CN101750102A - 磁电旋转编码器以及磁电式的旋转角度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种磁电旋转编码器以及磁电式的旋转角度测量方法，其磁电旋转编码器用于测量控制对象的角度位置，包括磁电感应单元、旋转磁铁以及外接微处理器。磁电感应单元设置在控制对象上，用于根据控制对象表面上的磁场变化产生一个电压，并根据电压计算出表示控制对象角度信息的编码值。旋转磁铁无接触式地安装在磁电感应单元的上方，且旋转磁铁的轴心位置固定不变。外接微处理器与磁电感应单元相连，用于读取磁电感应单元计算出的编码值，并输出控制信号。本发明具有成本低、安装方便、适用范围广的优点。

Description

磁电旋转编码器以及磁电式的旋转角度测量方法

技术领域

本发明涉及一种磁电旋转编码器，特别涉及一种可以精确定位角度的磁电旋转编码器。

背景技术

在精确角度定位控制系统中，为了提高控制精度，准确测量控制对象的位置是十分重要的。目前，检测角度位置的办法有两种：

其一是使用位置传感器，其主要是对控制对象的位移量进行测量，再由变送器(由位移量变化产生相应电压信号或电流信号的设备)经A/D(模/数)转换成数字量送至系统进一步处理，从而得到控制对象的角度位置。此方法精度高，但在多路、长距离位置监控系统中，由于需要输出线路多，接线极为麻烦，造成电缆和人工成本昂贵，安装困难，因此并不实用。

其二是使用光电轴角编码器，典型的光电轴角编码器是在一张光盘上设置刻有角度位置编码的透光孔，然后在光盘的两侧分别精确安装发光二极管与光接收管，并通过透光孔显示的编码来确定控制对象转过的角度。此方法对在振动大、粉尘多的场合就不太适合，而且安装精度要求高，特别是在有油污进入编码器的场合无法使用光电编码器。

综上所述，现有的角度定位设备在多路、长距离的监控系统中有成本高、安装困难的问题；在振动大、粉尘多的场合容易受到粉尘、油污的污染而影响正常使用。

发明内容

本发明的目的是提供一种磁电旋转编码器，以解决现有的角度定位设备容易受到粉尘、油污的污染，以及成本高、安装困难的问题。

本发明的另一目的是提供一种磁电式的旋转角度测量方法，以解决现有的角度定位方法，其精确性容易受到使用场合的影响，以及硬件设备成本高、安装困难的问题。

本发明提出一种磁电旋转编码器，用于测量控制对象的角度位置，包括磁电感应单元、旋转磁铁以及外接微处理器。磁电感应单元设置在控制对象上，用于根据控制对象表面上的磁场变化产生一个电压，并根据电压计算出表示控制对象角度信息的编码值。旋转磁铁无接触式地安装在磁电感应单元的上方，且旋转磁铁的轴心位置固定不变。外接微处理器与磁电感应单元相连，用于读取磁电感应单元计算出的编码值，并输出控制信号。

依照本发明较佳实施例所述的磁电旋转编码器，外接微处理器为stm32f103芯片，其读取到编码值后以CAN总线的通信方式输出控制信号。

依照本发明较佳实施例所述的磁电旋转编码器，磁电感应单元中集成有霍尔元件，用于感测控制对象表面上的磁场变化。

依照本发明较佳实施例所述的磁电旋转编码器，磁电感应单元为AS5040芯片。

依照本发明较佳实施例所述的磁电旋转编码器，其还包括差分转换单元，其与磁电感应单元相连，用于对磁电感应单元提供的增量输出信号进行处理，并以正交编码形式输出。

依照本发明较佳实施例所述的磁电旋转编码器，其还包括长线驱动单元，其与外接微处理器相连，用于并口方式驱动输出经该外接微处理器处理后的角度信号二进制格雷码。

本发明另提出一种磁电式的旋转角度测量方法，用于测量控制对象的角度位置，包括以下步骤：(1)在控制对象上设置磁电旋转编码器。(2)在磁电旋转编码器上方无接触式地安装旋转磁铁，旋转磁铁的轴心位置固定不变。(3)磁电旋转编码器感测控制对象表面上的磁场变化，并产生一个电压。(4)磁电旋转编码器根据电压计算出表示控制对象角度信息的编码值。(5)磁电旋转编码器对编码值进行处理，并输出控制信号。

