本發明涉及角位置傳感器技術領域，尤其涉及一種角位置檢測方法及角位移傳感器。

背景技術：

在電機控制領域中應用的位置檢測裝置主要是編碼器，編碼器一種是將電機轉子旋轉角位置、角速度等物理量轉換為脈沖或數字的位置傳感器，編碼器的分辨率和精度直接影響到自動化系統控制性能。

目前，工程技術領域中應用的編碼器主要是光電式編碼器，然而，光電編碼器存在一些難以克服的缺點：光電編碼器由玻璃物質通過刻線而成，其抗震動和沖擊能力不強，并且不適用于塵埃、結露等惡劣環境，結構和定位組裝復雜；刻線間距有極限，要提高分辨率必須增大碼盤，從而難以做到小型化；生產過程中裝配精度要求很高，直接影響到生產效率，最終影響產品成本。

磁電式編碼器可以解決光電編碼器的不足。中國專利ZL200910137761.0提出了一種磁電編碼器，包括磁鋼環、導磁環和磁感應元件，其中，導磁環由兩段或多段同半徑、同圓心的弧段構成，相鄰兩弧段留有縫隙，磁感應元件置于該縫隙內，當磁鋼環與導磁環發生相對旋轉運動時，磁感應元件將感測到的磁信號轉換為電壓信號，并將該電壓信號傳輸給相應的信號處理裝置。

日本專利JP特開2004-340681A中公開了一種磁電式旋轉角度檢測方法，披露了一種不使用溫度傳感器的情況下，利用兩相信號平方和來計算溫度漂移量，從而減小溫度漂移對角度檢測影響的方法。

綜上所述，現有磁電式角位置檢測方法有以下缺陷：1.對外部磁場沒有屏蔽措施，可靠性不高；2.對信號質量要求較高，如果信號高次諧波分量較高，兩相信號平方和不是常數，則溫度漂移造成的影響不能有效消除；3.只針對兩相信號適用；4.忽略了各相信號間的溫度漂移量差異，實際應用中會影響檢測精度。

技術實現要素：

本發明的目的是為了解決現有技術中存在的檢測精度不高、可靠性差的缺點，而提出的一種角位置檢測法及角位移傳感器。

為了實現上述目的，本發明采用了如下技術方案：

本發明的角位置檢測方法包括以下步驟：

S01.采樣處理：對角位移傳感器所產生的原始信號A、B進行采樣處理得到兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B；

S02.修正處理：對采樣處理得到的兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B進行修正處理得到兩相用于查詢校準數據的信號值U″_A、U″_B；

S03.區間判斷：經過修正處理后的兩相信號值U″_A、U″_B再進行區間判斷得到區間信息；

S04.獲取角度：以區間信息以及修正后的兩相信號值U″_A、U″_B作為輸入，經過與校準數據的相互傳輸進行角度計算，獲取角度值θ_A、θ_B；

S05.整定輸出：對角度值θ_A、θ_B再進行整定最終輸出角度值θ；

S06.修正量計算：在步驟S04完成后，根據角度值θ_A、θ_B經過差值計算得到Δθ，再結合區間信息、修正后的兩相信號值U″_A、U″_B，進行對零點偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自獨立計算，得出U_{_offset}、K₀、K₁；

S07.循環修正處理：通過修正量計算所得的U_{_offset}、K₀、K₁對兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B進行修正處理，并在一定周期內重復執行步驟S01-S06。

