一种高精度的绝对值磁编码器及其信号处理方法

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，尤其涉及一种高精度的绝对值磁编码器及其信号处理方法。

背景技术

编码器是一种通过信号转换原理把输出轴上的机械位移量转化为脉冲信号或者数字量的传感器。按照工作性质划分，编码器可分为增量型编码器和绝对值编码器。增量型编码器有着构造简单，机械寿命长，抗干扰能力强，适合速度和长度传输，可靠性高的优点，缺点是不能直观的输出位置信号。绝对值编码器有高位数分辨率的特征，且其机械位置决定的每个位置是唯一的,无需找参考点，抗干扰性和可靠性更高,有很好的定位功能。

绝对值编码器进一步又可分为光学式与机械式两种。光学式的绝对值编码器虽然精确，但抗环境能力较低，在较恶劣的环境下精确程度将大幅降低，甚至可能失去效用。机械式的绝对值编码器中，磁式编码器采用磁性元件作为传感器，基于霍尔效应或磁阻效应，可实现角位移的高精度测量，易于实现小型化、高精度、高分辨率，具有抗振动、抗冲击、长寿命等特性，广泛应用于电机伺服系统及自动控制系统。

目前绝对值磁编码器一般使用一个绝对值游标磁码盘，然而，绝对值游标码盘数据读取在精度上比增量磁码盘的数据读取精度低，从而导致编码器输出的角度精度低。而如果使用增量磁码盘替代绝对值游标码盘，虽然能够提供高精度相对位置，但增量磁码盘的分辨率低，且编码器上电时无法提供绝对位置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高精度的绝对值磁编码器及其信号处理方法，使用两种磁码盘将两种不同原理的磁信号测量手段融合在了一个编码器上，既能够在编码器上电时提供绝对位置，又提高了绝对值编码器的测量精度和分辨率。

为实现上述目的，本发明提供了一种高精度的绝对值磁编码器，包括：游标磁码盘、增量磁码盘、霍尔磁编码器芯片、AMR传感器芯片、细分芯片以及单片机，所述霍尔磁编码器芯片用于感应所述游标磁码盘的磁信号，输出绝对角度位置信号；所述AMR传感器芯片用于感应所述增量磁码盘的磁信号，输出正余弦电压信号；所述细分芯片用于接收所述正余弦电压信号，输出所述绝对值磁编码器旋转时的角度增量信号，所述单片机用于融合所述绝对角度位置信号和所述角度增量信号，输出高精度角度位置信号。

进一步的，所述游标磁码盘设置在所述绝对值磁编码器的磁码盘结构的内圈上，所述增量磁码盘设置在所述绝对值磁编码器的磁码盘结构的外圈上。

进一步的，所述游标磁码盘的分辨率为17位二进制，所述霍尔磁编码器芯片输出的是17位绝对角度位置信号。

进一步的，所述增量磁码盘的分辨率为10位二进制，所述细分芯片输出的是10位角度增量信号。

进一步的，所述单片机融合所述绝对角度位置信号和所述角度增量信号的具体操作包括：将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将所述霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位。

进一步的，所述单片机输出的角度位置信号为17位高精度角度位置信号。

本发明还提供了一种用于前述高精度的绝对值磁编码器的信号处理方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、通过霍尔磁编码器芯片获取标磁码盘的磁信号，输出绝对角度位置信号；

S2、通过AMR传感器芯片获取增量磁码盘的磁信号，输出正余弦电压信号；

S3、通过细分芯片接收所述正余弦电压信号，输出绝对值磁编码器旋转时的角度增量信号；

S4、通过单片机融合所述绝对角度位置信号和所述角度增量信号，输出高精度角度位置信号。

进一步的，所述步骤S4中单片机数据融合的具体操作包括以下步骤：

S41、启动上电，程序初始化；

S42、读取所述霍尔磁编码器芯片获得绝对角度位置信号，将所述绝对角度位置信号作为所述绝对值磁编码器的上电初始角度；

S43、读取所述细分芯片获得高精度的角度增量信号；

S44、融合两个位置数据：将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将所述霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位；

S45、输出17位高精度角度位置信号。

进一步的，所述步骤S42中，所述霍尔磁编码器芯片输出的是17位绝对角度位置信号。

进一步的，所述步骤S43中，所述细分芯片输出的是10位角度增量信号。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明的绝对值编码器在内圈设置游标磁码盘，通过霍尔传感器芯片测量编码器的绝对位置，在外圈设置增量式磁码盘，通过AMR传感器芯片和细分芯片测量编码器旋转时的角度增量，再通过单片机对两个位置数据进行数据融合输出高精度角度位置信号。本发明通过将两种磁码盘集合在一个编码器上，既能在编码器上电时提供绝对位置，也能提供更高精度和更高分辨率的位置信息。

2、本发明通过将读取霍尔传感器芯片获得的17位绝对角度位置信号作为绝对值磁编码器的上电初始角度，读取细分芯片获得10位角度增量信号，然后通过融合的方式将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位，输出17位高精度角度位置信号，提高了编码器的测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种高精度的绝对值磁编码器的结构框图。

