技术领域
[0001] 本
发明属于测试
测量传感器技术领域，特别涉及磁感应效应角度传感器的标定。
背景技术
[0002] 随着工业自动化、
汽车电动助
力转向、汽车
电子稳定控制的发展，角度传感器的应用越来越多。 而磁感应效应由于其非
接触、良好的滞回特性、抗环境干扰等良好的特性，基于磁感应效应的角度传感器具有很好的应用价值和实用前景，并且已经在汽车上有相当的应用。
[0003] 磁感应效应角度传感器有多种形式，其基本组成如图1所示。 由
外壳1、转动输入
齿轮2、1个或多个从动齿轮3、与从动齿轮固连的磁
铁4、磁感应芯片5、
单片机6、电源模
块7、总线
接口芯片8组成。 其中，磁感应芯片5与
磁铁4成对出现，空间上磁感应芯片位于磁铁下方。 磁感应芯片5、单片机6、电源模块7、总线接口芯片8共同组成传感器的
硬件电路。 多种形式是指传感器所采用的磁铁和磁感应芯片对的个数可以是1个，也可以是多个；所采用的磁感应芯片可能含有
温度传感器，也可能不含温度传感器；所采用的总线接口芯片可能是针对不同的总线。 常用的磁感应芯片有KMZ41、TLE5010、TLE5011、TLE5012等，这些磁感应芯片均能在
磁场作用下
输出电压值，磁场匀速旋转时，输出的电压值为正余弦曲线。
[0004] 磁感应效应角度传感器的基本原理如图2所示。 转动输入齿轮转动时，带动从动齿轮及与从动齿轮固连的磁铁转动，从而磁场方向发生变化，磁感应芯片能够检测到磁场方向的变化，磁感应芯片的输出值给单片机，单片机通过内部程序运算处理能够计算出输入齿轮的转动角度及转动
角速度，并将此结果通过总线输出。 在理想情况下，磁场相对于芯片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为标准的正余弦曲线，通过正余弦值计算反正切，可以得到360°内的角度值。
[0005] 作为传感器，
精度是关键参量，磁感应效应角度传感器的精度受到多方面的影响，提高角度传感器精度的方法一是提高加工制造精度，二是通过标定进行补偿修正。而提高加工制造精度会增加生产成本，不利于产品的推广，所以在一定的加工精度的条件下，通过标定进行补偿是一个常用的做法。
[0006] 所需标定的参数结合图3-5进行说明。 由于批量生产过程中，磁铁强度有不同，磁感应芯片安装
位置有误差，磁感应芯片本身特性有偏差等等，实际磁场相对于芯片旋转360°的过程中，芯片输出的电压值为非标准的正余弦曲线。标定的作用就是把非标准的正余弦曲线通过修正转
化成标准的正余弦曲线。 所需要的修正参数包括磁感应芯片输出值的偏移量，磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出正余弦值的
相位差、偏移量的温度系数。 所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值的
相位差如图3所示，是指正余弦的相位差不是90°，需要计算出实际相位差和90°的差值。所需要标定的磁感应芯片输出值的偏移量和峰值如图4所示，偏移量是指输出值的均值与纵轴的0位置的差，幅值是指输出值的最大值和最小值的差的一半。 所需要标定的磁感应芯片输出正余弦值偏移量的温度系数如图5所示，是指输出值的偏移量随温度的变化系数。 标定时在较低温度下得到一个偏移量，记为点P1，在较高温度下得到一个偏移量，记为P2，认为偏移量随温度的变化为线性，据此得到偏移量随温度变化的系数。
[0007] 所需标定的参数较多，且标定过程较为复杂，具有良好实用价值的标定补偿
算法并不见于已有的
专利发明及论文著作。 2002年，Bosch公司在美国
申请的专利US6494784B1中通过3个测试点，能够对磁感应效应角度传感器磁感应芯片的输出值的偏移量进行补偿，基本原理为通过圆周上的3个点计算圆心位置，该方法仅能得到偏移量，而对磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出值的相位差、偏移量的温度系数没有涉及。 磁感应芯片的制造商通常会给出单个磁感应芯片标定的计算公式，但是并没有完整的对角度传感器的标定方法。 比如磁感应芯片TLE5011的应用手册给出一种离散傅里叶m
