_4f角度值变化趋势是一致的，只是角度值实际分辨率不同，此时θ_4f的真实分辨率大于θ_3f的真实分辨率，θ_3f的真实分辨率大于θ_2f的真实分辨率，θ_2f的真实分辨率大于θ_1z的真实分辨率；

在实际工作过程中，优先使用θ_4f作为伺服控制系统用的电机角度值反馈信号，其次分别为θ_3f、θ_2f和θ_1z；

设定正常角度偏差范围为ξ；

当|θ_4f-θ_3f|＜ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ₁z|＜ξ同时满足时，使用θ_4f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ₁z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f角度值计算过程出现故障，使用θ_3f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ₃f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|≥ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f角度值计算过程出现故障，使用θ_2f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|≥ξ，|θ_2f-θ_1z|≥ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f、θ_2f角度值计算过程出现故障，使用θ_1z作为最终角度值输出。

本发明的有益效果是：

1.采用单对极永磁体与俩圈多对极永磁体结构，提高了角度值计算的可靠性，当其中某个多对极永磁体结构或计算过程出现故障时可以使用另外一个多对极永磁体解算得到的角度值或者单对极角度值作为最终角度值输出，提高了角度值输出的可靠性。

2.为了提高磁电编码器角度值分辨率，采用单对极永磁体与多对极永磁体组合方式，多对极永磁体的充磁极对数越高，则最终得到的细分后角度值分辨率越高，但是由于充磁过程工艺的限制，在有限多对极磁钢的周长上仅能够充磁有限的极对数，本发明采用了俩圈多对极磁钢，通过俩组多对极磁钢解算的到的多对极角度值组合得到极对数更高的多对极角度值，进而消除了永磁体充磁工艺造成的极对数充磁限制。

3.该种编码器俩圈多对极永磁体在径向空间分布，提高编码器结构的紧凑型，减小编码器轴向尺寸。

4.多对极角度值的细分过程均采用查表方式，角度值计算过程简单、迅速，角度值故障判断过程采用差值对比方法，易于实现、编程，占用极少的单片机计算资源。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

图1是多圈多对极磁电编码器的整体结构图示意图；

图2是编码器支架的剖面示意图；

图3是霍尔编码器结构示意图；

图4是单对极磁钢角度值数字信号与角度关系坐标图；

图5是m对极磁钢角度值数字信号与角度关系坐标图；

图6是m对极磁钢角度值数字信号与角度关系坐标图；

图7是单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃映射关系坐标图；

图8是细分后多对极角度值θ_2seg(i)的角度值变化范围坐标图；

图9是细分后多对极角度值θ_3seg(i)的角度值变化范围坐标图；

图10是电机转轴旋转一周θ_4(i)角度值变化坐标图；

图11是细分后多对极角度值θ_4seg(i)的角度值变化范围坐标图；

图12是经过等比例放大后，θ_1z、θ_2z、θ_3z、θ_4seg的角度值范围坐标图；

图13是四路角度值θ_1z、θ_2f、θ_3f、θ_4f角度值变化趋势坐标图。

图中：1、磁钢支架；2、单对极磁钢；2-1、单对极霍尔a1；2-2、单对极霍尔a2；3、m对极磁钢；3-1、多对极霍尔b1；3-2、多对极霍尔b2；4、n对极磁钢；4-1、多对极霍尔c1；4-2、多对极霍尔c2；5、编码器支架；5-1、编码器支架前端；5-2、编码器支架后端；6、霍尔编码器；6-1、编码器信号解算板；7、电机转轴；7-1、电机转轴端部；8、电机法兰盘。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9、图10、图11、图12、图13所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

所述的一种多圈多对极磁电编码器，由磁钢支架1、单对极磁钢2、m对极磁钢3、n对极磁钢4、编码器支架5、霍尔编码器6六部分组成，其特征在于：所述m对极磁钢3、n对极磁钢4分别胶接在磁钢支架1槽内，磁钢支架1胶接在电机转轴7上、单对极磁钢2胶接在电机转轴端部，用于电机轴带动磁钢旋转产生磁场信号，霍尔编码器支架前端5-1螺纹连接在电机法兰盘8上，编码器支架后端5-2螺纹连接霍尔编码器6。

