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基于误差补偿原理的高精度磁编码器算法的研究

【摘要】:近些年来,工业自动化产业正以前所未有的速度迅猛发展。编码器作为工业自动化控制系统必不可少的信息测量元件,其需求量逐年攀升。编码器被广泛应用在机床、伺服电机、云台、工业机器人以及电梯等诸多涉及到工控应用的产业领域。常见的光电编码器虽然具有相对较高的精度,但是由于其结构复杂,不易集成,而且容易受到灰尘、油污、水汽、机械振动等外界不良环境的干扰,实际的精度性能并不理想。而且其造价成本偏高,带来了一定的成本负担。磁编码器结构简单,易集成,即使在恶劣的环境条件下依然可以保证稳定的工作输出,在工业控制领域具有很大的应用前景。本课题提出一种基于误差补偿算法的高精度磁编码器模块设计方案,不仅可以有效克服恶劣的外界环境,而且可以提供比普通磁编码器更高的位置反馈精度和更高的稳定性。本文通过对影响磁编码器位置反馈精度的因素进行数学建模分析和理论推导,分别设计出针对性的信号处理以及误差补偿算法来提高其精度。对于相位误差以及幅度不一致问题,采用相位误差补偿以及幅度归一化算法来解决;对于过程噪声所引起的精度损失,采用中值滤波和均值滤波协同处理的方式来解决;对于伺服电机运动过程所产生的动态角度误差,设计针对性的动态角度误差补偿算法来减小其动态误差。本文所设计的高精度磁编码器主要包括信号采集单元、模数转换单元和微控制器单元(Microcontroller Unit,MCU)处理。信号采集单元由四个互相垂直排列线性霍尔传感器组成。为了抑制温度漂移以及磁场的波动引起的感应误差,将四只线性霍尔输出信号两两差分,输出两相模拟信号。两相磁编码器模拟信号经过高速模数转换器的转换,进一步输出对应数字采样信号。两相数字采样信号被送入MCU中,依次经过滤波处理、幅值归一化处理、相位不正交补偿处理以及动态角度误差补偿处理。最终借助坐标旋转数字计算方法(Coordinate Rotation Digital Computer,CORDIC)对前端信号进行角度解码计算。磁编码器最终的对外输出角度为角度解算法所计算的结果与角度误差补偿的结果之和。本文在一块搭载了STM32微处理器芯片的工控开发板上完成算法的有效性验证。结果表明本文所设计的磁编码器算法最终可以使得磁编码器达到10~11 bit分辨率,实时精度误差可降低到±0.2°的范围内。

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