CN100339685C

CN100339685C - 三传感器式编码装置

Info

Publication number: CN100339685C
Application number: CNB2004100241911A
Authority: CN
Inventors: 郝双晖; 郝明晖
Original assignee: WEIHAI HUAKONG ELECTRICAL CO Ltd
Current assignee: Weihai Eastern Power Co., Ltd.
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2007-09-26
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: CN1704724A

Abstract

本发明属于光电传感技术领域，圆环形定子的内侧壁上等间距设置有三个传感器，定子内腔的中轴线上设置有永久磁铁，三个磁性传感器的输出信号分别接一个放大器，放大器输出信号接AD转换器，三个AD转换器的输出信号分别与一个乘法器相连，系数校正器输出信号接乘法器另一输入端，乘法器的输出信号接合器的输入端，合成器的输出信号作为第一存储器及第二存储器的输入端，合成器另一输出信号及第二存储器另一输出信号接系数校正器的输入端，第一存储器的输出信号接角度变换器。

Description

三传感器式编码装置

所属技术领域

本发明属于光电传感技术领域，具体地说是一种可测量轴转动角度的磁性编码装置。

背景技术

旋转光电编码器是集光、机、电技术于一体的转速、位移传感器。其结构和工作原理如图1-1，当编码器轴带动码盘旋转时，发光元件发出的光透过码盘(或者圆光栅和指示光栅)的通、暗区域，被分割成断续光线并被接收元件接收，产生初始信号，该信号经后继电路处理后，输出脉冲信号。光电编码器经历了从增量式到绝对式的发展过程。

增量式编码器轴旋转时，带动光栅盘旋转，发光元件发出的光被光栅盘、指示光栅的狭缝切割成断续光线并被接收元件接收，输出有相应的脉冲信号，其旋转方向和脉冲数量的增减需借助后部的判向电路和计数器来实现。其计数起点可任意设定，并可实现多圈的无限累加和测量。还可以把每转发出的一个脉冲的Z信号，作为参考机械零位。当脉冲数已固定，而需提高分辨率时，可利用90°相位差的A、B两路信号，对原脉冲进行倍频。旋转增量式编码器以转动时输出脉冲，通过计数设备来知道其位置，当编码器不动或停电时，依靠计数设备的内部记忆来记住位置。这样，当停电后，编码器不能有任何的移动，当来电工作时，编码器输出脉冲过程中，也不能有干扰而丢失脉冲，不然，计数设备记忆的零点就会偏移，而且这种偏移的量是无从知道的，只有错误的生产结果出现后才能知道。解决的方法是增加参考点，编码器每经过参考点，将参考位置修正进计数设备的记忆位置。在参考点以前，是不能保证位置的准确性的。为此，在工控中就有每次操作先找参考点，开机找零等方法。比如，打印机扫描仪的定位就是用的增量式编码器原理，每次开机，我们都能听到噼哩啪啦的一阵响，它在找参考零点，然后才工作。控制环中运用增量式编码器的数控机床，开机后必须先将各轴回零，才能正确执行加工指令。这样的方法对有些工控项目比较麻烦，甚至不允许开机找零(开机后就要知道准确位置)，于是就有了绝对编码器的出现。

绝对式光电编码器轴旋转时，输出与位置一一对应的代码(二进制、BCD码等)。从代码大小变化即可判别正方向、位移，以及所处的绝对位置，无需判向电路。它有一个绝对零位代码，当停电或关机后，再开机重新测量时，仍可准确地读出停电或关机位置的代码，并准确地找到零位代码。绝对编码器从测量范围上划分，有单圈和多圈两种类型。绝对编码器是通过读取编码盘上的图案来表示轴的角位置，图1-2为简化的编码图形，实际的码盘是分割更多的的复杂结构。光码盘上有许多道刻线，每道刻线从里到外依次以2线、4线、8线、16线……编排，这样，在编码器的每一个位置，通过读取每道刻线的通(图中白的部分)、暗(黑)，获得一组从2⁰到2^n-1的唯一的2进制编码，这就称为n位绝对编码器。绝对编码器的编码方式有纯二进制编码和循环码等。绝对编码器由机械位置决定了每个位置的唯一性，它无需掉电记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取它的位置。这样，编码器的抗干扰特性、数据的可靠性大大提高了。由于绝对编码器在定位方面明显地优于增量式编码器，已经越来越多地应用于各种工业系统中的角度、长度测量和定位控制。光电编码器存在一些难以克服的缺点

使用方面：

(1)玻璃材料的脆性使其抗冲击能力有限，在某些有较强震动的场合易破碎，因而稳定性和可靠性在此情况下难以保证

(2)由于刻线间距有极限值(20μm到10μm)，如果需要提高分辨力(位数)，就必须增大码盘直径，所以难以做到小型化；

生产方面：

(1)玻璃码盘的刻线要求精密度很高，对机械部件的精度要求也很高，所以对于高分辨力的产品，很难降低成本，精度越高，相对来说性价比就越低；

(2)要保证准确的测量，必须要有很高的装配精度，这样就会影响到生产效率的提高。

由于光电编码器存在以上缺点，在一些冲击较大，或者要求体积较小精度较高的的场合，难以符合设计要求；另外高精度码盘等部件的制造精度难以达到，成本很难降低，如果有同性能低价位产品出现，光电编码器在市场竞争中将处于劣势。

