基于线性霍尔设计磁环编码器的方案
基于线性霍尔设计磁环编码器的方案
编码器作为电机控制的重要组成部分，主要用于监测电机转动的实时位置，为控制板提供角度、速度和位置参数。设计一款高精度的编码器对于实现电机的精确控制至关重要。本文将详细介绍基于线性霍尔设计磁环编码器的设计原理和算法实现方案。
概述
本文主要介绍基于线性霍尔设计磁环编码器的设计原理和算法实现的方案。编码器作为电机控制的重要组成部分，其主要用于监测当前电机转动的实时位置，为控制板提供角度，速度、位置参数。其是电机控制的重要组成部分，设计一款高精度的编码器对于电机的精确控制有着非常重要的影响。
1 系统方案
1.1 需求分析
编码器作为电机控制的重要组成部分，其主要用于监测当前电机转动的实时位置，为控制板提供角度，速度、位置参数。控制板卡得到这些参数之后，通过算法控制对电机的当前状态进行调节，以实现电机状态的精确控制。下面以永磁同步电机 (PMSM) 的磁场定向控制 (FOC)控制模型作为范例，介绍编码器的作用。
下图为永磁同步电机 (PMSM) 的磁场定向控制 (FOC)控制的模型，红色框图内的功能是由编码器实现的，其主要实现如下功能：
1）电机当前的转动的角度
2）电机当前运行的速度
3）电机当前运动的位置
1.2 编码器的主要参数
参数 | 描述 | 典型值/范围 | 应用影响 |
|---|---|---|---|
类型 | 增量式（脉冲输出） / 绝对式（数字编码） | 增量式、绝对式、磁电式、光电式 | 增量式成本低，绝对式断电记忆位置 |
分辨率 | 增量式：每转脉冲数（PPR）绝对式：位数（如12位=4096步/转） | 增量：100 | 分辨率越高，定位越精准，但成本增加 |
精度 | 实际位置与理论位置的偏差 | ±0.1°~±0.001° | 高精度场景（如半导体设备）需≤0.01° |
响应频率 | 最大可检测信号频率 | 50kHz~1MHz | 高速运动需高响应频率（如伺服电机） |
1.3 编码器设计方案
本文主要介绍一款绝对式磁环编码器的设计方案，其具有抗干扰能力强，精度高，设计方案简单，成本极低的特点，可广泛的应用于工业机械臂，机器人关节等领域。
1.4 编码器软件架构
2 功能设计
2.1 主要功能介绍
本系统主要设计一款绝对式磁环编码器，其主要的功能如下：
1）采用多级磁环方案
2）线性霍尔用于读磁环的磁感应强度
3）使用MCU的ADC模块读取线性霍尔的数据
4）电压模块用于为MCU何霍尔元器件供电
5）通信接口用于和外部控制系统通信，可采用的方式用：RS485/CAN/SSI等，具体可根据应用的场景定制开发。
2.2 多级磁环设计
对于多级磁环类型的编码器设计，磁环设计的质量会影响编码器的设计精度，对磁环的设计要求主要如下：
1） 磁环尽可能的不规则，这样能保证采样点的唯一性
2）充磁均匀，这样能保证采样值一致性好
3 算法实现
3.1 磁环的波形分析
不同类型的波形其产生的磁感器强度是有差别的，可通过线性霍尔将磁环的磁感器波形采集出来，并对其分析，以找到相应的算法。
上图为使用线性霍尔采样的多级磁环磁感器强度的波形图，这种磁环的波形图是杂乱无章的，使用传统的数学方法很难解出其角度值的。
3.2 角度算法实现
对于此类无规则磁环，可采用粗分（确定角度范围）+细分（计算具体角度值）的方案，以实现其算法。
3.2.1 粗分算法
step-1: 采样实时的N个通道的ADC 值，得到RAW[0], RAW[1], RAW[2], ... RAW[8]
Step -2：使用RAW[0], RAW[1], RAW[2], ... RAW[N] 和标定的RAW（0~359°）值进行比较，得到大概的角度区间。
**0~359°对应的列表: **
0° 的RAW count值： RAW_0[0], RAW_0[1], RAW_0[2], ... RAW_0[n]
1° 的RAW count值： RAW_1[0], RAW_1[1], RAW_1[2], ... RAW_1[n]
...
359° 的RAW count值： RAW_359[0], RAW_359[1], RAW_359[2], ... RAW_359[n]
3.2.2 细分算法
通过粗分方式可以得到相邻两个点之间的角度值，在小的区间内可对角度值进行线性化，得到不同两个点之间的坐标，根据微分原理，在区间 x ∈[0,1]， sin（x） ≈ x， 通过这种线性化的方式计算出当前的实时角度值。
4 功能验证
1）验证粗分算法，其具体波形如下：
2）验证细分算法，其具体波形如下：
3）使用标准的编码器来验证设计编码器的功能（0~360°）