磁编码器及其环路采样方法与流程

1.本发明涉及电机编码器技术领域，尤其是指一种磁编码器及其环路采样方法。

背景技术：

2.编码器是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器把角位移或直线位移转换成电信号，前者称为码盘，后者称为码尺。按照读出方式编码器可以分为接触式和非接触式两种；按照工作原理编码器可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关。
3.编码器的最重要指标主要取决于原始信号及分辨率以及信号采样的分辨率，现有技术的磁编码器的结构如图1所示，其包括磁铁、amr传感器(磁性传感器)、硬件放大电路和mcu(微控制单元)，磁铁用于提供磁场信号，磁场信号作用于amr传感器，amr传感器用于将磁铁角度θ的0～360度转化为正余弦信号，经由amr传感器输出的正余弦信号经过硬件放大电路放大后直接进入mcu中进行信号解算，由于编码器上采样ad多为12～16位，这就导致磁编码器分辨率不足，限制了编码器位数的提升，而16位以上的高速高精度ad价格过于昂贵，大大降低了产品性价比，而且模数转换器采样存在额外噪声。
4.因此，迫切需要提供一种低成本磁编码器，从而能够大大提升信号处理精度及分辨率。

技术实现要素：

5.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术存在的问题，提出一种磁编码器及其环路采样方法，其在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率的模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而提升磁编码器的分辨率和精度。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种磁编码器，包括：
7.磁铁，其用于产生磁场；
8.磁性传感器，其用于将磁场转化为正余弦信号；
9.第一级放大电路，其用于将正余弦信号进行放大得到第一信号；
10.减法器，其用于将输入的第一信号和第二信号作差得到其差值并输出；
11.第二级放大电路，将减法器输出的差值进行放大；
12.微控制单元，其包括adc模数转换器、运算单元和dac数模转换器，所述adc模数转换器用于对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出值，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。
13.在本发明的一个实施例中，所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。
14.在本发明的一个实施例中，减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。
15.在本发明的一个实施例中，差值β经过第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。
16.在本发明的一个实施例中，第一信号与第二信号的差值经放大后输入至微控制单元的adc模数转换器，经过adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。
17.此外，本发明还提供一种如上述所述的磁编码器的环路采样方法，包括以下步骤：
18.磁铁产生磁场，磁场作用于磁性传感器，磁性传感器将磁场转化为正余弦信号；
19.正余弦信号经过第一级放大电路放大后得到第一信号，第一信号与第二信号进入减法器，将第一信号与第二信号作差得到其差值并输出；
20.第一信号与第二信号的差值通过第二级放大电路放大后进入微控制单元，微控制单元的adc模数转换器对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。
21.在本发明的一个实施例中，所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。
22.在本发明的一个实施例中，减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。
23.在本发明的一个实施例中，差值β经过第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。
24.在本发明的一个实施例中，第一信号与第二信号的差值经放大后输入至微控制单元的adc模数转换器，经过adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。
25.本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：
26.本发明提出的一种磁编码器及其环路采样方法，其使用低分辨率adc模数转换器实现高分辨率adc模数转换器，能够大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而实现高分辨率的磁编码器。
附图说明
27.为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
28.图1为现有技术磁编码器的结构示意图。
29.图2为本发明所提供的一种磁编码器的结构示意图。
30.图3为本发明所提供的减法器与第二级放大电路的电路原理示意图。
31.图4为本发明所提供的正余弦信号示意图。
32.图5为本发明所提供的一种磁编码器的环路采样方法的流程示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以
更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
34.请参考图2所示，本发明实施例所提供的一种磁编码器，包括磁铁、磁性传感器、第一级放大电路、减法器和微控制单元，其中：
35.磁铁，其用于产生磁场；
36.磁性传感器，其用于将磁场转化为正余弦信号；
37.第一级放大电路，其用于将正余弦信号进行放大得到第一信号；
38.减法器，其用于将输入的第一信号和第二信号作差得到其差值并输出；
39.第二级放大电路，将减法器输出的差值进行放大；
40.微控制单元，其包括adc模数转换器、运算单元和dac数模转换器，所述adc模数转换器用于对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出值，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。
41.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。
42.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，其在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率的模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而提升磁编码器的分辨率和精度。
43.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，由于所述第二信号为所述第一信号的接近值，因此所述第一信号与所述第二信号的差值很小，通常小于0.33v。因此本发明所提供的一种磁编码器通过第二级放大电路将第一信号与第二信号的差值进行放大，以方便微控制单元的处理。
44.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，所述减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。
45.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，差值β经过第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。
46.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，第一信号与第二信号的差值经放大后输入至所述微控制单元的所述adc模数转换器，经过所述adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值：(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。
47.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。
48.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，上述所述第一级放大电路可以采用现有技术的运算放大电路，关于现有技术的运算放大电路的电路结构及其原理本发明在这里不做赘述。
