一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置及方法

1.本发明涉及电机传感器的领域，更具体地，涉及一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置及方法。


背景技术：

2.近年来，社会各届对四足机器人的研究和应用明显增加，四足机器人的实现离不开电机的应用。无刷电机的转子旋转时产生的力矩较小，不足以控制较大负载的设备或控制时易出现跑飞症状，故电机通常配合减速器使用。然而电机的磁编码器仅可检测外转子的旋转角度，由此带来了一个问题，即磁编码器无法检测出经减速器减速后外部的绝对角度。致使四足机器人在运行过程中，若突发断电后，再次开启时无法得知此时电机减速器的绝对角度，需要由人工复原至起始位置再上电运行，费时费力不便捷。
3.现有技术公开了一种基于径向充磁的霍尔式角度传感器，包括框体，旋转轴竖直伸入框体；设旋转轴伸入框体内的一端为底端，底端固定设有磁体；框体内与磁体对应的位置设置有至少2个霍尔元件，且霍尔元件位于同一平面上；底端的中心点向平面引垂线，设其交点为原点；所有的霍尔元件与原点不同时存在于同一条直线上；旋转轴旋转时，霍尔元件检测磁场改变，主控单元根据检测到的磁场变化计算相应的旋转角度。该方法需要将旋转轴竖直伸入框体，在旋转轴的底端设置磁体，在这种结构无法适用于电机转子经减速器减速后带载的安装，不能准确获取到电机减速器的绝对角度。


技术实现要素：

4.本发明为克服上述现有技术获取电机减速器的绝对角度时，结构复杂、检测元件多、检测结果不准确的缺陷，提供一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置及方法，可以直接应用与现有电机上，利用一个环形磁铁和两个霍尔元件即可获取准确的电机减速器绝对角度，结构简单，设计应用成本低，检测效率高，检测结果准确。
5.为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.本发明提供了一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置，所述装置包括环形磁铁、第一霍尔元件、第二霍尔元件、微处理器和电源；
7.将所述环形磁铁设置在减速器的旋转件上，环形磁铁圆心与减速器轴心重合；启动电机，电机转子带动减速器旋转，减速器带动环形磁铁旋转，产生旋转磁场；
8.第一霍尔元件和第二霍尔元件设置在减速器的固定件上，且第一霍尔元件中心和第二霍尔元件中心距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件中心与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件中心与减速器轴心的连线；两个霍尔元件分别检测所在方向上所述旋转磁场的磁场强度分量，产生不同的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值；两个霍尔元件的输出端与微处理器的输入端连接，将第一霍尔输出值和第二霍尔输出值传输至微处理器；
9.微处理器根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角
度；
10.电源为第一霍尔元件、第二霍尔元件和微处理器供电。
11.本发明在电机减速器上设置一个环形磁铁，在减速器固定件上设置两个霍尔元件；第一霍尔元件和第二霍尔元件距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件与减速器轴心的连线；启动电机后，电机转子带动减速器旋转，再由减速器带动设置其上的环形磁铁进行旋转，此时产生的旋转磁场以恒定的磁场强度在电机转子轴线附近旋转，两个霍尔元件检测所在方向上旋转磁场的磁场强度分量，产生的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值；微处理器根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角度，即利用两个垂直设置的霍尔元件的输出电压计算电机转子经减速器减速后的绝对角度。
12.优选地，所述环形磁铁为n极与s级均分的径向充磁的环形磁铁。
13.优选地，所述第一霍尔元件设置在减速器的固定件的水平方向上，第二霍尔元件设置在减速器的固定件的垂直方向上；第一霍尔元件检测所述旋转磁场的x轴方向上的磁场强度分量，产生的电压作为第一霍尔输出值；第二霍尔元件检测所述旋转磁场的y轴方向上的磁场强度分量，产生的电压作为第二霍尔输出值。