变换形式的标定用到的公式。 在磁场转动360°的范围内，均匀取n个点，n为2 ，m为正整数，输出值中的余弦值记录为X(i)，正弦值记录为Y(i)，i表示第几个点，标定用到的计算公式如下。
[0008] 输出值的余弦的偏移量Ox由下式得到：
[0009] Ox＝[X(1)+X(2)+…+X(i)+…+X(n)]/n (1)[0010] 输出值的正弦的偏移量Oy由下式得到：
[0011] Oy＝[Y(1)+Y(2)+…+Y(i)+…+Y(n)]/n (2)[0012] 下面4个式子用于计算幅值和相位差，其中DFT_X_r、DFT_X_i、DFT_Y_r、DFT_Y_i为中间变量：
[0013] DFT_X_r ＝ [X(1)*ccs(β1)+X(2)*cos(β2)+…+X(i)*cos(βi)+…+X(n)*cos(βn)]*2/n (3)
[0014] 其中βi为磁铁转动的角度。
[0015] DFT_X_i ＝ [X(1)*sin(β1)+X(2)*sin(β2)+…+X(i)*sin(βi)+…+X(n)*sin(βn)]*2/n (4)
[0016] DFT_Y_r ＝ [Y(1)*cos(β1)+Y(2)*cos(β2)+…+Y(i)*cos(βi)+…+Y(n)*cos(βn)]*2/n (5)
[0017] DFT_Y_i ＝ [Y(1)*sin(β1)+Y(2)*sin(β2)+…+Y(i)*sin(βi)+…+Y(n)*sin(βn)]*2/n (6)
[0018] 余弦的幅值Ax由下式得到：
[0019]
[0020] 正弦的幅值Ay由下式得到：
[0021]
[0022] 正余弦值的相位差 由下式得到，其中 为输出值余弦和正弦与标准值的相位差，见图3：
[0023]
[0024]
[0025]
[0026] 然后再将左右转得到的标定参数进行平均，得到最终的标定参数Am、Om、公式如下：
[0027]
[0028]
[0029]
[0030] 下标中的cw表示顺
时针，ccw表示逆时针。
[0031] 对于偏移量的温度系数k的标定，所用的公式如下：
[0032]
[0033] 其中O1、O2、T1、T2分别表示温度T1下的偏移量、温度T2下的偏移量、温度值T1、温度值T2。
[0034] 芯片应用手册给出的标定公式，只是对于单个磁感应芯片，且没有考虑标定过程中的温度变化，对多个磁感应
芯片组成的完整的角度传感器的标定，并没有说明。
发明内容
[0035] 本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提高磁感应效应角度传感器精度，提出一种磁感应效应角度传感器的标定方法，该方法可以对磁感应效应角度传感器进行快速准确的标定，从而达到较好的测量精度，具有良好的实用价值。
[0036] 本发明提出的磁感应效应角度传感器的标定方法，由标定系统和磁感应效应角度传感器共同完成，如图6所示，标定系统由标定系统
控制器、
电机及电机
驱动器组成，标定系统控制器负责控制磁感应效应角度传感器通电、和磁感应效应角度传感器通讯以及通过电机驱动器控制电机转动，电机为步进电机或
伺服电机；标定时，标定系统的电机
输出轴和磁感应效应角度传感器的输入齿轮固连，标定系统控制器和磁感应效应角度传感器通过总线相连，标定系统控制器通过控制电机给出确定的转角输入，并通过总线给出转动到位的
信号给磁感应效应角度传感器，磁感应效应角度传感器中的单片机进行数据的读取和计算，从而计算得到标定值；整个标定方法包括低温段标定过程和高温段标定过程，低温段和高温段标定过程各分为若干相似的子标定过程(各子标定过程中转动方向和角度有所不同)，子标定过程的个数是所采用的磁感应效应传感器芯片的个m数的2倍；每个子标定过程含有n个标定测试点，n＝2 ，m的取值范围为4-7；对于每个标定测试点，标定系统控制器首先控制电机转动到位，然后通过总线发指令通知角度传感器已经转动到位，角度传感器收到指令后进行
