CN103925933A - 一种多圈绝对磁编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种多圈绝对磁编码器，包括第一至第M+1计数单元，单圈信号处理单元和多圈信号处理单元。每一计数单元包括其上固定有永磁体的码盘，和隧道磁阻角位移传感器，隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，使得永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角与永磁体旋转相位角呈线性变化关系。单圈信号处理单元基于所述第一计数单元的感测信号计算并输出表征输入转轴在一转内绝对位置的代码，多圈信号处理单元基于来自所述第二至第M+1计数单元的感测信号计算并输出所述输入转轴的旋转圈数。

Description

一种多圈绝对磁编码器

技术领域

本发明涉及的是一种测量技术领域的磁器件，具体是指一种用于测量输入转轴绝对位置和转动圈数的多圈绝对磁编码器。

背景技术

编码器技术在电机转速测量、机器人位置控制以及精密仪器的控制等领域有广泛的应用，在这些领域，转轴的绝对位置和转动圈数都是很重要的控制参数，因此需要实现对其精确测量，而多圈编码技术由于可以同时实现绝对位置和旋转圈数的测量因此得到了广泛的应用。

目前两种类型的编码器技术得到了广泛的应用，即光电编码技术以及磁绝对编码技术。但光电编码技术普遍存在对气泡、强光、污垢、渗漏等因素的抗干扰能力差的缺点，影响测量的精度。与光电编码技术相比，磁绝对编码技术则不受这些因素的影响，而且其分辨率更高，稳定性好，可以完全根除光电技术引起的各种不良故障，成为一种可替代光电编码的编码技术。

齿轮基的多圈编码技术因其结构简单直观而得到了广泛的应用，在齿轮基的多圈编码器中，输入轴经减速齿轮组与输出轴连接，其转速变化与减速齿轮组的转速传动比有关，码盘与输出轴相连，其绝对位置通过磁传感器进行测量，然后换算成输入轴的圈数。假定减速齿轮组的转速传动比为10:1，则输入轴旋转10圈，输出轴旋转1圈，如将码盘沿圆周分成10等分，每一等分对应输出轴1圈，因此通过对其绝对位置的测量可以直接得到输入轴的旋转圈数。同样的，增加齿轮组将前一齿轮组的输出轴作为输入轴，在其自身输出轴得到进一步减少的转速，假定增加齿轮组的转速传动比仍为10:1，则当输入轴旋转100圈时，第一齿轮组输出轴转动10圈，增加的第二齿轮组输出轴转动1圈，则依靠对第二齿轮组输出轴上码盘绝对位置的读数，以及第一齿轮组输出轴上码盘绝对位置的读数，就可以计算出输入轴的总转数。因此，齿轮组的数量以及齿轮组的传动比直接决定着多圈编码器所能测量的输入转轴的最大圈数。

另一方面，磁绝对编码技术的绝对位置测量精度取决于磁阻角位移传感器和永磁体码盘两个组成部分的性能特征。与霍尔传感器相比，磁阻角位移传感器如隧道磁阻角位移传感器具有更高的磁场灵敏度，其功耗和尺寸也可大大降低。磁阻角位移传感器包含两种相互正交的单轴隧道磁阻传感器，工作时形成的两个正余弦输出与永磁体旋转磁场和两种隧道磁阻传感器敏感轴之间夹角φ的关系如下：

OUT1=COS（φ）

OUT2=SIN（φ）

利用反正切函数，就能根据OUT1和OUT2计算出φ角度：

φ=ATAN（OUT2/OUT1）

永磁体码盘在旋转过程中其旋转相位角α，可以定义为永磁体码盘上在旋转过程中依次经过隧道磁阻传感器的位置矢量点r的相位角，其磁场对隧道磁阻传感器产生感应。只有当永磁体旋转相位角α和旋转磁场相位角φ之间形成线性关系，满足在0~360°范围内一一对应时，就可以将磁阻角位移传感器所探测旋转磁场角度φ和永磁体码盘的旋转相位角α位置关系对应起来，从而测量出转轴在一圈过程中的绝对位置。