依照本发明较佳实施例所述的磁电式的旋转角度测量方法，磁电旋转编码器对编码值进行处理之后，以增量式、绝对式、CAN总线的通信方式分别输出三种控制信号。

相对于现有技术，本发明具有以下优点：

1、本发明采用磁电感测的方式来测量控制对象的角度位置，因为不用设置任何孔状结构，所以不会受到粉尘或油污等环境因素的影响，尤其适合应用在织布机的控制系统、数控机床、伺服电机等需要旋转角度信号且粉尘、油污较多的设备上，不会受到使用场所的限制，具有很强的适应能力。

2、本发明采用增量式、绝对式和CAN总线通信的三种信号输出方式，不仅可以可以满足不同设备对信号的需求，而且由于CAN的总线输出，直接通信距离最远可达10km，通信速率高，可挂接的设备数量多，因此尤为适合使用在多路、长距离位置监控系统中，具有成本低、安装方便的优点。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

图1为本发明磁电旋转编码器的一种实施例框架图；

图2为本发明旋转磁铁产生的一种磁场分布图；

图3为本发明磁电旋转编码器的一种实施例PCB图；

图4为本发明磁电感应单元输出编码值的一种实施例数据格式示意图；

图5为本发明磁电式的旋转角度测量方法的一种实施例流程图。

具体实施方式

本发明的主要思想是利用控制对象表面磁场的变化来产生相对应的电信号，从而精确测量出控制对象的角度信息，适用于各种粉尘、油污多的场合。并且，本发明的磁电旋转编码器可以以增量式、绝对式、CAN总线(ControllerAreaNetWork，控制器局域网络)的通信方式分别输出三种控制信号，可以应用在多路、长距离的监控系统中，具有很强的适应能力。

以下结合附图，具体说明本发明。

本发明的磁电旋转编码器安装在控制对象上，用于测量控制对象的角度位置，请参见图1，其为本发明磁电旋转编码器的一种实施例框架图。此磁电旋转编码器主要包括旋转磁铁11、磁电感应单元12、外接微处理器13、差分转换单元14以及长线驱动单元15。其中，磁电感应单元12、外接微处理器13、差分转换单元14和长线驱动单元15集成封装在一起，外接微处理器13、差分转换单元14均与磁电感应单元12电性相连，长线驱动单元15与外接微处理器13电性连接。且差分转换单元14与增量信号输出端16相连，外接微处理器13与CAN输出端17相连，长线驱动单元15与绝对信号输出端18相连。而旋转磁铁11无接触式地安装在磁电感应单元12的上方，且旋转磁铁11的轴心位置固定不变。

工作时，旋转磁铁11绕其轴心旋转，并在控制对象表面上产生一个磁场，典型的磁场分布如图2所示。磁电感应单元12会实时地对这个磁场进行感测，一旦控制对象的角度位置发生变化时，其磁电感应单元12会根据其表面上的磁场变化产生一个电压，并根据这个电压计算出表示控制对象角度信息的一个编码值。然后外接微处理器13通过同步串行接口(SSI)读取此编码值，并以CAN(控制器局域网络)总线的通信方式由CAN输出端17输出控制信号。同时，磁电感应单元12还会提供一个增量输出信号，外接微处理器13还会输出一个格雷码(循环二进制编码)，增量输出信号经差分转换单元14以正交编码形式由增量信号输出端16输出(即以增量式的通信方式输出控制信号)，格雷码则会被送到长线驱动单元15并进行处理后由绝对信号输出端18(并行端口)输出(即以绝对式的通信方式输出控制信号)。这样，使本发明的磁电旋转编码器同时具备了三种不同格式的输出，可以满足不同场合的应用。

