CN102868279A - 低速电机磁旋转编码器 - Google Patents

Abstract

一种低速电机磁旋转编码器，解决了现有磁编码器存在磁路、磁铁的设计与加工制造难度大等问题，包括同轴固定于低速电机轴上的编码器转轴，组成编码器磁路的导磁码盘、轭铁、永磁体及气隙，其技术要点是：编码器转轴与导磁码盘同轴固定连接在一起，永磁体置于第一、第二轭铁之间，导磁码盘外沿由导磁码盘外沿基圆上叠加正弦波形组成，磁感应霍尔元件组件固定在圆弧形的第一轭铁内壁上，位于第一气隙中，相邻两个磁感应霍尔元件的相位差相等，相位差为导磁码盘外沿的一个正弦波的1/4。其结构设计合理，只应用一对磁极，制作容易，体积小，降低了原料与加工的成本，通过改变磁路中气隙的大小来改变磁场强度，提高分辨率，测量快速、精确。

Description

低速电机磁旋转编码器

技术领域

本发明涉及一种低速电机用的编码器，特别是一种通过感应磁场变化来输出差分波形进行高倍细分操作的低速电机磁旋转编码器。

背景技术

低速电机的应用领域极为广阔，以其在低速运行场合非同一般的优越性，已经被广泛应用在建筑机械、石油化工、交通运输、冶金矿山和起重机械等众多领域。尤其是在电梯行业，电机低速运行的控制更是关系到电梯可靠性和舒适度的重要影响因素。而编码器是数字式传感器中最重要、最基础的结构之一，它是将机械运动中的转速、位移、转度等物理量转变为数字脉冲化信号的一类传感器件。它与数字处理技术结合，可以实现快速、及时、准确的检测与控制。

低速电机的运行控制，首先要解决电机转子位置的精确测量，速度越低对转子转角变化信号要求就越高。通常这种情况下要采用高分辨率的旋转编码器，通过在低转速时编码器输出尽可能多的脉冲来确定转子的转角变化情况。但是高分辨率的码盘价格比较昂贵，并且受技术条件的限制分辨率不可能做得很高。正余弦码盘的应用就很好的解决了这个问题，类似于脉冲式码盘正交的方波信号，正余弦编码器每圈重复发出许许多多个周期的正交的正余弦信号，实质上这也是一种增量式编码器。然后通过对正余弦信号的高倍率细分技术，可以使正余弦编码器获得比原始信号周期更为细密的检测分辨率，比如2048线的正余弦编码器经2048细分后，就可以达到每转400多万线的检测分辨率，能够很好的适应低速电机的控制要求。

目前应用的高精度旋转编码器多为光电正余弦编码器，输出精度达到25位以上，即2-²⁵=33554432线的检测分辨率。光电编码器体积小，精度和分辨率高，寿命长，安装随意，接口形式丰富，技术成熟，已在国内外得到了广泛的应用；但光电编码器是通过在码盘上刻线来计算精度，所以精度越高，码盘就会越大，编码器体积也会越大，并且精度不是连续的，对户外及恶劣环境下使用提出了较高的保护要求，内部的玻璃码盘耐污染和抗震性都不高。而磁编码器是近年来发展起来的一种新型速度、位置检测数字传感器。磁编码器通过磁阻元件或霍尔元件检测磁通变化来输出所需要的数字或模拟量。磁编码器替代了传统的码盘，弥补了光电编码器的一些缺陷，更具抗震、耐腐蚀、耐污染、转速高，响应速度快，性能可靠高、结构更简单，体积更小等优点，只是目前的精度比光电编码器稍差。

