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1、(10)申请公布号 CN 103115641 A (43)申请公布日 2013.05.22 CN 103115641 A *CN103115641A* (21)申请号 201110365858.4 (22)申请日 2011.11.17 G01D 18/00(2006.01) G01D 5/12(2006.01) (71)申请人 沈阳工业大学 地址 110870 辽宁省沈阳市沈阳经济技术开 发区沈辽西路 111 号 (72)发明人 曾一凡 姜芳芳 (74)专利代理机构 沈阳亚泰专利商标代理有限 公司 21107 代理人 韩辉 (54) 发明名称 单对磁极磁编码器中的误差处理方法 (57) 摘要 。
2、本发明涉及一种单对磁极磁编码器输出信号 的误差处理方法， 其特点是首先由单对磁极磁编 码器产生两路信号， 经过 A/D 转换后存入微处理 器， 然后对两路信号进行误差分析， 产生误差的主 要因素有 ： 1. 零位误差、 2. 灵敏度误差、 3. 正交 误差、 4. 铁磁干扰。然后对每一种误差进行分析， 总结出各自的误差表达式， 为了便于误差补偿， 有 必要分析考虑各种因素影响时误差的共性， 总结 出描述这种共性的表达式， 在表达式中定义的误 差系数是该表达式的关键参数。最后采用基于椭 圆假设的自动补偿法及其误差补偿的算法， 此法 是将误差的形成过程比作是从圆到椭圆的变化过 程， 求出误差系数及。
3、误差补偿系数。 本发明技术方 案误差补偿精度高， 计算量小。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 7 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书7页 (10)申请公布号 CN 103115641 A CN 103115641 A *CN103115641A* 1/2 页 2 1. 一种单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于首先由单对磁极磁编 码器产生两路信号， 经过 A/D 转换后存入微处理器， 然后对两路信号进行误差分析， 产生的 主要误差有 ： (1) 由于传感器、 模拟电路和 A/D 转换的零点不为零所引起的零位误。
4、差 ； (2) 由于两个传感器的灵敏度不相同引起的灵敏度误差 ； (3) 由于制造时不能保证两个传感器测量轴相互垂直， 而且输出信号存在相位偏差和 幅值偏差等造成信号的正交误差 ； (4) 由于在实验环境中存在外界磁场的干扰， 从而产生的铁磁干扰。 然后对每一种误差进行分析， 总结出各自的误差表达式， 并分析考虑各种因素影响时 误差的共性， 总结出描述这种共性的表达式， 最后采用基于椭圆假设的自动补偿法及其误 差补偿的算法， 此法是将误差的形成过程比作是从圆到椭圆的变化过程， 求出误差系数及 误差补偿系数。 2. 根据权利要求 1 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于 ：。
5、 所述的零位误差分析的误差表达式 式中 Hx， Hy是由传感器测出的圆柱状永磁体旋转时产生的周期性变化的磁场在 X、 Y 轴 上的分量， Hx1和 Hy1是系统没有误差时， 永磁体产生的磁场在 X、 Y 轴上的分量， Hx0、 Hy0分别 是 Hx1和 Hy1在零点时的输出值， Hx和 Hy表示系统产生的误差。 3. 根据权利要求 1 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于 ： 所述的灵敏度误差分析的表达式 式中其中 Kx、 Ky 分别是灵敏度不等时对 Hx1、 Hy1的比例系数， 在 灵敏度误差为零时， 他们的值为 1。 4. 根据权利要求 1 所述的单对磁极磁编码器输出。
6、信号的误差处理方法， 其特征在于 ： 所述的正交误差分析的表达式 式中x和 y， x和 y分别为两个霍尔元件 hx 和 hy 不相互 垂直时， 其分别与 X， Y 轴的夹角。 5. 根据权利要求 1 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于 ： 所述的铁磁干扰误差分析的表达式 权 利 要 求 书 CN 103115641 A 2 2/2 页 3 式中 Hxf1， Hyf1为传感器同时受到硬磁材料和软磁材料影响后由 Hx1、 Hy1变为的值， P， Q 为硬磁材料作用时对 Hx1、 Hy1的影响， P， Q 为常值， a， b， c， d 为软磁材料作用时对 Hx1、 Hy1的。
