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磁编码器的设计与实现

黄姗姗  
【摘要】:运动控制系统的发展带动位置角度传感器的发展。磁编码器作为一种典型的位置角度传感器,其性能的好坏对伺服驱动、数控电机和军工航天业的发展产生深远的影响,提高磁编码器的精度和分辨率是当前研究的重点。本文设计和实现了一种基于霍尔效应的绝对式位置离轴式磁编码器。所设计的磁编码器包括信号发生部分、信号处理部分、信号输出部分和主控系统四部分,使用双码道的多磁极对磁栅作为磁码道,并采用双线性霍尔元件作为敏感元件来感应变化的磁场,使用基于游标原理的解算法来计算位置角度。该磁编码器分辨率达到16位,精度可达到1.698’。提出了磁编码器的总体设计方案。首先提出了磁编码器的设计目标要求,并给出了磁编码器的整体结构设计,然后阐明磁编码的整体结构:信号发生部分、信号处理部分、信号输出部分和主控制系统。最后介绍了三种位置角度解算法,并选择出本文使用的解算法。对磁编码器硬件进行了设计与实现。首先分析了硬件总体框架,然后详细阐述了主控模块、数据采集模块、USB(Uinversal Serial Bus)串口模块、RS485(Recommend Standard 485)模块等电路设计和实现,以及JTAG/SWD(Joint Test Action Group/Serial Wire Debug)下载电路、电源模块及电平转换电路模块的设计和实现。对磁编码器的嵌入式软件进行了设计和实现。首先介绍软件总体框架,然后介绍了软件开发环境,阐述了核心单片机系统模块、ICMU数据采集模块、SPI(Serial Peripheral Interface)模块、USB串口模块和RS485模块软件设计,并通过代码和流程图详细阐明了各模块的实现。提出了一种磁编码器误差补偿算法。基于BP(Back Propagation)神经网络算法来对磁编码器的输出角度进行训练,以通过预测来补偿磁编码的误差。然后通过PSO(Particle Swarm Optimization)粒子群算法对BP神经网络算法进行优化,以提高误差补偿性能。最后,通过IC-Haus公司的器件检测算法的可行性。对磁编码器进行了调试和数据分析。首先对磁编码器的硬件电路各个模块进行调试,搭建测试平台并调试ICMU传感器和磁码盘,并分别测试ICMU传感器数据采集模块、USB数据输出模块、SPI通信模块和RS485通信模块。然后对磁编码器的转速、精度、分辨率等性能进行测试。最后通过仿真验证磁编码器的误差补偿算法的性能。


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