CN103424132A

CN103424132A - 一种三维空间磁编码器

Info

Publication number: CN103424132A
Application number: CN2013103677211A
Authority: CN
Inventors: 杨家强; 尹溶森
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2013-08-22
Filing date: 2013-08-22
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2033-08-22
Also published as: CN103424132B

Abstract

本发明公开了一种三维空间磁编码器，包括：测量轴、转动量检测单元、轴向位置检测单元以及信号处理单元；所述的测量轴一端与电机转轴相连且与电机转轴同步运动；所述的转动量检测单元通过检测测量轴的转速和旋转位置，输出电机转轴的转速信号和旋转位置信号；所述的轴向位置检测单元通过检测测量轴的轴向位置变化，输出电机转轴的轴向偏移信号；所述的信号处理单元用于将所述的转速信号、旋转位置信号以及轴向偏移信号转送给外部设备。本发明将电机转动量测量与轴向运动量测量结合在一起，实现了三维空间内的测量与编码，有效地拓展了编码器的功能，满足了电机多维度控制与运行的需要。且本发明对使用环境的要求低，使用寿命长，适合批量生产。

Description

一种三维空间磁编码器

技术领域

本发明属于电机控制技术领域，具体涉及一种三维空间磁编码器。

背景技术

编码器（encoder）是将信号或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器的代表性用途是用作侍服电机系统的转角、转速的测量。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，编码器发挥的作用越来越大，编码器技术水平直接影响到运动控制系统的性能。

现有的编码器按照其工作原理主要可以分为接触式与非接触式，其中非接触式由于其无磨损、精度高、使用寿命长，得到了广泛的应用。非接触式编码器主要包含光电式编码器与电磁式编码器。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；对环境的要求不高抗外界干扰能力强，可在光电式编码器无法使用的高温、高湿、空间狭小等恶劣条件下可靠使用；随着芯片性能的改善，磁编码器可以可同时实现增量式与绝对式输出；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，商业价值也更高。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。

公开号为ZL200610037936.7的中国专利提出了一种绝对式多圈磁编码器。提供了一种适合于恶劣环境、多圈数据记录、安装简单、可靠性高、成本低、生产调试简单的绝对式多圈磁编码器。特点是：金属码盘为变形圆盘状，其径向上设有四条圆弧，其中两圆弧设于同一半径的相对两侧。该编码器结构简单，基本部件少，没有磨损，使用寿命长，可靠性高。采用遮断式磁场检测，精度高，生产工艺简单。

然而现有的磁编码器只能对电机的旋转量转速与角速度进行编码，无法测量电机轴在运动过程中轴向的震动幅度。

在实际使用过程中，往往不仅需要对电机的旋转量进行编码，而且需要检测电机轴向的震动幅度。例如，在磁悬浮轴承的控制中，电机轴向的震动幅度就是一项非常重要的参数指标，需要精确测量。

发明内容

针对现有技术所存在的上述技术缺陷，本发明提供了一种三维空间磁编码器，可同时测量电机轴转动位置、转速和轴向运动位置，实现绝对式编码，环境适应性强、成本低、使用寿命长。

一种三维空间磁编码器，包括：测量轴、转动量检测单元、轴向位置检测单元以及信号处理单元；所述的测量轴一端与电机转轴相连且与电机转轴同步运动；

所述的转动量检测单元通过检测测量轴的转速和旋转位置，输出电机转轴的转速信号和旋转位置信号；

所述的轴向位置检测单元通过检测测量轴的轴向位置变化，输出电机转轴的轴向偏移信号；

所述的信号处理单元用于将所述的转速信号、旋转位置信号以及轴向偏移信号转送给外部设备。

三维空间磁编码器还包括一壳体；所述的测量轴另一端穿过壳体顶盖延伸至壳体内；所述的转动量检测单元、轴向位置检测单元以及信号处理单元均设于壳体内，其中，轴向位置检测单元位于壳体上方，转动量检测单元位于壳体下方，信号处理单元设于壳体底部。