本發明所述的角位置檢測方法中修正量計算采用遞推算法，具體如下：

S501：校準數據關系式為：

參數含義為：

A_幅——A相信號幅值；B_幅——B相信號幅值；

U_A——A相信號值；U_B——B相信號值；

θ——信號對應角度值。

實時采樣值關系式為：

參數含義為：

A′_幅——A相信號幅值實時采樣值；

B′_幅——B相信號幅值實時采樣值；

U_{A_offset}——A相信號零點偏移量；

U_{B_offset}——B相信號零點偏移量；

U′_A——A相信號實時采樣值；

U′_B——B相信號實時采樣值；

其中：初始化幅值比例修正值：K₀＝K₁＝1；

查詢校準數據的數值公式為：

U″_A(K)＝(U′_A(K)-U_{A_offset})·K_0(K-1)，

U″_B(K)＝(U′_B(K)-U_{B_offset})K₁·K_0(K-1)；

參數含義為：

U′_A(k)——第k周期A相信號實時采樣值；

U′_B(k)——第k周期B相信號實時采樣值；

K_0(k-1)——第k-1周期比例修正值；

U″_A(k)——用于查詢校準數據的A相信號值；

U″_B(k)——用于查詢校準數據的B相信號值；

使用U″_A(K)、U″_B(K)查詢校準數據得到的角度值：θ_A(K)、θ_B(K)；

得到角度總誤差：Δθ_(K)＝θ_B(K)-θ_A(K)；

θ_A與角度真值θ的誤差為：

θ_B與角度真值θ的誤差為：

參數含義為：

θ_A——A相信號值查詢校準數據得到的角度值；

θ_B——B相信號值查詢校準數據得到的角度值；

Δθ_A(k)——第k周期A相所查角度與真值角度之間的誤差預估值；

Δθ_B(k)——第k周期B相所查角度與真值角度之間的誤差預估值；

S502：根據區間劃分判定輸出角度值：θ_輸出為θ_A(K)或θ_B(K)；

而θ_A真(K)＝θ_A(K)+Δθ_A(K)或θ_B真(K)＝θ_B(K)+Δθ_B(K)；

參數含義為：

θ_A真(k)——第k周期通過A相得到的真實角度預估值；

θ_B真(k)——第k周期通過B相得到的真實角度預估值；

則幅值誤差值：ΔU_A真(K)＝Δθ_A(K)·Acosθ_A真(K)；ΔU_B真(K)＝-Δθ_B(K)·Bsinθ_B真(K)；

參數含義為：

ΔU_A真(k)——第k周期A相幅值誤差預估值；

ΔU_B真(k)——第k周期B相幅值誤差預估值；

S503：根據區間劃分計算比例修正值公式：

K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_A真(K)/(U′_A(K)-U_{A_offset})；

或者K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_B真(K)/((U′_B(K)-U_{B_offset})K₁)；

參數含義為：

K_0(k)——第k周期比例修正值。

本發明還提供一種角位移傳感器，用于上述的角位置檢測方法，所述角位移傳感器包括轉子磁鋼環和定子組合體，所述定子組合體包括外套體以及內置在外套體中的屏蔽鋼環、霍爾磁感應元件和PCB電路板，所述外套體具有內環凸臺，所述轉子磁鋼環位于所述內環凸臺的環形口內并自由轉動，所述內環凸臺的外周向上均勻布設多個所述霍爾磁感應元件，多個所述霍爾磁感應元件的外周向上布置所述屏蔽鋼環，所述PCB電路板套設在所述內環凸臺上并與所述霍爾磁感應元件電連接。

本發明所述外套體固定在電機后法蘭面上，所述轉子磁鋼環套裝在電機尾軸上，所述轉子磁鋼環相對于所述外套體自由轉動，所述霍爾磁感應元件用于感應轉子磁鋼環產生的磁場并將磁信號轉換成模擬電壓信號輸出，多個所述霍爾磁感應元件輸出A+、A-、B+、B-四路信號，其中相對的兩個霍爾磁感應元件輸出為A+和A-或者B+和B-信號，所述PCB電路板用于對霍爾磁感應元件輸出的模擬電壓信號進行處理并通過信號接口輸出A、B兩相模擬電壓信號。

