CN102749026B - 一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法，包括壳体，盖板，旋转轴，旋转轴置于壳体内，旋转轴上固定有主齿轮，主齿轮与齿数比其小的从动齿轮啮合，从动齿轮包括从动大齿轮和从动小齿轮，主齿轮与从动大齿轮外啮合，从动齿轮上连接有使旋转轴多圈转动减速到圈数齿轮且圈数齿轮只旋转一圈的二级减速装置，在从动齿轮和圈数齿轮上均设有轴承，轴承内均设有磁铁，两磁铁分别与从动齿轮和圈数齿轮相对固定，轴承上边缘与PCB板相贴合，固定于PCB板上的角度感应芯片位于磁铁上方，角度感应芯片与磁铁上表面相隔固定距离，盖板固定于壳体上，壳体与盖板配合固定PCB板位置。该装置及方法检测所得的转动角度分辨率高,且算法简单,防错能力强。

Description

一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法
技术领域
本发明涉及检测转动角度技术领域,特别涉及一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法。 
背景技术
目前转动角度的检测装置应用于多种行业，尤其在电机转动角度检测，工业旋钮位置检测以及汽车行业探测汽车方向盘转动的角度等。但是目前的技术方案仍具有以下缺陷：一种情况是如专利CN1090315C中披露了一种检测一个可转动多余360度之物体转角。该方案是通过两个分别于主齿轮外啮合的从动齿轮的相对关系与各自的转动角度来实现的。计算过程中2个从动齿轮的误差均被引入参与计算，从性能角度分析转动角度的精度、分辨率、零点漂移以及非线性的波动会比较严重。因为算法复杂，系统的稳定性不但取决于传感器还依赖于其他数模转换，单片机累加器等单元的稳定性。除此之外对最终用户的使用环境于安装有一定要求，产生错误的概率相对较高。第二种情况是通过一种使用光电原理或霍尔原理实现两个脉冲信号输出，通过脉冲相位关系得出转动角度。该重装置及检测方法从输出信号上无法进行零点的标示记录，每次必须上电恢复工作后由用户系统重新进行零点辨识。此外其检测装置的分辨率取决于单个脉冲周期对应的转动角度，脉冲的个数需要在360度范围内均匀分布，每个脉冲对应的孔或齿在360度范围内的机械分布是有限的，安装环境狭小，尺寸有限，因此该检测装置的最高分辨率只能达到0.5度。当转动角度小于分辨 率时，无有效角度输出，且转动方向是由两个脉冲的先后顺序决定的，因此转动方向无法识别。该类角度检测装置还易造成脉冲丢失的现象，使得最终无正确的转动角度输出。 
发明内容
本发明的目的在于提供一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法，可以有效提高多圈角度检测的分辨率，使得输出的角度信号直接为绝对角度，且计算角度的算法简单，提高输出角度的可靠性和稳定性。 
为解决上述问题，本发明涉及一种绝对式多圈转动角度的检测装置，包括壳体、盖板、旋转轴，旋转轴置于壳体中，旋转轴上固定有主齿轮，主齿轮与旋转轴之间无相对旋转与轴向运动，从动齿轮包括从动大齿轮和从动小齿轮，主齿轮与从动大齿轮外啮合，从动大齿轮的齿数少于主齿轮，因此从动大齿轮的角度经放大提高了检测装置的分辨率，减小整个检测装置的尺寸。从动齿轮上设有使旋转轴多圈转动减速到圈数齿轮且圈数齿轮只旋转一圈的二级减速装置，将转动速度分两步进行减速。在从动齿轮和圈数齿轮上均设有轴承，轴承内均固定有磁铁，两磁铁分别与从动齿轮和圈数齿轮相对固定，轴承上边缘与PCB板相贴合，固定于PCB板上的角度感应芯片位于磁铁上方，角度感应芯片与磁铁上表面相隔固定距离。当磁铁旋转时，其表面上方的磁场方向也随之旋转。位于磁铁上方的角度感应芯片感应到磁场方向的变化，输出磁场方向变化的角度值。该角度值即为磁铁转动的角度值，同时该角度值即为齿轮转动的角度。此种角度感应芯片可以是磁阻式、霍尔式。根据角度感应芯片检测所得的从动齿轮和圈数齿轮转动的角度，经系统运算输出需检测的旋转轴旋转过的绝 对角度。盖板固定于壳体上，壳体与盖板配合固定PCB板位置。一方面由于PCB板对齿轮的压紧，另一方面因壳体对齿轮的支撑，因此有效地保证了从动齿轮、圈数齿轮、传动齿轮的相对位置固定不变，有助于提高检测精度。 