进一步的，所述的霍尔编码器，它包括：编码器信号解算板6-1、单对极霍尔a12-1、单对极霍尔a22-2、多对极霍尔b13-1、多对极霍尔b23-2、多对极霍尔c14-1、多对极霍尔c24-2，其中单对极霍尔a12-1、单对极霍尔a22-2夹角为90°焊锡焊接在编码器信号解算板6-1对应单对极磁钢2正上方位置，多对极霍尔b13-1、多对极霍尔b23-2夹角为θ_2m焊锡焊接在编码器信号解算板6-1对应m对极磁钢3正上方位置，多对极霍尔c14-1、多对极霍尔c24-2夹角为θ_3m焊锡焊接在编码器信号解算板6-1对应n对极磁钢4正上方位置，用于接收磁场信号。

综上，实现磁电编码器角度值的解算。

一种多对极磁电编码器高分辨率高可靠角度解算方法，本方法应用于一种多对极磁电编码器；

一种多对极磁电编码器高分辨率高可靠角度解算方法，所述方法的具体实现过程为：

本实例中第一圈多对极永磁体充磁极对数为m＝2对极，第二圈多对极永磁体充磁极对数为n＝3对极，具体步骤如下：

步骤一、解算角度值：

具体为电机转轴转动，磁钢与电机转轴胶接，从而单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步转动，单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2与编码器信号解算板焊锡焊接，且单对极霍尔a1与单对极霍尔a2互相垂直；多对极霍尔b1、多对极霍尔b2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2间夹角θ_2m计算公式为：

式中，m＝2为m对极磁钢的充磁极对数，h＝0；

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔c1与多对极霍尔c2间夹角θ_3m计算公式为：

式中，n＝3为n对极磁钢的充磁极对数，l＝0；

此时单对极磁钢转动，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2采集单对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，如图4所示，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算公式(3)所示：

多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集多对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，如图5所示，再对得到的多对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式(4)如下：

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2采集多对极角度值信号C+、C-，编码器信号解算板对角度值模拟信号C+、C-进行模数转换，得到角度值数字信号HC+、HC-，如图6所示，再对得到的多对极角度值数字信号HC+、HC-进行解算，得到多对极角度值θ₃，解算公式(5)如下：

步骤二、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₂映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0，65535]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到65535变化一次，多对极角度值θ₂从0到65535变化2次，多对极角度值θ₃从0到65535变化3次，如图7所示；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₂的前后差分值，判断多对极角度值θ₂的过零点位置，θ_2(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_2(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_2err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_2err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时(式中M＝65535)，则认为多对极角度值θ_2(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_2(i)来说，电机转轴旋转一周，发生2次过零点，因此需要记录2个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_2(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_2(i)处在第k个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)为

θ_2seg(i)＝θ_2(i)+(k-1)*M(式中M＝65535) (6)

此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)的角度值变化范围在[0，65535*2]，如图8所示，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，65535]变化到[0，65535*2]；

步骤三、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₃的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₃的前后差分值，判断多对极角度值θ₃的过零点位置，θ_3(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_3(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_3err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_3err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时(式中M＝65535)，则认为多对极角度值θ_3(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_3(i)来说，电机转轴旋转一周，发生n次过零点，因此需要记录n个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_3(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_3(i)处在第j个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)为

θ_3seg(i)＝θ_3(i)+(j-1)*M(式中M＝65535) (7)

此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)的角度值变化范围在[0，65535*3]，如图9所示，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，65535]变化到[0，65535*3]；

步骤四、依据单对极角度值θ₁，多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

将得到的当前计算周期角度值θ_2(i)、θ_3(i)相加得到θ_4(i)；

θ_4(i)＝θ_2(i)+θ_3(i) (8)

当θ_4(i)＞M时，θ_4(i)＝θ_4(i)-M(式中M＝65535)；

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0，65535]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到65535变化一次，多对极角度值θ₂从0到65535变化3次，多对极角度值θ₃从0到65535变化3次，将θ_2(i)与θ_3(i)相加，此时θ_4(i)在电机转轴旋转一周情况下，θ_4(i)从0到65535变化5次，如图10所示；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₄的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₄的前后差分值，判断多对极角度值θ₄的过零点位置，θ_4(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_4(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_4err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_4err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时(式中M＝65535)，则认为多对极角度值θ_4(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_4(i)来说，电机转轴旋转一周，发生5次过零点，因此需要记录5个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_4(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_4(i)处在第p个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)为