数据采集及处理，完成后发送指令通知标定系统控制器已经采集完数据，标定系统控制器控制电机转动到下一位置。
[0037] 本发明的标定方法的标定参数
数据处理在角度传感器内部进行，采用离散傅里叶变换进行传感器磁感应芯片输出值偏移量、磁感应芯片输出值的峰值、磁感应芯片输出值的相位差、偏移量的温度系数的计算以及所有需要的最终的标定参数。
[0038] 本发明的特点及有益效果：
[0039] 本发明可用于多种形式的磁感应效应角度传感器的标定，不受限于一个角度传感器所采用的磁感应芯片的数量。
[0040] 本发明对磁感应效应角度传感器的初始磁场方向无要求，在放上标定系统上时，不必考虑传感器在标定系统上的安装方向。
[0041] 本发明适用于对温度补偿有明确要求的磁感应效应角度传感器，也适用于不需要进行温度补偿的磁感应效应角度传感器。 对于无温度补偿的磁感应效应角度传感器，只需要低温段标定即可。
[0042] 本发明特别适合生产线上磁感应效应角度传感器的标定。
附图说明
[0043] 图1为本发明所标定的角度传感器的结构图。
[0044] 图2为本发明所标定的角度传感器的原理图。
[0045] 图3为本发明的所需标定的芯片输出
正交补偿参数的示意图。
[0046] 图4为本发明的所需标定的偏移量及峰值的示意图。
[0047] 图5为本发明的所需标定的温度系数参数的示意图。
[0048] 图6为本发明的角度传感器与标定系统的连接示意图。
[0049] 图7为本发明的低温段和高温段标定示意图。
[0050] 图8为本发明的每个子标定过程的示意图。
[0051] 图9为本发明的每个子标定过程中角度传感器中的算法
流程图。
[0052] 图10为本发明的总体的标定过程算法流程图。
具体实施方式
[0053] 本发明提出的磁感应效应角度传感器的标定方法结合附图及
实施例详细说明如下：
[0054] 本发明用于标定方法的具体实现装置及连接如图6所示，标定过程是待标定的磁感应效应角度传感器(以下简称角度传感器)在标定系统的配合下实现的。标定系统由标定系统控制器、电机驱动器、电机组成，标定系统控制器负责控制角度传感器通电、和角度传感器通讯以及控制电机转动，电机为步进电机或伺服电机。 标定过程中，角度传感器的外壳相对于标定系统中电机的外壳固定，标定系统的电机输出轴和角度传感器的输入齿轮固连，标定系统控制器和角度传感器通过总线相连。 标定时，标定系统控制器通过控制电机给出确定的转角输入并通过总线给出转动到位的信号，角度传感器的单片机中进行数据的读取和计算，从而计算得到标定值。
[0055] 本发明提出的磁感应效应角度传感器的标定方法的整体流程如图7所示，整个标定方法包括低温段标定过程和高温段标定过程，低温段和高温段标定过程各分为若干子标定过程(每个子标定的过程相同，但各子标定过程中转动方向和角度有所不同)，子标定过程的个数是磁感应效应角度传感器中所采用的芯片的个数的2倍。 每个子标定过m m程含有n个标定测试点，n＝2 ，这2 个标定测试点全部完成，刚好对应被标定的芯片附近的磁场旋转一周，m的取值范围为4-7。标定系统控制角度传感器通电后等待t1时间，t1取值可取10-40s，等待t1时间的目的在于磁感应芯片通电后开始温度上升梯度大，过一定时间t1后温度变化减缓，然后在该温度下依次对各磁感应芯片进行低温段标定的子标定过程，每个芯片均进行磁感应芯片
输入轴左
转子标定过程和磁感应芯片输入轴右转子标定过程(如果角度传感器只含有1个磁感应芯片，则低温段标定只包括两个子标定过程)；低温段标定完成后，等待到从通电算起t2时刻，t2取值范围为90-180s(等待到t2时刻的目的在于让磁感应芯片有较长时间的升温从而达到较高的温度，然后进行高温段标定)，依次对各磁感应芯片进行高温段标定的子标定过程，每个芯片均进行磁感应芯片输入轴左转子标定过程和磁感应芯片输入轴右转子标定过程(如果角度传感器只含有1个磁感应芯片，则高温段标定只包括两个子标定过程)，图中，L1L标定、L1R标定分别为低温磁感应芯片1输入轴左转标定和输入轴右转标定，依次类推；H1L标定、H1R标定分别为高温磁感应芯片1输入轴左转标定和输入轴右转标定。