所述的转动量检测单元包括：

磁鼓，其设于测量轴的另一端；

磁编码模块，通过与磁鼓产生电磁感应以检测测量轴的转速和旋转位置，从而输出电机转轴的转速信号和旋转位置信号。

所述的轴向位置检测单元包括：

环形定磁铁，其开有供测量轴穿过的通孔；

环形动磁铁，其安装于所述的测量轴上；

位置传感模块，其设于环形定磁铁与环形动磁铁之间，通过与环形定磁铁和环形动磁铁产生电磁感应以检测测量轴的轴向位置变化，从而输出电机转轴的轴向偏移信号；

所述的位置传感模块由三个成正三角形平面分布的霍尔传感器组成。

初始状态下的位置传感模块与环形定磁铁和环形动磁铁的间距相等。

所述的磁鼓正对于磁编码模块。

优选地，所述的磁鼓周围设有相位传感模块，其通过与磁鼓产生电磁感应以检测测量轴的相位，进而将测得的相位信息传送给信号处理单元，由信号处理单元将相位信息转换为UVW信号转送给外部设备。

所述的相位传感模块由三个成正三角形平面分布的霍尔传感器组成。

优选地，所述的壳体内还包含有磁屏蔽，其设于转动量检测单元和轴向位置检测单元之间。可以避免两单元中磁场的相互干扰，保证测量精度。

所述的测量轴与壳体顶盖通过轴承紧固。

所述的环形定磁铁安装并固定于壳体顶盖内侧。

所述的位置传感模块的三个霍尔传感器通过支架安装于壳体侧壁上，且以测量轴为中心呈正三角形平面分布。

所述的相位传感模块的三个霍尔传感器通过支架安装于壳体侧壁上，且以磁鼓为中心呈正三角形平面分布。

本发明的工作原理如下：

电机正常转动后，电机轴带动磁编码器的测量轴运动，从而磁鼓和环形动磁铁随测量轴一同运动。

在转动量检测单元中，磁鼓固定于测量轴端部，当磁鼓随测量轴同步旋转时，磁鼓与磁编码模块电磁感应并产生感应量，磁编码模块检测测量轴的转速和旋转位置，并将所得的转速信号和旋转位置信号传输至信号处理单元；当磁鼓随测量轴同步旋转时，由电磁感应原理在相位传感模块中产生感应量，使相位传感模块可以检测测量轴的相位，进而将该相位信息传送给信号处理单元，由信号处理单元将相位信息转换为UVW信号转送给外部设备；

在轴向位置检测单元中，位置传感模块固定于磁编码器壳体的侧壁上，环形定磁铁和环形动磁铁结构与场强完全相同且位置传感模块处于环形定磁铁和环形动磁铁的间距相等，以保证在初始时位置传感模块中无感应量产生；当电机转轴发生轴向运动时，测量轴也随之发生轴向运动，从而环形动磁铁也随磁编码器的测量轴发生轴向运动，此时，位置传感模块不再处于环形动磁铁和环形定磁铁的中间位置，且会产生感应信号，轴向位置偏移越大则感应信号越大，不同方向的位置偏移会产生不同的正负感应信号，位置传感模块将该正负感应信号传送给信号处理单元，由信号处理单元处理后转送给外部设备。

