CN101846531A

CN101846531A - 多极复合式磁编码器

Info

Publication number: CN101846531A
Application number: CN 201010185800
Authority: CN
Inventors: 徐殿国; 阮正亚; 贵献国; 杨明; 吴浩
Original assignee: JIANGSU SIWOTER ELECTRIC CO Ltd
Current assignee: JIANGSU SIWOTER ELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2010-05-28
Filing date: 2010-05-28
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2030-05-28
Also published as: CN101846531B

Abstract

本发明公开了一种多极复合式磁编码器，包括设置于壳体中用于随电机轴同步旋转的多极复合式磁栅，该多极复合式磁栅上分别产生三个不同的磁场；以及设置于壳体中的信号处理器，该信号处理器将多极复合式磁栅上产生的磁场信号进行检测后，转换为高分辨率的增量式A、B、Z电信号和低分辨率的绝对式U、V、W电信号输出。本发明的多极复合式磁编码器具有高速、小型、高分辨率的优点。

Description

多极复合式磁编码器

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，具体涉及一种多极复合式磁编码器。

背景技术

随着运动控制系统的发展，直流电机向交流电机的转变以及模拟式控制向数字式控制的转变，都离不开编码器，编码器技术水平直接影响到运动控制系统的性能。作为一种将旋转角位置、角速度转换为电信号的角位移传感器，其种类繁多，按输出电信号形式来分，可分为模拟式和数字式两大类。模拟式传感器包括自整角机、测速发电机等，数字式传感器包括光学编码器、磁性编码器等。

目前，在工业生产中广泛应用的是数字式光电编码器，技术非常成熟，并且精度和分辨率比较高。但光电编码器的光栅盘在绕轴旋转时，轴振动易使光栅盘破碎；光栅盘的抗冲击、抗振动性能不高；光器件的使用寿命有限；尤其对于水、尘埃等恶劣环境适应性差；结构与定位组装复杂，成本较高；光栅刻线宽度有极限，实现高分辨率就需要直径很大光栅盘，难以实现小型化。然而磁编码器，根据磁电原理，其结构简单、可以高速运转、响应速度快、易于小型化、对环境的要求不高；在大批量生产时，磁性编码器比光学编码器更容易降低成本。所以在未来的运动控制系统中，磁性编码器的用量将逐渐增多。

磁编码器如要获得高分辨率，必须增加磁极数或者采用更小极距的多极复合式磁栅。但是由于充磁工艺、使用空间、漏磁分布等原因，提高磁极数和采用更小极距的多极复合式磁栅存在一定的难度。增加极数将会增大编码器磁钢的尺寸，不利于小型化。采用更小极距的多极复合式磁栅，若多极复合式磁栅做得与光栅一样大小时，磁场强度很弱，磁敏感器很难在非接触状态下检出这样微弱的信号，同时充磁的均匀性难以保证。所以通常采用电子细分的方式来提高分辨率。这样才能有效解决体积和分辨率之间的矛盾问题。

磁编码器包括采用单极式和多极式磁钢两大类。对于单极式磁编码器，磁钢旋转一周，磁传感器只输出一对正交的类正弦模拟信号。要获得高分辨率的位置信号，必须对该信号进行高倍数的电子细分。然而进行模拟量细分的时候需要使用模数转换，模数转换的速度也就决定了可细分的倍数。所以模数转换时间和位置信号分辨的精确度是一对矛盾，细分倍数过高容易出现响应和准确度方面的问题。同时，由于存在外界干扰和磁传感器本身的局限等因素，磁传感器输出波形的一致性、完整度有限，细分倍数过大，容易把误差暴露的更明显，从而导致新的误差。所以必须结合电子细分和多极式磁钢才能获得高速、高精、小尺寸的磁编码器。

编码器在交流伺服系统使用中，需要获得当前的绝对位置信息，电机才能输出相应的电磁力矩，使转子转动。然而A、B、Z增量式伺服系统在刚上电的时候，系统是不能获得当前的绝对位置，只能获得相对位置。它需要电机转动到第一个Z信号出现的位置，通过补偿差值才能获得电机当前的绝对位置。低分辨率的霍尔式U、V、W编码器是一种上电就能获得绝对位置信息的码盘，价格低廉，分辨率低，一对磁极只能获得6个绝对位置信息。所以伺服系统通常配合使用增量式和霍尔式编码器，先用U、V、W编码器来拖动电机，直到获得第一个Z信号，然后再切换到高精度的A、B、Z编码器模式。