14.将第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在减速器的固定件的水平方向和垂直方向，可以有效精简微处理器计算电机减速器的最终绝对角度的程序设计，大幅度提高检测效率。
15.优选地，所述电源与第一霍尔元件、第二霍尔元件、微处理器之间分别连接有电源滤波模块；微处理器与第一霍尔元件、第二霍尔元件之间分别连接有霍尔输出滤波模块；
16.电源滤波模块包括电容c1、电容c2、电容c5、电容c6和电容c7；霍尔输出滤波模块包括电阻r1、电阻r2、电容c3和电容c4；
17.电容c1的一端接地，电容c1的另一端与第一霍尔元件的a脚连接，第一霍尔元件的a脚还与电源连接；第一霍尔元件的b脚与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与微处理器的a脚连接，电阻r1的另一端还与电容c4的一端连接，电容c4的另一端接地；第一霍尔元件的c脚接地；
18.电容c2的一端接地，电容c2的另一端与第二霍尔元件的a脚连接，第二霍尔元件的a脚还与电源连接；第二霍尔元件的b脚与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与微处理器的c脚连接，电阻r2的另一端还与电容c3的一端连接，电容c3的另一端接地；第二霍尔元件的c脚接地；
19.电容c5、电容c6、电容c7之间并联后连接在微处理器的b脚和d脚之间，且微处理器的b脚与电源连接，微处理器的d脚接地。
20.电容c1、电容c2、电容c5、电容c6、电容c7的作用是滤除电源提供的供电电压中的谐波；电阻r1和电容c4、电阻r2和电容c3分别组成无源低通滤波器，分别滤除第一霍尔元件和第二霍尔元件输出的电压中的谐波。
21.所述电源为第一霍尔元件、第二霍尔元件和微处理器提供3.3v电压。
22.所述电容c1、c2、c3、c4的容量均为100纳法；电容c5的容量为10微法，电容c6的容量为0.1微法，电容c7的容量为10微法。
23.优选地，所述微处理器的型号为stc8g1k08a。
24.优选地，所述第一霍尔元件和第二霍尔元件为贴片封装或直插封装的霍尔元件，型号均为wsh136。
25.本发明还提供了一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测方法，基于上述的检测装置，包括：
26.s1：启动电机；
27.s2：第一霍尔元件获取第一霍尔输出值，传输至微处理器；第二霍尔元件获取第二霍尔输出值，传输至微处理器；
28.s3：微处理器根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角度。
29.优选地，所述步骤s3的具体方法为：
30.s3.1：微处理器将第一霍尔输出值和第二霍尔输出值转化为数字信号，获得第一霍尔输出数字值bx和第二霍尔输出数字值by；
31.s3.2：对第一霍尔输出数字值bx进行处理；
32.s3.3：根据处理后的第一霍尔输出数字值bx和第二霍尔输出数字值by，利用三角函数公式计算电机减速器的初始绝对角度；
33.s3.4：判断处理后的第一霍尔输出数字值bx是否小于0；若是，将初始绝对角度加180
°
，作为最终绝对角度；若不是，将初始绝对角度作为最终绝对角度；
34.s3.5：输出电机减速器的最终绝对角度。
35.优选地，所述步骤s3.2中，对第一霍尔输出数字值bx进行处理的具体方法为：
36.s3.2.1：判断第一霍尔输出数字值bx是否在区间(-0.01
°
,0.01
°
)中；若是，执行步骤s3.2.2；若不是，执行步骤s3.3；
37.s3.2.2：判断第一霍尔输出数字值bx是否大于0；若是，令bx＝0.01
°
；若不是，令bx＝-0.01
°
。
38.优选地，所述步骤s3.3中，三角函数公式为：
[0039][0040]
式中，θ表示电机减速器的初始绝对角度。
[0041]
电机减速器的初始绝对角度由反正切三角函数计算，但正切三角函数值在第一象限和第三象限存在重合，同理在第二象限和第四象限也存在重合；但显然，在一三象限和二四象限，相同函数值所对应的角度值却相差了180
°
，通过判断象限判断，即可计算电机减速器的最终绝对角。初始绝对角度由反正切三角函数计算，需要避免第一霍尔输出数字值等于0
°
的情形，即判断是否处于-0.01
°
～0.01
°
的范围内，若是且大于0则令其为0.01
°
，反之令其为-0.01
°
；由于反正切三角函数的值域范围为-90
°
至90
°
，因此需要相加90
°
的偏置值，将范围调节为0到180
