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CN110987032B - 磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质 - Google Patents

磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质 Download PDF

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CN110987032B CN201911340528.2A CN201911340528A CN110987032B CN 110987032 B CN110987032 B CN 110987032B CN 201911340528 A CN201911340528 A CN 201911340528A CN 110987032 B CN110987032 B CN 110987032B
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Abstract

本发明公开了一种磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质，磁编码器包括磁阻传感器、磁场辅助线圈、以及与磁场辅助线圈电连接的线圈电流控制电路，磁阻传感器为平面式元器件，线圈电流控制电路用于向磁场辅助线圈提供电流，以使磁场辅助线圈产生影响第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，辅助磁场影响二维磁场分量形成共同磁场，磁阻传感器用于检测共同磁场、以及被测磁钢的磁场的二维磁场分量。本发明的技术方案中，当对磁场辅助线圈产生的辅助磁场影响二维磁场分量，使得磁阻传感器的检测角度变化可以判别出磁阻传感器面对待测磁钢的N极还是S极，再根据磁阻传感器检测二维磁场分量输出数据，可以计算得出被测磁钢的绝对电角度。

Description

磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质
技术领域
本发明涉及电磁结构及信号处理技术领域，尤其涉及一种磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质。
背景技术
目前，利用磁阻传感器芯片(MR)和各向异性磁阻传感器芯片(AMR)进行角度位置检测的磁编码器已经被用于多种控制系统中，该种磁编码器对被测旋转磁场在切向-轴向平面，或者切向-径向平面，或者径向-轴向平面的磁场分量进行检测，并输出电压信号。但是，由于MR和AMR磁阻传感器只对磁场的量值敏感，而对其极性不敏感，当被测磁钢的磁场旋转360°电角度，即磁场进行一个周期的变化的时候，磁阻传感器的输出信号有两个周期的变化。因此，磁阻传感器的这种信号不是被测磁场的绝对电角度信号，即，现有的磁编码器也就无法对被测磁钢的绝对电角度进行测量。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种磁编码器、绝对电角度检测方法、系统及可读存储介质，旨在解决现有磁编码器无法对被测磁钢的绝对电角度进行精确测量的问题。
为实现上述目的，本发明提出的一种磁编码器，所述磁编码器用于检测被测磁钢产生磁场的二维磁场分量，所述二维磁场分量包括第一方向磁分量和第二方向磁分量，所述磁编码器包括磁阻传感器、磁场辅助线圈、以及与所述磁场辅助线圈电连接的线圈电流控制电路，所述磁阻传感器为平面式元器件，所述线圈电流控制电路用于向所述磁场辅助线圈提供电流，以使所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述二维磁场分量形成共同磁场，所述磁阻传感器用于检测所述共同磁场、以及所述被测磁钢磁场的二维磁场分量。
优选地，所述磁场辅助线圈包括并排设置的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈与所述第二线圈位于同一平面，所述线圈电流控制电路与所述第一线圈和所述第二线圈均电连接，所述线圈电流控制电路用于向所述第一线圈和第二线圈提供电流并控制所述第一线圈和所述第二线圈的电流方向，以产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场。
优选地，所述磁场辅助线圈包括第四线圈和两个并排设置的第三线圈，所述线圈电流控制电路与两个所述第三线圈和所述第四线圈均电连接，所述线圈电流控制电路用于向两个所述第三线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第一方向磁分量的第一干扰磁场；所述线圈电流控制电路用于向所述第四线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第为方向磁场的第一干扰磁场，所述第一干扰磁场和所述第二干扰磁场相互影响形成所述辅助磁场。
本发明还提供了一种基于上述的磁编码器的绝对电角度检测方法，所述磁编码器用于检测被测磁钢产生的磁场的二维磁场分量，所述磁场的二维磁场分量包括第一方向磁分量和第二方向磁分量，其特征在于，所述绝对电角度检测方法包括：
控制所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述磁场的二维磁场分量形成共同磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号确定所述磁编码器的角度位置；
