CN103245371B - 一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，包括行程输入轴、行程输入齿轮、底座、控制电路等。通过在电机的同轴尾端设置同轴装置，第一层通过1比5的增速齿盘提高转速，再通过光电传感器取码电路连续读出与码盘上相对应的二进制8位绝对编码值作为电机转子位置检测；第二层、第三层、第四层首先通过总比为40比1的减速齿盘降低转速，再通过光电传感器取码电路连续读出与第二、三、四层中码盘旋转位置相对应的二进制16位绝对编码，并送至电平转换电路，最后通过光耦器将检测到的转子位置信号和阀门开度信号整形作为送至相应的处理器作为逻辑判断使用，从而能在一个编码器上同时实现电机位置和阀门阀位的高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及阀门电动执行机构系统的电机转子位置检测和阀门行程检测，具体涉及一种开关磁阻电机转子的位置检测和阀门阀位的行程位置检测一体化的编码器。
背景技术
基于开关磁阻电机的阀门电动执行机构是功能强、可靠性高的新型阀门电动执行机构，它能够满足核电站、火电厂、石化行业中高端控制要求的需要。选用高可靠性的开关磁阻电机的控制器，能对电机的速度进行有效的控制，而实现在过程控制中阀门行程的定位准确可靠，能够实现阀门和执行机构的良好保护。因此，开关磁阻电机的位置检测和阀门行程检测是保证系统可靠性和准确性的重要研究内容。
开关磁阻电机位置检测的目的是确定定子与转子的相对位置，以控制对应的相绕组通断；常见的位置检测器有光敏式、磁敏式以及接近开关等含机械的位置检测方案，一般开关磁阻电机转子位置检测部分采用的是光电式位置传感器，光电式位置传感器由两个部分组成：槽型光耦和与电动机转子同结构的齿盘，齿盘与电动机同轴安装，齿盘的齿可以自由穿过槽型光耦的U型槽；当齿盘的齿挡住槽型光耦的光路，光耦处于截止状态，而当齿盘的槽经过槽型光耦时，光耦的光路开通，光耦处于导通状态；因此当电动机转子连续旋转时(齿盘也跟随转子同速旋转)，三个槽型光耦将输出三路信号，经过外围电路的整形，得到三路与转子位置相关的方波信号。阀门行程检测是通过行程输入轴、行程输入齿轮，并采用光电转换原理，由光电传感器取码电路连续读出与码盘旋转位置相对应的二进制16位绝对编码，并送至电平转换电路，通过光耦器将电平信号整形，转换成0～30V电压输出到本行程控制器外的控制系统，将行程输出轴的角位移转换成相应的数字量，从而确认阀门的绝对位置。
上述现有的开关磁阻电机位置检测装置的齿盘是与电机转子的尺寸一样，不易于小型化处理，而且开关磁阻电机位置检测与阀门行程检测机构是采用分开设置的形式，不仅占用阀门电动执行构的空间，而且增加了检测装置的故障率，降低了检测的准确性和可靠性。
发明内容
本发明正是为了解决上述问题，提供一种能够同时检测开关磁阻电机的转子位置与阀门阀位行程的检测编码器，其目的在于：提高电机转子位置检测与阀门阀位检测的精度，满足实际控制精度的要求；并解决开关磁阻电机转子位置检测与电动阀门阀位检测在电机输出轴侧的实现问题。
本发明的技术解决方案：
一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，包括行程输入轴、行程输入齿轮、底座以及由光电传感器取码电路和电平转换电路组成的控制电路，在所述行程输入轴上固定接着行程输入齿轮、增速齿轮和减速齿轮，所述增速齿轮与电机转子位置第一层计数齿轮相啮合，在所述的转子位置第一层计数齿轮下面固定接着1～4位的第一码盘以及第一取码电路；与转子位置第一层计数齿轮相啮合的齿轮带动转子位置第二层计数齿轮转动，在所述的转子位置第二层计数齿轮下面固定接着5～8位的第二码盘以及第二取码电路；所述减速齿轮与阀位第一底层计数齿轮相啮合，在所述阀位第一底层计数齿轮上固定接着第1～4位的第三码盘以及第三取码电路，与阀位第一底层计数齿轮相啮合的齿轮带动阀位第二底层计数齿轮转动；在所述阀位第二底层计数齿轮上固定接着第5～8位的第四码盘以及第四取码电路，与所述阀位第二底层计数齿轮相啮合的第二中间齿轮带动第一顶层计数齿轮转动，在第一顶层计数齿轮下固定接着第9～12位的第五码盘以及第五取码电路，与所述第一顶层计数齿轮相啮合的第一中间齿轮带动第二顶层计数齿轮转动，在第二顶层计数齿轮下固定接着第13～16位的第六码盘以及第六取码电路。