θ_4seg(i)＝θ_4(i)+(p-1)*M(式中M＝65535) (9)

此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)的角度值变化范围在[0，65535*5]，如图11所示，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，65535]变化到[0，65535*5]；

依据上面步骤方法，得到细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg、θ_4seg，其中θ_2seg角度值变化范围为[0，65535*2]，θ_3seg角度值变化范围为[0，M*n]，θ_4seg角度值变化范围为[0，65535*5]；

步骤五、高可靠角度值输出，具体过程如下：

将单对极角度值θ₁、细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，将角度值放大至[0，65535*5]，等比例放大后的单对极角度值为θ_1z，可以表示为：

θ_1z＝θ₁*(m+n)＝θ₁*5 (10)

将细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，等比例放大后的多对极角度值为θ_2z、θ_3z，可以表示为：

经过等比例放大后，θ_1z、θ_2z、θ_3z以及θ_4seg的角度值范围均为[0，M*(m+n)]，如图12所示，以θ_1z为依据，分别得到θ_1z与θ_2z、θ_3z、θ_4seg的角度差值：

Δerr₂＝θ_1z-θ_2z (13)

Δerr₃＝θ_1z-θ_3z (14)

Δerr₄＝θ_1z-θ_4seg (15)

以等比例放大后单对极角度值θ_1z为横坐标，分别以Δerr₂、Δerr₃、Δerr₄为纵坐标制表；

在实际工作过程中，以当前计算周期的单对极角度值θ_1z(i)为查表依据，分别查询对应纵坐标补偿数值Δerr₂(i)、Δerr₃(i)、Δerr₄(i)，此时经过补偿的角度值θ_2f(i)、θ_3f(i)、θ_4f(i)为：

θ_2f(i)＝θ_2z(i)+Δerr₂(i) (16)

θ_3f(i)＝θ_3z(i)+Δerr₃(i) (17)

θ_4f(i)＝θ_4seg(i)+Δerr₄(i) (18)

此时得到的四路角度值θ_1z、θ_2f、θ_3f、θ_4f角度值变化趋势是一致的，如图13所示，只是角度值实际分辨率不同，此时θ_4f的真实分辨率大于θ_3f的真实分辨率，θ_3f的真实分辨率大于θ_2f的真实分辨率，θ_2f的真实分辨率大于θ_1z的真实分辨率；

在实际工作过程中，优先使用θ_4f作为伺服控制系统用的电机角度值反馈信号，其次分别为θ_3f、θ_2f和θ_1z；

设定正常角度偏差范围为ξ；

当|θ_4f-θ_3f|＜ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，使用θ_4f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f角度值计算过程出现故障，使用θ_3f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|≥ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f角度值计算过程出现故障，使用θ_2f作为最终角度值输出；

当|θ₄f-θ₃f|≥ξ，|θ₃f-θ₂f|≥ξ，|θ₂f-θ_1z|≥ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f、θ_2f角度值计算过程出现故障，使用θ_1z作为最终角度值输出。