值得注意的是，增量式和绝对式的输出方式是现有角度位置测量设备常用的信号输出形式，而CAN式的输出方式是本发明独特的设计方案。由于CAN的总线输出，它的直接通信距离最远可达10km，通信速率最高达1M bps(通信距离为40m时)，总线上可挂设备数主要取决于总线驱动电路，最多可达110个。因此，本发明采用CAN的输出方式，可以解决位置传感器在多路、长距离位置监控系统应用中高成本、安装不便的问题。

另外，本发明的磁电感应单元12感测磁场变化的功能，可以由内部集成若干个霍尔(Hall)元件来达到。霍尔元件的工作原理是当磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，会产生横向电位差的一种物理现象。而本发明的磁电感应单元12较佳的实现方式是采用AS5040芯片、AS5055芯片以及其系列芯片。

请参见图3，其为本发明磁电旋转编码器的一种实施例PCB图。在本实施例中，磁电感应单元12采用的是AS5040芯片U2，其设置在PCB板的中心位置。外接微处理器13采用的是stm32f103芯片U6，stm32f103芯片U6、差分转换芯片U5和长线驱动芯片U7均与AS5040芯片U2电性连接。

当AS5040芯片U2中的霍尔元件根据磁场变化而产生出一个电压之后，AS5040芯片U2还会通过∑-Δ模拟/数字转换技术和数字信号处理(DSP)算法，提供精确的高分辨率绝对值角度信息，并利用霍尔元件输出的电压值计算出一个二进制的编码值。而这个编码值是一个16位的串行数据，其中前10位是控制对象的角度信息，后6位包含系统信息，其数据格式如图4所示。

其中，D9～D0为绝对值角度位置数据；

OCF为偏差补偿标志，逻辑高电平表示偏差补偿算法执行完毕；

COF为溢出标志，逻辑高电平表示出现了超范围的错误；

LIN为线性度报警标志，逻辑高电平表示输入磁场产生了严重的输出线性度问题；

MagINCn为磁场增强标志，磁铁被推向靠近AS5040芯片U2的位置时，会导致磁场强度增大，该位将变成逻辑高；

MagDECn为磁场减弱标志，磁铁被拉至远离AS5040芯片U2的位置时，会导致磁场强度减小，该位将变成逻辑高。

这两个信号(MagINCn、MagDECn)均为逻辑高时，表明磁场强度超出了所允许的范围。

EvenPAR为偶数奇偶校验位，用于第1至15位(D9～D0、OCF、COF、LIN、MagINCn和MagDECn)的传输错误检测。绝对值角度输出总是设置为10位分辨率。将磁铁安装在芯片上方时，缺省情况下，角度数值沿顺时针方向增加。

在一次测量过程中，片选线CSn变成逻辑低电平，数据输出(DO)将从高阻态(三态)变为逻辑高电平，并启动读取操作。经过最短时间tCLK FE后，数据在CLK的第1个下降沿锁存至输出移位寄存器。每个后续的CLK上升沿将移出1位数据。然后通过CSn处的逻辑“高”脉冲启动下一次测量，CSn的最小持续时间为tCSn。数据位D9～D0较大数值表明控制对象偏离距离较大，而且表示绝对磁场强度较高。在一整圈范围内，最大和最小数值之间的差值最小时，旋转磁铁即正确对准。

由于本发明采用了磁电感测的方式，因此编码器上不用设置任何孔状结构，不会受到粉尘或油污等环境因素的影响，因此不会受到使用场所的限制，尤其适合应用在织布机的控制系统、数控机床、伺服电机等需要旋转角度信号的设备上。