优选地，二级减速装置可以包括中间过渡齿轮和圈数齿轮，中间过渡齿轮包括中间过渡大齿轮和中间过渡小齿轮，中间过渡大齿轮于从动小齿轮外啮合，中间过渡小齿轮与圈数齿轮外啮合。 
优选地，二级减速装置可以包括齿轮齿条和圈数齿轮，齿轮齿条包含上下两层齿轮，分别为大齿轮和小齿轮，其中大齿轮与从动小齿轮外啮合，小齿轮与圈数齿轮外啮合。 
优选地，二级减速装置即为圈数齿轮，从动小齿轮与圈数齿轮内啮合。 
优选地，壳体上设有轴承套，主齿轮、从动齿轮、中间过度齿轮、圈数齿轮均固定于轴承套中。壳体内设有肋板，盖板上也设有肋板。盖板固定于壳体上且设有肋板一面朝向壳体内部。PCB板在壳体中受到壳体内肋板与盖板上肋板两面夹紧，以保证其与从动齿轮与圈数齿轮的轴承上边缘相贴合，从而保证固定于PCB板上的角度感应芯片与轴承内磁铁上表面相隔固定距离。 
优选地，主齿轮上还设有阶梯结构，该阶梯结构在主齿轮与检测装置壳体装配时与壳体接触，在主齿轮与壳体间架起一定高度，避免主齿轮在旋转过程中与壳体产生摩擦。 
优选地，磁铁的冲磁方向为径向，仅有一对N/S磁极，磁铁轴向末端为凸台结构。该结构在不影响内部磁力线分布的情况下，使磁铁不会在从动齿轮和圈数齿轮内发生轴向攒动和旋转窜动，位置固定。 
优选地，角度感应芯片与磁铁上表面相隔的固定距离在0.2mm至3mm之间。该固定距离过小则所处位置磁场过强，固定距离过大则所处位置磁场强度过低， 可能导致角度感应芯片无法工作。 
优选地，角度感应芯片输出的角度范围为0度到360度。 
本发明还涉及一种绝对式多圈转动角度的检测方法，包括下述步骤：确定检测装置中的定值，其中主齿轮数为Z1,其中主齿轮数为Z1,从动小齿轮齿数为Z21，从动大齿轮齿数为Z22，中间小齿轮齿数为Z31,中间大齿轮齿数为Z32，圈数齿轮齿数为Z34;根据以上定值，确定主齿轮与从动齿轮的传动比为m=Z1/Z22,从动齿轮与中间齿轮的传动比为n＝Z32/Z21*Z34/Z31,满量程A=(n/m)*2π；进行标定，指定零点位置,读取标定时角度感应芯片的输出角度Angle_Alpha0和Cycle_phi0，并进行存储记录；通过设置在从动齿轮上和圈数齿轮上的角度感应芯片，分别检测从动齿轮和圈数齿轮的转动角度，读取相应芯片输出的原始角度信号后，进行补偿，即将读取的原始角度信号分别减去存储标定时记录的Angle_Alpha0和Cycle_phi0；补偿后相应地输出转动角度信号为Angle_Alpha和Cycle_phi；根据公式计算从动齿轮32转动圈数i,i=floor(Cycle_phi/Cyclestep),其中CycleStep=2π/n,imax=A/2π＊(n-1)；根据角度感应芯片输出的转动角度信号Angle_Alpha与从动齿轮转动圈数i，计算主齿轮转动角度θ=Angle_Alpha/m+i＊2π/m；将由0到量程A的角度输出转化为-A/2到+A/2的角度θ输出。 
优选地，该方法还包括对于计算所得的主齿轮转动角度进行校验的步骤，该校验步骤主要包括：给定容差范围Δθ；根据圈数齿轮上角度感应芯片输出的转动角度信号Cycle_phi，计算主齿轮转动角度θ’=Cycle_Phi＊n/m，用θ’来检验θ的可信程度；计算θ与θ’的差值的绝对值Δi，Δi＝abs(θ’-θ)。判断Δi是否比给定的容差范围Δθ小；若Δi比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算i+1对应的转动角度θ(i+1),θ(i+1)=Angle Alpha/m+(i+1)*2π/m;计算θ(i+1)与θ’的差值的绝对 值Δ(i+1)，Δ(i+1)=abs(θ’–θ(i+1))，判断Δ(i+1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i+1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算i-1对应的转动角度θ(i-1)，θ(i-1)=Angle_Alpha/m+(i-1)*2π/m；计算θ(i-1)与θ’的差值的绝对值Δ(i-1)，Δ(i-1)=abs(θ’–θ(i-1))，判断Δ(i-1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i-1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则系统故障无法输出正确转动角度θ。该校验步骤具有防错能力，感应元件或数据处理过程中发生错误时，停止角度输出，提高了整个系统的安全性。 