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，并根据所述第二电压信号和反三角公式，计算获得相对电角度值；
根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度。
优选地，所述获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，并根据所述第二电压信号和反三角公式，计算获得相对电角度值的步骤包括：
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，所述第二电压信号包括角度正弦信号和角度余弦信号；
根据所述角度正弦信号、所述角度余弦信号和定标补偿公式计算定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号；
根据所述定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号，计算获得相对电角度值；
其中，所述定标补偿公式为：
Figure GDA0002798237420000031
式中，Vsc(θ)为定标补偿正弦信号，Vcc(θ)为定标补偿余弦信号，Vs(θ)为角度正弦信号，Vc(θ)为角度余弦信号，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vm为预设调整幅值，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
优选地，所述绝对电角度检测方法还包括：
获取所述磁编码器检测的所述被测磁钢旋转一周的周期电压信号；
将所述周期电压信号代入误差计算公式中获得所述电压信号的偏置误差和幅值补偿，并分别存储为预设正弦信号的偏置误差Vs0，预设余弦信号的偏置误差Vc0，预设正弦信号的基波的幅值补偿Vsm，预设余弦信号的基波的幅值补偿Vcm；
所述偏置误差计算公式为
Figure GDA0002798237420000032
所述幅值补偿计算公式为
Figure GDA0002798237420000033
其中，N为信号的周期数，θe为转子的电角度，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vs(θe)为周期电压信号的正弦信号，Vc(θe)为周期电压信号的余弦信号，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
优选地，所述根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度的步骤包括：
根据所述角度位置确定所述磁编码器相对被测磁钢的极性位置；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的N极侧，根据第一角度计算公式计算获得绝对电角度；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的S极侧，根据第二角度计算公式计算获得绝对电角度；
其中，第一角度计算公式为：θ＝θc/2，第二角度计算公式为：θ＝θc/2+180°，θ为绝对电角度，θc为相对电角度值。
优选地，所述控制所述磁编码器的磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号判断所述磁编码器的角度位置的步骤包括：
向所述磁场辅助线圈通入正向电流，以产生正方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一两路信号，并根据所述第一两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第一极性相对电角度θct+和θca+；
向所述磁场辅助线圈通入反向电流，以产生反方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第二两路信号，并根据所述第二两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第二极性相对电角度θct-和θca-；
根据相对电角度值θc与第一极性相对电角度θct+和θca+的关系，和/或第二极性相对电角度θc与第二极性相对电角度θct-和θca-的关系，确定所述角度位置。
本发明还提供一种绝对电角度检测系统，所述绝对电角度检测系统包括磁编码器以及控制装置，所述控制装置包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上的可被所述处理器执行的绝对电角度检测程序，其中，所述绝对电角度检测程序被所述处理器执行时，实现如上所述的绝对电角度检测方法的步骤。
本发明还提供一种可读存储介质，所述可读存储介质上存储有绝对电角度检测程序，其中，所述绝对电角度检测程序被处理器执行时，实现如上所述的绝对电角度检测方法的步骤。
本发明技术方案中，磁阻传感器为平面式元器件，便于安装；通过设置磁场辅助线圈产生磁阻传感器能够感受到的辅助磁场，以影响被测磁钢的磁场的二维磁场分量，从而使得磁阻传感器的检测的角度发生变化，当对磁场辅助线圈中输入电流后，从磁阻传感器的角度变化可以判别出磁阻传感器面对待测磁钢的N极还是S极，再根据被测磁钢的位置和磁阻传感器检测出来的输出电压，就可以计算得出被测磁钢的绝对电角度。