本发明的有益技术效果为：

（1）本发明将电机转动量测量与轴向运动量测量结合在一起，实现了三维空间内的测量与编码，有效地拓展了编码器的功能，满足了电机多维度控制与运行的需要。

（2）本发明与传统的光电式编码器相比，对使用环境的要求低、耐高温、潮湿、灰尘等，使用寿命长、工作稳定性好；结构紧凑、体积小，适合于批量化生产。

（3）本发明可对编码器模块进行编程，适用于不同极对数的电机，操作简单、修改成本低、适用范围广。

附图说明

图1为本发明磁编码器的结构示意图。

图2为磁编码模块和相位传感单元之间的位置分布示意图。

图3为位置传感单元中霍尔传感器的位置分布示意图。

图4为环形定磁铁与环形动磁铁的结构示意图。

具体实施方式

为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案及其相关工作原理进行详细说明。

如图1所示，一种三维空间磁编码器，包括圆柱形壳体1，壳体内包括：

测量轴2，该测量轴穿过壳体顶盖11延伸至壳体内，并通过轴承10与壳体顶盖11紧固；

转动量检测单元，位于壳体1下方，由磁编码模块32和磁鼓31组成；

轴向位置检测单元，位于壳体1上方，由环形定磁铁41、环形动磁铁42和位置传感模块43组成；

信号处理单元6，位于壳体1底部。

该壳体内还包含有位于壳体1下方的相位传感单元，该相位传感单元由三个霍尔传感器5组成；位于转动量检测单元与轴向位置检测单元之间的磁屏蔽7，用于避免两单元中磁场的相互干扰，从而保证测量精度。

测量轴一端用于与电机转轴稳固连接且与电机转轴同步运动，从而保证测量轴2在旋转方向与轴向运动均与电机转轴保持一致，并带动固定于测量轴端部的磁鼓31和固定于测量轴上的环形动磁铁42随转轴同步运动；本实施方式中，测量轴2为非导磁材料，且与壳体顶盖11通过轴承10相连接，以保证测量轴2转动流畅。

如图1所示，在转动量检测单元中，磁鼓31正对于磁编码模块32，磁编码模块32通过与磁鼓31产生电磁感应以检测测量轴2的转速和旋转位置，从而输出电机转轴的转速信号和旋转位置信号至信号处理单元6。

磁编码模块采用AS5145芯片，可同时实现绝对式与增量式两种编码方式，通过编程修改AS5145芯片内部的程序可以实现不同极对数电机的测量。芯片AS5145的物理中心、PCB板的中心与磁鼓的中心处于同一直线，以保证芯片AS5145正常工作。AS5145芯片有自动检测磁鼓位置是否正常的功能，磁鼓与芯片配合良好方可正常工作。

磁鼓31固定于测量轴2的另一端，在工作状态时，磁鼓随测量轴旋转并与磁编码模块产生电磁感应；磁鼓为圆柱形磁铁，径向充磁，一半圆柱体为N极，另一半圆柱体为S极，采用AS5145配套的磁鼓。

如图2所示，相位传感单元中的三个霍尔传感器通过支架9安装于壳体侧壁上，且以磁鼓31为中心呈正三角形平面分布。霍尔传感器5通过与磁鼓产生电磁感应以检测测量轴的相位，进而将对应的相位信息传送给信号处理单元6。本实施例中，霍尔传感器5采用HVS-AS5系列的霍尔电压传感器。

如图1所示，在轴向位置检测单元中，位置传感模块设于环形定磁铁41与环形动磁铁42的中间位置，通过与环形定磁铁和环形动磁铁产生电磁感应以检测测量轴的轴向位置变化，从而将测得的电机转轴的轴向偏移信号传送给信号处理单元。

如图3所示，位置传感模块由三个成正三角形平面分布的霍尔传感器43组成，三个霍尔传感器通过支架9安装于壳体侧壁上，且以测量轴为中心呈正三角形平面分布，利用该布置方式以确保旋转运动对轴向运动量没有影响。本实施例中，霍尔传感器43采用HVS-AS5系列的霍尔电压传感器。

如图1所示，环形定磁铁41固定于壳体顶盖内侧，其开有供测量轴穿过的通孔；环形动磁铁42通过环形支架8安装于测量轴2上，并可随测量轴同步运动，其结构与环形定磁铁完全相同，如图4所示。