因此，隧道磁阻磁绝对编码器技术在应用于多圈绝对磁编码器时对于永磁体码盘的设计性能将具有特殊的要求，而现有的多圈绝对磁编码器中的永磁体码盘具有如下缺点：

（1）现有磁绝对编码器技术采用霍尔传感器作为磁场角度测量器件，功耗高，而且分辨率较低。

（2）现有的磁绝对编码器大都采用霍尔传感器作为角度传感器，其对应的敏感磁场为垂直于检测面的磁场分量，而隧道磁阻传感器对应的敏感磁场为平行于检测面的磁场分量，因此现有磁性编码器的永磁体码盘不能满足于隧道磁阻传感器磁场角度测量的要求。

（3）现有的磁绝对编码器永磁体一般采用的是实心圆柱设计，直接安装于转轴的端部，增加了空间，而圆环形则可以直接安装在转轮上。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述缺点，提供一种采用隧道磁阻角传感器、特殊设计的永磁体码盘、并采用多级齿轮减速组的多圈绝对磁编码器，使之能够同时测量输入转轴在转动一圈过程中的绝对位置和转动圈数。

根据发明，提供一种多圈绝对磁编码器，包括：

第一至第M+1计数单元，M为大于等于1的整数，

单圈信号处理单元，和

多圈信号处理单元，其特征在于，

每一计数单元包括：

同轴地固定有永磁体的码盘，和

隧道磁阻角位移传感器，位于所述永磁体检测面上用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号，

所述永磁体具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元和第二永磁单元，所述第一永磁单元和第二永磁单元相对于直径截面几何对称，

所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或

所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度垂直于所述直径截面，且方向平行一致，

每一计数单元内，所述隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角与永磁体旋转相位角呈线性变化关系，并且

所述单圈信号处理单元基于所述第一计数单元的感测信号计算并输出表征输入转轴在一转内绝对位置的代码，

所述多圈信号处理单元基于来自所述第二至第M+1计数单元的感测信号计算并输出所述输入转轴的旋转圈数。

优选地，第一计数单元的码盘直接固定在输入转轴上。

优选地，第二至第M计数单元中，

每一计数单元包括减速齿轮组，每一减速齿轮组的输出轴作为下一减速齿轮组的输入轴，且码盘固定在输出轴上，

多圈信号处理单元根据每一计数单元隧道磁阻角位移传感器的感测信号计算并输出该计数单元减速齿轮组输入轴的旋转圈数。

优选地，所述M为1-10。

优选地，第m计数单元的码盘与第m+1计数单元的码盘的转数比为N:1，m为1~M中的整数，N为大于1的整数。

优选地，第m计数单元的码盘与第m+1计数单元的码盘的转数比为10:1。

优选地，所述永磁体柱状圆环结构的外径为3-200mm，内径为1-100mm，高度为1-50mm。

优选地，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。

优选地，所述永磁体所对应的检测面位于柱状圆环端面前方且平行于端面。

优选地，所述隧道磁阻角位移传感器所在检测面与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为1-5mm。

优选地，所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度大小相同。

优选地，永磁体(100，300)的组成材料为选自RECo₅，其中RE=Sm和/或Pr；RE₂TM₁₇，其中RE=Sm，TM=Fe，Cu，Co，Zr和/或Hf；RE₂TM₁₄B，其中RE=Nd，Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co；FeCrCo合金；NbFeB合金中的一种或多种，或永磁体(100，300)为所述永磁体组成材料的粉末和塑料，橡胶或树脂形成的复合体。