附图说明
图1为本发明实施例方案中涉及的系统的硬件结构示意图；
图2为本发明一种实施例中磁编码器的结构示意图；
图3为本发明一种实施例中磁阻传感器和第三线圈的结构示意图；
图4为本发明一种实施例中磁阻传感器和第四线圈的结构示意图；
图5为在第三线圈作用下磁阻传感器感受的磁场的示意图；
图6为在第四线圈作用下磁阻传感器感受的磁场的示意图；
图7为本发明一种实施例中磁阻传感器和第六线圈的结构示意图；
图8为在第六线圈作用下磁阻传感器感受的磁场的示意图；
图9为被测磁钢和磁编码器的结构示意图；
图10为本发明绝对电角度检测方法第一实施例的流程示意图；
图11为本发明根据所述磁编码器的位置对所述角度值进行计算获得绝对电角度的步骤的流程细化示意图；
图12为本发明绝对电角度检测方法第三实施例中步骤S300的流程示意图；
图13为本发明绝对电角度检测方法第三实施例中步骤S100的流程示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例涉及的绝对电角度检测方法主要应用于绝对电角度测试系统，用于检测转子磁钢的绝对电角度，绝对电角度测试系统包括磁编码器、系统控制器、存储器。
参照图1，图1为本发明实施例方案中涉及的系统结构示意图。本发明实施例中，控制器可以包括处理器1001(例如CPU)，通信总线1002，用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信；用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)；网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如WI-FI接口)；存储器1005可以是高速RAM存储器，也可以是稳定的存储器(non-volatile memory)，例如磁盘存储器，存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
可选地，控制器还可以包括摄像头、RF(Radio Frequency，射频)电路，传感器、音频电路、Wi-Fi模块等等。其中，传感器比如光传感器、运动传感器以及其他传感器。具体地，光传感器可包括环境光传感器及接近传感器，其中，环境光传感器可根据环境光线的明暗来调节显示屏的亮度，接近传感器可在移动控制器移动到耳边时，关闭显示屏和/或背光。作为运动传感器的一种，重力加速度传感器可检测各个方向上(一般为三轴)加速度的大小，静止时可检测出重力的大小及方向，可用于识别移动控制器姿态的应用(比如横竖屏切换、相关游戏、磁力计姿态校准)、振动识别相关功能(比如计步器、敲击)等；当然，移动控制器还可配置陀螺仪、气压计、湿度计、温度计、红外线传感器等其他传感器，在此不再赘述。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的硬件结构并不构成对设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
继续参照图1，图1中作为一种可读存储介质的存储器1005可以包括操作系统、网络通信模块以及绝对电角度检测程序。
在图1中，网络通信模块主要用于连接服务器，与服务器进行数据通信；而处理器1001可以调用存储器1005中存储的绝对电角度检测程序，并执行以下步骤：
控制所述磁编码器的磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述被测磁钢的磁场的二维磁场分量和所述辅助磁场形成共同磁场；
控制所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述磁场的二维磁场分量形成共同磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号确定所述磁编码器的角度位置；
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，并根据所述第二电压信号和反三角公式，计算获得相对电角度值；
根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的绝对电角度检测程序，并执行以下步骤：
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，所述第二电压信号包括角度正弦信号和角度余弦信号；
根据所述角度正弦信号、所述角度余弦信号和定标补偿公式计算定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号；
根据所述定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号，计算获得相对电角度值；
其中，所述定标补偿公式为：
Figure GDA0002798237420000071
Vsc(θ)为定标补偿正弦信号，Vcc(θ)为定标补偿余弦信号，Vs(θ)为角度正弦信号，Vc(θ)为角度余弦信号，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vm为预设调整幅值，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的绝对电角度检测程序，并执行以下步骤：
获取所述磁编码器检测的所述被测磁钢旋转一周的周期电压信号；