对增量式光电编码器的光栅盘来说，其具备很大的空间来刻蚀U、V、W信号光栅。同时，在工艺上也非常容易实现，所以很容易就获得A、B、Z和U、V、W两种信号的复合式编码器。但对复合式磁编码器来说，由于充磁工艺和尺寸方面的制约，分别设置两个独立的部分来获得两种信号。由于两个独立部分的磁环不在同一个平面上，磁编码器的轴向尺寸将增大，不利于小型化。或者有的把霍尔式U、V、W编码器放置在电机本体里面，通过检测电机内部的旋转磁场来获得U、V、W信号。这种情况，组装麻烦，不利于维修，通用性不好。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种高速、小型、高分辨率的多极复合式磁编码器。

实现本发明目的的技术方案如下：

多极复合式磁编码器，包括壳体，还包括设置于壳体中用于随电机轴同步旋转的多极复合式磁栅，该多极复合式磁栅上分别产生三个不同的磁场；

以及设置于壳体中的信号处理器，该信号处理器将多极复合式磁栅上产生的磁场信号进行检测后，转换为高分辨率的增量式A、B、Z电信号和低分辨率的绝对式U、V、W电信号输出。

采用了上述方案，本发明采用可与电机输出轴装配为一体的多极复合式磁栅，其能在恶劣的环境中使用，并且能产生多种不同的磁场，以达到检测所需。通过信号处理器完成对其采集的正余弦模拟信号进行细分，并且以细分数和磁极对数的乘积倍数输出正交的数字量信号。同时由于该信号处理器具备检测磁场的功能，方便多极复合式磁栅和信号处理器的安装和磁场强弱的检测。信号处理器为一智能集成式的片上系统，具备固定的细分倍数，能在恶劣环境中使用、对外部干扰磁场不敏感、具有磁场强度感应能力和丢失磁场报警功能等等。

本发明的编码器与电机为一体式安装结构，具备厚度薄、部件少、安装简单可靠等特点。由于采用的是磁电转换原理，相对光电原理的光电编码器具备更高的可靠性、造价低、抗干扰能力强、不易受环境影响，同时其结构简单紧凑、可高速运转、体积便于小型化，分辨率高，配置简单，成本更低。

综上所述，本发明的编码器是通过采用低分辨率的多极复合式磁栅产生三个不同强度的磁场，和使用信号处理器对检测的各磁场进行电子细分的方式，达到既缩小编码器的径向尺寸目的，同时又保证高分辨率。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明的编码器的装配结构图；

图2为图1中外壳的结构示意图；

图3为图1中多极复合式磁栅的分解示意图；

图4为图1中信号处理器的结构示意图；

图5为第二处理器的电路方框图；

图6为A、B、Z信号细分图；

图7为U、V、W信号发生图；

图8为磁场强弱检测图；

附图中，1为端盖，2为外壳，3为多极复合式磁栅，4为信号处理器，5为磁体，6为磁体，7为磁体，8为环形槽，9为孔，10为智能集成霍尔传感器，11为开关霍尔，12、13、14均为锁定开关型霍尔，15为台阶，16为凸块，17为圆柱凸块，18为安装孔，19为引出线止口，20为半凹口，21为凹口，100为检测放大模块，101为信号处理模块，102为数字信号转换模块，103为自动增益控制模块，104为模拟量输出模块，105为增量式接口模块，106为逻辑与门器件。

具体实施方式

参照图1，本发明的多极复合式磁编码器，包括壳体，以及设置于壳体中用于随电机轴同步旋转的多极复合式磁栅3，该多极复合式磁栅上分别产生三个不同的磁场。以及设置于壳体中的信号处理器4，该信号处理器将多极复合式磁栅上产生的磁场信号进行检测后，转换为高分辨率的增量式A、B、Z电信号和低分辨率的绝对式U、V、W电信号输出。

参照图1和图2，其中图2反映了壳体的结构，壳体用于保护安装在其内部的多极复合式磁栅3和信号处理器4。该壳体由端盖1和外壳2组成。根据信号处理器的尺寸，设计端盖1和外壳2的尺寸。外壳2大致呈一个圆筒的形状，外壳2整体采用ABS塑料制造而成。使用螺钉通过在该外壳底部设置的安装孔18把其固定在电机轴的端盖上，并且保证外壳的中心轴与电机轴同心。在外壳2底部的中心设有供电机轴穿过的通孔。在外壳2的内壁面上设有一个台阶15以及3个互相相差120°的半圆柱凸块16，通过台阶15和凸块16将信号处量器4进行定位。在高于台阶15的2mm上设置引出线止口19，用于将信号处量器4上连接的电缆引出与外部的控制器连接。在与端盖接合处使用4个上圆柱凸块17固定外端盖1。端盖1也呈圆柱形，端盖1的圆周面上设有4个凹口21，这些凹口为上半部分大、下半部分小，用于和外壳2上的上圆柱凸块17配合，凹口21和凸块17结合后，能把端盖1扣死在外壳2上。端盖上还有另外3个互相相差120°的半凹口20，用于配合外壳2下圆柱凸块。