据相关文献报导，如公开号为CN101201257A的“磁性旋转编码器”，公开了一种磁性编码器结构，磁铁置于转轴顶端随着编码器的转动而转动，电路板和磁感应元件也置于编码器转轴顶端与磁铁相对，磁感应元件通过感应编码器旋转时磁场角度的变化来输出变化的波形，从而确定编码器的转速与位置。由于在转轴顶端的磁铁只有一对N、S极，在磁感应元件处的磁场方向每转只产生一个周期性变化，所以相对于光电正余弦编码器的每转2048个正余弦脉冲来说，要达到相同的解析精度对后续电路的设计和解析增加了很大的难度。如公开号为CN1666088A的“具有两个磁轨迹的角位移编码器”，公开了几种通过感应编码器旋转时磁场角度的变化来输出波形的磁编码器，其通过增加磁极对数的方法来增加每圈输出的周期波形的个数，但因每个周期波形内磁场方向变化的角度范围比前述“磁性旋转编码器”要小，故在增加磁极对数的同时，磁铁设计和加工的难度以及磁铁的体积都会大大的增加。如公开号为CN1834587A的“绝对式多圈磁编码器”，公开了一种绝对位置磁编码器，它是通过在金属码盘上按照一定编码方式刻槽，利用磁敏元件检测码盘所处的位置。由于受码盘的编码方式和所选用的开关型磁敏元件的约束，所以该编码器的解析精度完全取决于其码盘的精度，无法像正余弦编码器那样对脉冲进行细分处理；即使是同样精度的光电编码器和磁编码器码盘，那么磁编码器的体积和处理难度也会大很多。如公开号为CN1871500A 的“磁性编码器设备及致动器”，公开了一种磁旋转编码器，永磁体为内部中空环状，作为转子与编码器转轴同步转动，磁场方向为编码器转轴的径向上，磁感应元件固定于定子上，每相位差为90°位置固定一个，由于在转轴顶端的磁铁只有一对N、S极，在磁感应元件处的磁场方向每转只产生一个周期性变化，相对于光电正余弦编码器的每转2048个正余弦脉冲来说，要达到相同的解析精度对后续电路的设计和解析增加了很大的难度。如公开号为CN101046394A的“一种高精度磁编码器用磁鼓的制备方法”，公开了一种用磁鼓的制备方法制作的高精度磁编码器，正余弦脉冲线数可以达到1024~2500，但因磁编码器的精度在很大程度上由磁鼓的精度决定，故加工程序和处理工艺较复杂。

发明内容

本发明的目的是提供一种低速电机磁旋转编码器，解决了现有磁编码器存在磁路、磁铁的设计与加工制造难度大等问题，其结构设计合理，只应用一对磁极，制作容易，体积小，降低了原料与加工的成本，通过改变磁路中气隙的大小来改变磁场强度，提高分辨率，测量快速、精确。

本发明所采用的设计方案是：该低速电机磁旋转编码器包括同轴固定于低速电机轴上的编码器转轴，组成编码器磁路的导磁码盘、轭铁、永磁体及气隙，其技术要点是：所述编码器转轴与导磁码盘同轴固定连接在一起，轭铁由第一轭铁和第二轭铁构成，永磁体置于第一、第二轭铁之间，导磁码盘外沿与第一轭铁的圆弧形轭铁内壁之间的间隙形成磁路中的第一气隙，导磁码盘侧面与第二轭铁端面之间的间隙形成磁路中的第二气隙，导磁码盘外沿是在导磁码盘外沿基圆基础上叠加正弦波形组合而成的，磁感应霍尔元件组件由第一、第二、第三、第四磁感应霍尔元件构成，各磁感应霍尔元件分别固定在圆弧形的第一轭铁内壁上，位于第一气隙中，相邻两个磁感应霍尔元件的相位差相等，相位差为导磁码盘外沿的一个正弦波的1/4。

所述导磁码盘外沿基圆的圆心与编码器转轴的轴心为同心，编码器转轴与导磁码盘同轴固定连接在一起。

所述第一轭铁的圆弧形轭铁内壁弧形中心与编码器转轴的轴心为同心。

所述第一气隙大于第二气隙。

本发明具有的优点及积极效果是：由于本发明轭铁由第一轭铁和第二轭铁构成，永磁体置于第一、第二轭铁之间，使永磁体的磁力封闭于磁路内，由第一、第二、第三、第四磁感应霍尔元件构成的磁感应霍尔元件组件，固定在圆弧形的第一轭铁内壁上，位于第一气隙中，相邻两个磁感应霍尔元件的相位差相等，所以其结构设计合理，它有别于一般的磁编码器设计，不通过增加磁极对数的方式来增加每转输出的脉冲个数，而是通过改变磁路中的总气隙来改变磁感应霍尔元件处的场强大小。当编码器转动时，磁路中气隙的大小随着码盘外沿的变化呈周期性变化，使磁感应霍尔元件处的磁场场强也随之呈周期性变化，通过差分，查表等操作可以将一个周期内磁感应霍尔元件输出的电压波形进行细分，将一个周期的波形细分为若干份，达到增加编码器线数与精度的作用，这不仅可以提高分辨率，实现测量快速、精确，而且整个磁路中的总磁力却不变。因只需要将一对N、S极的永磁体置于磁路内，故制作容易，体积小，这样就避免了多对极永磁体的设计和加工难度，降低了原料与加工的成本。现有多对极永磁体的精度由机械加工、每对极永磁体的磁力大小、分布等因素共同决定，而本发明整个编码器的精度基本上有码盘的加工精度决定，而码盘的加工精度是由机械加工的精度决定， 这样就大大的降低了磁编码器制作的难度，同时又不降低磁编码器的输出精度，提供了一种低速电机用的理想的磁编码器。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是图1的侧视图。

