本发明专利技术公开了一种磁编码器数字转换器，其包括有磁编码器、信号处理器、相敏检测器、前馈信号发生器和状态观测器。信号处理器将磁编码器的输出信号进行幅值调理、模数转换；相敏检测器可根据磁编码器输出信号及状态观测器输出的角度估计值，生成包含相位信息的误差信号；前馈信号发生器根据信号处理器的输出信号，计算出状态观测器所需的前馈角速度值；状态观测器根据上述误差信号和前馈角速度值，解调出被测旋转装置的角度和角速度。本发明专利技术可大幅度减小旋转装置连续旋转时解调信号的相位滞后，其解调精度高，抗干扰能力强。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种磁编码器数字转换器，更确切的说，是指一种可实现对磁编码器 输出信号进行解调，并可在伺服控制系统中应用的磁编码器(位置传感器)数字转换器。
技术介绍
磁编码器由线性霍尔或磁阻元件组成，是用于测量旋转角度的传感器。因其结构 简单、体积小、成本低、抗干扰能力及环境适应能力强，在转子位置检测中具有非常重要的 地位。目前，磁编码器数字转换器对信号的解调方案很多，应用最为广泛的是反正切运 算方案和角度跟踪型变换方案。反正切运算方案首先通过反正切运算得到角度信息，再通 过差分得到角速度信息，该方案对噪声信号敏感，精度较差。角度跟踪型变换方案由正余弦 乘法器、误差放大器、相敏解调器、计数器、压控振荡器等组成，通过预设角度估计值，利用 相敏检测器得出实际转角值与估计值之差的正弦值，通过判断该正弦值的正负来调节估计 值，构成闭环回路，使估计值逐渐逼近实际值。该方案精度不高，且存在相位滞后。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种磁编码器数字转换器，该转换器通过引入一种带前馈的 二阶状态观测器，不但可以从磁编码器输出信号中实时解调出被测旋转装置的角度叙/)和 角速度S(T)T而且可以明显改善被测旋转装置转速连续变化时，输出角度和角速度信号的 相位滞后。本专利技术能够实现在变速情况下角度和角速度信息的高精度解调，输出精度比常 规数字解调器输出精度提高几倍以上。本专利技术的一种磁编码器数字转换器，其包括有信号调理器(3)、相敏检测器(4)、 前馈信号发生器(5)和状态观测器(6)；信号调理器(3)由调理器(31)和A/D转换器(32)组成；调理器(31)和A/D转换 器(32)用于将接收的模拟正弦Vs(t)进行幅值调理、模数转换，输出数字正弦Vs(j)；调理 器(31)和A/D转换器(32)用于将接收的模拟余弦V。(t)进行幅值调理、模数转换，输出数 字余弦Vc (j)；相敏检测器(4)由余弦发生器(41)、余弦发生器(42)、A乘法器(43)、B乘法器 (44)、A加法器(妨)组成；余弦发生器(4I)用于产生角度估计值戌刀的余弦值C0s^/)；正 弦发生器(42)用于产生角度估计值的正弦值sin&y) ；A乘法器(43)将接收的数字正弦 Vs(J)与余弦值相乘，输出第一中间量；B乘法器(44)将接收的数字余弦V。(j)与正弦值Sin^(Z)相乘，输出第二中间量;A加法器(45)用第一中间量减去第二中间量获得在第 j时刻的误差E (j)；前馈信号发生器(5)由反正切运算器(51)、B加法器(52)、A状态存储器(53)、C 乘法器(54)、D加法器(55)、C加法器(56)、E乘法器(57)、B状态存储器(58)组成；反正切运算器(51)将接收的数字正弦Vs (j)、数字余弦V。