本發(fā)明屬于運(yùn)動(dòng)信息檢測傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種對電磁器件（如霍爾傳感器、磁阻傳感器和旋轉(zhuǎn)變壓器）輸出的正弦調(diào)制信號(hào)進(jìn)行角度位置信息解算的磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器。

背景技術(shù)：

磁電編碼器是一種借助電磁器件進(jìn)行磁場信號(hào)檢測，并通過數(shù)字轉(zhuǎn)換器對磁場信號(hào)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)信息解算的位置傳感器。相比光電編碼器，磁電編碼器不受霧靄、煙塵和油污等影響且對振動(dòng)沖擊和工裝誤差等不敏感，具有較好的環(huán)境適應(yīng)性和抗干擾能力，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)信息檢測中具有十分重要的地位。

根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)和資料報(bào)道，磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器對于正弦調(diào)制信號(hào)的解算存在多種算法方案。根據(jù)解算過程不同，主要可分為查表算法方案和追蹤型算法方案。查表算法的本質(zhì)是反三角函數(shù)運(yùn)算,通過將調(diào)制信號(hào)(vs和vc）向數(shù)字轉(zhuǎn)換器內(nèi)置的反三角函數(shù)標(biāo)準(zhǔn)表映射比較,可實(shí)時(shí)解算出絕對角度位置，再通過差分運(yùn)算即可獲得速度和加速度信息。該方案除算法執(zhí)行本身所需的時(shí)間外，幾乎沒有其他延時(shí)環(huán)節(jié)，因此不存在過渡過程，響應(yīng)十分迅速。同時(shí)，也由于缺乏積分和濾波等環(huán)節(jié)，查表算法方案對噪聲信號(hào)較為敏感，抗干擾性能不足。追蹤型算法以閉環(huán)控制原理為基礎(chǔ)，包括cordic算法、追蹤算法、觀測器算法和kalman濾波器算法等多種算法方案。追蹤型算法通過閉環(huán)調(diào)節(jié)對運(yùn)動(dòng)信息（角度位置、速度和加速度等）進(jìn)行鎖相追蹤和濾波，因此具有良好的魯棒性和抗干擾能力，但追蹤過渡過程和濾波延時(shí)也使得響應(yīng)的快速性不足。

目前國內(nèi)外針對磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器中運(yùn)動(dòng)信息解算算法的研究大多集中于單一類型的算法方案（查表算法方案或追蹤型算法方案），因此在響應(yīng)性能、魯棒性和抗干擾能力上難以兼顧，對于需要頻繁啟動(dòng)、故障檢測和容錯(cuò)運(yùn)行的諸多場合應(yīng)用受限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種兼?zhèn)漤憫?yīng)快、魯棒性好和抗干擾能力強(qiáng)的磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器，其特征在于：根據(jù)查表算法和追蹤算法各自的特點(diǎn)，通過時(shí)序調(diào)度和參數(shù)調(diào)度將查表算法和追蹤算法有機(jī)組合——用查表算法大幅削減追蹤算法的追蹤過渡過程，基于組合算法方案實(shí)現(xiàn)磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器在響應(yīng)性能、魯棒性和抗干擾能力上的大幅提升。

本發(fā)明所公布組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：信號(hào)狀態(tài)檢測模塊、算法組合時(shí)序調(diào)度模塊、查表算法模塊、追蹤算法模塊和算法組合參數(shù)調(diào)度模塊。其中各模塊的功能及其相互之間的關(guān)系如下：

信號(hào)狀態(tài)檢測模塊主要是通過邏輯運(yùn)算、幅值計(jì)算和比較判斷對磁電編碼器的啟動(dòng)和故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，為算法組合時(shí)序調(diào)度模塊提供磁電編碼器的狀態(tài)信息，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊提供調(diào)制信號(hào)的參考幅值。

算法組合時(shí)序調(diào)度模塊主要是根據(jù)磁電編碼器的狀態(tài)信息通過使能信號(hào)a、b、c分別對查表算法模塊、追蹤算法模塊和算法組合參數(shù)調(diào)度模塊的工作時(shí)序進(jìn)行有機(jī)調(diào)度。其中，查表算法模塊通常只工作于磁電編碼器啟動(dòng)和故障狀態(tài)的起始階段，追蹤算法模塊工作于查表算法模塊不工作的其他工作時(shí)段，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊在全部工作時(shí)段上分別對查表算法模塊和追蹤算法模塊進(jìn)行適時(shí)的分時(shí)匹配和輸出整合。

查表算法模塊根據(jù)時(shí)序調(diào)度使能信號(hào)a，在磁電編碼器啟動(dòng)和故障狀態(tài)的起始階段，對調(diào)制信號(hào)開啟基于查表算法的角度位置解算，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊提供初始角度位置、初始角速度和初始角加速度等。

追蹤算法模塊根據(jù)時(shí)序調(diào)度使能信號(hào)b，在查表算法模塊不工作的其他工作時(shí)段，對調(diào)制信號(hào)開啟基于追蹤算法的角度位置解算，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊提供其他工作時(shí)段的角度位置、角速度和角加速度等。