°
，获得环形磁铁旋转半圈的绝对角度范围；再根据三角函数性质，当bx《0时，将初始绝对角度加180
°
，作为最终绝对角度，使输出范围扩展为0
°
～360
°
，便获得了环形磁铁旋转一圈即减速器旋转一圈的最终绝对角度。
[0042]
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
[0043]
本发明在电机减速器上设置一个环形磁铁，在减速器固定件上设置两个霍尔元件；第一霍尔元件和第二霍尔元件距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件与减速器轴心
的连线垂直于第二霍尔元件与减速器轴心的连线；启动电机后，电机转子带动减速器旋转，再由减速器带动设置其上的环形磁铁进行旋转，此时产生的旋转磁场的磁场强度恒定，以电机转子轴线为旋转轴，在其附近旋转，两个霍尔元件检测所在方向上旋转磁场的磁场强度分量，产生的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值，传输至微处理器计算电机减速器的最终绝对角度。本发明利用一个环形磁铁和两个霍尔元件即可获取准确的电机减速器绝对角度，结构简单，设计应用成本低，检测效率高，检测结果准确。
附图说明
[0044]
图1为实施例1所述的一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置的结构示意图。
[0045]
图2为实施例2所述的环形磁铁的结构示意图。
[0046]
图3为实施例2所述的一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置的结构示意图。
[0047]
图4为实施例2所述的pcb板的结构示意图。
[0048]
图5为实施例2所述的pcb板与环形磁铁的相对位置示意图。
[0049]
图6为实施例2所述的第一霍尔元件和第二霍尔元件检测环形磁铁产生的旋转磁场的检测示意图。
[0050]
图7为实施例2所述的pcb板电路原理图。
[0051]
图8为实施例3所述的一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测方法的流程图。
[0052]
图9为实施例3所述的第一霍尔元件和第二霍尔元件检测到的磁感应强度水平分量和垂直分量的变化示意图。
[0053]
图10实施例3所述的磁感应强度水平分量和垂直分量的李沙育图。
[0054]
图中，1-环形磁铁，2-第一霍尔元件，3-第二霍尔元件，4-微处理器，5-电源，6-pcb板。
具体实施方式
[0055]
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0056]
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0057]
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0058]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
[0059]
实施例1
[0060]
本实施例提供了一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置，如图1所示，所述装置包括环形磁铁1、第一霍尔元件2、第二霍尔元件3、微处理器4和电源5；
[0061]
将所述环形磁铁1设置在减速器的旋转件上，环形磁铁1的圆心与减速器轴心重合；启动电机，电机转子带动减速器旋转，减速器带动环形磁铁1旋转，产生旋转磁场；
[0062]
第一霍尔元件2和第二霍尔元件3设置在减速器的固定件上，且第一霍尔元件2的
中心和第二霍尔元件3的中心距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件2的中心与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件3的中心与减速器轴心的连线；两个霍尔元件分别检测所在方向上所述旋转磁场的磁场强度分量，产生不同的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值；两个霍尔元件的输出端与微处理器4的输入端连接，将第一霍尔输出值和第二霍尔输出值传输至微处理器4；
[0063]
微处理器4根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角度；
[0064]
电源5为第一霍尔元件2、第二霍尔元件3和微处理器4供电。
