CN112902818B - 磁性线性位置感应器的校正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出磁性线性位置感应器的校正方法，包括：令磁铁沿直线行程移动并令感应器中的处理单元要求磁性角度型感应元件定时回传当下产生的正弦信号和余弦信号直到磁铁走完直线行程；接收处理单元传来的数字化的正弦信号和余弦信号，并对减去第一预设值的正弦信号值和减去第二预设值的余弦信号值进行atan2(减去第一预设值的正弦信号值/减去第二预设值的余弦信号值)运算以获得曲率曲线，且以曲率曲线中的有效线段作为特性曲线而决定感应元件的有效侦测距离及相对应的曲率值范围，并求得拟合特性曲线的多项式方程式，且将多项式方程式及曲率值范围写入处理单元中作为感应元件的数学模型。由此，能增长感应元件的侦测距离进而减少感应元件的使用数量。

Description

磁性线性位置感应器的校正方法

技术领域

本发明涉及一种位置感应器的校正方法，特别涉及一种磁性线性位置感应器的校正方法。

背景技术

参见图1所示，现有获得一磁性角度型感应元件S(例如AMR、Hall、TMR…)的侦测距离的一种方式是令磁性角度型感应元件S感应沿一直线行程P1运动的磁铁M的磁场，使产生与磁铁M的一移动距离相关的一正弦波信号和一余弦波信号并输出至一信号处理器10，该信号处理器10将该正弦波信号和余弦波信号数字化为如图1所示的由多个正弦信号值Usin形成的数字化正弦波信号sin以及如图1示的由多个余弦信号值Ucos形成的数字化余弦波信号cos，并对该等正弦信号值Usin和该等余弦信号值Ucos进行atan2(Usin/Ucos)运算，可求得多个曲率值，且该等曲率值形成如图1所示的一曲率曲线C1，该曲率曲线C1中的一有效线段L1上的每一点的曲率值对应一侦测距离，且因为该有效线段L1的曲率值范围只有从0.2～1.2，代表磁性角度型感应元件S的一有效侦测距离并不长，例如图1所示的侦测距离只有6mm，因此，假设需要侦测的长度是6mm的6倍，则至少需要并列6颗磁性角度型感应元件S同时进行侦测。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁性线性位置感应器的校正方法，其能增长该磁性线性位置感应器中的磁性角度型感应元件的侦测距离，进而减少磁性角度型感应元件的使用数量。

本发明提供一种磁性线性位置感应器的校正方法，该磁性线性位置感应器设于一直线行程的一侧以侦测沿该直线行程往复移动的一磁铁的位置，该磁性线性位置感应器包含一磁性角度型感应元件及一处理单元；该校正方法包括：(A)令该磁铁沿该直线行程移动，同时，一信号处理装置令该处理单元以一取样频率要求该磁性角度型感应元件回传当下产生的一正弦信号和一余弦信号直到该磁铁走完该直线行程；(B)该处理单元将该磁性角度型感应元件持续传来的该等正弦信号和该等余弦信号数字化并输出至该信号处理装置；(C)该信号处理装置根据该直线行程的长度和该取样频率，获得该磁铁在该直线行程中每一个取样点的位置与数字化的该等正弦信号值和该等余弦信号值的对应关系，且该信号处理装置将该等正弦信号值减去一第一预设值，并将该等余弦信号值减去一第二预设值，其中该第一预设值是该正弦信号值中的最大值与最小值之和的二分之一，该第二预设值是该余弦信号值中的最大值与最小值之和的二分之一；(D)该信号处理装置对减去该第一预设值的该等正弦信号值和减去该第二预设值的该等余弦信号值进行atan2(减去该第一预设值的该正弦信号值/减去该第二预设值的该余弦信号值)运算，而获得相对应的多个曲率值，且该等曲率值构成一曲率曲线；(E)该信号处理装置以该曲率曲线中的一有效线段作为该磁性角度型感应元件的一特性曲线，并根据该特性曲线决定该磁性角度型感应元件的一有效侦测距离以及相对应的一曲率值范围，其中该有效线段是该曲率曲线中介于两条直线之间的线段；(F)该信号处理装置根据该有效侦测距离和该曲率值范围，借由曲线拟合和线性回归分析决定一拟合该特性曲线的多项式方程式