7、 影响时的系数。 6. 根据权利要求 1 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于 ： 所述的误差共性的表达式 H2 AeH1+Be (5) 式中 其中 Ae， Be称为误差系数。 7. 根据权利要求 6 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 其特征在于 ： 单对磁极磁编码器输出信号的误差共性的表达式， 将误差的形成过程看作是圆到椭圆的变 换过程， 假设 Ae等于对角矩阵 Kh、 对称矩阵和正交矩阵的乘积， 其表达式 式中 Kx， Ky是与灵敏度有关的系数， 是与制造及软磁材料影响有关的系数， 是与安 装有关的系数 在此假设下， X、 Y 轴的误差表达式可以写为 ：。
8、 即是误差的形成过程， 根据椭圆假设， 只要求出Kx、 Ky、 b1 和 b2， 就可以将椭圆变回 圆， 完成误差补偿。也就是说把包含各种误差的数据 Hx2和 Hy2还原成只剩圆周误差 Hxa和 Hya， 该过程由下式描述 ： 圆周误差式通过转动传感器的安装位置来消除。 权 利 要 求 书 CN 103115641 A 3 1/7 页 4 单对磁极磁编码器中的误差处理方法 技术领域 0001 本发明涉及一种单对磁极磁编码器输出信号的误差处理方法， 是对具体涉及了在 零位误差、 灵敏度误差、 正交误差以及铁磁干扰等情况下的基于椭圆假设的误差补偿领域。 背景技术 0002 随着科学技术的发展， 角。
9、位移传感器的应用日趋广泛， 单对磁极磁编码器作为一 种重要的高精度数字化测角元件， 其分辨率和精度的要求越来越高， 提高和保证其测量精 度是国内外同行业内十分关注的问题。目前， 单对磁极磁编码器中误差的主要来源有零位 误差、 灵敏度误差、 正交误差及铁磁干扰等。 0003 目前国内外还没有针对单对磁极磁编码器的误差补偿方法的研究的文献， 但在光 电编码器的误差补偿领域， 提出了针对细分误差采用乘法倍频技术对其进行补偿， 其中莫 尔条纹正交偏差引入的细分误差最大， 针对由此引起的细分误差可采用莫尔条纹正交偏差 的自适应补偿方法进行补偿 ； 针对光电编码器误差非线性、 模型不确定的特点， 采用 R。
10、BF 神 经网络对误差进行补偿， 该方法不需预先知道误差的成因及分布规律， 网络具有良好的泛 化能力， 经过补偿后， 光电编码器的精度得到了明显的改善。在磁罗盘的误差分析与补偿 领域中， 有的文献中采用给定基准法， 但这种试验方法耗时耗资都较大 ； 还有的文献采用 神经网络算法， 此法对非线性函数具有任意逼近和自适应能力， 这就为磁罗盘的误差补偿 提供了一种简单而有效的方法， 神经网络算法的优点是不需要建立较精确的数学模型， 即 可对系统进行有效辨识， 而且自适应能力强， 但由于客观因素限制， 会使某类样本数目比较 少， 导致这些样本不能完全覆盖特征空间， 另外， 各类样本数目分布也可能很不均。
11、匀， 这些 限制都会影响到补偿精度 ； 还有的文献采用最小二乘拟合法， 最小二乘拟合法有较高的 “精 度 - 时间” 比， 但操作过于繁琐， 效率较低。 0004 基于对以上领域误差补偿方法的研究并分析各种方法的优缺点， 在单对磁极磁编 码器输出信号的误差处理领域， 迫切需要能够提出一个简单有效的基于椭圆假设的自动补 偿法及误差补偿的算法， 用以消除了前述算法中固有的读数误差与不必要的人为失误。 发明内容 0005 本发明的目的在于解决现有技术存在的上述问题， 特别是将含有各种误差参数的 椭圆变回只含圆周误差参数的圆的过程， 而提供一种基于椭圆假设的自动补偿法及误差补 偿算法的单对磁极磁编码器。
12、中的误差处理方法， 通过对每种误差特性的分析， 总结出一个 误差共性的表达式， 然后采用基于椭圆假设的自动补偿法及其误差补偿的算法进行误差补 偿。理论上， 在没有误差的情况下， 磁编码器输出的两路信号 Hx， Hy合起来是一个圆的参数 方程。也就是说， 当从 0到 360变化一周时， Hx和 Hy合成向量的顶点在平面上的轨迹是 圆。但是再考虑误差的情况下， 误差系数的影响使 Hx和 Hy合成向量顶点的轨迹不再是圆。 如果能从数学上描述该轨迹， Hx和 Hy合成向量顶点的轨迹变为一个椭圆。将椭圆变回圆的 过程即为误差补偿的过程。 采用基于椭圆假设的自动补偿法及误差补偿的算法能够有效的 说 明 书。