将所述周期电压信号代入误差计算公式中获得所述电压信号的偏置误差和幅值补偿，并分别存储为预设正弦信号的偏置误差Vs0，预设余弦信号的偏置误差Vc0，预设正弦信号的基波的幅值补偿Vsm，预设余弦信号的基波的幅值补偿Vcm；
所述偏置误差计算公式为
Figure GDA0002798237420000072
所述幅值补偿计算公式为
Figure GDA0002798237420000081
其中，N为信号的周期数，θe为转子的电角度，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vs(θe)为周期电压信号的正弦信号，Vc(θe)为周期电压信号的余弦信号，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的绝对电角度检测程序，并执行以下步骤：
根据所述角度位置确定所述磁编码器相对被测磁钢的极性位置；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的N极侧，根据第一角度计算公式计算获得绝对电角度；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的S极侧，根据第二角度计算公式计算获得绝对电角度；
其中，第一角度计算公式为：θ＝θc/2，第二角度计算公式为：θ＝θc/2+180°，θ为绝对电角度，θc为相对电角度值。
进一步地，处理器1001可以调用存储器1005中存储的绝对电角度检测程序，并执行以下步骤：
向所述磁场辅助线圈通入正向电流，以产生正方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一两路信号，并根据所述第一两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第一极性相对电角度θct+和θca+；
向所述磁场辅助线圈通入反向电流，以产生反方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第二两路信号，并根据所述第二两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第二极性相对电角度θct-和θca-；
根据相对电角度值θc与第一极性相对电角度θct+和θca+的关系，和/或第二极性相对电角度θc与第二极性相对电角度θct-和θca-的关系，确定所述角度位置。
基于上述控制器的硬件结构，提出本发明绝对电角度检测方法的各个实施例。
在本发明中，磁阻传感器用于检测二维磁场分量，即可以是被测磁钢的切向-轴向磁分量，也可以是被测磁钢的径向-切向磁分量，还可以是被测磁钢的径向-轴向磁分量，为描述方便，本发明以下实施例中，以磁阻传感器检测轴向-切向磁分量为例进行说明。本领域技术人员可以理解的是，本发明在针对径向-切向磁分量或径向-轴向磁分量进行检测时，仅需要调整磁阻传感器的检测平面与被测磁分量在同一平面，并根据磁场辅助线圈的绕线方向和相对位置关系，适应性的调整磁场辅助线圈与被测磁钢相对位置关系、通入电流方向即可实现。为描述方便，本发明以下实施例中，切向磁场、轴向磁场和径向磁场均表示磁场中切向磁分量分布、轴向磁分量分布和径向磁分量分布，而非独立存在的磁场。
请参照图2至图8，本发明的一实施例中，磁编码器1用于检测被测磁钢产生的磁场的二维磁场分量，所述磁场的二维磁场分量包括第一方向磁分量和第二方向磁分量，磁编码器1包括磁阻传感器2、磁场辅助线圈(未标示)以及与磁场辅助线圈电连接的线圈电流控制电路(未图示)，磁阻传感器2为平面式元器件，磁阻传感器为平面式元器件，线圈电流控制电路用于向磁场辅助线圈提供电流，以使磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述磁场的二维磁场分量形成共同磁场，所述磁阻传感器用于检测所述共同磁场、以及所述被测磁钢的磁场的二维磁场分量。
在本实施例中，磁阻传感器为平面式元器件，磁阻传感器和磁场辅助线圈叠设。磁阻传感器用于检测二维磁场分量，即可以是被测磁钢的切向和轴向，也可以是被测磁钢的径向和切向，还可以是被测磁钢的径向和轴向，在本实施例中的所述第一方向磁分量和第二方向磁分量可以分别为切向磁分量和轴向磁分量。
磁阻传感器为MR传感器或AMR传感器，被测磁钢4的轴向磁分量和切向磁分量形成的平面与磁阻传感器2的检测表面平行。磁场辅助线圈能够产生辅助磁场，以影响被测磁钢4的切向磁分量和轴向磁分量，形成共同磁场。当磁场辅助线圈有电流通过时，产生的磁场影响原待测磁钢的磁场，使得磁阻传感器2检测到被测磁场的角度的变化，由于磁阻传感器2面对的磁钢的N极和S极检测到的角度变化不同，从而可根据到被测磁场的角度的变化来判断被测磁场的极性，即，以此来判断磁阻传感器2所面对的磁钢的磁极是N极还是S极。如图9所示，磁编码器1与被测磁钢4的位置相对，图9(c)的坐标系中I方向为切向，II方向为轴向，III方向为径向。其中，被测磁钢4为转子，磁阻传感器2和磁场辅助线圈可以是分开的器件，也可以是通过集成的方式集成在一起的器件。在一种实施例中，磁场辅助线圈通过PCB实现；在另一种实施例中，通过将磁场辅助线圈设置在磁阻传感器2的封装底座上来实现；在又一种实施例中，磁阻传感器2与磁场辅助线圈集成在一起，形成一个总的芯片，能够简化磁编码器1的结构，减少检测的电路所需要的PCB的面积，从而简化检测的电路的安装和调试。
