一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路及方法——发明专利

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(71 )申请人成都芯进电子有限公司

( 54 )发明名称一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路及方法
( 57 )摘要
本发明公开了一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路及方法，本发明一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路，包括A/D转换单元、相位检测器、超前相位预估单元、A/B信号沿跳变估计单元和高频数字时钟单元，A/D转换单元输入端接入磁铁转动时的模拟磁场强度信号、输出端连接相位检测器，相位检测器连接超前相位预估单元和A/B信号沿跳变估计单元，超前相位预估单元连接A/B信号沿跳变估计单元，A/B信号沿跳变估计单元输出端输出A/B信号；该电路在常规磁角度编码器增量A/B信号输出原理上，结合超前相位预估和A/B信号沿跳变门限判断，进一步提升A/B信号的精度，减小磁铁高速运动中带来的A/B信号抖动，在磁铁变速运动中也有较好的性能表现。

一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路及方法
技术领域
[0001] 本发明涉及电机控制电路技术领域，具体涉及一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路及方法。
背景技术
[0002] 在目前的工业应用中的测速、计数、测角位移和直线位移等方面，磁角度编码器因其体积小，装配方便，耐腐蚀、耐污染、性能可靠高等优点，开始逐步替代光电编码器应用在越来越多的场合。但是在高速运动测量的情况下，光电编码器因为可以采用多孔转盘来保持稳定的输出精度。而磁角度编码器受限于A/D采样频率，以及数字处理部分的时间延迟，会导致输出的ABZ信号相对于慢速运动的测量结果有较大幅度的抖动和偏差。
[0003] 现有的磁角度编码器ABZ信号输出原理如图1所示，由图可见，随着磁铁转速增加，角度误差的范围和出现误差的频率都会加大，在实际使用中会影响整个磁角度编码器的性能。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是：在高速运动测量的情况下，磁角度编码器受限于A/D采样频率，以及数字处理部分的时间延迟，会导致输出的A/B信号相对于慢速运动的测量结果有较大幅度的抖动和偏差，并且随着磁铁转速增加，角度误差的范围和出现误差的频率都会加大，在实际使用中会影响整个磁角度编码器的性能问题，本发明提供了解决上述问题的一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ信号输出精度的电路及方法。
[0005] 本发明通过下述技术方案实现：
[0006] 一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路，包括A/D转换单元、相位检测器、超前相位预估单元、A/B信号沿跳变估计单元和高频数字时钟单元。A/D转换单元的输入端接入磁铁转动时的模拟磁场强度信号、输出端连接相位检测器，相位检测器连接超前相位预估单元和A/B信号沿跳变估计单元，超前相位预估单元连接A/B信号沿跳变估计单元，A/B信号沿跳变估计单元的输出端输出A/B信号；其中：
[0007] 所述A/D转换单元，用于以固定的采样频率把模拟磁场强度转变为水平和垂直方向的数字信号传送给相位检测器；
[0008] 所述相位检测器，用于对输入的水平和垂直方向的磁场强度通过处理得到当前磁铁转动的角度值；
[0009] 所述超前相位预估单元，用于根据多次历史相位检测器检测的角度结果估计下一次相位大小，并传送给A/B信号沿跳变估计单元进行沿跳转相位估计；
[0010] 所述A/B信号沿跳变估计单元，用于对正交A/B信号的上升/下降沿位置进行估计，降低因突发噪声和高转速引起的A/B信号抖动的幅度，并输出A/B信号；
[0011] 所述高频数字时钟单元，用作A/B信号沿跳变估计单元的参考时钟。[0012] 本发明主要涉及电机控制系统ABZ信号中的A/B信号的产生，A/B信号的产生原理和机制是一致的，仅有相位上的区别。
[0013] 工作原理是：本发明的一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的电路，首先，A/D转换单元以固定的采样频率把磁铁转动时的模拟磁场强度转变为水平和垂直方向的数字信号，并传送给相位检测器；其次，相位检测器检测得到当前磁铁转动的角度值，针对前后两次相位检测器检测出的角度值，得到两个A/D采样时刻之间磁铁旋转过的角度Δθ，并把Δθ传送入超前相位预估单元，预估下一次A/D采样时刻到来时，磁铁旋转过的角度Δθ′；最后，把超前相位Δθ′和Δθ传送到A/B信号跳变沿位置估计单元，进行A/B信号的跳变沿位置估计。该电路在常规的磁角度编码器增量A/B信号输出的基础上，增加了超前相位预估单元和A/B信号沿跳变估计单元，结合起来用于超前相位预估和A/B信号沿跳变门限判断，进一步提升A/B信号的精度，减小磁铁高速运动中带来的A/B信号抖动，在磁铁变速运动中也有较好的性能表现；本发明电路具有规模小，功耗低，控制简单的优点，便于实际应用。
[0014] 进一步地，所述高频数字时钟单元与所述A/D转换单元的采样频率同相，且频率为A/D转换单元采样频率的2N倍，N的取值范围为3～6，用于补偿A/B信号的精度。
[0015] 进一步地，还包括源时钟单元和分频器，源时钟单元连接分频器，分频器与高频数字时钟单元、A/D转换单元均连接，源时钟单元通过分频器分频产生A/D转换单元采样需要的时钟和数字域时钟，且数字域时钟频率是A/D转换单元采样率的2N倍，N的取值范围为3～6，N用于补偿A/B信号的精度。
[0016] 进一步地，还包括PLL锁相环，用于对高频数字时钟单元锁相。
[0017] 进一步地，所述A/D转换单元以固定的采样频率把模拟磁场强度转变为水平和垂直方向的数字信号传送给相位检测器，其中，所述数字信号包括数字水平磁场分量、数字垂直磁场分量。
[0018] 一种磁角度编码器中提高增量编码ABZ输出精度的方法，该方法包括如下步骤：
[0019] S1：以固定的采样频率把磁铁转动时的模拟磁场强度转变为水平和垂直方向的数字信号，并传送给相位检测器；
[0020] S2：根据步骤S1输入的水平和垂直方向的磁场强度数字信号，相位检测器采用CORDIC算法计算分析得到当前磁铁转动的角度值；
[0021] S3：根据步骤S2，针对前后两次相位检测器检测出的角度值，进行减法运算，得到两个A/D采样时刻之间磁铁旋转过的角度Δθ；
[0022] S4：根据步骤S3得到的Δθ，把Δθ传送入超前相位预估单元，预估下一次A/D采样时刻到来时，磁铁旋转过的角度Δθ′；
[0023] S5：根据步骤S3、S4，把超前相位Δθ′和Δθ传送到A/B信号跳变沿位置估计单元，进行A/B信号的跳变沿位置估计。
[0024] 进一步地，所述预估下一次A/D采样时刻到来时磁铁旋转过的角度Δθ′的方式采用滑窗平均法、加权平均法中的任意一种，其中：滑窗平均法公式采用该公式是对连续测量到的n个A/D采样周期内磁铁旋转过的角度做平均；n为滑窗的长度；Δθj为每个A/D采样周期内磁铁旋转过的角度；加权平均法公式采用