[0065]
在具体实施过程中，本实施例在电机减速器的旋转件上设置一个环形磁铁1，在减速器固定件上设置两个霍尔元件；环形磁铁1的的圆心与减速器轴心重合，第一霍尔元件2的中心和第二霍尔元件3的中心距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件2的中心与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件3的中心与减速器轴心的连线；启动电机后，电机转子带动减速器旋转，再由减速器带动设置其上的环形磁铁1进行旋转，此时产生的旋转磁场的磁场强度恒定，以电机转子轴线为旋转轴，在其附近旋转，两个霍尔元件检测所在方向上旋转磁场的磁场强度分量，产生的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值，传输至微处理器4计算电机减速器的最终绝对角度。本实施例利用一个环形磁铁和两个霍尔元件即可获取准确的电机减速器绝对角度，结构简单，设计应用成本低，检测效率高，检测结果准确。
[0066]
实施例2
[0067]
本实施例提供了一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测装置，包括环形磁铁1、第一霍尔元件2、第二霍尔元件3、微处理器4和电源5；
[0068]
将所述环形磁铁1设置在减速器的旋转件上，环形磁铁1的圆心与减速器轴心重合；启动电机，电机转子带动减速器旋转，减速器带动环形磁铁1旋转，产生旋转磁场；
[0069]
第一霍尔元件2和第二霍尔元件3设置在减速器的固定件上，且第一霍尔元件2的中心和第二霍尔元件3的中心距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件2的中心与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件3的中心与减速器轴心的连线；两个霍尔元件分别检测所在方向上所述旋转磁场的磁场强度分量，产生不同的电压作为第一霍尔输出值和第二霍尔输出值；两个霍尔元件的输出端与微处理器4的输入端连接，将第一霍尔输出值和第二霍尔输出值传输至微处理器4；
[0070]
微处理器4根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角度；
[0071]
电源5为第一霍尔元件2、第二霍尔元件3和微处理器4供电。
[0072]
如图2所示，所述环形磁铁为n极与s级均分的径向充磁的环形磁铁。
[0073]
在本实施例里，如图3所示，在电机减速器的旋转件上开设一个环形槽，环形槽的圆心与减速器轴心重合，将环形磁铁1设置在环形槽中；将第一霍尔元件2、第二霍尔元件3、微处理器4和电源5集成在一个pcb板6上；将pcb板6设置在减速器的固定件上，通过pcb板6上的两个通孔实现与固定件的连接，如图4所示，pcb板6的圆心与减速器轴心重合，第一霍尔元件2和第二霍尔元件3距离减速器轴心距离相等，第一霍尔元件2与减速器轴心的连线垂直于第二霍尔元件3与减速器轴心的连线；两个霍尔元件的接收面正对于环形磁铁1，保持两毫米的间距。
[0074]
如图5所示，安装pcb板，使所述第一霍尔元件2在水平方向上，第二霍尔元件3在垂直方向上；如图6所示，箭头表示磁感应方向，水平方向方块代表第一霍尔元件2，检测所述旋转磁场的x轴方向上的磁场强度分量，产生的电压作为第一霍尔输出值；竖直方向方块代表第二霍尔元件3，检测所述旋转磁场的y轴方向上的磁场强度分量，产生的电压作为第二霍尔输出值。
[0075]
将第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在水平方向和垂直方向，可以有效精简微处理器计算电机减速器的最终绝对角度的程序设计，大幅度提高检测效率。
[0076]
如图7所示，所述电源与第一霍尔元件、第二霍尔元件、微处理器之间分别连接有电源滤波模块；微处理器与第一霍尔元件、第二霍尔元件之间分别连接有霍尔输出滤波模块；电源滤波模块包括电容c1、电容c2、电容c5、电容c6和电容c7；霍尔输出滤波模块包括电阻r1、电阻r2、电容c3和电容c4；
[0077]
电容c1的一端接地，电容c1的另一端与第一霍尔元件的a脚连接，第一霍尔元件的a脚还与电源连接；第一霍尔元件的b脚与电阻r1的一端连接，电阻r1的另一端与微处理器的a脚连接，电阻r1的另一端还与电容c4的一端连接，电容c4的另一端接地；第一霍尔元件的c脚接地；
[0078]
