CN104634367A - 一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法 - Google Patents

Abstract

一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法，涉及机器人控制领域。本发明是为了解决现有的位置传感器结构复杂、体积大、绝对位置测量精度低和可靠性差的问题。本发明所述磁环、磁环座和电路板均为圆环式结构，磁环贴合在磁环座上，磁环和磁环座构成磁码盘，磁码盘与电路板之间留有间隙且同轴相对安装，电路板固定在定子壳上，磁环上表面分别设有外圈主码道和内圈游标码道，电路板上集成采集芯片和信号处理电路，霍尔元件集成在采集芯片内，霍尔元件用于采集外圈主码道与内圈游标码道的磁极变化信息，由信号处理电路对磁场变化信息进行处理，输出绝对位置信息。它可用于对轻型机械臂关节的转角及转速的精确测量和对电机的控制。

Description

一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法

技术领域

本发明涉及一种磁电式绝对位置传感器，主要应用于对轻型机械臂关节的转角及转速的精确测量和对电机的控制。

背景技术

在机器人控制系统中，为了对电机进行控制，需要位置传感器来提供转子的位置信息。随着科学技术的发展，各领域对位置检测的要求不断提高,传统的位置传感器由于其自身的特点已经不能满足某些应用领域的特殊要求。例如,旋转变压器体积大、精度低,在对位置传感器体积要求严格、控制精度要求高的场合，无法应用；光电编码器虽然精度高、体积小，但是由于其抗震动、抗冲击能力差,无法在尘埃、潮湿等恶劣的环境下工作，因此大大限制了它的应用；磁敏电阻式编码器虽然基本克服了光电编码器的缺陷，但由于制造工艺复杂、成本高，在一定程度上限制了它的应用范围。同时，在结构布置方面，由于机械臂关节控制器线路较多，如果布线不当，在关节工作时容易发生线路间的相互缠绕而影响正常工作。基于以上情况，有必要研制出一种新型位置传感器以克服传统传感器的不足，既能保证较高的测量精度和低廉的成本，又能够具有较理想的结构和较高的可靠性。

发明内容

本发明是为了解决现有的位置传感器结构复杂、体积大、绝对位置测量精度低和可靠性差的问题。现提供一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器及测量绝对位置的方法。

一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，它包括磁环、磁环座、电路板和定子壳，

定子壳3和磁环座均为圆环式结构，且均围绕在圆筒11的外侧，在圆筒11的下端筒壁上固定有圆环式结构的一号磁环座6-1，在一号磁环座6-1的上端贴合有圆环式结构的二号磁环座6-2，所述一号磁环座6-1和二号磁环座6-2构成磁环座，且一号磁环座6-1和二号磁环座6-2为一体件结构，一号磁环座6-1的外径大于二号磁环座6-2的外径，

磁环1和电路板2均为圆环式结构，磁环1贴合在二号磁环座6-2上，磁环1和磁环座构成磁码盘，磁码盘与电路板2同轴相对安装，且磁码盘和电路板2之间留有间隙，电路板2固定在定子壳3上，磁环1、磁环座6、电路板2位于定子壳3的内部，磁环1上表面均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道4和内圈游标码道5，

电路板2上集成有采集芯片和信号处理电路，霍尔元件集成在采集芯片内，

霍尔元件用于采集外圈主码道4与内圈游标码道5的磁极变化信息，

信号处理电路用于接收磁场变化信息，对磁场变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

根据一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器实现的绝对位置测量方法，当磁码盘与电路板发生相对转动时，采用电路板上的霍尔元件采集外圈主码道与内圈游标码道的磁极变化信息，由信号检测模块接收磁极变化信息，输入给信号调理模块，所得到的模拟信号经过信号处理模块磁场变化信息进行处理，输出信号由数模转换模块转换成数字信号，并通过通信模块输出绝对位置信息。

本发明的有益效果：将磁环、磁环座和电路板均设计为圆环形结构，与传统位置传感器结构形式相比，更有利于线路的统一布置，防止工作时发生相互缠绕，大大简化了在实际应用中方便布线走线；利用霍尔原理采用霍尔元件采集外圈主码道与内圈游标码道的磁极变化信息，并采用信号处理电路对磁场变化信息进行处理进行绝对位置测量，与位置编码器相比，在保证高测量精度的同时，能够耐受恶劣的环境，具有很高的可靠性。此外，传感器本身的精度主要取决于磁码道的对极数，在整体尺寸不变的前提下可通过改变磁轨对极数量来调整精度，对不同工况要求具有很强的适用性。同时霍尔元件的成本低廉，工作稳定可靠，传感器整体质量轻体积小，与同类传感器相比有更高的推广价值。

附图说明

图1为绝对位置传感器磁码盘的主视图；

图2为本发明中定子壳的主视图，

图3为具体实施方式一所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器组装后的剖视图，

图4为本发明所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器的立体结构图。

图5为具体实施方式四所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器中信号处理电路的原理示意图，

图6为信号处理电路原理波形图。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，它包括磁环1、磁环座6、电路板2和定子壳3，

定子壳3和磁环座均为圆环式结构，且均围绕在圆筒11的外侧，在圆筒11的下端筒壁上固定有圆环式结构的一号磁环座6-1，在一号磁环座6-1的上端贴合有圆环式结构的二号磁环座6-2，所述一号磁环座6-1和二号磁环座6-2构成磁环座，且一号磁环座6-1和二号磁环座6-2为一体件结构，一号磁环座6-1的外径大于二号磁环座6-2的外径，

