CN104501845B - 新型编码器结构及其进行电机定位的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型编码器结构及其进行电机定位的方法，新型编码器结构包括码盘及至少一对红外线发射、接收管，码盘通过键槽套设在电机的轴端，绝缘支撑件与下部线路板和上部线路板均通过定位销卡接，红外线发射管设置在上部线路板上，红外线接收管设置在下部线路板上，每对红外线发射、接收管之间通过相应的排针电连接，每对红外线发射管、接收管之间的绝缘支撑件上均开设有透光槽；所述方法包括采集信号步骤；计算角速度步骤；由运行时间和平均角速度计算出定位点步骤；控制电机定位步骤。本发明不仅省去了红外线发射管和接收管复杂的弯折、安装和定位，而且极大地提高了编码器的装配速度和精度，提高了电机定位d 精度，降低了成本。

Description

新型编码器结构及其进行电机定位的方法
技术领域
本发明涉及一种编码器，以及使用这种编码器进行电机定位的方法。
背景技术
编码器是把位移（角位移或线位移）的变化量转换成电信号的一种装置。按照读取方式编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式采用电刷输出，以电刷接触导电区的状态为“１”，以接触绝缘区的状态为“０”；非接触式一般采用光敏元件或磁敏元件，采用光敏元件时，以透光区的状态为“１”，以阻光区的状态为“０”。
如图1至4所示，现有技术中，上述采用光敏元件的编码器1，主要包括：一个套设在电机轴端的码盘2，码盘2上设有光栅片，码盘2的两面对称设有若干对红外线发射管3和接收管4，每对红外线发射、接收管3、4通过相应的透栅格缝隙接收光信号，以获得若干组信号（例如A、B、C相序信号和Z点信号），每对红外线发射管、接收管安装在一个中部凹陷的外壳5两端，最后由封盖1卡扣。由于这种编码器外壳5的结构设计不合理，使得在向其内装配红外线发射管3和接收管4时，由于红外线发射管3和接收管4很小，既不容易拿捏，又不容易插卡，装配速度上不去，不仅如此，在装配过程中，还需要把红外线发射管3和接收管4的管脚一个一个的弯折90度，然后还需要穿插在线路板6上焊接，装配精度很不容易保证，直接影响了编码器的生产效率和检测精度。
当编码器应用于缝纫机领域时，主要是用来控制缝纫机电机的精确定位。电机定位精度的高低直接影响到缝纫效果、机械的稳定性、寿命等。如果定位不准，缝纫机每次停车自动剪刀时，刀片将可能打到机针，导致机械损坏。执行连续回缝功能时，将无法实现正逢和倒缝的针针对孔，影响线迹，损坏面料。因此，定位精度在缝纫机上尤为重要，精度的高低，将直接决定缝纫机性能的高低。现有技术通常只能通过提高码盘2上光栅栅格的分布密度来提高定位精度，这种方式存在的缺陷：一是增加了光栅的成本，二是光栅栅格的分布密度因受加工技术的制约，很难提高。
发明内容
本发明的目的是提供一种新型编码器结构，不仅省去了现有技术中红外线发射管和接收管复杂的弯折、安装和定位，而且极大地提高了编码器的装配速度和装配精度。
本发明的另一目的是提供一种使用上述新型编码器结构进行电机定位的方法，不仅能够提高定位精度，而且不使用光栅，大大降低成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种新型编码器结构，包括码盘及至少一对红外线发射、接收管，码盘上设有透光区和阻光区，每对红外线发射管、红外线接收管通过相应的透光区接收光信号，码盘通过键槽套设在电机的轴端，码盘的下方设有下部线路板，码盘的上方设有上部线路板，下部线路板和上部线路板之间设有绝缘支撑件，绝缘支撑件与下部线路板之间、绝缘支撑件与上部线路板之间均通过相应的定位销卡接，绝缘支撑件的中部沿径向设有码盘槽，所述红外线发射管设置在上部线路板上，所述红外线接收管设置在下部线路板上，每对红外线发射、接收管之间通过相应的排针电连接，每对红外线发射管、接收管之间的绝缘支撑件上均开设有透光槽。