与现有技术相比，本发明的优点是： 
(1)本发明提出了一种高精度和高分辨率的绝对式多圈转动角度的检测装置及方法，应用该装置及方法，检测所得的转动角度分辨率可达到0.007度，且该最终输出的角度精度仅依赖于从动齿轮的精度。随着分辨率与精度的提高，装置的非线性与重复上电时零点的重复性均大幅度提高。 
(2)本发明提出的一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法，在断电时转动的角度值不需要存储，重新上电后输出的仍然是当前的绝对转动角度，便于用户使用。 
(3)本发明提出的一种绝对式多圈转动角度的检测装置及方法，算法简单，同时具有防错能力，提高了稳定性。 
附图说明
结合以下附图，具体说明本发明的技术方案： 
图1显示了 本发明实施例1壳体内部的正面结构图； 
图2显示了 本发明实施例1壳体内部的背面结构图； 
图3显示了 本发明实施例1壳体结构图； 
图4显示了 本发明实施例1结构示意图； 
图5显示了绝对式多圈转动角度的计算方法示意图； 
图6显示了转动角度标定的原理示意图； 
图7显示了 本发明实施例2壳体内部的结构示意图； 
图8显示了 本发明实施例3壳体内部的结构示意图； 
具体实施方式
实施例1 
如图1、图2、图3、图4所示，本发明所涉及的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，包括壳体1、盖板2、旋转轴3，旋转轴3置于壳体1内，旋转轴3上固定有主齿轮4，主齿轮4上还设有阶梯结构41，主齿轮4与齿数比其小的从动齿轮5啮合，从动齿轮5包括从动大齿轮51和从动小齿轮52，主齿轮4与从动大齿轮51外啮合，从动齿轮5上连接有二级减速装置，该二级减速装置包括圈数齿轮61和中间过渡齿轮62，中间过渡齿轮62包括中间过渡大齿轮621和中间过渡小齿轮622，中间过渡大齿轮621与从动小齿轮52外啮合，从动小齿轮52齿数小于中间过渡大齿轮621齿数，将转动速度进行第一步减速。中间过渡小齿轮622与圈数齿轮61外啮合，中间过渡小齿轮622齿数小于圈数齿轮61齿数，将转动速度进行第二步减速。旋转轴3多圈转动减速到圈数齿轮61，且圈数齿轮61只旋转一圈。在从动齿轮5和圈数齿轮61上均设有轴承8，在轴承8内均设有磁铁9。磁铁9的冲磁方向为径向，仅有一对N/S磁极，磁铁9轴向末端为凸台结构。两磁铁9分别与从动齿轮5和圈数齿轮61相对固定，固定于PCB板10上的角度感应芯片7位于磁铁9上方，角度感应芯片7输出的角度范围在0度到360度之间。角度感应芯片7与磁铁9上表面相隔固定距离， 该固定距离在0.2mm至3mm之间。当磁铁9旋转时，其表面上方的磁场方向也随之旋转。位于磁铁9上方的角度感应芯片7感应到磁场方向的变化，输出磁场方向变化的角度值。该角度值即为磁铁转动的角度值，同时该角度即为从动齿轮5和圈数齿轮61转动的角度。壳体1内设有轴承套11，主齿轮4、从动齿轮5、中间过度齿轮62、圈数齿轮61均固定于轴承套11中。壳体1内设有肋板，盖板2上也设有肋板。盖板2固定于壳体1上且设有肋板一面朝向壳体1内部。PCB板10在壳体1内受到壳体内肋板与盖板上肋板两面夹紧，以保证其与从动齿轮5与圈数齿轮61的轴承上边缘相贴合，从而保证固定于PCB板10上的角度感应芯片7与轴承内磁铁9上表面相隔固定距离。 
如图5、图6所示，本发明所应用于一种绝对式多圈转动角度的检测方法，包括以下步骤：确定检测装置中的定值，其中主齿轮数为Z1,其中主齿轮数为Z1,从动小齿轮齿数为Z21，从动大齿轮齿数为Z22，中间小齿轮齿数为Z31,中间大齿轮齿数为Z32，圈数齿轮齿数为Z34;根据以上定值，确定主齿轮与从动齿轮的传动比为m=Z1/Z22,从动齿轮与中间齿轮的传动比为n=Z32/Z21*Z34/Z31,满量程A=(n/m)*2π；进行标定，指定零点位置,读取标定时角度感应芯片的输出角度Angle_Alpha0和Cycle_phi0，并进行存储记录；通过设置在从动齿轮上和圈数齿轮上的角度感应芯片，分别检测从动齿轮和圈数齿轮的转动角度，读取相应芯片输出的原始角度信号后，进行补偿，即将读取的原始角度信号分别减去存储标定时记录的Angle_Alpha0和Cycle_phi0；补偿后相应地输出从动齿轮和圈数齿轮的转动角度信号为Angle_Alpha和Cycle_phi；根据公式计算从动齿轮32转动圈数i,i=floor(Cycle_phi/Cyclestep),其中CycleStep=2π/n；根据圈数齿轮上角度感应芯片输出的转动角度信号Cycle_phi，计算主齿轮转动角度θ’=Cycle_Phi*n/m；根据角度感应芯片输出的转动角度信 