以上显示和描述了本发明专利的基本原理和主要特征和本发明专利的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明专利不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明专利的原理，在不脱离本发明专利精神和范围的前提下，本发明专利还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明专利范围内。本发明专利要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种多对极磁电编码器及其高分辨率高可靠角度解算方法，由磁钢支架(1)、单对极磁钢(2)、m对极磁钢(3)、n对极磁钢(4)、编码器支架(5)、霍尔编码器(6)六部分组成，所述m对极磁钢(3)、n对极磁钢(4)分别胶接在磁钢支架(1)槽内，磁钢支架(1)胶接电机转轴(7)上、单对极磁钢(2)胶接在电机转轴端部(7-1)，用于电机轴带动磁钢旋转产生磁场信号，霍尔编码器支架前端(5-1)螺纹连接在电机法兰盘(8)上，编码器支架后端(5-2)螺纹连接霍尔编码器(6)，所述的霍尔编码器由编码器信号解算板(6-1)、单对极霍尔a1(2-1)、单对极霍尔a2(2-2)、多对极霍尔b1(3-1)、多对极霍尔b2(3-2)、多对极霍尔c1(4-1)、多对极霍尔c2(4-2)组成，其中单对极霍尔a1(2-1)、单对极霍尔a2(2-2)夹角为90°，焊锡焊接在编码器信号解算板(6-1)对应单对极磁钢(2)正上方位置，多对极霍尔b1(3-1)、多对极霍尔b2(3-2)夹角为θ_2m，焊锡焊接在编码器信号解算板(6-1)对应m对极磁钢(3)正上方位置，多对极霍尔c1(4-1)、多对极霍尔c2(4-2)夹角为θ_3m，焊锡焊接在编码器信号解算板(6-1)对应n对极磁钢(4)正上方位置，用于接收磁场信号；

其特征在于：所述方法的具体实现过程为：

步骤一、解算角度值：

具体为电机转轴转动，磁钢与电机转轴胶接，从而单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步转动，单对极磁钢、m对极磁钢、n对极磁钢同步产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2与编码器信号解算板焊锡焊接，且单对极霍尔a1与单对极霍尔a2互相垂直；多对极霍尔b1、多对极霍尔b2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔b1与多对极霍尔b2间夹角θ_2m计算公式为：

式中，m为m对极磁钢的充磁极对数，h为自然数；

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2与编码器信号解算板焊锡焊接，且多对极霍尔c1与多对极霍尔c2间夹角θ_3m计算公式为：

式中，n为n对极磁钢的充磁极对数，l为自然数；

此时单对极磁钢转动，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2采集单对极角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算公式(3)所示：

多对极霍尔b1、多对极霍尔b2采集多对极角度值信号B+、B-，编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的多对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到多对极角度值θ₂，解算公式(4)如下：

多对极霍尔c1、多对极霍尔c2采集多对极角度值信号C+、C-，编码器信号解算板对角度值模拟信号C+、C-进行模数转换，得到角度值数字信号HC+、HC-，再对得到的多对极角度值数字信号HC+、HC-进行解算，得到多对极角度值θ₃，解算公式(5)如下：

步骤二、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₂映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0，M]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到M数值变化一次，多对极角度值θ₂从0到M数值变化m次，多对极角度值θ₃从0到M数值变化n次；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₂的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₂的前后差分值，判断多对极角度值θ₂的过零点位置，θ_2(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_2(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_2err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_2err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_2(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_2(i)来说，电机转轴旋转一周，发生m次过零点，因此需要记录m个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_2(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_2(i)处在第k个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)为

θ_2seg(i)＝θ_2(i)+(k-1)*M (6)

此时细分后多对极角度值θ_2seg(i)的角度值变化范围在[0，M*m]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*m]；

步骤三、依据单对极角度值θ₁和多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₃的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₃的前后差分值，判断多对极角度值θ₃的过零点位置，θ_3(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_3(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_3err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_3err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_3(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_3(i)来说，电机转轴旋转一周，发生n次过零点，因此需要记录n个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_3(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_3(i)处在第j个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)为

θ_3seg(i)＝θ_3(i)+(j-1)*M (7)

此时细分后多对极角度值θ_3seg(i)的角度值变化范围在[0，M*n]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*n]；

步骤四、依据单对极角度值θ₁，多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃映射关系对多对极角度值进行细分处理，具体过程如下：

将得到的当前计算周期角度值θ_2(i)、θ_3(i)相加得到θ_4(i)；

θ_4(i)＝θ_2(i)+θ_3(i) (8)

当θ_4(i)＞M时，θ_4(i)＝θ_4(i)-M；

单对极角度值θ₁、多对极角度值θ₂、多对极角度值θ₃的范围均为[0，M]，电机转轴旋转一周，单对极角度值从0到M数值变化一次，多对极角度值θ₂从0到M数值变化m次，多对极角度值θ₃从0到M数值变化n次，将θ_2(i)与θ_3(i)相加，此时θ_4(i)在电机转轴旋转一周情况下，θ_4(i)从0到M数值变化m+n次；