算法組合參數(shù)調(diào)度模塊時(shí)序調(diào)度使能信號(hào)c，在查表算法模塊和追蹤算法模塊之間適時(shí)開啟參數(shù)的傳遞、更新和整合?；诜謺r(shí)匹配，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊為追蹤算法模塊提供參考幅值、初始角度位置、初始角速度和初始角加速度等，必要時(shí)也為查表算法模塊提供參考幅值等；通過輸出整合，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊將查表算法模塊和追蹤算法模塊的在不同工作時(shí)段的輸出在全時(shí)段上進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，以獲得角度位置、角速度和角加速度等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的全時(shí)段完整結(jié)果數(shù)據(jù)。

通過以上各模塊之間時(shí)序和參數(shù)的有機(jī)調(diào)度，本發(fā)明所公布的組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器可實(shí)現(xiàn)查表算法和追蹤算法在響應(yīng)性能、魯棒性和抗干擾能力上的優(yōu)勢互補(bǔ)，可使得磁電編碼器在頻繁啟動(dòng)、故障檢測和容錯(cuò)運(yùn)行等場合的應(yīng)用得以推廣。

附圖說明

圖1為組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)框圖。

圖2為組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器實(shí)施例的角度位置解算結(jié)果。

具體實(shí)施方式

圖1所示為組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器原理結(jié)構(gòu)框圖。根據(jù)圖1，組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)構(gòu)成主要包括：信號(hào)狀態(tài)檢測模塊（1）、算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）、查表算法模塊（3）、追蹤算法模塊（4）和算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）。所述組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的特征和各模塊間工作流程如下。

1、組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器中各模塊均可由軟件編程實(shí)現(xiàn)。所述軟件編程可以在嵌入式單片機(jī)、數(shù)字信號(hào)處理器（dsp）和現(xiàn)場可編程門陣列（fpga）等硬件平臺(tái)以及matlabsimulink等軟件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)。

2、信號(hào)狀態(tài)檢測模塊（1）通過邏輯運(yùn)算、幅值計(jì)算和比較判斷對磁電編碼器的啟動(dòng)和故障狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測，為算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）提供磁電編碼器的狀態(tài)信息，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）提供調(diào)制信號(hào)（vs和vc）的參考幅值vmr。其中vmr的計(jì)算式為vmr=(vs²+vc²)^1/2。

3、算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）根據(jù)信號(hào)狀態(tài)檢測模塊（1）提供的狀態(tài)信息，通過使能信號(hào)（使能a、使能b和使能c）分別對查表算法模塊（3）、追蹤算法模塊（4）和算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）進(jìn)行工作時(shí)序的有機(jī)調(diào)度。其中，查表算法模塊（3）通常只工作于磁電編碼器啟動(dòng)和故障狀態(tài)的起始階段，追蹤算法模塊（4）工作于查表算法模塊（3）不工作的其他工作時(shí)段，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）在全部工作時(shí)段上對查表算法模塊（3）和追蹤算法模塊（4）進(jìn)行適時(shí)的分時(shí)匹配和輸出整合。

4、查表算法模塊（3）根據(jù)算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）提供的使能信號(hào)a，對調(diào)制信號(hào)（vs和vc）開啟基于查表算法的角度位置解算工作，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）提供初始角度位置θ0、初始角速度ω0和初始角加速度α0等。

5、追蹤算法模塊（4）根據(jù)算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）提供的使能信號(hào)b，對調(diào)制信號(hào)（vs和vc）開啟基于追蹤算法的角度位置解算工作，為算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）提供其他工作時(shí)段的角度位置θ1、角速度ω1和角加速度α1等。

6、算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）根據(jù)算法組合時(shí)序調(diào)度模塊（2）提供的使能信號(hào)c，在查表算法模塊（3）和追蹤算法模塊（4）之間適時(shí)開啟參數(shù)的傳遞、更新和整合?；诜謺r(shí)匹配，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）為追蹤算法模塊（4）提供參考幅值vmr、初始角度位置θ0、初始角速度ω0和初始角加速度α0等，必要時(shí)也為查表算法模塊（3）提供參考幅值vmr等。通過輸出整合，算法組合參數(shù)調(diào)度模塊（5）對查表算法模塊（3）和追蹤算法模塊（4）在不同工作時(shí)段的輸出結(jié)果在全時(shí)段上進(jìn)行數(shù)據(jù)整合，以獲得全時(shí)段角度位置θ、角速度ω和角加速度α等運(yùn)動(dòng)參數(shù)的全時(shí)段完整結(jié)果數(shù)據(jù)。

實(shí)施例：為便于將本發(fā)明所公布的組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器與傳統(tǒng)算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器進(jìn)行性能對比，本發(fā)明以查表算法和鎖相環(huán)算法構(gòu)成的組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器為實(shí)施例，基于matlabsimulink軟件平臺(tái)對其進(jìn)行仿真驗(yàn)證。實(shí)施例的具體工況條件為：磁電編碼器以(1000π)rad/s²加速啟動(dòng)，正弦調(diào)制信號(hào)為vs=1700*sin(1000πt²)，vc=1700*cos(1000πt²)；0.05s時(shí)刻信號(hào)幅值跳變，驟降30%，即vs=0.7*1700*sin(1000πt²)，vc=0.7*1700*cos(1000πt²)。

基于以上工況條件，雙同步坐標(biāo)變換鎖相環(huán)算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器和組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器的性能對比仿真結(jié)果如圖2所示。結(jié)果表明，組合算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器過渡過程極短，對比雙同步坐標(biāo)變換鎖相環(huán)算法磁電編碼器數(shù)字轉(zhuǎn)換器顯示出優(yōu)越的性能優(yōu)勢。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述實(shí)施例僅為解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征，只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。