号Angle_Alpha与从动齿轮转动圈数i，计算主齿轮转动角度θ=Angle_Alpha/m+i*2π/m；用θ’来检验θ的可信程度，给定容差范围Δθ，计算θ与θ’的差值的绝对值Δi，Δi=abs(θ’–θ)，判断Δi是否比给定的容差范围Δθ小；若Δi比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算i+1对应的转动角度θ(i+1),θ(i+1)=Angle_Alpha/m+(i+1)*2π/m;计算θ(i+1)与θ’的差值的绝对值Δ(i+1)，Δ(i+1)=abs(θ’–θ(i+1))，判断Δ(i+1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i+1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算i-1对应的转动角度θ(i-1)，θ(i-1)=Angle_Alpha/m+(i-1)*2π/m；计算θ(i-1)与θ’的差值的绝对值Δ(i-1)，Δ(i-1)=abs(θ’–θ(i-1))，判断Δ(i-1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i-1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则系统故障无法输出正确转动角度θ。最终输出的绝对角度将由0到量程A的角度输出转化为-A/2到+A/2的角度θ输出。 
实施例2 
如图7所示，与实施例1不同的是，本发明所涉及的一种绝对式多圈转动角度的检测装置的二级减速装置6包括圈数齿轮61和齿轮齿条63，齿轮齿条63包含上下两层齿轮，分别为大齿轮631和小齿轮632，其中大齿轮631与从动小齿轮52外啮合，从动小齿轮52齿数小于大齿轮631齿数，将转动速度进行第一步减速。小齿轮632与圈数齿轮61外啮合，小齿轮632齿数小于圈数齿轮61齿数，将转动速度进行第二步减速。旋转轴多圈转动减速到圈数齿轮61且圈数齿轮61只旋转一圈。 
实施例3 
如图8所示，与实施例1不同的是本发明所涉及的一种绝对式多圈转动角度的检测装置的二级减速装置6为圈数齿轮61，从动小齿轮52与圈数齿轮61 内啮合。从动小齿轮52齿数小于圈数齿轮61齿数。旋转轴多圈转动减速到圈数齿轮61，且圈数齿轮61只旋转一圈。 

Claims (11)

1.一种绝对式多圈转动角度的检测装置，包括壳体，盖板，旋转轴，旋转轴置于壳体内，其特征在于旋转轴上固定有主齿轮，主齿轮与齿数比其小的从动齿轮啮合，从动齿轮包括从动大齿轮和从动小齿轮，主齿轮与从动大齿轮外啮合，从动齿轮上连接有使旋转轴多圈转动减速到圈数齿轮且圈数齿轮只旋转一圈的二级减速装置，在从动齿轮和圈数齿轮上均设有轴承，轴承内均设有磁铁，两磁铁分别与从动齿轮和圈数齿轮相对固定，轴承上边缘与 PCB 板相贴合，固定于 PCB 板上的角度感应芯片位于磁铁上方，角度感应芯片与磁铁上表面相隔固定距离，盖板固定于壳体上，壳体与盖板配合固定 PCB 板位置。
2.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的二级减速装置包括中间过渡齿轮和圈数齿轮，中间过渡齿轮包括中间过渡大齿轮和中间过渡小齿轮，中间过渡大齿轮与从动小齿轮外啮合中间过渡小齿轮与圈数齿轮外啮合。
3.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的二级减速装置为齿轮齿条和圈数齿轮，齿轮齿条包含上下两层齿轮，分别为大齿轮和小齿轮，其中大齿轮与从动小齿轮外啮合，小齿轮与圈数齿轮外啮合。
4.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的二级减速装置为圈数齿轮，从动小齿轮与圈数齿轮内啮合。