的m值以及β₀～β_m的值，其中i＝1,2,3…n，y_i代表该磁性角度型感应元件与该磁铁的一相对距离，x_i代表该曲率值，β₀～β_m是该磁性角度型感应元件的系数；及(G)该信号处理装置将该多项式方程式写入该处理单元中作为该磁性角度型感应元件的一数学模型。

在本发明的一些实施态样中，m为6。

在本发明的一些实施态样中，该磁性角度型感应元件具有两个相差45°的磁阻电桥，其中一磁阻电桥感应该磁铁的磁场并产生一正弦波信号，其中另一磁阻电桥感应该磁铁的磁场并产生一与该正弦波信号相位差45°的余弦波信号。

在本发明的一些实施态样中，该曲率值范围是-π～π。

本发明的有益效果在于：在校正程序中，借由将该磁性角度型感应元件感应获得的该等正弦信号值和该等余弦信号适当平移后再对其进行atan2运算，能使该磁性角度型感应元件的有效侦测距离增长，而达到减少磁性角度型感应元件的使用数量，并使该磁性线性位置感应器2的侦测距离变长的功效与目的。

附图说明

图1说明现有获得磁性角度型感应元件的侦测距离的一种方法。

图2是本发明磁性线性位置感应器的校正方法的一实施例的流程图。

图3说明本实施例所要校正的磁性线性位置感应器包含的元件及其设置方式。

图4是本实施例的磁性线性位置感应器包含的磁性角度型感应元件的细部电路示意图。

图5是经由本实施例的处理单元数字化后的数字化正弦波信号sin和数字化余弦波信号cos的波形示意图。

图6说明将图5的数字化正弦波信号sin和数字化余弦波信号cos分别向下平移一第一预设值和一第二预设值。

图7说明对图6所示的正弦波信号sin’和余弦波信号cos’进行atan2运算以获得相对应的多个曲率值，该等曲率值构成一曲率曲线C2。

图8说明将图7所示的曲率曲线C2的有效线段L2的X轴数据与Y轴数据置换，而变成置换后有效线段L2’。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明进行详细说明：

在本发明被详细描述之前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。

参阅图2所示，是本发明磁性线性位置感应器的校正方法的一实施例的主要流程，且如图3所示，要被校正的该磁性线性位置感应器2设于一直线行程P2的一侧，以侦测沿该直线行程P2往复移动的一磁铁M的位置，例如该磁铁M是设于一气缸1内的一活塞，且该直线行程P2是该活塞在该气缸1内往复运动的活塞行程。该磁性线性位置感应器2主要包括一磁性角度型感应元件21及一处理单元22，例如一微处理器或一微控制器(MCU)。该磁性角度型感应元件21设于该直线行程P2的一侧，例如该气缸1的外壁面，以感应该磁铁M的磁场并输出模拟的一正弦信号和一余弦信号；该处理单元22与该磁性角度型感应元件21电连接，以接收该正弦信号和该余弦信号。

而由于每一磁性线性位置感应器2中的该磁性角度型感应元件21的特性都不相同，因此在该磁性线性位置感应器2出厂之前，该磁性线性位置感应器2需先经过一校正程序以找到符合该磁性角度型感应元件21特性的该数学模型；且如图4所示，该磁性角度型感应元件21(例如AMR、Hall、TMR…)内具有两个相差45°(即夹45°角)的磁阻电桥(Bridge)211、212；因此，在本实施例的校正方法中，如图2的步骤S1所示，首先，使磁铁M从该直线行程P2的远离该磁性角度型感应元件21的一端朝该磁性角度型感应元件21移动，并通过该磁性角度型感应元件21后朝远离该磁性角度型感应元件21方向移动至该直线行程P2的另一端，在此过程中，这两个磁阻电桥211、212会持续感应磁铁M的磁场而产生相位差45°的一正弦波信号SIN和一余弦波信号COS。