本发明的部件在组装方面，先把外壳2固定在电机上，把多极复合式磁栅3套在电机的转子轴上面，把信号处理器4安装在外壳里面。通过观察智能集成霍尔传感器10的输出V_Ao大小(参照图8的磁场强弱检测曲线图)，来调整多极复合式磁栅3和信号处理器4的距离，盖上端盖1就可以得到整个编码器。通过从驱动器上引入5V电源，可以使编码器正常工作。

参照图1和图3，在图1中可以看出，电机的输出端穿过外壳2底部的通孔，多极复合式磁栅3与电机输出轴周向固定连接，这样，多极复合式磁栅3可以随电机同步旋转。在图3中，多极复合式磁栅3包括磁钢、第一磁道、第二磁道。磁钢采用软塑磁铁氧体材料压制而成，磁钢上设有用于连接电机的中心孔，磁钢的轴向端面上设有环形槽8，该环形槽8用于装配第一磁道。在磁钢上装配第一磁道和第二磁道后，组成多极复合式磁栅3。在多极复合式磁栅上存在三个磁场，这三个磁场的形成为：

第一磁道为用于产生U、V、W磁场信号的磁体5，第一磁道5为环形状，将第一磁道5镶嵌到磁钢的环形槽8中后，用胶水进行粘结固定。第一磁道中磁体的极对数与被测电机的转子的极对数相同。第一磁道的磁场由这些磁体5所形成，第一磁道形成第一磁场。第二磁道包括产生Z磁场信号的单对极磁体6镶嵌到磁钢轴向端面上设置的孔9中，用胶水粘结固定，磁体6用于产生第二磁场。第二磁道还包含若干对产生A、B磁场信号的磁体7，磁体7形成第三磁场。在若干对产生A、B磁场信号的磁体7中，磁体的极距为1.2mm。磁体7需要根据应用指标来确定所需的磁极对数。

根据上述，其中第一磁道和第二磁道均设置在磁钢的轴向端面上，且与磁钢的中心距离依次增大，第一磁道和第二磁道的轴向端面在同一平面上。第一磁道和第二磁道上的各磁体均采用轴向充磁方式来获得所需要的磁场，即沿着电机轴的轴向方向充注磁场，这样的磁体在轴向方向上的磁场强度大。

参看图4和图5，信号处理器是用于接收多极复合式磁栅上的各磁道的磁场信号，并将这些磁场信号进行电子细分，以获得所需要的高分辨率的增量式A、B、Z电信号，以及低分辨率的绝对式U、V、W电信号。信号处理器包括PCB电路板，以及设置于该PCB电路板上的第一处理器和第二处理器。

第一处理器包括3个分别用于检测磁场信号并产生低分辨率的绝对式U、V、W电信号的锁定开关型霍尔12、13、14，3个锁定开关型霍尔以120度的弧度间隔均布在PCB电路板的同一圆周上。多极复合式磁栅3在随电机输出轴转动过程中，通过设置成相差为120度机械角度的锁定开关型霍尔12、13、14能对第一磁道5进行检测，以得到低分辨率的绝对式U、V、W电信号输出波形，其波形如图7所示。该三相波形为相互滞后或超前120°，每相中在磁场每极的零点处翻转一次电平。

第二处理器包括用于检测磁场信号并产生A、B、I电信号的智能集成霍尔传感器，其中A、B电信号为高分辨率的增量式的电信号，I信号经过处理后用于高分辨率的增量式A、B的参考信号。由于编码器的多极复合式磁栅上具有多个磁体7，多极复合式磁栅在旋转时，每对磁体(一对磁体由一个N极和一个S极组成)对应输出1个I电信号。当多极复合式磁栅旋转一周时，智能集成霍尔传感器10会输出多个I信号，该I电信号经过处理后可用于高分辨率的增量式A、B的参考信号，但该参考信号不能直接作为编码器的参考信号。

