基于高阶多项式的霍尔元件测角解角补偿方法

摘要

本发明涉及一种基于高阶多项式的霍尔元件测角解角补偿方法，属于高集成度高精度小型伺服系统技术领域。本发明的方法已得到工程应用，经试验证明该方法可以有效解决文中基于霍尔传感器的测角装置的角度解算问题；数据源来自于测角装置内部的霍尔传感器采样，计算量小、计算时间短，满足实时性要求；该解算方法适用范围广，可以普遍应用于类似的基于线性霍尔传感器的测角装置中。

说明书

技术领域

本发明属于高集成度高精度小型伺服系统技术领域，具体涉及一种基于高阶多项式的霍尔元件测角解角补偿方法。

背景技术

无人机轻量化小型化的发展趋势，使得作为其重要任务设备的光电吊舱结构尺寸重量等指标也越来越注重小型化的要求。在小型光电吊舱中作为位置、跟踪回路的反馈元件若选型使用单独的角度传感器，一般体积重量较大，在小型吊舱中应用比较困难，因此设计了一种基于霍尔传感器的小型测角装置，用于测量框架角位移，装置原理图见图1。

该装置使用霍尔传感器安装在电机驱动电路板上，电机输出轴端面粘贴两个圆形磁铁。磁铁随电机旋转时，霍尔传感器通过磁感应输出电压信号。

现有的角度解算方法中工程上一般采取一阶线性最小二乘解算法进行角度解算，解算结果如下式：

θ_i＝a₁·U_i+a₀>

其中U_i为当前霍尔元件输出差分电压值，θ_i为当前解算角度值，a₀、a₁分别为解算0阶系数与1阶系数。

由于霍尔元件是焊接于测角电路板上并与电机定子固连，磁铁粘贴在电机输出轴上，这两种安装方式均无法保证较高的安装精度；磁铁粘贴无法保证严格平行关系，因此磁场在两磁铁间并非均匀分布；磁铁随电机旋转时，在两霍尔器件中间并非进行平移动作而是绕电机转轴进行“划弧”运动。以上因素导致一阶线性结算方法得出的解算角误差较大。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何设计一种基于霍尔元件测角解角模型构建与补偿方法，解决在实际应用中，基于霍尔元件的实时测角技术由于磁铁安装误差较大，磁铁磁场不均匀分布，霍尔元件焊接位置精度不高等问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于高阶多项式的霍尔元件测角解角补偿方法，包括以下步骤：

1)、数据采集

将电机定子通过结构工装安装于水平一维转台上，把测角电路上霍尔元件与转台台面固定连接，把转台基座通过悬臂结构工装将电机转轴抱死固定，此时电机定子与转子的相对旋转角度与转台读数相同，顺时针拨动转台台面，直至到达机械限位处，记录当前转台角度值。然后从当前位置开始，使转台步进，并记录每一次转台角度值与霍尔元件电压输出值；

2)、数据处理

(4)每个点对霍尔元件输出采样3000点并取均值作为输出值进行记录，直至到达电机另一侧限位位置；

(5)去除测角死区数据段、非吊舱工作区数据段，选取有效数据段数据作为待补偿数据(U₁,θ₁),(U₂,θ₂)...(U_i,θ_i)...(U_n,θ_n)，其中U_i为当前霍尔元件输出差分电压值，θ_i为当前解算角度值；

(6)设定门限阈值ε₀作为评判测角误差拟合是否到位的标准；

3)、霍尔元件测角解算补偿

使用最小二乘法，对数据处理后得到的测角数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到测角解角模型为：

其中θ_i表示拟合所得解算角度值，a₀、a₁、a₂、a₃分别表示0至3次二次项函数拟合幅值系数，U_i表示当前位置霍尔元件输出电压值；

将测角解角模型带入控制程序后，执行步骤1进行测角数据采集，并在采集的过程中记录控制程序采样解算的角度值，如果利用公式2解算得到的角度值与转台读数角度值之差小于测角误差指标ε₀，则测角解算补偿结束；如不满足，则将测角解角模型拟合阶数提高一阶，重复本步骤，直至满足误差指标要求。

优选地，第2步中，设定ε₀为测角精度指标要求值。

优选地，步骤1与步骤3同时执行。

优选地，步骤1中每隔0.5°使转台步进。

优选地，所述方法用于伺服系统中。

(三)有益效果

(1)本发明的方法已得到工程应用，经试验证明该方法可以有效解决文中基于霍尔传感器的测角装置的角度解算问题；

(2)数据源来自于测角装置内部的霍尔传感器采样，计算量小、计算时间短，满足实时性要求；

(3)该解算方法适用范围广，可以普遍应用于类似的基于线性霍尔传感器的测角装置中。

附图说明

图1是霍尔测角装置原理图；

图2是本发明的测角数据解角补偿流程；

图3是本发明的霍尔元件测角数据采集及处理图；

图4是本发明的测角数据解角拟合效果图；

图5是本发明的解角模型补偿效果图。

具体实施方式

为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

本发明提供的一种基于高阶多项式的霍尔元件测角解角补偿方法，包括以下步骤：

1、数据采集

将电机定子通过结构工装安装于水平一维转台上，把测角电路上霍尔元件与转台台面固定连接，把转台基座通过悬臂结构工装将电机转轴抱死固定，此时电机定子与转子的相对旋转角度与转台读数相同，顺时针拨动转台台面，直至到达机械限位处，记录当前转台角度值。然后从当前位置开始，每隔0.5°使转台精准步进(精度0.01°)，并记录每一次转台角度值与霍尔元件电压输出值；

2、数据处理

(7)为了精确测量，每个点对霍尔元件输出采样3000点并取均值作为输出值进行记录，直至到达电机另一侧限位位置。得出全行程内霍尔元件输出电压与框架角位移之间关系如图3a)所示。

(8)去除测角死区数据段、非吊舱工作区数据段，选取有效数据段数据作为待补偿数据(U₁,θ₁),(U₂,θ₂)...(U_i,θ_i)...(U_n,θ_n)，其中U_i为当前霍尔元件输出差分电压值，θ_i为当前解算角度值。对数据进行去死区处理后得到待解角补偿数据如图3b)所示。

(9)设定门限阈值ε₀作为评判测角误差拟合是否到位的标准，一般未特殊要求，设定ε₀为测角精度指标要求值。

3、霍尔元件测角解算补偿

使用最小二乘法，对数据处理后测角数据进行拟合，选取拟合阶数为三阶，得到测角解角模型为：

其中θ_i表示拟合所得解算角度值，a₀、a₁、a₂、a₃分别表示0至3次二次项函数拟合幅值系数，U_i表示当前位置霍尔元件输出电压值。

将测角解角模型带入控制程序后，执行步骤1进行测角数据采集，并在采集的过程中记录控制程序采样解算的角度值，如果采样解算角度值与转台读数角度值之差小于测角误差指标ε₀，则测角解算补偿结束；如不满足，则将测角解角模型拟合阶数提高一阶，重复本步骤，直至满足误差指标要求。具体流程如图2所示。

本实施例中，将待解角补偿数据采用三阶多项式拟合的方式进行拟合得到如图4所示结果，可以看出拟合误差为±0.02°，满足精度要求。将解角补偿模型带入控制系统后，对于补偿的系统重新进行测角数据采集，验证标定结果如图5所示，由图可以看出，补偿效果明显，解角误差由(-0.3°，0.15°)缩小至(-0.03°，0.03°)，解角精度较补偿前提高值原方法的1/8。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。