本發明所述內環凸臺的外周向上設有環形槽，所述環形槽內設置所述屏蔽鋼環，所述環形槽和所述內環凸臺之間設有多個環形布置的方形槽，所述方形槽內設置所述霍爾磁感應元件，所述環形槽的外周為外環凸臺，所述內環凸臺與外環凸臺構成內槽結構用于灌封灌膠體。

本發明所述外套體內還設有定位銷和螺孔，所述定位銷用于定位安裝PCB電路板，所述螺孔與自攻螺釘相互配合鎖緊所述PCB電路板，所述外套體朝向所述電機后法蘭面的一面具有環形凸臺，所述外套體通過環形凸臺與電機后法蘭面預定位，所述外套體上還設有槽孔，所述槽孔與鎖緊螺釘相互配合以將所述外套體鎖緊到所述電機后法蘭面上。

本發明還提供另外一種角位移傳感器，用于上述的角位置檢測方法，包括磁鋼片和定子組件，所述定子組件包括屏蔽罩以及位于屏蔽罩內的內環體、固定在內環體上的PCB電路板、設置在PCB電路板上的磁感應芯片，所述磁感應芯片面向所述磁鋼片，所述磁鋼片相對所述磁感應芯片自由轉動，所述屏蔽罩內具有屏蔽環，所述屏蔽環布置在所述內環體的外周向上。

本發明所述磁鋼片鑲嵌在電機尾軸端部的槽中，所述磁感應芯片焊接在PCB電路板上，所述磁鋼片與磁感應芯片之間有間隙，所述磁感應芯片用于感應磁鋼片產生的磁場并將磁信號轉換成模擬電壓信號輸出，所述PCB電路板用于對磁感應芯片輸出的模擬電壓信號進行處理并通過信號接口輸出A、B兩相模擬電壓信號。

本發明所述PCB電路板通過自攻螺釘固定在內環體上，所述內環體固定在電機后法蘭面上，所述屏蔽罩通過鎖緊螺釘固定在電機后法蘭面上。

本發明所述內環體包括環本體和設置在環本體外周面上的多個凸耳,所述凸耳上設有通孔，所述環本體朝向所述屏蔽罩的端面具有螺紋孔，所述屏蔽罩上設有安裝孔，所述屏蔽罩側面還開設有出線孔。

本發明提出的角位置檢測方法及角位移傳感器的有益效果在于：

1、本發明的角位置檢測方法包括以下步驟：首先對角位移傳感器所產生的原始信號A、B，進行采樣處理得到兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B；根據3個修正量，即零點偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁，經過處理算出修正后的兩相信號值U″_A、U″_B，再進行區間判斷得到區間信息；其次，以區間信息、修正后兩相信號值U″_A、U″_B作為輸入，經過與校準數據的相互傳輸進行角度計算，得到角度值θ_A、θ_B；最后，對角度值θ_A、θ_B再進行整定最終輸出角度值θ；與此同時，根據角度值θ_A、θ_B經過差值計算得到Δθ，再以區間信息、修正后兩相信號值U″_A、U″_B作為輸入，進行對零點偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自獨立計算，再給對兩相原始輸入信號A、B采樣處理后得到的實時采樣值U′_A、U′_B進行修正處理，由于算法中最大程度消除了信號不一致性對角度檢測精度的影響，在精度要求不高的應用場合，可不校準，極大降低應用成本；