本发明具有如下有益效果：

1）本发明采用减速齿轮组来降低输入转速，并将转速的测量转变成码盘绝对位置的测量，精度高，简单直观。

2）本发明可以同时测量输入转轴的绝对位置和转动圈数。

3）本发明采用的为隧道磁阻角位移传感器，使得灵敏度大为提高，而功耗大为降低，尺寸位置也相对减少，不受环境尘埃、油污等的影响。

4）本发明采用的柱状圆环几何结构的永磁体，结构简单，能够直接镶嵌在输入轴和减速齿轮输出轴上，减小安装空间的要求；

5）本发明采用的柱状圆环几何结构的永磁体，检测面特定区域内的检测磁场分量和传感器敏感轴夹角和永磁体旋转角相位之间具有良好线性关系，满足隧道磁阻传感器的实用要求。

6）本发明采用的柱状圆环几何结构的永磁体，磁场探测区域在三维空间内变化范围较大，使得磁阻传感器的安装空间较为灵活。

附图说明

图1为多圈绝对磁编码器示意图。

图2为多圈绝对磁编码器码盘结构示意图。

图3为垂直向充磁的柱状圆环永磁体的顶视图。

图4为垂直向充磁的柱状圆环永磁体的侧视图

图5为平行向充磁的柱状圆环永磁体的顶视图

图6为平行向充磁的柱状圆环永磁体的侧视图

图7为柱状圆环永磁体相对于隧道磁阻角传感器安装位置顶视图。

图8为柱状圆环永磁体相对于隧道磁阻角传感器安装位置侧视图。

图9为垂直向充磁柱状圆环永磁体在检测面上的三维磁场矢量分布图。

图10为垂直向充磁柱状圆环永磁体在检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的典型线性关系图。

图11为垂直向充磁柱状圆环永磁体在检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的非线性关系曲线图。

图12为垂直向充磁柱状圆环永磁体在检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的介于线性和非线性之间的关系图。

图13为垂直向充磁柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量磁场幅度Bx-y和永磁体旋转相位角度α关系图。

图14为垂直向充磁柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α关系的直线拟合参数R²与隧道磁阻角传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。

图15为垂直向充磁柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量正则磁场幅度B正则与隧道磁阻角传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。

图16为平行向充磁的柱状圆环永磁体在检测面内的三维磁场矢量分布图。

图17为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和柱状圆环永磁体旋转相位角α的典型线性关系图。

图18为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的非线性关系图。

图19为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内旋转磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的介于线性和非线性之间的关系图。

图20为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内检测磁场分量的磁场幅度Bx-y与永磁体旋转相位角度α关系图。

图21为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内，检测磁场分量的旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的直线拟合参数R²与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro的关系图。

图22为平行向充磁的柱状圆环永磁体检测面内，检测磁场分量的正则磁场幅度B正则与隧道磁阻传感器距离轴心相对位置r/Ro关系图。

图23为隧道磁阻角传感器探测到安装有永磁体的码盘在转动过程中的角度和传感器信号的关系。

具体实施方式

下面将参照附图来描述本发明以下几个优选实施例。

实施例1

图1是本发明多圈绝对磁编码器结构示意图，包含单圈单元1和多圈单元2，3为输入转轴，其旋转过程的绝对位置和圈数为待测参数。单圈单元1包含固定有永磁体的码盘4（也称为永磁体码盘）、隧道磁阻角位移传感器5以及单圈信号处理单元6，码盘4直接安装在输入转轴3上，隧道磁阻角传感器5用于通过测量码盘上永磁体的旋转相位角来测量码盘4转动一圈过程中的绝对位置，所测结果即为输入转轴3的绝对位置。