当被测磁钢4的磁极对数为一的时候，本发明能够利用磁阻传感器2对被测磁钢4的轴向磁分量和切向磁分量进行检测，并且利用磁场辅助线圈的磁场和信号处理技术计算出转子绝对机械角度位置；当被测磁钢4的磁钢磁极对数大于一的时候，本发明能够直接利用磁阻传感器2的轴向和切向磁分量进行检测，并且算出被测磁钢4的相对电角度的值；或者进一步利用磁场辅助线圈对磁场的影响和信号处理技术计算出被测磁钢4绝对电角度。
本发明技术方案中，磁阻传感器为平面式元器件，便于安装；通过设置磁场辅助线圈产生磁阻传感器能够感受到的辅助磁场，以影响被测磁钢的磁场的二维磁场分量，从而使得磁阻传感器的检测的角度发生变化，当对磁场辅助线圈中输入电流后，从磁阻传感器的角度变化可以判别出磁阻传感器面对待测磁钢的N极还是S极，再根据被测磁钢的位置和磁阻传感器检测出来的输出电压，就可以计算得出被测磁钢的相对电角度、绝对电角度、绝对机械角度。
请参照图2，磁场辅助线圈包括并排设置的第一线圈31和第二线圈32，第一线圈31与第二线圈32位于同一平面，线圈电流控制电路与第一线圈31和第二线圈32均电连接，线圈电流控制电路用于向所述第一线圈31和第二线圈32提供电流并控制所述第一线圈31和所述第二线圈32的电流方向，以产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场。当第一线圈31的电流为顺时针电流，第二线圈32的电流为逆时针电流时，磁阻传感器2能够感受到第一线圈31和第二线圈32配合产生的切向磁场；当第一线圈31的电流和第二线圈32的电流均顺时针电流时，磁阻传感器2能够感受到第一线圈31和第二线圈32配合产生的轴向磁场。在本实施例中，通过改变相邻的第一线圈31和第二线圈32的电流关系能够分别实现切向磁场和轴向磁场的辅助的效果。其中，第一线圈31和第二线圈32可以是单层线圈，也可以是双层线圈。当第一线圈31和第二线圈32均为双层线圈时，如图2(a)所示，绕组AX中位于第一层(1)的端部A0与第二层(2)的端部A0相连接；绕组CZ中位于第一层(1)的端部Z0与第二层(2)的端部Z0通过连接孔相连，图2(a)中，绕组AX的电流方向为顺时针，而CZ的则为逆时针；这时候的绕组磁场对MR的影响为切向的；图2(b)中，绕组AX的电流方向仍然为顺时针，而CZ的也为顺时针，这时候的绕组磁场对MR的影响为轴向的。
进一步地，请参照图3和图4，在另一种实施例中，磁场辅助线圈包括第四线圈34和两个并排设置的第三线圈33，线圈电流控制电路与两个第三线圈33和第四线圈34均电连接，线圈电流控制电路用于向两个所述第三线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第一方向磁分量的第一干扰磁场；所述线圈电流控制电路用于向所述第四线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第二方向磁分量的第一干扰磁场，所述第一干扰磁场和所述第二干扰磁场相互影响形成所述辅助磁场。第一干扰磁场影响切向磁场，即使得切向上磁分量增加或减小，第二干扰磁场影响轴向磁场，即使得轴向上磁分量增加或减小，在本实施例中，通过两个第三线圈33和第四线圈34能够分别实现切向磁场和轴向磁场的辅助的效果。其中，第三线圈33和第四线圈34可以是单层线圈，也可以是双层线圈。
如图3(a)所示，第三线圈33为单层线圈，其中A1和X1跳线电连接。如图3(b)，第三线圈33为双层线圈，第一层(1)的A0和X0分别与第二层(2)的A0和X0通过连接孔电连接。当电流分别从A通向X的时候，图3(a)和图3(b)所示的两种线圈所产生的磁场与磁阻传感器2的关系分别如图5(a)和图5(b)所示，无论是单层线圈还是双层线圈，在磁阻传感器2的位置上所感受到的它们所产生的磁场为I，I磁场的方向为切向的。如图4(a)所示，第四线圈34为单层线圈，需要外接导线把B和Y相接。如图4(b)，第四线圈34为双层线圈，第一层(1)的Y0分别与第二层(2)的Y0通过连接孔电连接。当电流分别从B通向Y的时候，图4(a)和图4(b)所示的两种绕组所产生的磁场与磁阻传感器2的关系分别如图6(a)和图6(b)所示，无论是单层线圈还是双层线圈，在磁阻传感器2的位置上所感受到的它们所产生的磁场为II，其方向为轴向的。
另外，请参照图7，在又一种实施例中，磁场辅助线圈包括并排设置的两个第五线圈、以及并排设置的第六线35，两个第五线圈位于同一平面，两个第六线圈35位于同一平面，线圈电流控制电路与两个第五线圈和两个第六线圈35均电连接，线圈电流控制电路用于向两个第五线圈提供反向电流以产生相对于磁阻传感器2的切向磁场；线圈电流控制电路用于向两个第六线圈35提供同向电流以产生相对于磁阻传感器2的轴向磁场。两个第五线圈均设置在磁阻传感器2的上方或下方，两个第六线圈35均设置在磁阻传感器2的上方或下方，线圈电流控制电路可以使两个第五线圈产生反向电流，此时，磁阻传感器2能够感受到两个第五线圈配合产生的切向磁场。；两个第六线圈35均设置磁阻传感器2的下方或上方，而线圈电流控制电路可以向两个第六线圈35提供同向电流，此时，磁阻传感器2能够感受到两个第六线圈35产生的轴向磁场，在本实施例中，通过两个第五线圈和两个第六线圈35能够分别实现切向磁场和轴向磁场的辅助的效果。其中，第五线圈和第六线圈35可以是单层线圈，也可以是双层线圈。
其中，两个第五线圈的设置情况与上文的两个第三线圈33的设置情况一致，在次不再赘述。两个第六线圈35的设置如图7(a)和图7(b)所示，两个第六线圈35构成双边线圈，其中B0和Y0可以用图7(a)所示的单层线圈来实现，也可以用图7(b)所示的双层线圈来实现；在图7(b)中，第一层(1)的端部B0和Y0分别与第二层(2)的端部B0和Y0通过连接孔相连。当电流分别从B通向Y的时候，图8显示了单层线圈的磁场情况，在磁阻传感器2的位置上所感受到的磁场为II，II磁场的方向为轴向的。