针对光电编码器的这些缺点，近年来磁性编码器的研制正逐渐展开。

传感器定子和转子用纯铁制成，定子上固定永久磁铁，形成磁路系统。定子和转子相对的环形端面上均匀地铣上齿和槽，二者齿槽数相等，转子与轴固紧，轴与被测回转轴连接。轴带动转子转动，当转子齿与定子齿相对时，气隙最小，整个磁路磁通最大；齿与槽相对时磁通最小。用线圈或磁敏元件感应磁通变化产生脉冲电压输出，变化频率与转速成正比。此类编码器测转速比较常见，用来测转动角度精度很低，只能实现增量输出。

发明内容

为了克服现有光电编码器抗冲击能力有限、易破碎，高分辨力(位数)就必须增大码盘直径，所以难以做到小型化，并且精密度低、抗干扰性差、加工成本高，适用范围受限制的技术不足，本发明提供一种四传感器式磁性编码装置，该编码装置精度高、抗扰性好、在保证体积小的前题下可实现高分辨力。利用固定在定子圆周上的磁敏元件感受固定在轴上的磁钢转动引起的磁场强度变化来输出不同相位变化的电压信号，用电压值判断轴转动角度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：设有圆环式定子，其特征在于在定子的内侧壁上、以定子的中心为圆心的同一圆周上，设置有三个磁性传感器，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，定子内腔的中轴线上设置有裹有护套的永久磁铁，永久磁铁的一端与联轴器一端固定，联轴器的另一端加工有扁平卡口；

在像限位置上三个磁性传感器等间距设置在同一圆周上，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，磁性传感器211的输出信号A1接第一放大器1，另外两个磁性传感器212、213的输出信号B1、C1分别接第二放大器2及第三放大器3，三个放大器1、2、3的三路输出信号A0、B0、C0分别接三个AD转换器4、5、6的输入端，三个AD转换器4、5、6的三路输出信号Ad、Bd、Cd分别接三个乘法器7、8、9的一个输入端，三个乘法器7、8、9的三个输出信号接合成器10的输入端，系数校正器13的输出信号K分别接三个乘法器7、8、9的另一个输入端，合成器10的第一输出信号D接第一存储器11及第二存储器12的输入端，第一存储器11的输出信号J0接角度变换器14，系数校正器13的两个输入端分别接合成器10的第二输出信号R1及第二存储器12的输出信号R0；系数校正器由减法器101、除法器102、α增益器103及累加器104依次串接，除法器102的另一输入端与减法器101的另一输入端相连接，除法器102与减法器101相连接的两个另一输入端共同接第二存储器12的输出信号R0，减法器101的一个输入端接合成器10第二输出信号R1。

本发明的有益效果是，利用固定在定子圆周上的磁敏元件感受固定在轴上的磁钢转动引起的磁场强度变化来输出不同相位变化的电压信号，用电压值判断轴转动角度，从而实现高精度的转动速度和绝对位置的测量，该编码装置抗冲击性好、具有较高的抗扰性，在保证体积小的前题下可实现高分辨力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明机械结构示意图。

图2是图1中定子与磁性传感器的连接关系示意图。

图3是本发明的电路原理图。

图4是图3中系数校正器的电路原理图。

图中1.放大器，2.放大器，3.放大器，4.AD转换器，5.AD转换器，6.AD转换器 7.乘法器，8.乘法器，9.乘法器，10.合成器，11.第一存储器，12.第二存储器，13.系数校正器，14.角度变换器，21.定子，22.联轴器，23.护套，24.永久磁铁，25.卡口，210.定子支持架，101.减法器，102.除法器，103.α增益器，104.累加器，211.传感器，212.传感器，213.传感器，A1.传感器输出信号，B1.传感器输出信号，C1.传感器输出信号，A0.放大器输出信号，B0.放大器输出信号，C0.放大器输出信号，Ad.AD转换器输出信号，Bd.AD转换器输出信号，Cd.AD转换器输出信号，A.乘法器输出信号，B.乘法器输出信号，C.乘法器输出信号，D.合成器输出信号，R0.第二存储器输出信号，R1.合成器输出信号，K.系数校正器输出信号，J0.第一存储器输出信号。

具体实施方式

在图1、图2中定子21为圆环形结构，定子21的一端安装在定子支持架210上，在定子21的内侧壁上、以定子21的中心为圆心的同一圆周上，设置有三个传感器211、212、213，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，定子21内腔的中轴线上设置有裹有护套23的永久磁铁24，永久磁铁24的一端与联轴器22另一端固定，联轴器22的另一端加工有扁平形卡口25，通过该卡口25即可将联轴器22及与之相连接的护套23、永久磁铁24牢固地固定在被测转轴上，从而勿需单独安装转轴即可实现永久磁铁24的转动。