同时，一信号处理装置3，例如但不限于一个人计算机，令该处理单元22以一取样频率(例如10次/秒)要求该磁性角度型感应元件21回传当下产生的该正弦信号(即该正弦波信号SIN的某一点的值，模拟电压值)和该余弦信号(即该余弦波信号COS的某一点的值，模拟电压值)，直到该磁铁M走完该直线行程P2，借此，该磁性角度型感应元件21每秒将回传10笔正弦信号和10笔余弦信号给该处理单元22，然后，如图2的步骤S2，该处理单元22将收到的该等正弦信号和该等余弦信号数字化后输出至该信号处理装置3。该等正弦信号值Usin和该等余弦信号值Ucos的数字化数值可对照图5左边纵轴所标示的数值。

因此，该信号处理装置3可根据该磁铁M的一移动距离(即该直线行程P2的长度)以及该取样频率，得知该磁铁M在该直线行程P2中每一个取样点的位置与数字化的该等正弦信号值Usin和该等余弦信号值Ucos的对应关系，例如图5所示的由数字化的该等正弦信号值Usin构成的数字化正弦波信号sin，以及如图5所示的由数字化的该等余弦信号值Ucos构成的数字化余弦波信号cos。

然后，如图2的步骤S3，该信号处理装置3将该等正弦信号值Usin减去一第一预设值成为Usin’，如图6所示，相当于将该数字化正弦波信号sin向下平移(offset)该第一预设值而成为一平移后数字化正弦波信号sin’，并且该信号处理装置3将该等余弦信号值Ucos减去一第二预设值成为Ucos’，如图6所示，相当于将该数字化余弦波信号cos向下平移(offset)该第二预设值而成为一平移后数字化余弦波信号cos’；且在本实施例中，该第一预设值是该多个正弦信号值Usin中的最大值与最小值之和的二分之一，但不以此为限；该第二预设值是该多个余弦信号值Ucos中的最大值与最小值之和的二分之一，但不以此为限。

接着，如图2的步骤S4，该信号处理装置3对减去该第一预设值的该等正弦信号值Usin’(即平移后数字化正弦波信号sin’)和减去该第二预设值的该等余弦信号值Ucos’(即平移后数字化余弦波信号cos’)进行atan2运算，即atan2(Usin’/Ucos’)，而获得相对应的多个曲率值，该多个曲率值可对照图7右边纵轴所标示的数值，而该多个曲率值构成如图7所示的一曲率曲线C2，且该曲率曲线C2的一有效线段L2代表该磁性角度型感应元件21的一特性曲线，并决定该磁性角度型感应元件21的一有效侦测距离以及相对应的一曲率值范围。

例如当曲率值为-1时，可以从该有效线段L2(该特性曲线)得知距离值为-2mm，对照图3来看，其可以代表磁铁M位于该磁性角度型感应元件21的左侧且与该磁性角度型感应元件21相距约2mm的位置。同理，当曲率值为2时，可以得知距离值为2.6mm，这代表磁铁M位于该磁性角度型感应元件21的右侧且与该磁性角度型感应元件21相距约2.6mm的位置。且如图7所示，在本实施例中，由于该曲率值范围可达到-π～π，因此其相对应的该有效侦测距离可以增长至14mm，由此可知，本实施例通过上述将该磁性角度型感应元件21感应获得的信号值平移后，再进行atan2运算，能将该磁性角度型感应元件21的侦测距离(14mm)增长至已知技术(6mm)的两倍以上，因此，假设需要侦测的长度是6mm的6倍，则只需要并列3颗磁性角度型感应元件21同时进行侦测，而能减少磁性角度型感应元件21的使用数量。

然后，如图2的步骤S6，该信号处理装置3以该有效线段L2(即该有效侦测距离与相对应的该曲率值范围)作为该磁性角度型感应元件21的该特性曲线，而决定该磁性角度型感应元件21的该有效侦测距离以及相对应的该曲率值范围，且该信号处理装置3根据该有效侦测距离和该曲率值范围，借由曲线拟合和线性回归分析决定一拟合该特性曲线的多项式方程式