本发明提供一种绝对电角度检测方法，请参照图10，在本发明第一实施例中，绝对电角度检测方法包括以下步骤：
步骤S100，控制所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述二维磁场分量形成共同磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号确定所述磁编码器的角度位置；
通过线圈电流控制电路控制流经辅助磁场的电流和电流方向，以使得磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场。
具体地，将磁编码器安装于被测磁钢的磁场区域，采用上文所述的磁编码器对被测磁钢的角度位置进行检测，磁编码器能够输出对应的第一电压信号。由于磁场辅助线圈能够产生影响切向磁分量和轴向磁分量的磁场，使得磁阻传感器感受到切向和轴向的磁场的变化，而轴向磁场和切向磁场在N极和S极磁场的情况下对磁阻传感器的角度的影响正好不同的，因此，在获得被测磁钢的电压信号后，根据磁阻传感器的角度变化可以判断出磁阻传感器面对待测磁钢的N极还是S极。
步骤S200，获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，并根据所述第二电压信号和反三角公式，计算获得相对电角度值；
具体地，第二电压信号包括角度正弦信号和角度余弦信号，根据反三角公式，可计算出相对电角度值。
步骤S300，根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度。
在确定出磁编码器的角度位置以及计算出相对电角度值后，可以计算获得被测磁钢的绝对电角度。
本发明技术方案中，通过磁场辅助线圈产生磁场，使得磁阻传感器能够感受到的切向磁分量和轴向磁分量变化，切向磁分量和轴向磁分量对传感器的检测的角度的影响，在N极和S极磁场的情况下正好是不同的，因此，当对磁场辅助线圈中输入电流后，根据磁编码器输出的电压信号可以判别出磁阻传感器面对待测磁钢的N极还是S极，再根据磁编码器输出的电压信号，极端获得定标信号，根据定标信号计算出角度值，再根据被测磁钢的位置选用不同的公式对角度值进行计算得出被测磁钢的绝对电角度。
请参照图11，图11为本发明绝对电角度检测方法第二实施例中步骤S200的流程细化示意图；基于上述实施例，步骤S200包括：
步骤S210，获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，所述第二电压信号包括角度正弦信号和角度余弦信号；
步骤S220，根据所述角度正弦信号、所述角度余弦信号和定标补偿公式计算定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号；
步骤S230，根据所述定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号，计算获得相对电角度值；
其中，所述定标补偿公式为：
Figure GDA0002798237420000141
式中，Vsc(θ)为定标补偿正弦信号，Vcc(θ)为角度正弦信号，Vs(θ)为检测的正弦信号，Vc(θ)为角度余弦信号，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vm为预设调整幅值，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
在每次进行检测前或安装第一次上电后，预先进行定标处理，以在控制器中将预先设置偏置误差，偏置误差是通过定标处理得到的。而在获得磁编码器的检测的电压信号后，可以根据电压的正弦信号和余弦信号的曲线得到正弦信号和余弦信号的基波的幅值补偿Vsm和Vcm。而Vm是在获得正弦信号和余弦信号的基波的补偿幅值后，将正弦信号和余弦信号的基波的幅值调整为一致得到的值。
在对被测磁钢的绝对电角度进行测量前，需要先对磁编码器进行补偿，以减少磁编码器的误差，绝对电角度检测方法还包括：
获取所述磁编码器检测的所述被测磁钢旋转一周的周期电压信号；
具体地，可以控制被测磁钢转动一周，磁编码器测量被测磁钢在这一周的电压信号，再将被测磁钢旋转一周的电压信号代入误差计算公式中进行计算获得片值误差，再将计算出来的偏置误差存储起来，以用来进行定标信号。
将所述周期电压信号代入误差计算公式中获得所述电压信号的偏置误差和幅值补偿，并分别存储为预设正弦信号的偏置误差Vs0，预设余弦信号的偏置误差Vc0，预设正弦信号的基波的幅值补偿Vsm，预设余弦信号的基波的幅值补偿Vcm；
所述偏置误差计算公式为
Figure GDA0002798237420000142
所述幅值补偿计算公式为
Figure GDA0002798237420000143
其中，N为信号的周期数，θe为转子的电角度，Vs0为正弦信号的偏置误差，Vc0为余弦信号的偏置误差，Vs(θe)为周期电压信号的正弦信号，Vc(θe)为周期电压信号的余弦信号，Vsm为正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为余弦信号的基波的幅值补偿。
具体地，请参照图12，图12为本发明根据所述磁编码器的位置对所述角度值进行计算获得绝对电角度的步骤的流程细化示意图；基于上述实施例，步骤S300包括：
步骤S310，根据所述角度位置确定所述磁编码器相对被测磁钢的极性位置；