在图3中，在像限位置上三个磁性传感器等间距设置在同一圆周上，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，磁性传感器211的输出信号A1接放大器1，另外两个磁性传感器212、213的输出信号B1、C1分别接放大器2及放大器3，三个放大器1、2、3的三路输出信号A0、B0、C0分别接三个AD转换器4、5、6的输入端，三个AD转换器4、5、6的三路输出信号Ad、Bd、Cd分别接三个乘法器7、8、9的一个输入端，三个乘法器7、8、9的三个输出信号接合成器10的输入端，系数校正器13的输出信号K分别接三个乘法器的另一个输入端，合成器10的输出信号D接第一存储器11及第二存储器12的输入端，第一存储器11的输出信号J0接角度变换器14，系数校正器13的两个输入端分别接合成器10的输出信号R1及第二存储器12的输出信号R0。

本发明中

X_I表示数据X的第I位；是在数据X的从左向右第I位的位置。其中数据X的第0位在数据X的最左边；第I位

当数据X是有符号数时，数据X的第0位为其符号位。

X_0＝1表示数据X为负数；X_0＝0表示数据X为正数。

X_D表示数据X的数值位，在数据X的符号位的右边并紧靠符号位。

{X_a；X_b；X_c}表示按下表方式组成的数据X。

数据结构为

X_a

X_b

X_c

本发明合成器10的输出按以下方式：

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝010 and A_D＞＝C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

R1＝A

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝010 and A_D＜C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

R1＝C

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝101 and A_D＞＝C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

R1＝A

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝101 and A_D＜C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

R1＝C

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝011 and B_D＞＝C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

R1＝B

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝011 and B_D＜C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

R1＝C

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝100 and B_D＞＝C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；C_D}

R1＝B

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝100 and B_D＜C_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

R1＝C

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝001 and B_D＞＝Ad_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

R1＝B

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝001 and B_D＜Ad_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

R1＝A

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝110 and B_D＞＝A_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；A_D}

R1＝B

IF({A_0；B_0；C_0}＝＝110 and B_D＜A_D)

D＝{A_0；B_0；C_0；B_D}

R1＝A

在图4中，系数校正器由减法器101、除法器102、α增益器103及累加器104依次串接而成，第二存储器9的输出信号R0及合成器7的输出信号R1接减法器101的两个输入端，减法器101的输出信号E1接除法器102输入端，除法器102的另一输入端也与第二存储器9的输出信号R0相接，除法器102的输出信号E2接α增益器103，α增益器103的输出信号E3接累加器104的输入端，累加器104的输出信号即系数校正器10的输出信号K分别接乘法器5及乘法器6的一信号输入端。

本发明组成系数校正器13的减法器101、除法器102、α增益器103及累加器104的输出按以下方式：

E1＝R0-R1

E2＝E1/R0

0＜α＜1

E3＝αE2

K(i)＝K(i-1)+E3；i＝0，1，2...K(0)＝1

i为采样序号，开始采样时为0

本发明前面所描述的放大器1，放大器2，放大器3，AD转换器4，AD转换器5，AD转换器6，乘法器7，乘法器8，乘法器9，合成放大器10，第一存储器11，第二存储器12，系数校正器13，角度变换器14，减法器101，除法器102，α增益器103，累加器104，磁性传感器211，磁性传感器212，磁性传感器213的电路结构是本领域普通人员所公知公用的，这不再重复描述其结构原理。

Claims

1、一种三传感器式编码装置，设有圆环式定子，其特征在于在定子的内侧壁上、以定子的中心为圆心的同一圆周上，设置有三个磁性传感器，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，定子内腔的中轴线上设置有裹有护套的永久磁铁，永久磁铁的一端与联轴器一端固定，联轴器的另一端加工有扁平卡口；在像限位置上三个磁性传感器等间距设置在同一圆周上，相邻的两个传感器之间的夹角为120°，磁性传感器(211)的输出信号(A1)接第一放大器(1)，另外两个磁性传感器(212、213)的输出信号(B1、C1)分别接第二放大器(2)及第三放大器(3)，三个放大器(1、2、3)的三路输出信号(A0、B0、C0)分别接三个AD转换器(4、5、6)的输入端，三个AD转换器(4、5、6)的三路输出信号(Ad、Bd、Cd)分别接三个乘法器(7、8、9)的一个输入端，三个乘法器(7、8、9)的三个输出信号接合成器(10)的输入端，系数校正器(13)的输出信号(K)分别接三个乘法器(7、8、9)的另一个输入端，合成器(10)的第一输出信号(D)接第一存储器(11)及第二存储器(12)的输入端，第一存储器(11)的输出信号(J0)接角度变换器(14)，系数校正器(13)的两个输入端分别接合成器(10)的第二输出信号(R1)及第二存储器(12)的输出信号(R0)；系数校正器由减法器(101)、除法器(102)、α增益器(103)及累加器(104)依次串接，除法器(102)的另一输入端与减法器(101)的另一输入端相连接，除法器(102)与减法器(101)相连接的两个另一输入端共同接第二存储器(12)的输出信号(R0)，减法器(101)的一个输入端接合成器(10)第二输出信号(R1)。