[0056] 在每一个子标定过程中，计算出该子标定过程对应的标定参数，所述的子标定过程如图8所示，每一个子标定过程的方法包括：对第一个芯片的第一个标定测试点1进行标定，标定系统控制器先控制电机向此标定测试点转动方向输入一个较大的转动角度(可取30-100°)，用来消除齿轮
啮合的间隙。 然后标定系统控制器通过总线通讯发送转动到位指令ID1，角度传感器检测到这个指令，进行相关的数据采集及处理，并发送数据采集完毕指令ID1。 标定系统收到这个指令后，转动单位步长，到第二个标定点2，然后发送转动到位指令ID2，角度传感器进行数据采集及处理，并发送数据采集完毕指令m mID2，依此循环，直到完成2 个标定测试点的标定。 这2 个标定测试点，步长的选择为m
2 个标定测试点标定完成对应被标定的芯片附近的磁场旋转一周，图中：“↓”表示标定系统通过总线通讯发出的转动到位指令，“↑”表示角度传感器通过总线通讯发出的采集数据完成指令。
[0057] 上述的子标定过程，角度传感器进行相关的数据采集及处理流程，如图9所示。 包括以下步骤：在每一个子标定过程，角度传感器等待标定系统的转动到位信号，如果接收到该信号，角度传感器中的单片机设置对应的磁感应芯片到温度测量模式，然后单片机读取温度值，之后单片机设置对应的磁感应芯片到磁场测量模式，然后读取磁场作用下磁感应芯片的输出的电压值，并进行相关量的累加和计算(sum_Ox、sum_Oy、sum_X_r、xum_X_i、sum_Y_r、sum_Y_i、sum_T)，之后通过总线发送采集数据完成指令，再判断指令编号是否到了n，如果到n，则从累加和计算标定参数(Ox、Oy、Ax、Ay、 T)，否则等待下一个转动到位指令。图9中相关量的累加和计算的计算公式，多数基于背景技术部分的计算公式，但是实际应用时，大部分进行适应性
修改。 实际采用的公式如下：
[0058] sum_Ox＝X(1)+X(2)+…+X(i)+…+X(n) (1′_1)[0059] 其中X(i)表示指令ID为i的标定测试点的余弦输出值，sum_Ox为计算过程的中间变量。
[0060] sum_Oy＝Y(1)+Y(2)+…+Y(i)+…+Y(n) (2′_1)[0061] 其中Y(i)表示指令ID为i的标定测试点的正弦输出值，sum_Oy为计算过程的中间变量。
[0062] sum_X_r ＝ X(1)*cos(β1)+X(2)*cos(β2)+…+X(i)*cos(βi)+…+X(n)*cos(βn)(3′_1)
[0063] sum X_i＝X(1)*sin(β1)+X(2)*sin(β2)+…+X(i)*sin(βi)+…+X(n)*sin(βn)(4′_1)
[0064] sum_Y_r ＝ Y(1)*cos(β1)+Y(2)*cos(β2)+…+Y(i)*cos(βi)+…+Y(n)*cos(βn)(5′_1)
[0065] sum_Y_i ＝ Y(1)*sin(β1)+Y(2)*sin(β2)+…+Y(i)*sin(βi)+…+Y(n)*sin(βn)(6′_1)
[0066] 上四式中X(i)、Y(i)、β(i)表示指令ID为i的标定测试点的余弦值、正弦值、磁铁转动的角度。
[0067] sum_T＝T(1)+T(2)+…+T(i)+…+T(n) (16)[0068] 上式中T(i)表示指令ID为i的标定测试点的温度值，sum_T为中间变量。
[0069] 磁感应芯片输出值中余弦的偏移量Ox由下式得到：
[0070] Ox＝sum_Ox/n (1′_2)[0071] 磁感应芯片输出值中正弦的偏移量Oy由下式得到：
[0072] Oy＝sum_Oy/n (2′_2)[0073] 余弦的幅值Ax由下式得到：
[0074] DFT_X_r＝sum_X_r*2/n (3′_2)[0075] DFT_X_i＝sum_X_i*2/n (4′_2)[0076]
[0077] 正弦的幅值Ay由下式得到：
[0078] DFT_Y_r＝sum_Y_r*2/n (5′_2)[0079] DFT_Y_i＝sum_Y_i*2/n (6′_2)[0080]
