基于混沌自适应海鸥优化的双多极磁电编码器角度补偿方法

《Sensors and Actuators A: Physical》：Angle Compensation Method for Dual-Multipole Magnetoelectric Encoders Based on Chaos-Adaptive Seagull Optimization

　　

王磊|刘国强|董松林

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  本文提出了一种基于混沌自适应海鸥优化算法（CASOA）的新型补偿方法，用于消除双多极磁电编码器中的角度跳变和偏移问题。
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  建立了参考磁极信号与识别磁极信号的间隔偏移与合成角度误差之间的三维函数关系。
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  CASOA算法能够在三维空间中有效搜索出最优的间隔偏移组合，其在收敛速度和补偿精度方面均优于传统的蚁群优化算法和海鸥优化算法。
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  实验结果表明，所提出的方法在正反转旋转情况下都能实现平滑的合成角度输出，显著提升了编码器的可靠性。
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  该算法结构简单、成本较低，非常适合用于双多极磁电编码器的高精度解码应用。

引言

目前，编码器主要包括分解器、光学编码器和磁电编码器。分解器和光学编码器存在明显局限性，光学编码器的光码盘容易受到灰尘、油污等污染物的干扰，从而影响其对编码信息的准确识别[1]、[2]。而磁电编码器则因具有抗污染能力强、可靠性高且成本低等优点而备受关注[3]、[4]。此外，磁电编码器的结构较为简单，还可以设计成与电机一体化的封闭结构[5]。目前，磁电编码器的主要难题在于如何提升其分辨率和精度。为此，研究人员一直在探索相关的结构设计和算法方案。近年来，日本研制出了分辨率超过20位的磁阻式磁电编码器[6]；山本及其团队提出了一种新型的偏心结构磁电编码器，提升了测量精度[7]；吴春阳等人引入校准系数对编码器进行校准，有效提高了模拟编码器的分辨率[8]；贾华坤等人针对旋转编码器开发了专门的误差分析检测方法，提升了编码器的性能[9]；Nguyen H X及其团队选择了模糊锁相环技术，并结合自适应线性神经元算法，为提高绝对值磁电编码器的精度发挥了关键作用[10]、[11]；Bourogaoui M等人采用了高频信号注入法，提出了构建位置观测器以实时精准监测被测位置的方法[12]；北京科技大学基于TMR MEMS器件研制出了高精度磁电编码器，其输出精度达到了0.0469°[13]；密歇根州立大学开发了一种利用霍尔效应的新型MESO电路，以满足日益增长的节能计算需求[14]；莱斯大学将磁电编码器应用于毫米级无线生物医学植入物中的磁电反向散射通信中[15]；为了实现高精度控制，还有研究提出了基于模糊逻辑的多传感器数据融合方法[16]。在软件算法方面，二阶振荡粒子群优化算法也被用于解决多模态问题[17]、移动机器人群体控制问题[18]等。为进一步提升精度，还有研究提出了高分辨率的自参考查表算法，该方法能够消除BPM信号的影响[19]；将该算法与二型锁相环相结合后，所提出的PA算法所能获得的整体位置误差仅为±0.2[20]。

尽管磁电编码器具有体积小、坚固耐用且成本低的优点，但其精度仍会受到磁场不均匀性、霍尔信号失真以及解码错误等因素的影响。对于单极磁电编码器而言，一个电周期内只能获取一个机械角度，因此其可实现的分辨率有限。而多极磁环则可将一次机械转动划分为多个电周期，理论上机械角度的分辨率可以随着极对数的增加而提升。在双多极磁电编码器中，高极数磁环用于实现精细的角度测量，而低极数磁环则用于间隔识别。不过这种结构也会增加在磁极边界附近出现间隔判断错误的风险。现有的信号校正、校准表以及锁相环方法虽然能够提升角度精度[11]、[19]，但通常需要额外的校准、存储或计算资源，且无法完全解决边界跳变错误的问题。传统的间隔偏移方法虽然简单，但其偏移量是需要通过经验来确定的。因此，本文引入了CASOA算法，用于优化间隔偏移参数，进而提升合成角度补偿的稳定性。

本文研究了双多极磁电编码器，并分析了其误差特性。通过将特征值解码算法与混沌自适应间隔平移算法相结合，对由特征值计算得到的复合角度进行补偿，从而获得精确的复合角度值。

章节摘要

角度值计算原理与误差分析

作为角度检测装置，磁电编码器是基于磁电效应工作的。安装在霍尔板上的霍尔元件能够将磁场信号转换为电信号，通过差分信号计算即可得到相互垂直的电角度信号。随后，这些电压信号会由模数转换模块（A/D）转换为数字信号。编码器角度的计算原理如图1所示。

该

改进海鸥算法以优化间隔平移与角度位移解码算法

由于电角度位移无法直接反映角度位移的绝对值，因此需要通过对电角度位移进行解码才能获得绝对位置信息。机械角度位移与电角度位移之间的关系由公式（4）、（5）定义。在安装完两组永磁体之后，两个电角度位移信号的零点位置是随机确定的

实验验证

控制系统的实验平台如图15所示，它主要由磁电编码器、高精度光电编码器、控制器、数据采集卡、电机、上位机等部件组成。本研究选用了瑞萨科技生产的RX24T系列R5F524TBAGFP微控制器，该芯片支持32位浮点运算，还可通过串行外设接口（SPI）接收数据，以此来验证本文所提出算法的有效性。

结论

本文提出了一种基于CASOA算法的双多极磁电编码器间隔偏移补偿方法。该算法能够搜索出最优的间隔偏移参数，相比ACO算法和传统SOA算法，它能减少角度跳变的次数。正反转旋转实验表明，所提出的方法可以有效避免在磁极边界附近出现间隔判断错误，提升合成角度的连续性。通过与高精度光电编码器的对比

CRediT作者贡献声明

董松林：论文撰写——初稿编写。刘国强：论文撰写——审阅与编辑。王磊：资金筹集、正式分析、数据整理、概念构思。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究工作的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究部分得到了黑龙江省重点研发计划（项目编号2022ZX01A19）的支持，还有部分资金来自黑龙江省自然科学基金联合引导项目（项目编号LH2023E083）。

王磊于2009年获得哈尔滨商业大学学士学位，2011年和2015年分别从哈尔滨工业大学获得硕士和博士学位。他目前是哈尔滨理工大学的教授，研究方向包括控制理论及其在电机系统中的应用，以及高精度磁电编码器技术。