所述红外线发射管为贴片红外发射元器件，所述红外线接收管为贴片红外接收元器件。
所述透光区有四个，其中三个为圆弧透光区，该三个圆弧透光区的圆心角均为60度且均布在码盘的同一圆周上，第四个是窄缝透光区，该窄缝透光区分布于码盘的另一圆周上，所述红外线发射管、红外线接收管有U1、V1、W1和Z1四对，其中U1、V1、W1三对均通过圆弧透光区接收信号且相邻两对之间的径向夹角为A；所述第四对Z1通过窄缝透光区接收信号且位于第U1、V1或V1、W1径向夹角的角平分面上。
所述夹角A为40度。
使用所述新型编码器结构进行电机定位的方法，包括如下步骤：
步骤一：采集信号
通过所述新型编码器的U1、V1、W1三对红外线发射、接收管分别采集A、B、C三组信号，通过所述第Z1对红外线发射、接收管采集Z点信号；
步骤二：计算角速度
通过由高速数字信号处理器DSP构成的控制系统对采集到的A、B、C三组信号和Z点信号进行计算；
由三个透光区及U1、V1、W1三对红外线发射、接收管的结构分布可知，任意相邻的两个上升沿和下降沿之间的间隔为20度，当所述电机转动后，新型编码器采集到一个ABC中的上升沿或下降沿后，那么再检测到下一个下降沿或上升沿时，电机转动的角度为20度，通过记录电机转过20度所用的时间T1，则电机转过该20度运行的角速度V1=20/T1，连续运行后，由多个所述的角速度计算出当前连续的平均角速度v=(V1+....+VN)/(T1+....+TN)；
Z点信号为电机运转一圈的标志点，当控制系统检测到Z 信号后，进行清零操作，开始重新计数，完成一个计算周期；
步骤三：由运行时间和平均角速度计算出定位点
控制系统在获取到连续而稳定的平均角速度v后，任意相邻的两个上升沿或下降沿之间的定位角度a即可由运行时间t和平均角速度v计算得出,即a=vt；
步骤四：控制电机定位
控制系统依据计算出的定位角度a，发出控制指令，通过驱动电路对电机进行驱动及定位。
步骤五：在对A、B、C三组信号和Z点信号进行采集、计算的同时，通过传感器对电机转子磁场反馈电流i进行检测，依据电流i的数值对v进行补偿修正，以进一步提高定位角度a的精度。
与现有技术相比本发明的有益效果是：码盘通过键槽套设在电机的轴端，码盘装配时，即可准确无误的完成码盘装配，不仅省去了传统光栅片每台机器都对光栅进行单独调制定位装配的步骤，而且安装变的极为简单。码盘的下方设有下部线路板，码盘的上方设有上部线路板，下部线路板和上部线路板之间设有绝缘支撑件，绝缘支撑件与下部线路板之间、绝缘支撑件与上部线路板之间均通过相应的定位销卡接，绝缘支撑件的中部沿径向设有码盘槽，所述红外线发射管设置在上部线路板上，所述红外线接收管设置在下部线路板上，每对红外线发射、接收管之间通过相应的排针电连接，每对红外线发射管、接收管之间的绝缘支撑件上均开设有透光槽，这种编码器结构，不仅省去了现有技术中红外线发射管和接收管复杂的弯折、安装和定位，而且通过相应的定位销卡接，极大地提高了装配速度和装配精度，从而提高了编码器的生产效率和检测精度。当码盘上的某个透光区旋转至某对红外线发射、接收管之间时，所述红外线发射管发出的光线穿过相应的透光区和透光槽，能够精确的照射到对应的红外线接收管。
进一步的有益效果是，所述透光区有四个，其中三个为圆弧透光区，该三个圆弧透光区的圆心角均为60度且均布在码盘的同一圆周上，第四个是窄缝透光区，该窄缝透光区分布于码盘的另一圆周上，所述红外线发射管、红外线接收管有U1、V1、W1和Z1四对，其中U1、V1、W1三对均通过圆弧透光区接收信号且相邻两对之间的径向夹角为A；所述第四对Z1通过窄缝透光区接收信号且位于第U1、V1或V1、W1径向夹角的角平分面上，这种布局，将多对红外线发射管、接收管集成在一起，进一步提高了装配速度，而且能够提高相互之间的安装精度。