本发明另提出了一种磁电式的旋转角度测量方法，用于测量控制对象的旋转角度，如图5所示，其包括以下步骤：

S501，在控制对象上设置磁电旋转编码器。所述的磁电编码器是由磁场变化来产生相应电信号的编码器。

S502，在磁电旋转编码器上方无接触式地安装旋转磁铁，旋转磁铁的轴心位置固定不变。

S503，磁电旋转编码器感测控制对象表面上的磁场变化，并产生一个电压。该电压可以表现出控制对象表面上的磁场变化，也即可以表现出控制对象角度位置的变化。而磁电旋转编码器可以在内部集成霍尔元件，并通过霍尔元件来感测其表面磁场的变化。

S504，磁电旋转编码器根据电压计算出表示控制对象角度信息的编码值。这个编码值可以是一个16位的串行数据，其中前10位是控制对象的角度信息，后6位包含系统信息，其数据格式如图4所示。数据位D9～D0的大小表示了控制对象角度位置偏离的大小，较大数值表明控制对象偏离距离较大，而且表示绝对磁场强度较高。在一整圈范围内，最大和最小数值之间的差值最小时，旋转磁铁即正确对准。

S505，磁电旋转编码器对编码值进行处理，并输出控制信号。另外，本发明的控制信号可以分别以增量式、绝对式、CAN总线(控制器局域网络)三种通信形式输出。

本发明以磁电感测的方式测量控制对象的角度位置，不会受到粉尘或油污等环境因素的影响，具有很强的适应能力。并且，本发明采用增量式、绝对式和CAN通信的三种信号输出方式，相对于现有的角度测量设备，尤其适合使用在多路、长距离位置监控系统中，具有成本低、安装方便的优点。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种磁电旋转编码器，用于测量控制对象的角度位置，其特征在于，包括：

一磁电感应单元，其设置在控制对象上，用于根据控制对象表面上的磁场变化产生一个电压，并根据该电压计算出表示控制对象角度信息的一编码值；

一旋转磁铁，其无接触式地安装在该磁电感应单元的上方，且该旋转磁铁的轴心位置固定不变；

一外接微处理器，其与该磁电感应单元相连，用于读取该磁电感应单元计算出的该编码值，并输出控制信号。

2.如权利要求1所述的磁电旋转编码器，其特征在于，该外接微处理器为stm32f103芯片，其读取到该编码值后以CAN总线的通信方式输出控制信号。

3.如权利要求1所述的磁电旋转编码器，其特征在于，该磁电感应单元中集成有霍尔元件，用于感测控制对象表面上的磁场变化。

4.如权利要求1所述的磁电旋转编码器，其特征在于，该磁电感应单元为AS5040芯片。

5.如权利要求1所述的磁电旋转编码器，其特征在于，其还包括一差分转换单元，其与该磁电感应单元相连，用于对该磁电感应单元提供的一增量输出信号进行处理，并以正交编码形式输出。

6.如权利要求1所述的磁电旋转编码器，其特征在于，其还包括一长线驱动单元，其与该外接微处理器相连，用于并口方式驱动输出经该外接微处理器处理后的角度信号二进制格雷码。

7.一种磁电式的旋转角度测量方法，用于测量控制对象的角度位置，其特征在于，包括以下步骤：

在控制对象上设置一磁电旋转编码器；

在该磁电旋转编码器上方无接触式地安装一旋转磁铁，该旋转磁铁的轴心位置固定不变；

该磁电旋转编码器感测控制对象表面上的磁场变化，并产生一个电压；

该磁电旋转编码器根据该电压计算出表示控制对象角度信息的一编码值；

该磁电旋转编码器对该编码值进行处理，并输出控制信号。

8.如权利要求7所述的磁电式的旋转角度测量方法，其特征在于，该磁电旋转编码器对该编码值进行处理之后，以增量式、绝对式、CAN总线的通信方式分别输出三种控制信号。

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