《Chinese Journal of Electrical Engineering》：Error Suppression of Magnetic Encoder Using Improved Second-Order Generalized Integrator and Harmonic Decoupling Network
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相较于传统光电编码器，磁编码器因无需易损光学元件、结构简单、抗振性强及环境适应性好，在伺服电机、水下机器人及航空航天等领域获得广泛应用。然而，受制造工艺与安装偏差影响，其输出的正余弦信号常存在幅值误差、相位偏移、直流偏置和谐波畸变等非理想因素，严重制约解码精度
相较于传统光电编码器，磁编码器因无需易损光学元件、结构简单、抗振性强及环境适应性好，在伺服电机、水下机器人及航空航天等领域获得广泛应用。然而，受制造工艺与安装偏差影响，其输出的正余弦信号常存在幅值误差、相位偏移、直流偏置和谐波畸变等非理想因素，严重制约解码精度。为此，研究人员提出一种基于改进二阶广义积分器(ISOGI)的磁编码器误差补偿算法。首先，系统分析了各类误差的产生机理并通过仿真验证；进而设计了双改进二阶广义积分器-谐波解耦网络-锁相环(DISOGI-HDN-PLL)结构，该结构可有效补偿低阶谐波及其他误差。所提方法在恒速与高速工况下均能实现多类型误差的有效抑制，兼具良好的动态响应特性与鲁棒性，显著提升了磁编码器的解码精度。仿真与实验结果验证了该算法的有效性与适用性。
该研究针对磁编码器在非理想工况下解码精度受限的问题，由研究人员发表于《Chinese Journal of Electrical Engineering》。磁编码器虽凭借无接触、抗冲击及耐恶劣环境等优势，广泛应用于伺服电机、手持云台、精密机床加工、水下机器人及航空航天等高可靠性场景，但其输出正弦与余弦信号易受制造工艺与安装偏差影响，产生幅值偏差、相位偏移、直流偏置和谐波畸变等误差，导致角度跟踪精度下降。现有基于传统二阶广义积分器(SOGI)的方法难以同时抑制直流偏置与低阶谐波，且动态响应与鲁棒性不足。为此，研究人员提出双改进二阶广义积分器-谐波解耦网络-锁相环(DISOGI-HDN-PLL)算法，旨在实现对多种非理想误差的一体化高精度补偿。
关键技术方法方面，研究人员采用理论推导与实验验证相结合的研究路径。首先建立包含幅值偏差、相位偏移、直流偏置及谐波畸变的磁编码器误差模型，并通过Simulink仿真平台量化各类误差对角度跟踪的影响规律。核心算法设计包括：构建改进二阶广义积分器(ISOGI)以抑制直流偏置并保留幅值与相位误差补偿能力；设计双ISOGI结构(DISOGI)提取正序分量；开发二阶锁频环(FLL)实现频率自适应跟踪；引入谐波解耦网络(HDN)通过多SOGI并联结构针对性消除指定次低阶谐波。实验环节采用高分辨率光学编码器作为基准，在600 r/min至5000 r/min的宽转速范围内及加速工况下，对所提算法与传统DSOGI-PLL进行解码精度对比测试。
研究结果部分，误差分析表明：幅值偏差引发二倍频角度误差，且与幅值误差系数成正比；相位偏移导致含二倍频分量的余弦型误差；直流偏置引起基频余弦误差；第n次谐波则产生(n-1)次谐波的角度误差分量，仿真结果均与理论推导一致。在算法验证中，DISOGI-HDN-PLL在单独存在幅值偏差(α=0.8)与相位偏移(φ=π/18)时，角度误差可忽略不计，响应速度优于传统DSOGI-PLL；在存在0.2 V直流偏置时，传统方法稳态误差达0.151 rad，而所提算法误差趋近于零；在存在2~6次谐波(幅值0.1 V)时，传统SOGI-PLL误差范围为-0.05 rad至0.1 rad，所提算法几乎完全抑制低阶谐波。全误差耦合测试显示，在3000 r/min转速下，角度误差约为4.183×10-3rad(14.38角分)；在5000 r/min高速下，误差约为0.0185 rad(63.83角分)，仍保持较高精度。加速工况测试中，电机转速从600 r/min升至3000 r/min过程中，所提算法频率跟踪误差迅速收敛至零，稳态误差接近零。实验验证进一步证实，经算法补偿后，正弦与余弦信号的直流偏置分别从7.96%和2.32%降至0.19%和0.17%，二次与三次谐波含量显著降低，总谐波失真分别由2.11%和3.10%优化至1.01%和1.23%，幅值误差从0.0495 V校正至0.001 V。在600 r/min恒速下，角度误差由-2.2°至2°缩小至-0.7°至0.4°；5000 r/min高速下，误差由-2.3°至2.6°降至-0.9°至0.8°。加速实验中，所提算法频率跟踪误差稳定在-0.05 Hz至0.05 Hz范围内，远优于对比算法。
讨论与结论部分指出，DISOGI-HDN-PLL通过融合改进二阶广义积分器、谐波解耦网络与二阶锁频环，实现了对磁编码器幅值偏差、相位偏移、直流偏置及低阶谐波的一体化抑制。该算法在宽转速范围与变加速工况下均表现出优异的解码精度与鲁棒性，解决了传统方法难以兼顾直流偏置抑制与低阶谐波消除的问题，为高可靠性伺服系统的位置检测提供了有效的技术途径。