13、 CN 103115641 A 4 2/7 页 5 提高信号的质量、 提高精度、 大幅度降低成本、 节省时间。 0006 本发明的技术解决方案是 ： 这种单对磁极磁编码器中的误差处理方法， 其特点是 利用单对磁极磁编码器产生两路信号， 经过 A/D 转换后存入微处理器， 然后对两路信号进 行误差分析， 分别总结出其各自的表达式， 所述的零位误差分析的表达式 0007 0008 式中 Hx， Hy是由传感器测出的圆柱状永磁体旋转时产生的周期性变化的磁场在 X、 Y 轴上的分量， Hx1和 Hy1是系统没有误差时， 永磁体产生的磁场在 X、 Y 轴上的分量， Hx0、 Hy0 分别是 Hx1和 H。
14、y1在零点时的输出值， Hx和 Hy表示系统产生的误差。 0009 所述的灵敏度误差分析的表达式 0010 0011 式中其中 Kx、 Ky 分别是灵敏度不等时对 Hx1、 Hy1的比例系 数， 在灵敏度误差为零时， 他们的值为 1。 0012 所述的正交误差分析的表达式 0013 0014 式中x和 y， x和 y分别为两个霍尔元件 hx 和 hy 不 相互垂直时， 其分别与 X， Y 轴的夹角。 0015 所述的铁磁干扰误差分析的表达式 0016 0017 式中 Hxf1， Hyf1为传感器同时受到硬磁材料和软磁材料影响后由 Hx1， Hy1变为的值， P， Q 为硬磁材料作用时对 Hx1。
15、， Hy1的影响， P， Q 为常值， a， b， c， d 为软磁材料作用时的系数。 0018 所述的误差共性的表达式 0019 H2 AeH1+Be (5) 0020 式中 0021 0022 其中 Ae， Be称为误差系数。 0023 所述的单对磁极磁编码器输出信号的误差共性的表达式， 是将误差的形成过程看 作是圆到椭圆的变换过程， 我们假设 Ae等于对角矩阵 Kh、 对称矩阵和正交矩阵的乘积， 其表达式 0024 说 明 书 CN 103115641 A 5 3/7 页 6 0025 式中 Kx， Ky是与灵敏度有关的系数， 是与制造及软磁材料影响有关的系数， 是 与安装有关的系数。 。
16、0026 则在此假设下， X、 Y 轴的误差表达式可以写为 ： 0027 0028 这就是误差的形成过程， 根据椭圆假设， 只要能求出Kx、 Ky、 b1 和 b2， 就可以将 椭圆变回圆， 完成误差补偿。也就是说把包含各种误差的数据 Hx2和 Hy2还原成只剩圆周误 差 Hxa和 Hya， 该过程可由下式描述 ： 0029 0030 圆周误差式可以通过转动传感器的安装位置来消除的。 0031 求解误差系数的关键是， 根据试验数据确定椭圆参数， 并寻求椭圆参数Kx、 Ky、 b1 和 b2 之间的关系。试验所能获得的数据是在各个采样点采集到的 Hx2和 Hy2。设试验时 让编码器旋转 n 个角。
17、度， 在第 i 个角度上采集数据的平均值为 Hx2i， Hy2i(i 1， 2. n)， 要实现自动补偿就必须利用这些数据求出误差系数。进而可以求出误差补偿系数， 完成误 差的补偿过程。使获得的信号精度提高。 0032 与现有技术相比， 本发明的有益效果是 ： 0033 提出了基于椭圆假设的自动补偿法及误差补偿的算法， 此算法的思路就是将误差 补偿的过程等价于将椭圆变回圆的过程。此过程简单得多， 不仅省略了费时费力的多点测 试， 而且离线计算与实时计算均可全部由单对磁极磁编码器完成， 从而消除了前述算法中 固有的读数误差与不必要的人为失误。而且与现有的补偿技术相比， 该方法具有单对磁极 磁编码。
18、器误差修正效果明显、 修正过程简便易行、 计算量小的优点。 具体实施方式 0034 本发明的具体实现方案如下 ： 0035 传统方法是对编码器中存在的各种误差就行单独分析， 并单独补偿。而本发明考 虑的是分析各种误差之间的共性， 总结出一个共性误差的表达式， 对其进行分析和处理。 0036 本发明提出了基于椭圆假设的误差自动补偿法及误差补偿的算法， 在原理上是将 误差形成的过程看作是从圆到椭圆的变换过程， 在没有误差的情况下， 磁编码器输出的两 路信号 Hx， Hy合起来是一个圆的参数方程。也就是说， 当从 0到 360变化一周时， Hx和 Hy合成向量的顶点在平面上的轨迹是圆。但是在考虑误差。