的m值以及β₀～β_m的值，其中i＝1,2,3…n，y_i代表该磁性角度型感应元件21与该磁铁M的一相对距离，x_i代表该曲率值，β₀～β_m是该磁性角度型感应元件21的系数。

具体而言，如图8的(A)所示，假设该有效线段L2(该特性曲线)是由对应100个位置(即100个磁铁M与该磁性角度型感应元件21的距离值，亦即该有效侦测距离)的100笔曲率值(该曲率值范围)构成，则在本实施例中，该信号处理装置3会先将该有效线段L2的X轴与Y轴的数据置换，使X轴改为呈现该等曲率值而Y轴改为呈现相对应的该等距离值，而使该有效线段L2变成置换后有效线段L2’，如图8的(B)所示。然后，该信号处理装置3决定最适合该置换后有效线段L2’的多项式方程式

例如采用多项式拟合(Polynomial Fitting)，以一元m次多项式回归方程式

来拟合该置换后有效线段L2’，并以如下所示的矩阵解多项式回归方程式：

其中y₁～y_n代表该100个距离值，x₁～x_n代表该100个曲率值，β₀～β_m是系数，且由于每个该磁性角度型感应元件21的特性不同，因此其系数β₀～β_m亦不相同，所以借由上述矩阵运算，可以找出该磁性角度型感应元件21的该等系数β₀～β_m的值，以及决定要采用的拟合该置换后有效线段L2’的多项式方程式。例如，本实施例可以应用MATLAB提供的polyfit指令找出上述一元m次多项式方程式的最佳系数(参数)以及最符合该置换后有效线段L2’的多项式方程式。

举例来说，借由polyfit指令将上述已知的该100笔曲率值(x₁～x_n)与相对应的该100笔距离值(y₁～y_n)分别代入1元1次～1元8次共8个多项式方程式中，将求得这8个多项式方程式各自的最佳系数及其与该置换后有效线段L2’的拟合结果，且从这8个多项式方程式中发现一元6次多项式方程式拟合该置换后有效线段L2’的结果最佳(即一元6次多项式方程式最贴近而最能代表该置换后有效线段L2’)时，该信号处理装置3则采用具有最佳拟合结果的一元6次多项式方程式，该方程式例如为y＝2.4431x⁶-8.2418x⁵+15.967x⁴-10.349x³+7.6091x²+1.567x+1.0009，其中y代表磁铁M与该磁性角度型感应元件21的一相对距离(即上述的距离值)，x代表曲率值。然后，如图2的步骤S7，该信号处理装置3将该一元6次多项式方程式及该曲率值范围写入该处理单元22中作为该磁性角度型感应元件21的该特性曲线的一数学模型，即完成校正程序。

借此，当该磁性线性位置感应器2实际应用于例如图3所示的气缸1以侦测气缸1内的活塞(即磁铁M)位置时，该处理单元22接收到该磁性角度型感应元件21传来的模拟的该正弦信号和该余弦信号时，该处理单元22将该正弦信号和该余弦信号数字化为一正弦信号值和一余弦信号值，且将该正弦信号值减去该第一预设值以及将该余弦信号值减去该第二预设值后，对减去该第一预设值的该正弦信号值和减去该第二预设值的该余弦信号值进行atan2运算，即atan2(减去该第一预设值的该正弦信号值/减去该第二预设值的该余弦信号值)，以获得一曲率值；然后，该处理单元22在判断为该曲率值是在该曲率值范围内时，将该曲率值代入该数学模型中，即可借由该一元6次多项式方程式求得一距离值，该距离值即代表该磁性角度型感应元件21与该磁铁M的该相对距离；然后，该处理单元22可以直接输出该距离值供后端应用，或者将该距离值转成相对应的一模拟信号，例如模拟电压(比如1～5V其中的一电压值)或模拟电流(比如4～20mA其中的一电流值)再输出给后端应用。