49.在本发明实施例公开的一种磁编码器中，上述所述减法器和第二级放大电路可以采用现有技术的电路，例如图3所提供的电路，本发明在这里不做赘述。
50.本发明所采用的磁编码器的结构与传统的磁编码器的结构相比，本发明中磁铁产生磁场，磁场作用于磁性传感器(amr传感器)，磁性传感器主要将磁铁角度θ的0～360度转化为正余弦信息sin(2*θ)和cos(2*θ)，如图4所示。
51.对于传统方案，图4中的信号经过16位模数转换器(adc)采样细分，由于每周有两个正余弦信号，那么，磁编码器的位数为：
[0052]216
×
2＝17
[0053]
由于16位模数转换器(adc)的量化误差为δб，那么，微控制单元(mcu)得到的值为：sin+δб。
[0054]
对于本发明的方案，首先，以正弦信号sin为例，其范围通常为0～3.3v，其为微控制单元(mcu)的ad口能够承受的电压范围，首先，将sin值(第一信号)与da输出值(第二信号)作差，得到：
[0055]
sin-da＝β
[0056]
dac输出值由程序控制，其为sin值的接近值，那么，β值很小，通常：
[0057]
β《0.33v
[0058]
因此，减法器的输出值为β，经过第二级放大电路放大n倍，那么：
[0059]
nβ＝(sin-da)*n
[0060]
放大后的信号进入mcu的adc，经过adc转换后，mcu得到的值为引入量化误差δб后的值：
[0061]
(sin-da)*n+δб
[0062]
在mcu中转化为16为adc对应的采样值，即采样值除以n，再增加上周其dac的输出值，得到：sin+δб/n。
[0063]
由此，与传统方案相比，adc的量化误差缩小n倍，分辨率提升n倍，假定2n＝n，adc的分辨率提高n位，且磁编码器的分辨率变为17+n。
[0064]
假定基准电压是3.3v，被采样信号(第一信号)是2.5v，若模数转换器adc是16位分辨率，对于传统采样方式，2.5/3.3*65535＝49648.4848,则采样结果为49648。
[0065]
对于本发明所提出的采样方法而言，若数模转换器dac是12位分辨率，则49648*4096/65536＝3103，49648对应的数模转换器dac的值为3103。数模转换器dac的输出结果为：3103/4096*3.3v＝2.49997559v；减法器输出的差值为：0.00002441v；假设第二级放大倍数为16，则模数转换器adc的采样电压为0.00002441*16＝0.00039062v；0.00039062/3.3*65536＝7.757576，则模数转换器adc的采样结果为8。加上49648对应20位的值794376，得794376。该值即是该采样方法的的采样结果为20位分辨率，对应到16位的值为794376/24＝79648.5，其比79648更精确。
[0066]
由于模数转换器adc的采样结果只能是整数，这就带来了量化误差，误差小于1，若将被采样的信号扩大n倍，经模数转换器adc采样后，在mcu中除以n，则量化误差缩小n倍，即有效分辨率扩大n倍。
[0067]
本发明提出的一种磁编码器，其在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率的模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而提升磁编码器的分辨率和精度。
[0068]
对于更低位数adc模数转换器，如12位adc，该方法对采样分辨率的提升更明显。
[0069]
相应于上述磁编码器的实施例，本发明实施例还提供一种磁编码器的环路采样方法，该方法基于上述实施例的磁编码器实现。
[0070]
下面对本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法进行介绍，下文描述的一种磁编码器的环路采样方法基于上述实施例的磁编码器实现，其与上文描述的一种磁编码器可相互对应参照。
[0071]
请参阅图5所示，本发明实施例还提供一种如上述所述的磁编码器的环路采样方法，包括以下步骤：
[0072]
s101：磁铁产生磁场，磁场作用于磁性传感器，磁性传感器将磁场转化为正余弦信号；
[0073]
s102：正余弦信号经过第一级放大电路放大后得到第一信号，第一信号与第二信号进入减法器，将第一信号与第二信号作差得到其差值并输出；
[0074]
s103：第一信号与第二信号的差值通过第二级放大电路放大后进入微控制单元，微控制单元的adc模数转换器对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。
[0075]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，其在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率的模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而提升磁编码器的分辨率和精度。
[0076]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。
[0077]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，所述减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。
[0078]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，差值β经过所述第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。
[0079]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，放大后的差值输入至所述微控制单元的所述adc模数转换器，经过所述adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值：(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。
[0080]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，上述所述第一级放大电路可以采用现有技术的运算放大电路，关于现有技术的运算放大电路的电路结构及其原理本发明在这里不做赘述。
[0081]
在本发明实施例公开的一种磁编码器的环路采样方法中，上述所述减法器和第二级放大电路可以采用现有技术的电路，例如图3所提供的电路，本发明在这里不做赘述。
[0082]
本发明所采用的采样方法与传统的采样方法相比，本发明磁铁产生磁场，磁场作用于磁性传感器(amr传感器)，磁性传感器主要将磁铁角度θ的0～360度转化为正余弦信息sin(2*θ)和cos(2*θ)，如图4所示。
[0083]
对于传统方案，图4中的信号经过16位模数转换器(adc)采样细分，由于每周有两个正余弦信号，那么，磁编码器的位数为：
[0084]216
×
2＝17
[0085]
由于16位模数转换器(adc)的量化误差为δб，那么，微控制单元(mcu)得到的值为：sin+δб。
[0086]
对于本发明的方案，首先，以正弦信号sin为例，其范围通常为0～3.3v，其为微控制单元(mcu)的ad口能够承受的电压范围，首先，将sin值(第一信号)与da输出值(第二信号)作差，得到：
[0087]
sin-da＝β
[0088]
dac输出值由程序控制，其为sin值的接近值，那么，β值很小，通常：
[0089]
β《0.33v
[0090]
因此，减法器的输出值为β，经过第二级放大电路放大n倍，那么：
[0091]
nβ＝(sin-da)*n
[0092]
放大后的信号进入mcu的adc，经过adc转换后，mcu得到的值为引入量化误差δб后的值：
[0093]
(sin-da)*n+δб
[0094]
在mcu中转化为16为adc对应的采样值，即采样值除以n，再增加上周其dac的输出值，得到：sin+δб/n。
[0095]
由此，与传统方案相比，adc的量化误差缩小n倍，分辨率提升n倍，假定2n＝n，adc的分辨率提高n位，且磁编码器的分辨率变为17+n。
[0096]
因此，本发明提出的一种磁编码器的环路采样方法，其在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率的模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，从而提升磁编码器的分辨率和精度。
[0097]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