本发明上述方法的有益效果是：通过设置所述结构及分布的透光区和红外线发射、接收管，依据角速度及时间参数通过计算实现精准定位，替代了传统的栅格物理定位，替代了价格昂贵的光栅片，不仅定位精度进一步提高，而且大大降低了成本，降低了装配难度，提高了生产装配效率。例如，传统光栅片码盘的定位精度，以1600线为例（即码盘一周有400个光栅槽），定位精度理论值为一周的1600分之一，即0.225度，而且由于控制技术和控制效率的制约，理论值很难在实际中实现，实际到达精度一般在0.3-0.5度左右。使用本发明的方法定位，我们目前已经达到了0.1度，从理论上讲，如果需要，精度还可以进一步提高。
附图说明
图1是现有技术中编码器的安装结构示意图；
图2是图1中编码器的部分结构示意图；
图3是图2中红外线发射管和接收管的安装结构示意图；
图4是图3的拆分结构示意图；
图5本发明省略了码盘的结构示意图；
图6是图5的俯视图；
图7是图6的A-A向剖视图；
图8是本发明省略了码盘的拆分结构示意图；
图9是图8的局部放大图；
图10是本发明的码盘结构示意图；
图11是本发明A、B、C、Z的信号波形示意图。
具体实施方式
如图5至11所示，本发明是一种新型编码器结构，其包括码盘2及至少一对红外线发射管3、红外线接收管4，所述码盘2上设有透光区和阻光区，码盘2通过键槽套设在电机的轴端，码盘2的下方设有下部线路板5，码盘2的上方设有上部线路板6，下部线路板5和上部线路板6之间设有绝缘支撑件7，绝缘支撑件7与下部线路板5之间、绝缘支撑件7与上部线路板6之间均通过相应的定位销10卡接，绝缘支撑件7的中部沿径向设有码盘槽1，所述红外线发射管3设置在上部线路板6上，所述红外线接收管4设置在下部线路板5上，每对红外线发射、接收管3、4之间通过相应的排针9电连接，每对红外线发射管3、接收管4之间的绝缘支撑件7上均开设有透光槽8。本实施例中透光区优选为四个，其中三个为圆弧透光区U、V、W，该三个圆弧透光区U、V、W的圆心角均为60度且均布在码盘2的同一圆周上，第四个是窄缝透光区Z，该窄缝透光区Z分布于码盘2的另一圆周上，本实施例中红外线发射管3、红外线接收管4优选为U1、V1、W1和Z1四对，其中U1、V1、W1三对红外线发射管、红外线接收管均通过圆弧透光区接收信号且相邻两对之间的径向夹角优选为40度；所述第四对Z1红外线发射管、红外线接收管通过窄缝透光区Z接收信号且位于第U1、V1或V1、W1径向夹角的角平分面上。本实施例中，所述红外线发射管3为贴片红外发射元器件，所述红外线接收管4为贴片红外接收元器件。
使用上述新型编码器结构进行电机定位的方法，主要包括如下步骤：
1、采集信号步骤：
通过所述新型编码器的U1、V1、W1三对红外线发射、接收管3、4分别采集A、B、C三组信号，通过所述第Z1对红外线发射、接收管3、4采集Z点信号；
2、计算角速度步骤：
通过由高速数字信号处理器DSP构成的控制系统对采集到的A、B、C三组信号和Z点信号进行计算；
由三个透光区U、V、W及U1、V1、W1三对红外线发射、接收管3、4的结构分布可知，任意相邻的两个上升沿和下降沿之间的间隔为20度，当所述电机转动后，新型编码器采集到一个ABC中的上升沿或下降沿后，那么再检测到下一个下降沿或上升沿时，电机转动的角度为20度，通过记录电机转过20度所用的时间T1，则电机转过该20度运行的角速度V1=20/T1，连续运行后，由多个所述的角速度计算出当前连续的平均角速度v=(V1+....+VN)/(T1+....+TN)；
Z点信号为电机运转一圈的标志点，当控制系统检测到Z 信号后，进行清零操作，开始重新计数，完成一个计算周期；
3、由运行时间和平均角速度计算出定位点步骤：
控制系统在获取到连续而稳定的平均角速度v后，任意相邻的两个上升沿或下降沿之间的定位角度a即可由运行时间t和平均角速度v计算得出,即a=vt；
4、控制电机定位步骤：
控制系统依据计算出的定位角度a，发出控制指令，通过驱动电路对电机进行驱动及定位；