步骤S320，若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的N极侧，根据第一角度计算公式计算获得绝对电角度；
步骤S330，若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的S极侧，根据第二角度计算公式计算获得绝对电角度；
其中，第一角度计算公式为：θ＝θc/2，第二角度计算公式为：θ＝θc/2+180°，θ为绝对电角度，θc为相对电角度值。
具体地，当磁编码器正对N极磁钢时，可以通过第一角度计算公式计算获得被测磁钢的绝对电角度，第一角度计算公式为：θ＝θc/2，θ为绝对电角度，θc为角度值；当磁编码器正对S极磁钢时，可以通过第二角度计算公式计算获得被测磁钢的绝对电角度，第二角度计算公式为：θ＝θc/2+180°，θ为绝对电角度，θc为角度值。
请参照图13，图13为本发明绝对电角度检测方法中第五实施例中步骤S100流程细化示意图；基于上述实施例，步骤S100包括：
步骤S110，向所述磁场辅助线圈通入正向电流，以产生正方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一两路信号，并根据所述第一两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第一极性相对电角度θct+和θca+；
步骤S120，向所述磁场辅助线圈通入反向电流，以产生反方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第二两路信号，并根据所述第二两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第二极性相对电角度θct-和θca-；
正向电流和反向电流仅用于表示二者电流方向相反，相应的正方向影响和反方向影响也仅仅只是表示两者影响相反，并不代表正方向影响为磁分量增加的影响或反方向影响为磁分量减小影响。例如：当正方向影响表现为切向磁分量增加，则负方向影响为切向磁分量减小；当正方向影响表现为轴向磁分量减小，则负方向影响为切向磁分量增加。
步骤S130，根据相对电角度值θc与第一极性相对电角度θct+和θca+的关系，和/或第二极性相对电角度θc与第二极性相对电角度θct-和θca-的关系，确定所述角度位置。
具体地，若相对电角度值θc与第一极性相对电角度θct+和θca+的关系或第二极性相对电角度θc与第二极性相对电角度θct-和θca-的关系即可确定角度位置，则任选其一判断即可，若单一角度关系不能确定角度位置，则根据另一角度关系确定。
此外，本发明还提供一种可读存储介质。
本发明可读存储介质上存储有绝对电角度检测程序，其中，绝对电角度检测程序被处理器执行时，实现如上述的绝对电角度检测方法的步骤。
其中，绝对电角度检测程序被执行时所实现的方法可参照本发明绝对电角度检测方法的各个实施例，此处不再赘述。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
应当注意的是，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的部件或步骤。位于部件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的部件。本发明可以借助于包括有若干不同部件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.一种磁编码器，所述磁编码器用于检测被测磁钢产生的磁场的二维磁场分量，所述二维磁场分量包括第一方向磁分量和第二方向磁分量，其特征在于，所述磁编码器包括磁阻传感器、至少两个磁场辅助线圈、以及与所述磁场辅助线圈电连接的线圈电流控制电路，所述磁阻传感器为平面式元器件，所述线圈电流控制电路用于向所述磁场辅助线圈提供电流，以使所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述二维磁场分量形成共同磁场，所述磁阻传感器用于检测所述共同磁场、以及所述被测磁钢的磁场的二维磁场分量；
所述磁编码器用于磁编码器的绝对电角度检测方法，所述方法包括：
控制所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述二维磁场分量形成共同磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号确定所述磁编码器的角度位置；
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，并根据所述第二电压信号和反三角公式，计算获得相对电角度值；
根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度。
2.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁场辅助线圈包括并排设置的第一线圈和第二线圈，所述第一线圈与所述第二线圈位于同一平面，所述线圈电流控制电路与所述第一线圈和所述第二线圈均电连接，所述线圈电流控制电路用于向所述第一线圈和第二线圈提供电流并控制所述第一线圈和所述第二线圈的电流方向，以产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场。