5.根据权利要求2所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的壳体内设有轴承套，主齿轮、从动齿轮、中间过渡齿轮、圈数齿轮均固定于轴承套中，壳体内设有肋板，盖板上也设有肋板，盖板设有肋板一面朝向壳体内部。
6.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的主齿轮上还设有阶梯结构。
7.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述磁铁的冲磁方向为径向，仅有一对 N/S 磁极，磁铁轴向末端为凸台结构。
8.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的角度感应芯片与磁铁上表面相隔的固定距离在 0.2mm 至 3mm 之间。
9.根据权利要求 1 所述的一种绝对式多圈转动角度的检测装置，其特征在于所述的角度感应芯片输出的角度范围为0度-360度。
10.一种绝对式多圈转动角度的检测方法,其特征在于包括下述步骤:
(1) 确定如权利要求2的检测装置中的定值，其中主齿轮数为 Z1,从动小齿轮齿数为 Z21，从动大齿轮齿数为 Z22，中间过渡小齿轮齿数为 Z31,中间过渡大齿轮齿数为 Z32，圈数齿轮齿数为Z34；
(2) 根据以上定值，确定主齿轮与从动齿轮的传动比为 m=Z1/Z22,从动齿轮与中间齿轮的传动比为 n= Z32/Z21*Z34/Z31, 满量程 A=(n/m)* 2π；
(3) 进行标定,指定零点位置,读取标定时角度感应芯片的输出角度Angle_Alpha 0 和 Cycle_phi 0，并进行存储记录；
(4) 通过设置在从动齿轮上和圈数齿轮上的角度感应芯片，分别检测从动齿轮和圈数齿轮的转动角度，读取相应芯片输出的原始角度信号后，进行
补偿，即将读取的原始角度信号分别减去存储标定时记录的 Angle_Alpha 0 和 Cycle_phi 0；补偿后相应地输出转动角度信号为 Angle_Alpha 和Cycle_phi；
(5) 根据以下公式计算从动齿轮转动圈数i, i=floor(Cycle_phi/Cyclestep),其中 CycleStep=2π/n，imax =A/ 2π*(n-1);                         
(6) 根据角度感应芯片输出的转动角度信号 Angle_Alpha 与从动齿轮转动圈数i，计算主齿轮转动角度θ= Angle_Alpha/m + i*2π/m；
(7) 将由 0 到量程 A 的角度输出转化为-A/2 到+A/2 的角度θ输出。
11.根据权利要求 10 所述的绝对式多圈转动角度的检测方法, 其特征在于还包括对于计算所得的主齿轮转动角度进行校验的步骤，该校验步骤主要包括:(1) 给定容差范围Δθ；(2) 根据圈数齿轮上角度感应芯片输出的转动角度信号 Cycle_phi，计算主齿轮转动角度θ’ =Cycle_Phi*n/m，用θ’来检验θ的可信程度；(3) 计算θ与θ’的差值的绝对值Δi，Δi=abs(θ’–θ)，判断Δi是否比给定的容差范围Δθ小；若Δi比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算 i+1 对应的转动角度θ(i+1),θ(i+1)= Angle_Alpha/m + (i+1）*2π/m; 计算θ(i+1)与θ’的差值的绝对值Δ(i+1)，Δ(i+1)= abs(θ’–θ(i+1))，判断Δ(i+1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i+1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则计算i-1 对应的转动角度θ(i-1)，θ(i-1)= Angle_Alpha/m + (i-1）*2π/m；计算θ(i-1)与θ’的差值的绝对值Δ(i-1)，Δ(i-1)= abs(θ’–θ(i-1))，判断Δ(i-1)是否比给定的容差范围Δθ小，若Δ(i-1)比Δθ小，输出转动角度θ，否则系统故障无法输出正确转动角度θ。
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