在开关磁阻电机的同轴尾端设置同轴装置，第一层通过1比5的增速齿轮提高转速，再通过光电传感器取码电路连续读出与码盘上相对应的二进制8位绝对编码值作为电机转子位置检测。第二层、第三层、第四层首先通过总比为40比1的减速齿轮降低转速；再通过光电传感器取码电路连续读出与第二、三、四层中码盘旋转位置相对应的二进制16位绝对编码，并送至电平转换电路；最后通过光耦器将检测到的转子位置信号和阀门开度信号整形作为送至相应的处理器作为逻辑判断使用，从而能在一个编码器上同时实现电机位置检测和阀门的阀位检测的高精度检测。
该一体编码器采用多圈式绝对编码器，并通过格雷码方式进行编码，在码盘的下面设置有反射式光电传感器。
与现有技术相比，本发明的有益效果：通过将电机位置检测与阀门阀位检测结合到一起，实现高精度的电机位置检测和阀门的阀位检测；采用多圈式绝对编码器，并通过格雷码方式进行编码，实现转换码值时，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化，如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特，减少误读率；采用并口信号传输方式，根据旋转角度输出脉冲信号，根据输出的脉冲信号转化为位置信号；从而实现位置检测分辨率的提高和掉电不影响编码数据的获得。
附图说明
图1：本发明编码器的结构原理示意图。
图2：本发明的格雷码编码盘结构原理示意图。
图3：本发明的输出编码值调理电路图。
图4：本发明的多圈编码器结构原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例来对本发明作进一步描述。
本实施例的电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，是实现12/8结构的开关磁阻电机的转子位置检测及开关磁阻电机驱动的阀门的阀位检测。
如图1所示，电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器包括行程输入轴2、行程输入齿轮1、底座3、由光电传感器取码电路和电平转换电路组成的控制电路、增速齿轮5和减速齿轮6，增速齿轮5与电机转子位置第一层计数齿轮29相啮合，在转子位置第一层计数齿轮29下面固定接着1～4位的第一码盘22以及第一取码电路21；与转子位置第一层计数齿轮29相啮合的齿轮带动转子位置第二层计数齿轮27转动，在转子位置第二层计数齿轮27下面固定接着5～8位的第二码盘26以及第二取码电路24；减速齿轮6与阀位第一底层计数齿轮28相啮合，在阀位第一底层计数齿轮28上固定接着第1～4位的第三码盘8以及第三取码电路9，与阀位第一底层计数齿轮28相啮合的齿轮带动阀位第二底层计数齿轮17转动；在阀位第二底层计数齿轮17上固定接着第5～8位的第四码盘16以及第四取码电路20，与阀位第二底层计数齿轮17相啮合的第二中间齿轮15带动第一顶层计数齿轮11转动，在第一顶层计数齿轮11下固定接着第9～12位的第五码盘以及第五取码电路10，与第一顶层计数齿轮11相啮合的第一中间齿轮14带动第二顶层计数齿轮18转动，在第二顶层计数齿轮18下固定接着第13～16位的第六码盘19以及第六取码电路20。