多圈单元2包括M级减速齿轮组7用于对输入转轴减速，M为大于等于1的整数。每级减速齿轮组对应有输入轴8，输出轴9以及同轴地固定有永磁体的码盘10、隧道磁阻角位移传感器11。多圈单元2进一步包括与多圈单元中每一隧道磁阻角位移传感器连接的多圈信号处理单元12，用于基于来自多圈单元中每一隧道磁阻角位移传感器的感测信号输出输入转轴3旋转圈数。每级齿轮组将其输入轴8的速度按一定的传动比N:1减速，并在输出轴9上输出，也即第M级齿轮组上的码盘的转数与第M+1级齿轮组上码盘的转数比为N:1，N为大于1的整数。优选地，N等于10。每级减速齿轮组以上一级减速齿轮组的输出轴作为输入轴。在每一输出轴9上安装有一个永磁体码盘10随输出轴一起转动。隧道磁阻角传感器11测量永磁体码盘10的转动一圈过程中的绝对位置，并将感测信号输送到多圈信号处理单元12。多圈信号处理单元将各传感器所测量的其对应码盘的绝对旋转位置转变成输入轴的对应圈数。根据传动比，输出轴9转动1圈对应于输入轴8转动了N圈，则圈数与绝对位置的转换关系为T1=α/360*N。当第M级输入转轴8转动N圈之后，位于输出轴9上的永磁体码盘10已经满足不了圈数的记录要求，需要增加一级减速齿轮组，依靠类似的减速方法来实现更高圈数的记录要求。这种方式类似于数字的进位，当第M个减速齿轮组转动N圈后，向第M+1个齿轮组进位，第M+1个齿轮组转动N圈后，再向第M+2个齿轮组进位。多圈单元所能记录的最大圈数与齿轮组的数量和传动比相关，传动比N即N进制，而减速齿轮组数量M代表所能记录圈数的数字位数，第M组齿轮表示记录圈数的第M位。因此，将多圈单元中的每一隧道磁阻角传感器测量的绝对位置信号按照N进制M位数转变成10进制数字，即可以得到记录输入转轴3的实际圈数。例如，N为10时，当多圈单元中第一减速齿轮组上的码盘对应的绝对位置为3，第二减速齿轮上的码盘对应的绝对位置为2，则输入转轴3的旋转圈数为23圈。

实施例2

图2为码盘4和10的结构示意图。码盘为柱状圆环结构，其中柱状圆环永磁体14安装在非磁性转盘13上随码盘4,10一同旋转。柱状圆环永磁体14可能有两种充磁方式永磁体100和300。下面将参照图3和图4示出的永磁体100以及图5和图6时示出的永磁体300进行具体描述。

图3和图4示意性示出根据本发明的永磁体100的示意图。永磁体100为柱状圆环几何结构，包含永磁单元101和永磁单元102，永磁单元101和永磁单元102以直径截面110几何对称。永磁单元101的磁化强度103和永磁单元102的磁化强度104沿轴心方向反平行。优选的，所述永磁体101的磁化强度103和永磁单元102的磁化强度104大小相同。

本领域技术人员可以根据需要设计永磁体100的尺寸。优选的，永磁体100的内径为1-100mm，外径为3-200mm，高度为1-50mm。

永磁体100对应的检测面120位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面120与柱状圆环端面之间的距离为1-5mm。本文中，永磁体100所对应的检测磁场分量121为永磁体产生的磁场在检测面120内的分量。检测面120内所对应的特定检测区域122位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量121的旋转相位角和永磁体100旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。

优选的，永磁体100的组成材料为Alnico。可替换地，永磁体100的组成材料为铁氧体陶瓷材料MO·6Fe₂O₃，M为Ba，Sr或者两者的组合。可替换地，永磁体100的组成材料为RECo₅，RE=Sm和/或Pr；RE₂TM₁₇，RE=Sm，TM=Fe，Cu，Co，Zr和/或Hf以及RE₂TM₁₄B，RE=Nd，Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co。可替换地，所述永磁体100的组成材料为FeCrCo合金或NbFeB合金。优选的，所述永磁体100为上述永磁体材料的粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。

图5和图6示意性示出根据本发明的永磁体300的示意图。永磁体300为柱状圆环几何结构，包含永磁单元301和永磁单元302，永磁单元301和永磁单元302以直径截面310几何对称。永磁单元301的磁化强度303和永磁单元302的磁化强度304沿垂直于直径截面方向平行一致。优选的，所述永磁单元301的磁化强度303和永磁单元302的磁化强度304大小相同。