2、信號處理算法避免了多相信號溫漂的耦合，在多相信號之間零漂和溫漂有差異的情況下，可有效消除每相信號的零漂和溫漂；

3、角位移傳感器設有屏蔽外部磁場的屏蔽結構，可以防止外部磁場干擾，提高初始信號質量，保證精度；

4、可利用集成磁感應元件，提高初始信號一致性和相位精度；

5、可適應微型化設計，并且也可適應大軸徑設計。

附圖說明

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。

圖1為本實施例一中的角位移傳感器的角度計算原理框圖。

圖2為本實施例一中的角位移傳感器結構示意圖；

圖3為本實施例一中的角位移傳感器的爆炸結構示意圖；

圖4為本實施例一中的角位移傳感器的外套體正視圖；

圖5為本實施例一中的角位移傳感器的外套體后視圖；

圖6為本實施例一中的角位移傳感器的剖視結構示意圖；

圖7為本實施例二中的角位移傳感器結構示意圖；

圖8為本實施例二中的角位移傳感器的爆炸結構示意圖；

圖9為本實施例二中的內環體結構示意圖；

圖10為本實施例二中的屏蔽罩結構示意圖；

圖11為本實施例二中的角位移傳感器的剖視結構示意圖。

圖中：1轉子磁鋼環、2定子組合體、21外套體、211環形槽、212內環凸臺、213方形槽、214定位銷、215外環凸臺、216螺孔、217環形凸臺、218槽孔、22屏蔽鋼環、23霍爾磁感應元件、24PCB電路板、25自攻螺釘、26灌膠體、3鎖緊螺釘、4磁鋼片、5內環體、51環本體、52凸耳、53螺紋孔、54通孔、6磁感應芯片、7屏蔽罩、71槽孔、72屏蔽環、73出線孔、8電機尾軸、9電機后法蘭面。

具體實施方式

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“徑向”、“軸向”、“上”、“下”、“頂”、“底”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“設置”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

實施例一：

圖1示出了本實施例中對角位移傳感器信號發生部分輸出A、B兩相信號時的角度計算原理框圖，該角位置檢測方法包括以下步驟：

S01.采樣處理：對角位移傳感器所產生的原始信號A、B進行采樣處理得到兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B；

S02.修正處理：對采樣處理得到的兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B進行修正處理得到兩相用于查詢校準數據的信號值U″_A、U″_B；

S03.區間判斷：經過修正處理后的兩相信號值U″_A、U″_B再進行區間判斷得到區間信息；

S04.獲取角度：以區間信息以及修正后的兩相信號值U″_A、U″_B作為輸入，經過與校準數據的相互傳輸進行角度計算，獲取角度值θ_A、θ_B；

S05.整定輸出：對角度值θ_A、θ_B再進行整定最終輸出角度值θ；

S06.修正量計算：在步驟S04完成后，根據角度值θ_A、θ_B經過差值計算得到Δθ，再結合區間信息、修正后的兩相信號值U″_A、U″_B，進行對零點偏移量U_{_offset}、比例修正值K₀、比例修正值K₁的各自獨立計算，得出U_{_offset}、K₀、K₁；

S07.循環修正處理：通過修正量計算所得的U_{_offset}、K₀、K₁對兩相信號實時采樣值U′_A、U′_B進行修正處理，并在一定周期內重復執行步驟S01-S06。