图中序号说明：1第一气隙、2第二气隙、3永磁体、4第一轭铁、5第二轭铁、6导磁码盘、7编码器转轴、8磁感应霍尔元件组件、9轭铁内壁、10导磁码盘外沿、11基圆、12第一磁感应霍尔元件、13第二磁感应霍尔元件、14第三磁感应霍尔元件、15第四磁感应霍尔元件。

具体实施方式

根据图1～2详细说明本发明的具体结构。该低速电机磁旋转编码器包括同轴固定于低速电机轴上的编码器转轴7，组成编码器磁路的导磁码盘6、轭铁、永磁体3及气隙等。其中编码器转轴7与导磁码盘6同轴固定连接在一起，轭铁由第一轭铁4和第二轭铁5构成，永磁体3置于第一、第二轭铁4、5之间。导磁码盘外沿10与第一轭铁4的圆弧形轭铁内壁9之间的间隙形成磁路中的第一气隙1，第一轭铁4的圆弧形轭铁内壁9弧形中心与编码器转轴7的轴心为同心。导磁码盘6侧面与第二轭铁5端面之间的间隙形成磁路中的第二气隙2，其中第一气隙1大于第二气隙2，使得整个磁路的气隙基本由第一气隙1决定。导磁码盘外沿10是在导磁码盘外沿基圆11基础上叠加正弦波形组合而成的。磁感应霍尔元件组件8由第一磁感应霍尔元件12、第二磁感应霍尔元件13、第三磁感应霍尔元件14、第四磁感应霍尔元件15构成。各磁感应霍尔元件分别固定在第一气隙1中，固定于圆弧形的第一轭铁内壁9上，位于第一气隙1中。相邻两个磁感应霍尔元件的相位差相等，相位差为导磁码盘外沿10的一个正弦波的1/4，即一个正弦波的90度相位，所以第一、第三磁感应霍尔元件12、14，第二、第四磁感应霍尔元件13、15的相位差为180度，可以构成差分信号进行传输。导磁码盘外沿基圆11的圆心与编码器转轴7的轴心为同心，编码器转轴7与导磁码盘6同轴固定连接在一起，编码器转轴7固定连接在电机轴上。编码器转轴7转动带动导磁码盘6与电机同步转动。第一轭铁4、第二轭铁5、永磁体3和各磁感应霍尔元件固定不动。当电机转动时，第一气隙1中的每个磁感应霍尔元件的变化，是在基础气隙的基础上呈正弦规律，导磁码盘外沿10到轭铁内壁9的磁场强度差为永磁体两极的磁场强度差                                                

是保持不变的，第一气隙1中单位距离的磁场强度差等于除以第一气隙1的大小，所以磁感应霍尔元件12、13、14、15各处的磁场强度与该点的气隙大小成反比规律变化。差分处理后可以产生相位差为90度的两路正余弦脉冲信号，通过求商、查表等操作可以将一周期内的正余弦信号细分出多个位置，达到正余弦编码器的细分目的。

本发明提供的磁旋转编码器的精度只与导磁码盘外沿10与轭铁内壁9的加工精度有关，通过磁旋转编码器所需要的精度和机械加工精度可以得出所需要周期波形个数，以满足低速电机所需要分辨率精度。

Claims (4)

1.一种低速电机磁旋转编码器，包括同轴固定于低速电机轴上的编码器转轴，组成编码器磁路的导磁码盘、轭铁、永磁体及气隙，其特征在于：所述编码器转轴与导磁码盘同轴固定连接在一起，轭铁由第一轭铁和第二轭铁构成，永磁体置于第一、第二轭铁之间，导磁码盘外沿与第一轭铁的圆弧形轭铁内壁之间的间隙形成磁路中的第一气隙，导磁码盘侧面与第二轭铁端面之间的间隙形成磁路中的第二气隙，导磁码盘外沿是在导磁码盘外沿基圆基础上叠加正弦波形组合而成的，磁感应霍尔元件组件由第一、第二、第三、第四磁感应霍尔元件构成，各磁感应霍尔元件分别固定在圆弧形的第一轭铁内壁上，位于第一气隙中，相邻两个磁感应霍尔元件的相位差相等，相位差为导磁码盘外沿的一个正弦波的1/4。

2.根据权利要求1所述的低速电机磁旋转编码器，其特征在于：所述导磁码盘外沿基圆的圆心与编码器转轴的轴心为同心，编码器转轴与导磁码盘同轴固定连接在一起。

3.根据权利要求1所述的低速电机磁旋转编码器，其特征在于：所述第一轭铁的圆弧形轭铁内壁弧形中心与编码器转轴的轴心为同心。

4.根据权利要求1所述的低速电机磁旋转编码器，其特征在于：所述第一气隙大于第二气隙。

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