本领域技术人员可以根据需要设计永磁体300的尺寸。优选的，永磁体300的内径为1-100mm，外径为3-200mm，高度为1-50mm。

永磁体300对应的检测面320位于柱状圆环端面前方且平行于端面。优选的，该检测面320与柱状圆环端面之间的距离为1-5mm。本文中，永磁体300所对应的检测磁场分量321为永磁体产生的磁场在检测面320内的分量。检测面320内所对应的特定检测区域322位于距离柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定检测区域内，检测磁场分量321的旋转相位角和永磁体300旋转相位角具有线性变化特征，这将在下文具体描述。

优选的，永磁体300的组成材料为Alnico。可替换地，永磁体300的组成材料为铁氧体陶瓷材料MO·6Fe₂O₃，M为Ba，Sr或者两者的组合。可替换地，永磁体300的组成材料为RECo₅，RE=Sm，Pr，或RE₂TM₁₇，RE=Sm，TM=Fe，Cu，Co，Zr，Hf以及RE₂TM₁₄B，RE=Nd，Pr，Dy，TM=Fe，Co。可替换地，所述永磁体300的组成材料为FeCrCo合金或NbFeB合金。优选的，所述永磁体300永磁体合金材料粉末和塑料、橡胶或树脂等形成的复合体。

实施例3

实施例3为码盘中永磁体100，300与隧道磁阻角位移传感器5，11的相对位置关系的实例。隧道磁阻角位移传感器位于永磁体检测面上，用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号。隧道磁阻角位移传感器被布置在永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角φ与永磁体旋转相位角α呈线性变化关系。

图7和8分别为柱状圆环永磁体14和隧道磁阻角传感器5，11相对安装位置顶视图和侧视图，检测面距离永磁体端面距离为d。以永磁体轴心为原点在检测面内建立X-Y坐标系统，如图5所示。假定永磁体14的柱状圆环内半径为Ri，外半径为Ro，厚度为t，隧道磁阻角位移传感器5.11在检测面内的位置矢量为r(x，y)，其相对于X轴的方位角为α。假定r处的检测磁场分量Bx-y(Bx，By)方位角度为β。角度α和角度β的计算关系如下：

$\mathrm{\α}=a\tan \left(\frac{y}{x}\right),$ (x>0)，

$\mathrm{\&alpha;}=a\tan \left(\frac{y}{x}\right)+\mathrm{\&pi;},$ (x<0，y>0)，

α＝atan(y/x)-π，(x<0，y<0)，

$\mathrm{\&beta;}=a\tan \left(\frac{\mathrm{By}}{\mathrm{Bx}}\right),$ (Bx>0)，

$\mathrm{\&beta;}=a\tan \left(\frac{\mathrm{By}}{\mathrm{Bx}}\right)+\mathrm{\&pi;},$ (Bx<0，By>0)，

β＝atan(By/Bx)-π，(Bx<0，By<0)，

α和β在(-180°，180°)之间变化。

隧道磁阻角传感器5或11所测量的为检测磁场分量Bx-y与其敏感轴的夹角φ=β-α。

当角度磁编码器工作时，隧道磁阻角传感器5，11保持固定，而柱状圆环永磁体14围绕轴心旋转，则检测面以原点为圆心，r为半径的圆上各点依次经过隧道磁阻角传感器5，11，并产生旋转磁场，其相位和幅度被隧道磁阻角传感器5，11所测量。这等效于柱状圆环永磁体14保持固定，隧道磁阻角传感器5，11依次平移到圆周上不同位置点并测量检测磁场。则此时，永磁体旋转相位角为α，而旋转磁场相位角为φ。