技术特征：

1.一种磁编码器，其特征在于，包括：磁铁，其用于产生磁场；磁性传感器，其用于将磁场转化为正余弦信号；第一级放大电路，其用于将正余弦信号进行放大得到第一信号；减法器，其用于将输入的第一信号和第二信号作差得到其差值并输出；第二级放大电路，将减法器输出的差值进行放大；微控制单元，其包括adc模数转换器、运算单元和dac数模转换器，所述adc模数转换器用于对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出值，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。2.如权利要求1所述的一种磁编码器，其特征在于：所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。3.如权利要求1或2所述的一种磁编码器，其特征在于：减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。4.如权利要求3所述的一种磁编码器，其特征在于：差值β经过第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。5.如权利要求4所述的一种磁编码器，其特征在于：第一信号与第二信号的差值经放大后输入至微控制单元的adc模数转换器，经过adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。6.一种如权利要求1-5任一项所述的磁编码器的环路采样方法，其特征在于，包括以下步骤：磁铁产生磁场，磁场作用于磁性传感器，磁性传感器将磁场转化为正余弦信号；正余弦信号经过第一级放大电路放大后得到第一信号，第一信号与第二信号进入减法器，将第一信号与第二信号作差得到其差值并输出；第一信号与第二信号的差值通过第二级放大电路放大后进入微控制单元，微控制单元的adc模数转换器对差值进行采样，将差值加上上一周期dac数模转换器的输出，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到dac数模转换器的输出值。7.如权利要求6所述的一种磁编码器的环路采样方法，其特征在于：所述第二信号为adc模数转换器的采样结果加上上一周期dac数模转换器的输出值并通过移位得到的dac数模转换器的输出值。8.如权利要求6或7所述的一种磁编码器的环路采样方法，其特征在于：减法器将第一信号与第二信号作差，得到差值β＝sin-da，其中sin表示第一信号，da表示第二信号。9.如权利要求8所述的一种磁编码器的环路采样方法，其特征在于：差值β经过第二级放大电路进行放大，得到nβ＝(sin-da)*n，其中n表示放大倍数。10.如权利要求9所述的一种磁编码器的环路采样方法，其特征在于：第一信号与第二信号的差值经放大后输入至微控制单元的adc模数转换器，经过adc模数转换器转换后，得到的输出值为引入量化误差后的值(sin-da)*n+δб，其中δб表示量化误差。

技术总结

本发明涉及一种磁编码器，包括磁铁产生磁场；磁性传感器将磁场转化为正余弦信号；第一级放大电路将正余弦信号进行放大得到第一信号；减法器将第一信号和第二信号作差得到其差值输出；第二级放大电路将差值进行放大；微控制单元包括ADC模数转换器、运算单元和DAC数模转换器，ADC模数转换器对差值进行采样，将差值加上上一周期DAC数模转换器的输出值，得到高分辨率采样结果，并通过移位得到DAC数模转换器的输出值。本发明在不增加成本的情况下利用低分辨率模数转换器实现高分辨率模数转换器，大大提升信号处理精度及分辨率，同时减小模数转换器采样过程的额外噪声，提升磁编码器的分辨率和精度。辨率和精度。辨率和精度。