在开关磁阻电机转子位置检测中，采用8位绝对编码器，分为2个4位码盘，码盘示意图如图2所示，在每个码盘下面排列有4个反射式光电传感器4，分别对应4位编码值，当旋转至码盘黑色时没有反射光，输出高电平，当白色时有反射光输出低电平，从而形成脉冲方波，再通过如图3所示的调理电路输出码盘的值；在图1中转子位置1～4位的第一码盘22为低四位，转子位置5～8位的第二码盘26为高四位，在图1中增速齿轮5与第一层计数齿轮29的齿数为48比240，由于电机转子极数为8，定子为12，转动一步角度为7.5°，因此设置齿数为48＝360°/7.5°；而通过1比5的增速得到，电机每转动7.5°增速得到转动1.5°＝360°/240，即每转动7.5°编码器将产生5个编码值从而确定电机转动的角度，因此提高了分辨率。
在阀门阀位检测当中，由于电机输出轴与阀门之间有40比1的减速器，因此在电机侧的阀位检测装置中先通过减速齿轮6与第一底层计数齿轮28将转速降至与阀门一致，再通过16位的编码器读出360°的阀门阀位值，检测精度为360°/216＝0.00549°；16位的编码器通过4个4位的如图2所示码盘组成，其原理与上述电机转子位置检测装置中的码盘一致在此不再累赘。
图3所示的是取码信号调理电路，调理电路的工作原理是通过运放TL082将取码信号放大，再经过反相器CD4069将取码信号反相整形获得编码值。
本发明中的转子位置检测和阀位检测均采用如图4所示多圈式绝对编码器，并通过格雷码方式进行编码，多圈式绝对编码器的工作原理是，当中心码盘旋转时，通过齿轮传动另一组码盘(或多组齿轮，多组码盘)，在单圈编码的基础上再增加圈数的编码，以扩大编码器的测量范围，它是由机械位置确定编码，每个位置编码唯一不重复，而无需记忆。
Claims (4)
1.一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，包括行程输入轴(2)、行程输入齿轮(1)、底座(3)以及由光电传感器取码电路和电平转换电路组成的控制电路，其特征在于，在所述行程输入轴(2)上固定接着行程输入齿轮(1)、增速齿轮(5)和减速齿轮(6)，所述增速齿轮(5)与电机转子位置第一层计数齿轮(29)相啮合，在所述的转子位置第一层计数齿轮(29)下面固定接着1～4位的第一码盘(22)以及第一取码电路(21)；与转子位置第一层计数齿轮(29)相啮合的齿轮带动转子位置第二层计数齿轮(27)转动，在所述的转子位置第二层计数齿轮(27)下面固定接着5～8位的第二码盘(26)以及第二取码电路(24)；所述减速齿轮(6)与阀位第一底层计数齿轮(28)相啮合，在所述阀位第一底层计数齿轮(28)上固定接着第1～4位的第三码盘(8)以及第三取码电路(9)，与阀位第一底层计数齿轮(28)相啮合的齿轮带动阀位第二底层计数齿轮(17)转动；在所述阀位第二底层计数齿轮(17)上固定接着第5～8位的第四码盘(16)以及第四取码电路(20)，与所述阀位第二底层计数齿轮(17)相啮合的第二中间齿轮(15)带动第一顶层计数齿轮(11)转动，在第一顶层计数齿轮(11)下固定接着第9～12位的第五码盘以及第五取码电路(10)，与所述第一顶层计数齿轮(11)相啮合的第一中间齿轮(14)带动第二顶层计数齿轮(18)转动，在第二顶层计数齿轮(18)下固定接着第13～16位第六码盘(19)以及第六取码电路(20)。
2.根据权利要求1所述的一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，其特征在于，所述增速齿轮(5)与转子位置第一层计数齿轮(29)的齿数总比为1：5；所述减速齿轮(6)与阀位第一底层计数齿轮(28)的齿数总比为40：1。
3.根据权利要求1或2所述的一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，其特征在于，在码盘的下面设置有反射式光电传感器。
4.根据权利要求3所述的一种电机转子位置检测与阀门阀位行程检测一体编码器，其特征在于，所述一体编码器采用多圈式绝对编码器，并通过格雷码方式进行编码。
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