实施例4

图9为垂直充磁的柱状圆环永磁体100在检测面120上的三维磁场矢量图，通过对检测面120内检测磁场分量Bx-y分布特征进行计算，得到r在(0,Ro)范围内变化时旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α的关系，其关系可以是线性关系，非线性关系或介于线性和非线性之间的关系特征。例如，图10所示曲线23为典型的线性关系，图11所示曲线24为典型非线性关系，图12所示曲线25为介于线性和非线性之间关系特征。图13为检测磁场分量Bx-y和旋转角度α关系图，由曲线26看出，旋转磁场幅度是周期W形变化，其对应的最大值和最小值为B_H,B_L。对于隧道磁阻角位移传感器而言，希望永磁体在旋转过程中磁场幅度的波动尽可能小，以保证传感器信号不受影响。

采用直线函数来拟合如图10，11，12所示的角度φ和角度α之间关系，并计算其线性拟合参数R²，R²越接近1表示线性越好。

曲线26所示的磁场波动程度可以采用正则磁场关系式进行表征：

normalized B＝B_pp/B_L＝(B_H-B_L)/B_L

normalized B数值越小，表明磁场波动越小。

为了确定检测面120内旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α之间线性区域，非线性区域的范围，对r在（0，Ro）之间取不同值时的角度φ和角度α关系曲线进行了拟合，并计算磁场波动关系normalized B与永磁体旋转相位角α关系曲线。

图14为线性拟合参数R²与r/Ro的关系图，从曲线27可以看出，在区域28内，其值接近于1，表明在此区域内角度φ和角度α接近线性关系，因此区域28即为隧道磁阻传感器在检测面18内所对应的特定探测区域，适合于放置隧道磁阻传感器5，11，而在区域29范围内则不适合于隧道磁阻角传感器5，11的放置。

图15为检测面120内，normalized B与隧道磁阻角传感器5，11相对位置r/Ro的关系曲线，从曲线30可以看出，在特定探测区域28内磁场变化幅度适合于隧道磁阻传感器5，11的信号探测。

实施例5

图16为平行充磁的柱状圆环永磁体300在检测面320内的三维磁场矢量图，通过对检测面320内检测磁场分量Bx-y分布特征进行计算，得到如图17，18，19所示的检测面320内旋转磁场相位角φ和永磁体旋转相位角α之间线性关系曲线31，非线性关系曲线32和介于线性非线性之间的关系曲线33。线性关系曲线31的存在表明平行充磁的柱状圆环永磁体300可以应用于磁编码器。

图20为检测磁场分量Bx-y与永磁体旋转相位角α关系图，从曲线34可以看出，检测磁场分量Bx-y随旋转相位角α为周期性M形波动关系。

同样，为了确定线性区域在检测面22内的范围，对不同相对位置r/Ro数值的φ-α关系曲线进行拟合，得到图21所示的线性拟合参数R²曲线，由曲线35可以看出，检测面22内的特定检测区域36为适合于隧道磁阻传感器5，11的工作区域，而在区域37内则不适合于工作。进一步，由图22可以看出，normalized B随隧道磁阻传感器5，11相对位置r/Ro关系曲线38在特定检测区域36内变化幅度相对于非工作区域37变化较小。

以上实施例3,4,5可以看出，对于柱状圆环永磁体14在其检测平面内，存在着特定检测区域28和36，使得隧道磁阻角传感器在该区域内旋转磁场相位角φ与永磁体旋转相位角α之间存在线性关系，并且其磁场波动幅度满足传感器的要求。这样，隧道磁阻传感器可以将所测量的旋转磁场角度转变化成永磁体旋转角度，从而对包括其所感测的永磁体的码盘进行编码。