5、补偿修正步骤：电机转子磁场反馈电流i与连续而稳定的平均角速度v存在对应的关系，在对A、B、C三组信号和Z点信号进行采集、计算的同时，通过传感器对电机转子磁场反馈电流i进行检测，依据电流i的数值对v进行补偿修正，进一步提高定位角度a的精度。

Claims (6)

1.一种新型编码器结构，包括码盘（2）及至少一对红外线发射、接收管（3、4），码盘（2）上设有透光区和阻光区，每对红外线发射管（3）、红外线接收管（4）通过相应的透光区接收光信号，其特征在于：码盘（2）通过键槽套设在电机的轴端，码盘（2）的下方设有下部线路板（5），码盘（2）的上方设有上部线路板（6），下部线路板（5）和上部线路板（6）之间设有绝缘支撑件（7），绝缘支撑件（7）与下部线路板（5）之间、绝缘支撑件（7）与上部线路板（6）之间均通过相应的定位销（10）卡接，绝缘支撑件（7）的中部沿径向设有码盘槽（1），所述红外线发射管（3）设置在上部线路板（6）上，所述红外线接收管（4）设置在下部线路板（5）上，每对红外线发射、接收管（3、4）之间通过相应的排针（9）电连接，每对红外线发射管（3）、接收管（4）之间的绝缘支撑件（7）上均开设有透光槽（8）。
2.根据权利要求1所述的新型编码器结构，其特征在于：所述红外线发射管（3）为贴片红外发射元器件，所述红外线接收管（4）为贴片红外接收元器件。
3.根据权利要求1或2所述的新型编码器结构，其特征在于：所述透光区有四个，其中三个为圆弧透光区（U、V、W），该三个圆弧透光区（U、V、W）的圆心角均为60度且均布在码盘（2）的同一圆周上，第四个是窄缝透光区（Z），该窄缝透光区（Z）分布于码盘（2）的另一圆周上，所述红外线发射管（3）、红外线接收管（4）有U1、V1、W1和Z1四对，其中U1、V1、W1三对均通过圆弧透光区（U、V、W）接收信号且相邻两对之间的径向夹角为A；第四对Z1通过窄缝透光区（Z）接收信号且位于第U1、V1或V1、W1径向夹角的角平分面上。
4.根据权利要求3所述的新型编码器结构，其特征在于：所述夹角A为40度。
5.一种使用权利要求4所述的新型编码器结构进行电机定位的方法，其特征包括如下步骤：
步骤一：采集信号
通过所述新型编码器的U1、V1、W1三对红外线发射、接收管（3、4）分别采集A、B、C三组信号，通过所述第Z1对红外线发射、接收管（3、4）采集Z点信号；
步骤二：计算角速度
通过由高速数字信号处理器DSP构成的控制系统对采集到的A、B、C三组信号和Z点信号进行计算；
由三个透光区（U、V、W）及U1、V1、W1三对红外线发射、接收管（3、4）的结构分布可知，任意相邻的两个上升沿和下降沿之间的间隔为20度，当所述电机转动后，新型编码器采集到一个ABC中的上升沿或下降沿后，那么再检测到下一个下降沿或上升沿时，电机转动的角度为20度，通过记录电机转过20度所用的时间T1，则电机转过该20度的运行的角速度V1=20/T1，连续运行后，由多个所述的角速度计算出当前连续的平均角速度v=(V1+....+VN)/(T1+....+TN)；
Z点信号为电机运转一圈的标志点，当控制系统检测到Z 信号后，进行清零操作，开始重新计数，完成一个计算周期；
步骤三：由运行时间和平均角速度计算出定位点
控制系统在获取到连续而稳定的平均角速度v后，任意相邻的两个上升沿或下降沿之间的定位角度a即可由运行时间t和平均角速度v计算得出,即a=vt；
步骤四：控制电机定位
控制系统依据计算出的定位角度a，发出控制指令，通过驱动电路对电机进行驱动及定位。
6.根据权利要求5所述的使用新型编码器结构进行电机定位的方法，其特征在于：
步骤五：在对A、B、C三组信号和Z点信号进行采集、计算的同时，通过传感器对电机转子磁场反馈电流i进行检测，依据电流i的数值对v进行补偿修正，进一步提高定位角度a的精度。
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