图2为本发明实施例提供的绝对值磁编码器用磁码盘的结构示意图。

图3为本发明实施例提供的用于绝对值磁编码器的信号处理方法的流程图。

图4为本发明实施例提供的单片机的工作流程图。

主要附图标记说明：

1、游标磁码盘；2、增量磁码盘。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

如图1-2所示，本发明实施例提供了一种高精度的绝对值磁编码器，包括：游标磁码盘1、增量磁码盘2、霍尔磁编码器芯片、AMR传感器芯片、细分芯片以及单片机，其中，霍尔磁编码器芯片用于感应游标磁码盘1的磁信号，输出绝对角度位置信号；AMR传感器芯片用于感应增量磁码盘2的磁信号，输出正余弦电压信号；细分芯片用于接收正余弦电压信号，输出绝对值磁编码器旋转时的角度增量信号，单片机用于融合绝对角度位置信号和角度增量信号，输出高精度角度位置信号。

其中，AMR传感器一种具有施加磁场后电阻减少功能的元件，其功能取决于磁力线相对于元件的方向，其可感应磁信号并根据磁信号大小输出正余弦信号。使用AMR传感器将游标磁码盘1的旋转磁场转化为相位相差90°的正余弦差分信号。

本发明实施例中，绝对值磁编码器的磁码盘结构为圆环结构，如图2所示，磁码盘上沿圆周均匀开设有两圈通孔形成游标磁码盘1和增量磁码盘2，游标磁码盘1和增量磁码盘2上开设通孔的数量不同，游标磁码盘1设置在绝对值磁编码器的磁码盘结构的内圈上，增量磁码盘2设置在绝对值磁编码器的磁码盘结构的外圈上。霍尔磁编码器芯片与游标磁码盘1电性连接，AMR传感器芯片与增量磁码盘2电性连接。对应的，此时霍尔磁编码器芯片、AMR传感器芯片、细分芯片也需布置在磁码盘上，可以通过支架等方式配合连接固定，具体实现方式在此不在赘述，只要能实现所需功能即可。

进一步的，游标磁码盘1的分辨率为17位二进制，霍尔磁编码器芯片输出的是17位绝对角度位置信号；增量磁码盘2的分辨率为10位二进制，细分芯片输出的是10位角度增量信号。

进一步的，本发明将绝对角度位置信号和角度增量信号输入到单片机中，单片机对这两个位置数据进行数据融合，来提高绝对值磁编码器的测量精度和分辨率。单片机融合绝对角度位置信号和角度增量信号的具体操作包括：将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位。单片机输出的角度位置信号为17位高精度角度位置信号，从而实现了高分辨率测角。

本发明在内圈设置游标磁码盘，通过霍尔传感器芯片测量编码器的绝对位置，在外圈设置增量式磁码盘，通过AMR传感器芯片和细分芯片测量编码器旋转时的角度增量，再通过单片机对两个位置数据进行数据融合输出高精度角度位置信号。这种通过将两种磁码盘集合在一个编码器上，既能在编码器上电时提供绝对位置，也能提供更高精度和更高分辨率的位置信息。

经过测试，本发明绝对值磁编码器的测量精度能够达到0.00774°。

本发明实施例还提供了一种用于前述高精度的绝对值磁编码器的信号处理方法，如图3所示，该方法包括以下步骤：

S1、通过霍尔磁编码器芯片获取标磁码盘的磁信号，输出绝对角度位置信号。

S2、通过AMR传感器芯片获取增量磁码盘的磁信号，输出正余弦电压信号。

S3、通过细分芯片接收正余弦电压信号，输出绝对值磁编码器旋转时的角度增量信号。

S4、通过单片机融合绝对角度位置信号和所述角度增量信号，输出高精度角度位置信号。

其中，如图4所示，步骤S4中，单片机数据融合的具体操作包括以下步骤：

S41、启动上电，程序初始化。

S42、读取所述霍尔磁编码器芯片获得绝对角度位置信号，将所述绝对角度位置信号作为所述绝对值磁编码器的上电初始角度。

优选的，该步骤中，霍尔磁编码器芯片输出的是17位绝对角度位置信号。

此时，霍尔磁编码器芯片输出的17位绝对角度位置信号是游标磁码盘1输出的粗略位置信号。

S43、读取所述细分芯片获得高精度的角度增量信号。

优选的，该步骤中，细分芯片输出的是10位角度增量信号。

S44、融合两个位置数据：将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将所述霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位。

S45、输出17位高精度角度位置信号。

本发明通过将读取霍尔传感器芯片获得的17位绝对角度位置信号作为绝对值磁编码器的上电初始角度，读取细分芯片获得10位角度增量信号，然后通过融合的方式将高精度的角度增量作为最终输出的编码器位置信号的低十位，将霍尔编码器芯片的高七位作为最终输出的编码器位置信号的高七位，输出17位高精度角度位置信号，提高了绝对值磁编码器的测量精度。经过测试，本发明绝对值磁编码器的测量精度能够达到0.00774°。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。