上述角位置檢測方法中修正量計算采用遞推算法，具體如下：

S501：校準數據關系式為：

參數含義為：

A_幅——A相信號幅值；B_幅——B相信號幅值；

U_A——A相信號值；U_B——B相信號值；

θ——信號對應角度值。

實時采樣值關系式為：

參數含義為：

A′_幅——A相信號幅值實時采樣值；

B′_幅——B相信號幅值實時采樣值；

U_{A_offset}——A相信號零點偏移量；

U_{B_offset}——B相信號零點偏移量；

U′_A——A相信號實時采樣值；

U′_B——B相信號實時采樣值。

其中：初始化幅值比例修正值：K₀＝K₁＝1；

查詢校準數據的數值公式為：

U″_A(K)＝(U′_A(K)-U_{A_offset})·K_0(K-1)，

U″_B(K)＝(U′_B(K)-U_{B_offset})K₁·K_0(K-1)；

參數含義為：

U′_A(k)——第k周期A相信號實時采樣值；

U′_B(k)——第k周期B相信號實時采樣值；

K_0(k-1)——第k-1周期比例修正值；

U″_A(k)——用于查詢校準數據的A相信號值；

U″_B(k)——用于查詢校準數據的B相信號值。

使用U″_A(K)、U″_B(K)查詢校準數據得到的角度值：θ_A(K)、θ_B(K)；

得到角度總誤差：Δθ_(K)＝θ_B(K)-θ_A(K)；

θ_A與角度真值θ的誤差為：

θ_B與角度真值θ的誤差為：

參數含義為：

θ_A——A相信號值查詢校準數據得到的角度值；

θ_B——B相信號值查詢校準數據得到的角度值；

Δθ_A(k)——第k周期A相所查角度與真值角度之間的誤差預估值；

Δθ_B(k)——第k周期B相所查角度與真值角度之間的誤差預估值。

S502：根據區間劃分判定輸出角度值：θ_輸出為θ_A(K)或θ_B(K)；

而θ_A真(K)＝θ_A(K)+Δθ_A(K)或θ_B真(K)＝θ_B(K)+Δθ_B(K)；

參數含義為：

θ_A真(k)——第k周期通過A相得到的真實角度預估值；

θ_B真(k)——第k周期通過B相得到的真實角度預估值。

則幅值誤差值：ΔU_A真(K)＝Δθ_A(K)·Acosθ_A真(K)；ΔU_B真(K)＝-Δθ_B(K)·Bsinθ_B真(K)；

參數含義為：

ΔUA_真(k)——第k周期A相幅值誤差預估值；

ΔU_B真(k)——第k周期B相幅值誤差預估值。

S503：根據區間劃分計算比例修正值公式：

K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_A真(K)/(U′_A(K)-U_{A_offset})；

或者K_0(K)＝K_0(K-1)+ΔU_B真(K)/((U′_B(K)-U_{B_offset})K₁)。參數含義為：

K_0(k)——第k周期比例修正值。

如圖2-6所示，本實施例還提供一種角位移傳感器，用于上述角位置檢測方法，該角位移傳感器包括轉子磁鋼環1和定子組合體2，轉子磁鋼環1和定子組合體2的形狀尺寸可根據要配合安裝的電機結構靈活設計，定子組合體2包括外套體21以及內置在外套體21中的屏蔽鋼環22、霍爾磁感應元件23和PCB電路板24，外套體21具有內環凸臺212，轉子磁鋼環1位于內環凸臺212的環形口內并自由轉動，內環凸臺212的外周向上均勻布設多個霍爾磁感應元件23，多個霍爾磁感應元件23的外周向上布置屏蔽鋼環22，PCB電路板24套設在內環凸臺上并與霍爾磁感應元件23電連接，霍爾磁感應元件23用于感應轉子磁鋼環1產生的磁場并將磁信號轉換成模擬電壓信號輸出，多個霍爾磁感應元件23輸出A+、A-、B+、B-四路信號，其中相對的兩個霍爾磁感應元件23輸出為A+和A-或者B+和B-信號，PCB電路板4用于對霍爾磁感應元件23輸出的模擬電壓信號進行處理并通過信號接口輸出A、B兩相模擬電壓信號，其中，屏蔽鋼環22可以屏蔽外界干擾磁場，保護轉子磁鋼環1產生的磁場，從而確保PCB電路板24上的霍爾磁感應元件23所輸出的模擬電壓信號質量。

本實施例的轉子磁鋼環1、霍爾磁感應元件23和屏蔽鋼環22從結構上基本處于同一垂直平面上。

本實施例的外套體21固定在電機后法蘭面9上，轉子磁鋼環1套裝在電機尾軸8上，轉子磁鋼環1相對于外套體21自由轉動，其中，轉子磁鋼環1可以是單對極充磁，也可以是多對極；可以是平行充磁，也可以是徑向充磁。本實施例的角位移傳感器體積小，結構簡單緊湊，轉子磁鋼環1套裝在電機尾軸8上，并以專用磁鋼膠粘貼，從而與電機轉子同步旋轉，定子組合體2可借助鎖緊螺釘3固定在電機后法蘭面9上，因此安裝拆卸方便，不受電機尾軸8長度尺寸限制。