(j)进行反正切运算，输出旋转装置角 度的估计信号《C/); B加法器(52)用接收的旋转装置度的估计信号《(/)减去A状 态存储 器(53)记载的前一时刻j_l的角度估计值《C/-1),输出第三中间变量；C乘法器(54)将接收的第三中间变量与采样周期的倒数*相乘，输出第四中间变量; T表示采样周期；D乘法器(55)将接收的第四中间变量与第一滤波系数相乘，输出第五中间变量；τ表示 滤波时间常数；C加法器(56)将接收的第五中间变量与第六中间变量相加，输出前馈角速 度值^CO ； E乘法器(57)依据B状态存储器(58)记载的前一时刻j_l的前馈角速度值 1)与第二滤波系数％相乘，输出第六中间变量；状态观测器(6)由角速度观测器模块(601)和角度观测器模块(602)组成；所述角速度观测器模块(601)包括有F乘法器(61)、G乘法器(62)、D加法器(63)、 E加法器(64)、C状态存储器(65)；所述的F乘法器(61)内设定有角速度观测器增益系数 K0 ；所述角度观测器模块(602)包括有H乘法器(66)、F加法器(67)、D状态存储器 (69)、I乘法器(68)、G加法器(610)、E状态存储器(611)；所述的H乘法器(66)内设定有 角度观测器增益系数Κω ；F乘法器(61)将接收的误差E(j)与角速度观测器增益系数K0相乘，输出第七 中间量；G乘法器(62)将接收的第七中间量与采样周期T相乘，输出第八中间量；D加法器 (63)依据C状态存储器(65)记载的前一时刻j_l的反馈角速度估计值屯(_/-1)与第九中 间量相加，输出第九中间量；E加法器(64)将前馈信号发生器(5)产生的前馈角速度信号 …(力与第九中间量相加，输出第j时刻的角速度值 (_/_) ；H乘法器(66)将接收的误差E(j) 与角度观测器增益系数、相乘，输出第十中间量；F加法器(67)依据D状态存储器(69)记 载的前一时刻j-Ι的角速度估计值与第十中间量相加，输出第十一中间量；I乘法器 (68)将接收的第十一中间量与采样周期T相乘，输出第十二中间量；G加法器(610)依据E 状态存储器(611)记载的前一时刻j_l的角度估计值叙7_-1)与第十二中间量相加，输出第 j时刻的角度值力())。本专利技术涉及的磁编码器数字转换器优点在于(1)引入线性状态观测器，通过合 理选取增益系数，可实时获取被测旋转装置的角位置和角速度；(2)引入角速度前馈，可大 幅减小被测旋转装置的角速度连续变化时，状态观测器输出角度和转速信号的相位滞后； (3)相敏检测器、状态观测器和前馈信号发生器采用软件代码编译实现，使数字转换器解调 精度高，抗干扰能力强。附图说明图1为本专利技术的结构原理框图；图2为本专利技术的信号调理器的原理框图。图3为本专利技术的相敏检测器原理框图。图4为本专利技术的前馈信号发生器原理框图。图5为本专利技术的状态观测器原理框图。图中 1.旋转装置 2.磁编码器 3.信号调理器31.调 理电路32.模数转换器4.相敏检测器41.余弦发生器42.正弦发生器43. A 乘法器44.B乘法器45.A加法器5.前馈信号发生器51.反正切运算器52. B 加法器53. A状态存储器54. C乘法器55. D乘法器56. C加法器57. E 乘法器58. B状态存储器6.状态观测器601.速度观测器602.角度观测器61. F 乘法器62. G乘法器63. D加法器64. E加法器65. C状态存储器66. H 乘法器67.F加法器68. I乘法器69.D状态存储器610.G加法器611. E状态存储器具体实施例方式下面将结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细说明。本专利技术是一种磁编码器数字转换器，主要包括信号调理器、相敏检测器、状态观测 器和前馈信号发生器。相敏检测器、状态观测器和前馈信号发生器采用软件代码编译实现， 存储于处理器芯片上。信号调理器将磁编码器输出信号进行幅值调理、模数转换；相敏检测 器可根据磁编码器输出信号及状态观测器输出的角度值，生成包含相位信息的误差信号； 前馈信号发生器根据信号调理器的输出信号计算得出状态观测器所需的前馈速度值；状态 观测器根据上述误差信号和前馈速度值，解调出被测旋转装置的角位置和角速度。如图1所示，在本专利技术中，磁编码器2用于将旋转装置1输出的角位置信息转换成 模拟正弦Vs (t)、模拟余弦V。(t)信号输出。