3.如权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁场辅助线圈包括第四线圈和两个并排设置的第三线圈，所述线圈电流控制电路与两个所述第三线圈和所述第四线圈均电连接，所述线圈电流控制电路用于向两个所述第三线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第一方向磁分量的第一干扰磁场；所述线圈电流控制电路用于向所述第四线圈提供电流并控制所述电流方向以产生影响所述第二方向磁分量的第二干扰磁场，所述第一干扰磁场和所述第二干扰磁场相互影响形成所述辅助磁场。
4.一种基于权利要求1-3中任一项所述的磁编码器的绝对电角度检测方法，所述磁编码器用于检测被测磁钢产生的磁场的二维磁场分量，所述二维磁场分量包括第一方向磁分量和第二方向磁分量，其特征在于，所述绝对电角度检测方法包括：
控制所述磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，所述辅助磁场影响所述二维磁场分量形成共同磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号确定所述磁编码器的角度位置；
获取磁编码器检测的被测磁钢磁场的二维磁场分量的第二电压信号，所述第二电压信号包括角度正弦信号和角度余弦信号；
根据所述角度正弦信号、所述角度余弦信号和定标补偿公式计算定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号；
根据所述定标补偿正弦信号和定标补偿余弦信号，计算获得相对电角度值；
其中，所述定标补偿公式为：
Figure FDA0003113431560000021
式中，Vsc(θ)为定标补偿正弦信号，Vcc(θ)为定标补偿余弦信号，Vs(θ)为角度正弦信号，Vc(θ)为角度余弦信号，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vm为预设调整幅值，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿；
根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度。
5.如权利要求4所述的绝对电角度检测方法，其特征在于，所述绝对电角度检测方法还包括：
获取所述磁编码器检测的所述被测磁钢旋转一周的周期电压信号；
将所述周期电压信号代入误差计算公式中获得所述电压信号的偏置误差和幅值补偿，并分别存储为预设正弦信号的偏置误差Vs0，预设余弦信号的偏置误差Vc0，预设正弦信号的基波的幅值补偿Vsm，预设余弦信号的基波的幅值补偿Vcm；
所述偏置误差计算公式为
Figure FDA0003113431560000031
所述幅值补偿计算公式为
Figure FDA0003113431560000032
其中，N为信号的周期数，θe为转子的电角度，Vs0为预设正弦信号的偏置误差，Vc0为预设余弦信号的偏置误差，Vs(θe)为周期电压信号的正弦信号，Vc(θe)为周期电压信号的余弦信号，Vsm为预设正弦信号的基波的幅值补偿，Vcm为预设余弦信号的基波的幅值补偿。
6.如权利要求4所述的绝对电角度检测方法，其特征在于，所述根据所述磁编码器的角度位置和所述相对电角度值，计算获得绝对电角度的步骤包括：
根据所述角度位置确定所述磁编码器相对被测磁钢的极性位置；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的N极侧，根据第一角度计算公式计算获得绝对电角度；
若所述极性位置为所述磁编码器位于被测磁钢的S极侧，根据第二角度计算公式计算获得绝对电角度；
其中，第一角度计算公式为：θ＝θc/2，第二角度计算公式为：θ＝θc/2+180°，θ为绝对电角度，θc为相对电角度值。
7.如权利要求6所述的绝对电角度检测方法，其特征在于，所述控制所述磁编码器的磁场辅助线圈产生影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一电压信号，并根据所述第一电压信号判断所述磁编码器的角度位置的步骤包括：
向所述磁场辅助线圈通入正向电流，以产生正方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第一两路信号，并根据所述第一两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第一极性相对电角度θct+和θca+；
向所述磁场辅助线圈通入反向电流，以产生反方向影响所述第一方向磁分量和第二方向磁分量的辅助磁场，获取所述磁编码器检测的共同磁场的第二两路信号，并根据所述第二两路信号、反三角公式和定标补偿公式，计算得到第二极性相对电角度θct-和θca-；
根据相对电角度值θc与第一极性相对电角度θct+和θca+的关系，和/或相对电角度θc与第二极性相对电角度θct-和θca-的关系，确定所述角度位置。
8.一种绝对电角度检测系统，其特征在于，所述绝对电角度检测系统包括磁编码器以及控制装置，所述控制装置包括处理器、存储器、以及存储在所述存储器上的可被所述处理器执行的绝对电角度检测程序，其中，所述绝对电角度检测程序被所述处理器执行时，实现如权利要求4至7中任一项所述的绝对电角度检测方法的步骤。
9.一种可读存储介质，其特征在于，所述可读存储介质上存储有绝对电角度检测程序，其中，所述绝对电角度检测程序被处理器执行时，实现如权利要求4至7中任一项所述的绝对电角度检测方法的步骤。
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