实施例6

隧道磁阻角度传感器5，11包括两个正交的单轴隧道磁阻传感器形成的半桥，或者两个半桥形成的全桥，其中两个半桥上的所对应的传感器具有相反相位。当外磁场与其中一个单轴隧道磁阻传感器敏感轴夹角为φ时，则与另一个单轴隧道磁阻传感器敏感轴之间的夹角为π/2-φ。图23为码盘4，10旋转1圈过程中，构成隧道磁阻角位移传感器5，11的两个正交的单轴隧道磁阻传感器两端输出的电压信号随码盘旋转角度α变化的关系曲线。可以看出两个信号之间相位差为90，一个为正弦曲线，一个余弦曲线，其磁场角度可以通过反正切函数得到。因此，以上分析可以看出，隧道磁阻角传感器5，11在码盘4，10旋转过程中经过传感器位置上方的磁场和传感器单轴的夹角φ，和码盘中的永磁体旋转相位角α满足线性的一一对应关系，满足绝对位置编码器测量的要求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种多圈绝对磁编码器，包括：

第一至第M+1计数单元，M为大于等于1的整数，

单圈信号处理单元，和

多圈信号处理单元，其特征在于，

每一计数单元包括：

同轴地固定有永磁体的码盘，和

隧道磁阻角位移传感器，位于所述永磁体检测面上用于感测所述永磁体产生的磁场在该检测面内的分量并输出感测信号，

所述永磁体(100，300)具有柱状圆环结构，并包含第一永磁单元(101，301)和第二永磁单元(102，302)，所述第一永磁单元(101，301)和第二永磁单元(102，302)相对于直径截面(110，310)几何对称，

所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)平行于柱状圆环的轴向，且方向相反，或

所述第一永磁单元(101，301)的磁化强度(103，303)和第二永磁单元(102，302)的磁化强度(104，304)垂直于所述直径截面(110，310)，且方向平行一致，

每一计数单元内，所述隧道磁阻角位移传感器位于所述永磁体的检测面内距离永磁体柱状圆环轴心特定半径范围的区域内，在该特定半径范围的区域内，所述永磁体产生的磁场在检测面内的分量的旋转磁场相位角与永磁体旋转相位角呈线性变化关系，并且

所述单圈信号处理单元基于来自所述第一计数单元的感测信号计算并输出表征输入转轴在一转内绝对位置的代码，

所述多圈信号处理单元基于来自所述第二至第M+1计数单元的感测信号计算并输出所述输入转轴的旋转圈数。

2.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，第一计数单元的码盘直接固定在输入转轴上。

3.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，第二至第M计数单元中，

每一计数单元包括减速齿轮组，每一减速齿轮组的输出轴作为下一减速齿轮组的输入轴，且码盘固定在输出轴上，

多圈信号处理单元根据每一计数单元隧道磁阻角位移传感器的感测信号计算并输出该计数单元减速齿轮组输入轴的旋转圈数。

4.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述M为1-10。

5.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，第m计数单元的码盘与第m+1计数单元的码盘的转数比为N:1，m为1~M中的整数，N为大于1的整数。

6.根据权利要求5所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，第m计数单元的码盘与第m+1计数单元的码盘的转数比为10:1。

7.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述永磁体（100，300）的外径为3-200mm，内径为1-100mm，高度为1-50mm。

8.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器包括两个彼此正交设置的单轴旋转传感器或惠斯通桥相对彼此90度旋转的双轴旋转传感器。

9.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述永磁体所对应的检测面位于柱状圆环端面前方且平行于端面。

10.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移传感器所在检测面与所述永磁体的柱状圆环端面之间的距离为1-5mm。

11.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，所述第一永磁单元的磁化强度和第二永磁单元的磁化强度大小相同。

12.根据权利要求1所述的一种多圈绝对磁编码器，其特征在于，永磁体(100，300)的组成材料为选自RECo₅，其中RE=Sm和/或Pr；RE₂TM₁₇，其中RE=Sm，TM=Fe，Cu，Co，Zr和/或Hf；RE₂TM₁₄B，其中RE=Nd，Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co；FeCrCo合金；NbFeB合金中的一种或多种，或永磁体(100，300)为所述永磁体组成材料的粉末和塑料，橡胶或树脂形成的复合体。