依据单对极角度值θ₁与多对极角度值θ₄的映射关系，对多对极角度值进行细分，依据多对极角度值θ₄的前后差分值，判断多对极角度值θ₄的过零点位置，θ_4(i)为当前计算周期多对极角度值，θ_4(i-1)为上一个计算周期多对极角度值，θ_4err(i)为前后角度值计算周期差值，依据θ_4err(i)数值范围判断多对极角度值过零点位置；

当

或

时，则认为多对极角度值θ_4(i)处于过零点位置；将此时过零点位置i，对应的单对极角度值记录在表格，并存储在单片机内存中，对于多对极角度值θ_4(i)来说，电机转轴旋转一周，发生m+n次过零点，因此需要记录m+n个过零点对应的单对极角度值，并存储在单片机内存中，依据单对极角度值记录数据判断当前多对极角度值θ_4(i)所处的多对极极对数，假设依据单对极角度值查表得知，多对极角度值θ_4(i)处在第p个极数位置，此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)为：

θ_4seg(i)＝θ_4(i)+(p-1)*M (9)

此时细分后多对极角度值θ_4seg(i)的角度值变化范围在[0，M*(m+n)]，此时角度值分辨率得到提高，从初始的角度值变化范围[0，M]变化到[0，M*(m+n)]；

依据上面步骤方法，得到细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg、θ_4seg，其中θ_2seg角度值变化范围为[0，M*m]，θ_3seg角度值变化范围为[0，M*n]，θ_4seg角度值变化范围为[0，M*(m+n)]；

步骤五、高可靠角度值输出，具体过程如下：

将单对极角度值θ₁、细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，将角度值放大至[0，M*(m+n)]，等比例放大后的单对极角度值为θ_1z，可以表示为：

θ_1z＝θ₁*(m+n) (10)

将细分后的多对极角度值θ_2seg、θ_3seg进行等比例放大，等比例放大后的多对极角度值为θ_2z、θ_3z，可以表示为：

经过等比例放大后，θ_1z、θ_2z、θ_3z以及θ_4seg的角度值范围均为[0，M*(m+n)]，以θ_1z为依据，分别得到θ_1z与θ_2z、θ_3z、θ_4seg的角度差值：

Δerr₂＝θ_1z-θ_2z (13)

Δerr₃＝θ_1z-θ_3z (14)

Δerr₄＝θ_1z-θ_4seg (15)

以等比例放大后单对极角度值θ_1z为横坐标，分别以Δerr₂、Δerr₃、Δerr₄为纵坐标制表；

在实际工作过程中，以当前计算周期的单对极角度值θ_1z(i)为查表依据，分别查询对应纵坐标补偿数值Δerr₂(i)、Δerr₃(i)、Δerr₄(i)，此时经过补偿的角度值θ_2f(i)、θ_3f(i)、θ_4f(i)为：

θ_2f(i)＝θ_2z(i)+Δerr₂(i) (16)

θ_3f(i)＝θ_3z(i)+Δerr₃(i) (17)

θ_4f(i)＝θ_4seg(i)+Δerr₄(i) (18)

此时得到的四路角度值θ_1z、θ_2f、θ_3f、θ_4f角度值变化趋势是一致的，只是角度值实际分辨率不同，此时θ_4f的真实分辨率大于θ_3f的真实分辨率，θ_3f的真实分辨率大于θ_2f的真实分辨率，θ_2f的真实分辨率大于θ_1z的真实分辨率；

在实际工作过程中，优先使用θ_4f作为伺服控制系统用的电机角度值反馈信号，其次分别为θ_3f、θ_2f和θ_1z；

设定正常角度偏差范围为ξ；

当|θ_4f-θ_3f|＜ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，使用θ_4f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|＜ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f角度值计算过程出现故障，使用θ_3f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|≥ξ，|θ_2f-θ_1z|＜ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f角度值计算过程出现故障，使用θ_2f作为最终角度值输出；

当|θ_4f-θ_3f|≥ξ，|θ_3f-θ_2f|≥ξ，|θ_2f-θ_1z|≥ξ同时满足时，此时认为θ_4f、θ_3f、θ_2f角度值计算过程出现故障，使用θ_1z作为最终角度值输出。

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