Vs (t) =KeSine、Vc(t) = 本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种磁编码器数字转换器，其特征在于：包括有信号调理器（３）、相敏检测器（４）、前馈信号发生器（５）和状态观测器（６）；信号调理器（３）由调理器（３１）和Ａ／Ｄ转换器（３２）组成；调理器（３１）和Ａ／Ｄ转换器（３２）用于将接收的模拟正弦Ｖ↓［ｓ］（ｔ）进行幅值调理、模数转换，输出数字正弦Ｖ↓［ｓ］（ｊ）；调理器（３１）和Ａ／Ｄ转换器（３２）用于将接收的模拟余弦Ｖ↓［ｃ］（ｔ）进行幅值调理、模数转换，输出数字余弦Ｖ↓［ｃ］（ｊ）；相敏检测器（４）由余弦发生器（４１）、余弦发生器（４２）、Ａ乘法器（４３）、Ｂ乘法器（４４）、Ａ加法器（４５）组成；余弦发生器（４１）用于产生角度估计值＊（ｊ）的余弦值ｃｏｓ＊（ｊ）；正弦发生器（４２）用于产生角度估计值＊（ｊ）的正弦值ｓｉｎ＊（ｊ）；Ａ乘法器（４３）将接收的数字正弦Ｖ↓［ｓ］（ｊ）与余弦值ｃｏｓ＊（ｊ）相乘，输出第一中间量；Ｂ乘法器（４４）将接收的数字余弦Ｖ↓［ｃ］（ｊ）与正弦值ｓｉｎ＊（ｊ）相乘，输出第二中间量；Ａ加法器（４５）用第一中间量减去第二中间量获得在第ｊ时刻的误差Ｅ（ｊ）；前馈信号发生器（５）由反正切运算器（５１）、Ｂ加法器（５２）、Ａ状态存储器（５３）、Ｃ乘法器（５４）、Ｄ加法器（５５）、Ｃ加法器（５６）、Ｅ乘法器（５７）、Ｂ状态存储器（５８）组成；反正切运算器（５１）将接收的数字正弦Ｖ↓［ｓ］（ｊ）、数字余弦Ｖ↓［ｃ］（ｊ）进行反正切运算，输出旋转装置角度的估计信号＊↓［ｆ］（ｊ）；Ｂ加法器（５２）用接收的旋转装置度的估计信号＊↓［ｆ］（ｊ）减去Ａ状态存储器（５３）记载的前一时刻ｊ－１的角度估计值＊↓［ｆ］（ｊ－１），输出第三中间变量；Ｃ乘法器（５４）将接收的第三中间变量与采样周期的倒数１／Ｔ相乘，输出第四中间变量＊↓［ｄ］（ｊ）；Ｔ表示采样周期；Ｄ乘法器（５５）将接收的第四中间变量与第一滤波系数ａ↓［１］相乘，输出第五中间变量；τ表示滤波时间常数；Ｃ加法器（５６）将接收的第五中间变量与第六中间变量相加，输出前馈角速度值＊↓［ｆ］（ｊ）；Ｅ乘法器（５７）依据Ｂ状态存储器（５８）记载的前一时刻ｊ－１的前馈角速度值＊↓［ｆ］（ｊ－１）与第二滤波系数ａ↓［２］相乘，输出第六中间变量；状态观测器（６）由角速度观测器模块（６０１）和角度观测器模块（６０２）组成；所述角速度观测器模块（６０１）包括有Ｆ乘法器（６１）、Ｇ乘法器（６２）、Ｄ加法器（６３）、Ｅ加法器（６４）、Ｃ状态存储器（６５）；所述的Ｆ乘法器（６１）内设定有角速度观测器增益系数Ｋ↓［θ］；所述角度观测器模块（６０２）包括有Ｈ乘法器（６６）、Ｆ加法器（６７）、Ｄ状态存储器（６９）、Ｉ乘法器（６８）、Ｇ加法器（６１０）、Ｅ状态存储器（６１１）；所述的Ｈ乘法器（６６）内设定有角度观测器增益系数Ｋ↓［ω］；Ｆ乘法器（６１）将接收的误差Ｅ（ｊ）与角速度观测器增益系数Ｋ↓［θ］相乘，输出第七中间量；Ｇ乘法器（６２）将接收的第七中间量与采样周期Ｔ相乘，输出第八中间量；Ｄ加法器（６３）依据Ｃ状态存储器（６５）记载的前一时刻ｊ－１的反馈角速度估计值＊↓［ｂ］（ｊ－１）与第九中间量相加，输出第九中间量；Ｅ加法器（６４）将前馈信号发生器（５）产生的前馈角速度信号＊↓［ｆ］（ｊ）与第九中间量相加，输出第ｊ时刻的角速度值＊（ｊ）；Ｈ乘法器（６６）将接收的误差Ｅ（ｊ）与角度观测器增益系数Ｋ↓［ω］相乘，输出第十中间量；Ｆ加法器（６７）依据Ｄ状态存储器（６９）记载的前一时刻ｊ－１的角速度估计值＊（ｊ－１）与第十中间量相加，输出第十一中间量；Ｉ乘法器（６８）将接收的第十一中间量与采样周期Ｔ相乘，输出第十二中间量；Ｇ加法器（６１０）依据Ｅ状态存储器（６１１）记载的前一时刻ｊ－１的角度估计值＊（ｊ－１）与第十二中间量相加，输出第ｊ时刻的角度值＊（ｊ）。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴忠，吕绪明，吴云涛，傅安琪，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：11
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