参看图5，智能集成霍尔传感器10包括：检测放大模块100，以及与检测放大模块连接的信号处理模块101，以及与信号处理模块101连接的数字信号转换和细分处理模块102，以及与信号处理模块101连接的自动增益控制模块103，以及与该自动增益控制模块连接的模拟量输出模块104。以及与数字信号转换和细分处理模块102连接的增量式接口模块105。

检测放大模块100检测磁道的空间正弦磁场后，经前置放大以获得两路正交的正弦和余弦信号。检测放大模块100由霍尔传感器和前级放大器组成，根据智能集成霍尔传感器10检测半径的大小，把智能集成霍尔传感器10中霍尔传感器阵列放置在检测半径处。通过霍尔传感器来检测第二磁道所产生的A、B磁场的空间正弦磁场，将该A、B磁场检测到以后，经过前级放大器进行放大，可以获得两路正交的正弦和余弦信号，这样可以使检测信号的幅度得到增大，便于后面将该信号进行模数转换。信号处理模块101用于设置正弦和余弦信号的增益倍数，并将正弦和余弦两路信号进行一步放大。信号处理模块101由信号处理器和通道放大器两部分组成，由于经前面的霍尔传感器采集的正弦和余弦信号两路信号的幅值不会相同，将这两路信号经前面的前级放大器放大输出到信号处理器时，信号处理器会设置正弦和余弦信号的增益倍数，并将该增益倍数的调整信号输出到自动增益控制模块103。由于自动增益控制模块103用于调整检测放大模块的放大倍数，因此，自动增益控制模块103控制检测放大模块100中的前级放大器将正弦和余弦信号放大到相同的幅值。信号处理器得知正弦和余弦信号的幅值相同，则将正弦和余弦信号输出到通道放大器，由通道放大器将这两路信号作进一步放大。对于数字信号转换和细分处理模块102，其中数字信号转换模块包含信号采样器ADC，该数字信号转换模块将信号处理模块101输出的模拟信号处理为数字信号输出。而细分处理模块(DSP)用于计算出当前正、余弦两路信号包含的位置信息，即将数字信号转换模块输出的数字信号传输到处理器DSP进行位置解算，可以得到两路正交的高分辨率的A、B电信号，和与每对磁极对应的I电信号，这三个信号经过增量式接口输出，这三个信号的输出信号波形如图6所示。增量式接口模块105用于把数字信号转换和细分处理模块102细分得到的磁场位置信息转换成增量式的信号。

智能集成霍尔传感器10还包括与该自动增益控制模块连接的模拟量输出模块104，由于智能集成霍尔传感器10具备检测磁场的功能，根据模拟量输出模块104输出的信号可以确定磁场的强弱，因此，在装配多极复合式磁栅3和信号处理器4时，用于确定多极复合式磁栅3和信号处理器4之间的间距，这样，便于将多极复合式磁栅3和信号处理器的间距调整到最佳位置。

参照图5，用于检测磁场信号并产生Z电信号的霍尔装置，该霍尔装置与智能集成霍尔传感器10电连接。霍尔装置包括开关霍尔11和与该开关霍尔输出端连接的逻辑与门器件106，逻辑与门器件106还与智能集成霍尔传感器的I信号输出端连接。由于编码器的多极复合式磁栅上具有多个磁体7，多极复合式磁栅在旋转时，每对磁体对应输出1个I磁信号。当多极复合式磁栅旋转一周时，智能集成霍尔传感器10会输出多个I电信号，该I电信号经过处理后可用于高分辨率的增量式A、B的参考信号，但不能直接作为编码器的参考信号。虽然开关霍尔11每转只输出一个数字信号，但是该信号的宽度远比细分处理模块细分后得到的A、B电信号宽，所以不符合标准增量式信号的要求。这样，通过将开关霍尔11得到的数字信号与I信号进行逻辑与后，可以得到所需的标准的零位参考信号Z，该标准参考信号Z用于消除使用A、B信号进行计算得到的积累性误差、作为参考信号以及精准定位等作用。

假设磁体7的极对数为P、磁编码器的A、B信号的分辨率为N、电机的最大速度n_MAX、信号处理器4的检测半径为R。已知信号处理器的细分数为40，磁场极距为1.2mm，细分的频率响应为5kHz。则通过以下计算：

P＝N/40 (1)

R＝1.2*2P/(3.14*2)mm (2)

n_MAX＝(5000*60)/P RPM (3)