电容c2的一端接地，电容c2的另一端与第二霍尔元件的a脚连接，第二霍尔元件的a脚还与电源连接；第二霍尔元件的b脚与电阻r2的一端连接，电阻r2的另一端与微处理器的c脚连接，电阻r2的另一端还与电容c3的一端连接，电容c3的另一端接地；第二霍尔元件的c脚接地；
[0079]
电容c5、电容c6、电容c7之间并联后连接在微处理器的b脚和d脚之间，且微处理器的b脚与电源连接，微处理器的d脚接地。
[0080]
电容c1、电容c2、电容c5、电容c6、电容c7的作用是滤除电源提供的供电电压中的谐波；电阻r1和电容c4、电阻r2和电容c3分别组成无源低通滤波器，分别滤除第一霍尔元件和第二霍尔元件输出的电压中的谐波。
[0081]
所述电源为第一霍尔元件、第二霍尔元件和微处理器提供3.3v电压。
[0082]
所述电容c1、c2、c3、c4的容量均为100纳法；电容c5的容量为10微法，电容c6的容量为0.1微法，电容c7的容量为10微法。
[0083]
所述微处理器4的型号为stc8g1k08a。
[0084]
所述第一霍尔元件2和第二霍尔元件3为贴片封装或直插封装的霍尔元件，型号均为wsh136。
[0085]
实施例3
[0086]
本实施例提供了一种基于环形磁铁的电机减速器绝对角度检测方法，基于实施例1或2所述的检测装置，如图8所示，包括：
[0087]
s1：启动电机；
[0088]
s2：第一霍尔元件获取第一霍尔输出值，传输至微处理器；第二霍尔元件获取第二霍尔输出值，传输至微处理器；
[0089]
s3：微处理器根据第一霍尔输出值和第二霍尔输出值计算电机减速器的最终绝对角度；具体的：
[0090]
s3.1：微处理器将第一霍尔输出值和第二霍尔输出值转化为数字信号，获得第一
霍尔输出数字值bx和第二霍尔输出数字值by；
[0091]
s3.2：对第一霍尔输出数字值bx进行处理；
[0092]
s3.2.1：判断第一霍尔输出数字值bx是否在区间(-0.01
°
,0.01
°
)中；若是，执行步骤s3.2.2；若不是，执行步骤s3.3；
[0093]
s3.2.2：判断第一霍尔输出数字值bx是否大于0；若是，令bx＝0.01
°
；若不是，令bx＝-0.01
°
；
[0094]
s3.3：根据处理后的第一霍尔输出数字值bx和第二霍尔输出数字值by，利用三角函数公式计算电机减速器的初始绝对角度；
[0095]
所述三角函数公式为：
[0096][0097]
式中，θ表示电机减速器的初始绝对角度；
[0098]
s3.4：判断处理后的第一霍尔输出数字值bx是否小于0；若是，将初始绝对角度加180
°
，作为最终绝对角度；若不是，将初始绝对角度作为最终绝对角度；
[0099]
s3.5：输出电机减速器的最终绝对角度。
[0100]
第一霍尔元件和第二霍尔元件分别设置在水平方向和垂直方向，环形磁铁旋转一圈，第一霍尔元件和第二霍尔元件检测到的磁感应强度水平分量和垂直分量的变化示意图如图9所示，从图中可以看出，第一霍尔输出数字值bx和第二霍尔输出数字值的平方和为恒值；将其绘制成李沙育图，如图10所示，初始绝对角度由计算得到，在图10中可以看出，正切三角函数值在第一象限和第三象限存在重合，同理在第二象限和第四象限也存在重合；但显然，在一三象限和二四象限，相同函数值所对应的角度值却相差了180
°
，通过判断象限判断，即可计算电机减速器的最终绝对角。由于反正切三角函数的值域范围为-90
°
至90
°
，因此需要相加90
°
的偏置值，将范围调节为0到180
°
，便获得了环形磁铁旋转半圈的绝对角度范围；再根据三角函数性质，当bx《0时，将初始绝对角度加180
°
，作为最终绝对角度，使输出范围扩展为0
°
～360
°
，便获得了环形磁铁旋转一圈即减速器旋转一圈的最终绝对角度。需要注意的是，初始绝对角度由反正切三角函数计算，需要避免第一霍尔输出数字值等于0
°
的情形，本实施例的处理方法是，判断其是否处于-0.01
°
～0.01
°
的范围内，若是且大于0则令其为0.01
°
，反之令其为-0.01
°
。
[0101]
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
[0102]
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0103]
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。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的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。