本實施例的內環凸臺212的外周向上設有環形槽211，環形槽211內設置屏蔽鋼環22，環形槽211和內環凸臺212之間設有多個環形布置的方形槽213，方形槽213內設置霍爾磁感應元件23，環形槽211的外周為外環凸臺215，內環凸臺212與外環凸臺215構成內槽結構用于灌封灌膠體26，灌膠體26用于將定子組合體2灌封，從而提高可靠性和使用壽命。

本實施例的外套體21內還設有定位銷214和螺孔216，定位銷214用于定位安裝PCB電路板24，螺孔216與自攻螺釘25相互配合鎖緊PCB電路板24，外套體21朝向電機后法蘭面9的一面具有環形凸臺217，外套體21通過環形凸臺217與電機后法蘭面9預定位，外套體21上還設有槽孔218，槽孔218與鎖緊螺釘3相互配合以將外套體21鎖緊到電機后法蘭面9上。

本實施例的轉子磁鋼環1與定子組合體2之間有間隙，處于非接觸狀態，因此在電機高速旋轉或溫度變化大、有粉塵油污等惡劣環境下也不會有機械上的磨損，從而提高可靠性和使用壽命。

實施例二：

本實施例的角位移傳感器，也可以用于上述角位置檢測方法，如圖7-11所示，該角位移傳感器包括磁鋼片4和定子組件，定子組件包括屏蔽罩7以及位于屏蔽罩7內的內環體5、固定在內環體5上的PCB電路板24、設置在PCB電路板24上的磁感應芯片6，磁感應芯片6面向磁鋼片4，磁鋼片4相對磁感應芯片6自由轉動，屏蔽罩7內具有屏蔽環72，屏蔽環72布置在內環體5的外周向上。其中，磁鋼片4和屏蔽罩7的形狀尺寸可根據要配合安裝的電機結構靈活設計，屏蔽罩7和屏蔽環72用于屏蔽外界干擾磁場，保護磁鋼片4產生的磁場。

本實施例的磁鋼片4鑲嵌在電機尾軸8端部的槽中，并以專用磁鋼膠粘貼，從而與電機轉子同步旋轉，磁感應芯片6焊接在PCB電路板24上，磁鋼片4與磁感應芯片6之間有間隙，處于非接觸狀態，因此在電機高速旋轉或溫度變化大、有粉塵油污等惡劣環境下也不會有機械上的磨損，從而提高可靠性和使用壽命。

磁鋼片4具有N-S極性可產生磁場，磁感應芯片6用于感應磁鋼片4產生的磁場并將磁信號轉換成模擬電壓信號輸出，PCB電路板4用于對磁感應芯片6輸出的模擬電壓信號進行處理并通過信號接口輸出A、B兩相模擬電壓信號。其中，磁鋼片4的中心和磁感應芯片6的中心在同一軸線上，而屏蔽環72則能有效屏蔽外部對磁場的干擾，從而確保磁感應芯片6所輸出的模擬電壓信號質量。

本實施例的PCB電路板24通過自攻螺釘25固定在內環體5上，內環體5固定在電機后法蘭面9上，屏蔽罩7通過鎖緊螺釘3固定在電機后法蘭面9上。

本實施例的內環體5包括環本體51和設置在環本體51外周面上的多個凸耳52,凸耳52上設有通孔54，環本體51朝向屏蔽罩7的端面具有螺紋孔53，屏蔽罩7上設有安裝孔71，屏蔽罩7側面還開設有出線孔73，出線孔73用于穿過輸出信號線。

以上所述，僅為本發明較佳的具體實施方式，但本發明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本技術領域的技術人員在本發明揭露的技術范圍內，根據本發明的技術方案及其發明構思加以等同替換或改變，都應涵蓋在本發明的保護范圍之內。