[0081] 正余弦值的相位差 由下式得到：
[0082]
[0083]
[0084]
[0085] 其中 为输出值余弦和正弦与标准值的相位差。
[0086] 温度值T由下式得到：
[0087] T＝sum_T/n (18)[0088] 上述公式为子标定过程中计算各标定参数的公式，与背景技术部分的已知公式相比，从内容上，增加了计算温度的公式(16、18)，并修改了计算正余弦相位差的公式(17)。 对正余弦相位差的公式的修改，可以使得磁场方向从任何位置开始都可以进行标定，而背景技术部分的已知计算正余弦相位差的公式(11)，只能用于磁场方向从0位置附近开始的标定，而实际标定过程中，如果需要先调整磁场方向到0位置，无疑会增加标定过程的复杂度。 同时，为了适应程序计算流程，其他公式相比背景技术部分的公式(1、2、3、4、5、6)，均将其分解为计算累加和以及计算标定值两部分(1′_1、1′_2、2′_1、2′_2、3′_1、3′_2、4′_1、4′_2、5′_1、5′_2、6′_1、
6′_2)。
[0089] 所有的子标定过程均完成之后，计算磁感应效应角度传感器最终标定参数。 其流程如图10所示，包括：根据所有子标定过程得到的标定参数(OxLjL、OxLjR、OyLjL、OyLjR、TLjL、TLjR、OxHjL、OxHjR、OyHjL、OyHjR、THjL、THjR、AxLjL、AxLjR、AyLjL、AyLjR、)，首先进行同温度段左右转标定参数的融合，然后进行高低温标定参数的融合，从而得到最终的标定参数。 同温度段左右转标定参数融合的公式如下：
[0090]
[0091] 式中OxLjL、OxLjR表示第j个磁感应芯片低温左转、右转的输出余弦值的偏移量，OxLj_final表示第j个磁感应芯片标定时低温输出余弦值的偏移量。
[0092]
[0093] 式中OyLjL、OyLjR表示第j个磁感应芯片低温左转、右转的输出正弦值的偏移量，OyLj_final表示第j个磁感应芯片标定时低温输出正弦值的偏移量。
[0094]
[0095] 式中TLjL、TLjR表示第j个磁感应芯片低温左转、右转的输出温度值，TLj_final表示第j个磁感应芯片低温标定时的温度值。
[0096]
[0097] 式中OxHjL、OxHjR表示第j个磁感应芯片高温左转、右转的输出余弦值的偏移量，OxHj表示第j个磁感应芯片标定时高温输出余弦值的偏移量。
[0098]
[0099] 式中OyHjL、OyHjR表示第j个磁感应芯片高温左转、右转的输出正弦值的偏移量，OyHj表示第j个磁感应芯片标定时高温输出正弦值的偏移量。
[0100]
[0101] 式中THjL、THjR表示第j个磁感应芯片高温左转、右转的输出温度值，THj表示第j个磁感应芯片高温标定时的温度值。
[0102] 由于Ax，Ay， 不需要考虑温度特性，只根据低温段数据即可得到余弦值峰值系数、正弦值峰值系数、正余弦相位差的最终标定参数Axj_final、Ayj_final、 采用的公式如下。 式中AxLjL、AxLjR表示第j个芯片低温下左、右转时输出余弦的峰值，AyLjL、AyLjR表示第j个芯片低温下左、右转时输出正弦的峰值， 表示第j个芯片低温下左、右转时输出正余弦的相位差。
[0103]
[0104]
[0105]
[0106] 高温标定段的子标定过程得到的标定参数仅用于计算余弦、正弦偏移量的温度系数k_Oxj_final、k_Oyj_final。高低温标定参数融合的公式如下。式中THj、OxHj、OyHj表示高温标定时的温度值、输出的余弦值的偏移量、输出的正弦值的偏移量，TLj、OxLj、OyLj表示低温标定时的温度值、输出的余弦值的偏移量、输出的正弦值的偏移量。
[0107]
[0108]
[0109] 到此已经得出了所有需要的最终的标定参数(OxLj_final、OyLj_final、TLj_final、Axj_final、Ayj_final、 k_Oxj_final、k_Oyj_final)。 根据这些标定参数对磁感应芯片输出的正余弦信号进行修正，即可得到标准的正余弦，从而可以得到精确的转角信号。