本发明的磁编码器在正常工作之前，在磁编码器外部，要将磁编码器中的测量轴正确安装于待测电机的电机转轴轴上，保证测量轴和转轴稳固连接，二者在转动方向和轴向两个维度均保持同步运动；在磁编码器内部，如图1所示，磁鼓31与磁编码模块32应处于相对的位置以保证配合良好，位置传感模块应处于环形定磁铁和环形动磁铁的中间位置，以保证在初始时位置传感模块中无感应量产生。

电机正常转动后，电机转轴带动磁编码器测量轴2运动，从而磁鼓31和环形动磁铁42随磁编码器测量轴一同运动。磁鼓随测量轴一同转动，并与芯片AS5145和相位传感模块产生电磁感应，芯片AS5145检测测量轴的转速和旋转位置，相位传感模块检测测量轴的相位信息，然后芯片AS5145和相位传感模块将所得的信息传输至信号处理单元6。除了旋转方向的运动，电机转轴在轴向方向也会有小幅震动，在高精度的控制系统中，电机轴轴向运动也需要测量，当电机轴在轴向无运动时，环形动磁铁42仅随电机轴在旋转方向运动，环形动磁铁42和环形定磁铁二41者所产生的磁场在空间分布没有变化，位置传感单元仍处于磁场强度为零的初始位置，不会感应产生信号；当电机轴在轴向有小幅震动时，磁编码器的测量轴2与电机转轴保持同步运动，环形动磁铁42的位置也会随着磁编码器的测量轴2发生改变，从而环形定磁铁41和环形动磁铁42所产生的磁场发生改变，位置传感单元所处位置的场强将不再为零，在其中会感应出电压信号，环形动磁铁42偏移初始位置越多，则位置传感单元的磁感应强度越强，所产生的电压信号值也越大。位置传感模块将所得的信息传输至信号处理单元6。

信号处理单元6将转动量检测单元和轴向位置检测单元所产生的信号经处理后输出至上位机或数字信号处理芯片；信号处理单元6将相位传感单元产生的相位信息转换为UVW信号后输出至上位机或数字信号处理芯片。

在本实施方式中，信号处理单元采用长线传输芯片AM26LS31来差分输出信号，可长距离传输信号，同时保证所传输信号的高精度。

Claims

1.一种三维空间磁编码器，其特征在于，包括：测量轴、转动量检测单元、轴向位置检测单元以及信号处理单元；所述的测量轴一端与电机转轴相连且与电机转轴同步运动；

2.如权利要求1所述的三维空间磁编码器，其特征在于，还包括一壳体；所述的测量轴另一端穿过壳体顶盖延伸至壳体内；所述的转动量检测单元、轴向位置检测单元以及信号处理单元均设于壳体内，其中，轴向位置检测单元位于壳体上方，转动量检测单元位于壳体下方，信号处理单元设于壳体底部。

3.如权利要求1或2所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的转动量检测单元包括：

磁鼓，其设于测量轴的另一端；

4.如权利要求1或2所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的轴向位置检测单元包括：

环形定磁铁，其开有供测量轴穿过的通孔；

环形动磁铁，其安装于所述的测量轴上；

5.如权利要求4所述的三维空间磁编码器，其特征在于，初始状态下的位置传感模块与环形定磁铁和环形动磁铁的间距相等。

6.如权利要求3所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的磁鼓周围设有相位传感模块，其通过与磁鼓产生电磁感应以检测测量轴的相位，进而将测得的相位信息传送给信号处理单元，由信号处理单元将相位信息转换为UVW信号转送给外部设备；

7.如权利要求2所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的壳体内还包含有磁屏蔽，其设于转动量检测单元和轴向位置检测单元之间。

8.如权利要求4所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的环形定磁铁安装于壳体顶盖内侧。

9.如权利要求4所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的位置传感模块的三个霍尔传感器通过支架安装于壳体侧壁上，且以测量轴为中心呈正三角形平面分布。

10.如权利要求6所述的三维空间磁编码器，其特征在于，所述的相位传感模块的三个霍尔传感器通过支架安装于壳体侧壁上，且以磁鼓为中心呈正三角形平面分布。