综上所述，上述实施例在校正程序中，借由将该磁性角度型感应元件21感应获得的该等正弦信号值和该等余弦信号适当平移后再对其进行atan2运算，能使该磁性角度型感应元件21的有效侦测距离增长，而达到减少磁性角度型感应元件21的使用数量，并使该磁性线性位置感应器2的侦测距离变长的功效与目的；并且，借由校正程序，使该磁性线性位置感应器2的该处理单元22中的该数学模型拟合该磁性角度型感应元件21的特性曲线，并决定该磁性角度型感应元件21的一有效侦测距离及相对应的一曲率值范围；借此，该处理单元22只需将该磁性角度型感应元件21传来的该正弦信号和该余弦信号数字化后，对减去第一预设值的该正弦信号值和减去第二预设值的该余弦信号值进行atan2(减去该第一预设值的该正弦信号值/减去该第二预设值的该余弦信号值)运算，获得对应的一曲率值后，将该曲率值输入计算距离的该数学模型，即可通过容易计算的一元m次多项式方程式快速地求得该磁性角度型感应元件21与该磁铁M的一相对距离。

以上所述仅为本发明较佳实施例，然其并非用以限定本发明的范围，任何熟悉本项技术的人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可在此基础上做进一步的改进和变化，因此本发明的保护范围当以本申请的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种磁性线性位置感应器的校正方法，该磁性线性位置感应器设于直线行程的一侧以侦测沿该直线行程往复移动的磁铁的位置，其特征在于，该磁性线性位置感应器包含磁性角度型感应元件及处理单元，该校正方法包括：

A：令该磁铁沿该直线行程移动，同时，信号处理装置令该处理单元以取样频率要求该磁性角度型感应元件回传当下产生的正弦信号和余弦信号直到该磁铁走完该直线行程；

B：该处理单元将该磁性角度型感应元件持续传来的多个正弦信号和多个余弦信号数字化并输出至该信号处理装置；

C：该信号处理装置根据该直线行程的长度和该取样频率，获得该磁铁在该直线行程中每一个取样点的位置与数字化的正弦信号值和余弦信号值的对应关系，且该信号处理装置将该正弦信号值减去第一预设值，并将该余弦信号值减去第二预设值，其中该第一预设值是该正弦信号值中的最大值与最小值之和的二分之一，该第二预设值是该余弦信号值中的最大值与最小值之和的二分之一；

D：该信号处理装置对减去该第一预设值的该正弦信号值和减去该第二预设值的该余弦信号值进行atan2(减去该第一预设值的该正弦信号值/减去该第二预设值的该余弦信号值)运算，而获得相对应的多个曲率值，且该多个曲率值构成曲率曲线；

E：该信号处理装置以该曲率曲线中的有效线段作为该磁性角度型感应元件的特性曲线，并根据该特性曲线决定该磁性角度型感应元件的有效侦测距离以及相对应的曲率值范围，其中该有效线段是该曲率曲线中介于两条直线之间的线段；

F：该信号处理装置根据该有效侦测距离和该曲率值范围，借由曲线拟合和线性回归分析决定拟合该特性曲线的多项式方程式

的m值以及β₀～β_m的值，其中i＝1,2,3…n，y_i代表该磁性角度型感应元件与该磁铁的相对距离，x_i代表该曲率值，β₀～β_m是该磁性角度型感应元件的系数；及

G：该信号处理装置将该多项式方程式及该曲率值范围写入该处理单元中作为该磁性角度型感应元件的该特性曲线的数学模型。

2.如权利要求1所述的磁性线性位置感应器的校正方法，其特征在于，m为6。

3.如权利要求1所述的磁性线性位置感应器的校正方法，其特征在于，该磁性角度型感应元件具有两个相差45°的磁阻电桥，这两个磁阻电桥中的一磁阻电桥感应该磁铁的磁场并产生正弦波信号，并且另一磁阻电桥感应该磁铁的磁场并产生与该正弦波信号相位差45°的余弦波信号。

4.如权利要求1所述的磁性线性位置感应器的校正方法，其特征在于，该曲率值范围是-π～π。

Images