19、的情况下， 误差系数的影响使 Hx 和 Hy合成向量顶点的轨迹不再是圆。而使 Hx和 Hy合成向量顶点的轨迹变为一个椭圆。因 此可以将误差的形成过程看作是圆到椭圆的变化过程。 即将椭圆变回圆的过程就是误差补 说 明 书 CN 103115641 A 6 4/7 页 7 偿。 0037 分析磁编码器中存在的各种误差， 进行分析总结出他们的共性， 得出一个误差共 性表达式 0038 H2 AeH1+Be (1) 0039 式中 0040 0041 其中 Ae， Be称为误差系数。 0042 根据式 (1) 可以得出误差补偿的表达式 0043 0044 式中Ce、 De为误差补偿系数。 0045 单。
20、对磁极磁编码器的误差补偿主要是求出误差系数 Ae， Be以及误差补偿系数 Ce， De。首先对误差的形成过程进行分析。 0046 误差的形成过程分四步 ： 0047 正交矩阵作用时， Hx和 Hy变为 Hxa和 Hya 0048 0049 相当于圆绕圆心 0 转动了一个角度会出现圆周误差。 0050 对称矩阵作用时， Hx和 Hy由 Hxa和 Hya变为 Hxb和 Hyb： 0051 0052 相当于把转动后的圆变成了沿方向拉长的椭圆。 0053 Kx 和 Ky 作用时， Hx和 Hy由 Hxb和 Hyb变为 Hxc和 Hyc 0054 0055 相当于把上述的椭圆转动了一个角度。 0056 。
21、b1， b2作用时， Hx和 Hy由 Hxc和 Hyc变为 Hx2和 Hy2。 0057 0058 相当于把上述的椭圆的中心移到坐标 (b1， b2) 处。 0059 从几何角度看， 误差形成过程是一个由圆到椭圆的变化过程， 所以把这个假设称 为椭圆假设。根据椭圆的一般方程 说 明 书 CN 103115641 A 7 5/7 页 8 0060 0061 其中 H01是对 KH0的估值， 0062 只要有足够的试验数据 Hx2和 Hy2， 就可以确定椭圆方程的系数 c1， c2， c3， c4， c5， c6， 从而确定该椭圆。根据椭圆假设， 只要能求出Kx、 Ky、 b1 和 b2， 就可以。
22、求出误差系数， 将 椭圆变回圆， 完成误差补偿。也就是说把包含各种误差的数据 Hx2和 Hy2还原成只剩圆周误 差的 Hxa和 Hya。 0063 该过程可由下式描述 ： 0064 0065 根据 (3) 知 Hxa， Hya的轨迹相当于圆绕圆心 0 转动了一个角度即满足 0066 Hxa2+Hya2 (KH0)2 (9) 0067 式 (8) 可以写为 0068 0069 根据式 (9)， 式 (10)， 椭圆的方程可以写为 0070 0071 0072 将 (11) 的右边的平方项展开， 合并成椭圆的一般方程 ： 0073 0074 其中 H01是对 KH0的估值， 0075 设 0076。
23、 说 明 书 CN 103115641 A 8 6/7 页 9 0077 0078 0079 0080 0081 0082 式子中有六个未知数， 因此至少需要采集六次数据， 利用这六次采集的 Hx2i、 Hy2i， 可根据如下的方程组， 0083 UhiChi Hhi 0084 0085 0086 求解出唯一解 c1， c2， c3， c4， c5， c6。 0087 由 (16)， (17) 可以解得 ： 0088 0089 0090 再由式子 (13)， (14)， (15) 得 ： 说 明 书 CN 103115641 A 9 7/7 页 10 0091 0092 对于系数 Kx， Ky。
24、， 在求解角度时， 只与比值 Kx/Ky有关， 而与 Kx和 Ky的绝对值无关， 为了求解方便， 假设 Kx 1， Ky则根据他们的比值求出 ： 0093 Kx 1 (22) 0094 0095 求出了Kx、 Ky、 b1 和 b2， 就可求出误差系数 Ae、 Be和误差补偿系数 Ce、 De。然后 将误差补偿系数代入 (2) 中， 就可以得到只剩圆周误差的 Hxa和 Hya圆周误差可通过转动传 感器的安装位置来消除。 0096 如果磁编码器周围的环境和安装的设备不变， 误差补偿系数也不变， 可将 Ce和 De 存放在 RoM 中。如果周围环境的变化引起传感器所在位置的磁场变化， 则需要重新确定误 差补偿系数。为了修改方便， 可将 Ce和 De存放在 EEPROM 中。 0097 前面求解误差系数时， 只需使用六个角度上采集的数据， 但试验数据的随机性将 影响补偿效果。 为了减小误差， 对每一个角度进行多次测量取平均值， 然后求c1， c2， c3， c4， c5， c6 求解误差系数的方法按照上面提到的一样不变。 说 明 书 CN 103115641 A 10 。