设计好了磁体的尺寸后，采用轴向充磁法，根据P的设计值，在检测半径R的内外侧一次性充上P对磁极。第一磁道5和第二磁道分别根据要求充磁后，使用胶水把这两部分镶嵌在磁钢上，从而获得多极复合式的多极复合式磁栅3。

实施例一、假设应用于额定转速为9000rpm，磁编码器的分辨率为1000ppr：则可以根据公式(1)-(3)计算得出P＝25，n_MAX＝12000RPM，R＝9.55mm。从以上数据可以看出：信号处理器的检测半径为9.55mm，则信号处理器4的半径略比9.55mm大一些，再加上外壳的尺寸，编码器的径向尺寸不会超过15mm。

实施例二、用在750W通用伺服电机中，一般指标为：最大速度5000rpm、要求的分辨率为2000ppr。根据公式(1)-(3)得到：P＝50，n_MAX＝6000RMP，R＝19.1mm。从以上数据可以看出：信号处理器的检测半径为19.1mm，则信号处理器的半径略比19.1mm大一些，再加上外壳的尺寸，编码器的径向尺寸不会超过25mm。

根据以上的计算指标可见，本发明的磁编码器具有尺寸小、响应快、分辨率高的优点。

Claims

1.多极复合式磁编码器，包括壳体，其特征在于：还包括设置于壳体中用于随电机轴同步旋转的多极复合式磁栅，该多极复合式磁栅上分别产生三个不同的磁场；

2.根据权利要求1所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述多极复合式磁栅包括磁钢、第一磁道、第二磁道，第一磁道和第二磁道均设置在磁钢的轴向端面上，且与磁钢的中心距离依次增大，第一磁道和第二磁道的轴向端面在同一平面上。

3.根据权利要求2所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述第一磁道为用于产生U、V、W磁场信号的磁体，该第一磁道中磁体的极对数与被测电机的转子的极对数相同。

4.根据权利要求2所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述第二磁道包括产生Z磁场信号的单对极磁体，以及包含若干对产生A、B磁场信号的磁体。

5.根据权利要求4所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述第二磁道的若干对产生A、B磁场信号的磁体，该磁体的磁场极距为1.2mm。

6.根据权利要求1所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述信号处理器包括PCB电路板，以及设置于该PCB电路板上的第一处理器和第二处理器；其中，第一处理器包括3个分别用于检测磁场信号并产生低分辨率的绝对式U、V、W电信号的锁定开关型霍尔，第二处理器包括用于检测磁场信号并产生A、B、I电信号的智能集成霍尔传感器，以及用于检测磁场信号并产生Z电信号的霍尔装置，该霍尔装置与智能集成霍尔传感器电连接。

所述信号处理器包括PCB电路板，以及设置于该PCB电路板上的第一处理器和第二处理器；其中，第一处理器包括3个分别用于检测磁场信号并产生低分辨率的绝对式U、V、W电信号的锁定开关型霍尔，第二处理器包括用于检测磁场信号并产生A、B电信号的智能集成霍尔传感器，以及用于检测磁场信号并用于产生Z电信号的霍尔装置，该霍尔装置与智能集成霍尔传感器电连接。

7.根据权利要求6所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：3个锁定开关型霍尔以120度的弧度间隔均布在PCB电路板的同一圆周上。

8.根据权利要求6所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述智能集成霍尔传感器包括：检测放大模块，该检测放大模块检测磁道的空间正弦磁场后，经前置放大以获得两路正交的正弦和余弦信号；

以及与检测放大模块连接的信号处理模块，该信号处理模块用于设置正弦和余弦信号的增益倍数，并将正弦和余弦两路信号进一步放大；

以及与信号处理模块连接的自动增益控制模块，该自动增益控制模块用于调整检测放大模块的放大倍数；

以及与信号处理模块连接的数字信号转换和细分处理模块，数字信号转换模块将信号处理模块输出的模拟信号处理为数字信号输出，细分处理模块用于计算出当前正、余弦两路信号包含的位置信息；

以及与数字信号转换和细分处理模块和自动增益控制模块连接的增量式接口模块，该增量式接口模块把细分得到的磁场位置信息转换成增量式的信号。

9.根据权利要求8所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述智能集成霍尔传感器还包括与该自动增益控制模块连接的模拟量输出模块。

10.根据权利要求6所述的多极复合式磁编码器，其特征在于：所述霍尔装置包括开关霍尔和与该开关霍尔输出端连接的逻辑与门器件，逻辑与门器件还与智能集成霍尔传感器的I信号输出端连接。