磁环1和电路板2均为圆环式结构，磁环1贴合在二号磁环座6-2上，磁环1和磁环座构成磁码盘，磁码盘与电路板2同轴相对安装，且磁码盘和电路板2之间留有间隙，电路板2固定在定子壳3上，磁环1、磁环座6、电路板2位于定子壳3的内部，磁环1上表面均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道4和内圈游标码道5，

电路板2上集成有采集芯片和信号处理电路，霍尔元件集成在采集芯片内，

霍尔元件用于采集外圈主码道4与内圈游标码道5的磁极变化信息，

信号处理电路用于接收磁场变化信息，对磁场变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

本实施方式中，信号处理电路板和磁环之间是有间隙的。因为采集芯片在电路板上，为了采集码道信息，采集芯片和磁码盘必须保持一定的距离，所以电路板和磁环面之间要留有的距离为采集芯片厚度+采集芯片的采集距离。

电路板2与所述磁码盘均为圆环式结构，且同轴相对装配，在实际应用走线路通过内圈圆环，在大大简化布线设计的同时，有效防止由于线路位置不当而导致的工作时线路相互缠绕的问题。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器作进一步说明，本实施方式中，磁环1上外圈主码道4为64对极，内圈游标码道为63对极。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器作进一步说明，本实施方式中，磁环座6本体由铝合金材料制成，磁环1采用粘结NdFeB磁体材料制成。

具体实施方式四：参照图5具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器作进一步说明，本实施方式中，信号处理电路包括电源模块7、信号检测模块8、信号调理模块9、信号处理模块10、数模转换模块11和通信模块12，

所述电源模块7用于为信号检测模块8、信号调理模块9、信号处理模块10、数模转换模块11和通信模块12提供供电电源，

信号检测模块8的码道磁极变化信息输出端连接信号调理模块9的码道磁极变化信息输入端，信号调理模块9的模拟信号输出端连接信号处理模块10的模拟信号输入端，信号处理模块10的处理信号输出端连接数模转换模块11的处理信号输入端，数模转换模块11的数字信号输出端连接通信模块12的数字信号输入端。

具体实施方式五：本实施方式是对具体实施方式一所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括上位机，

通信模块12通过SPI串口与上位机进行通讯。

具体实施方式六：根据具体实施方式一或四所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器实现的绝对位置测量方法，本实施方式中，当磁码盘与电路板2发生相对转动时，采用电路板2上的霍尔元件采集外圈主码道4与内圈游标码道5的磁极变化信息，由信号检测模块8接收磁极变化信息，输入给信号调理模块9，所得到的模拟信号经过信号处理模块11磁场变化信息进行处理，输出信号由数模转换模块10转换成数字信号，并通过通信模块12输出绝对位置信息。

具体实施方式七：参照图6具体说明本实施方式，本实施方式是对具体实施方式六所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器作进一步说明，本实施方式中，采用信号处理模块11对磁场变化信息进行处理，输出信号由数模转换模块10转换成数字信号，并通过通信模块12输出绝对位置信息的过程：

信号处理电路检测磁极变化信息,该信息由周期不同的正/余弦信号组成，分别对应外圈主码道和内圈游标码道的磁极变化信息，外圈主码道和内圈游标码道相对于码盘中心所转过的角度分别表示为：

(公式1)

(公式2)

其中，m_outer表示外圈主码道转过的磁极对数，m_inner表示内圈游标码道转过的磁极对数，p_outer表示外圈主码道采集到的电压波形数据，p_inner表示内圈游标码道采集到的电压波形数据，由于θ_outer＝θ_inner，可得，

(公式3)

由于所述磁码盘上外圈主码道(4)极对数比内圈游标码道(5)多一对极，即传感器转动完整一圈外圈主码道所采集的正余弦信号比内圈游标码道多一个完整周期，令外圈主码道和内圈游标码道极对数分别为n和n-1，

当m_outer＝m_inner＝m时，

(公式4)

当m_outer＝m_inner+1＝m时，

(公式5)

由公式4和公式5计算外圈主码道绝对转角：

(公式6)

根据公式：

$P_A(P_{\mathrm{outer}},P_{\mathrm{inner}})=\left\{\begin{array}{c}\arctan \left(\frac{A\sin \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}{A\cos \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}{\cos \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}\right)\\ \arctan \left(\frac{A\sin \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}{A\cos \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}{\cos \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}\right)\end{array}\right.,$ (公式7)

获得绝对位置P_A。

Claims (7)

1.一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，其特征在于，它包括磁环(1)、磁环座(6)、电路板(2)和定子壳(3)，

定子壳(3)和磁环座(6)均为圆环式结构，且均围绕在圆筒(11)的外侧，在圆筒(11)的下端筒壁上固定有圆环式结构的一号磁环座(6-1)，在一号磁环座(6-1)的上端贴合有圆环式结构的二号磁环座(6-2)，所述一号磁环座(6-1)和二号磁环座(6-2)构成磁环座，且一号磁环座(6-1)和二号磁环座(6-2)为一体件结构，一号磁环座(6-1)的外径大于二号磁环座(6-2)的外径，

磁环(1)和电路板(2)均为圆环式结构，磁环(1)贴合在二号磁环座(6-2)上，磁环(1)和磁环座构成磁码盘，磁码盘与电路板(2)同轴相对安装，且磁码盘和电路板(2)之间留有间隙，电路板(2)固定在定子壳(3)上，磁环(1)、磁环座(6)、电路板(2)位于定子壳(3)的内部，磁环(1)上表面均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道(4)和内圈游标码道(5)，

电路板(2)上集成有采集芯片和信号处理电路，霍尔元件集成在采集芯片内，

霍尔元件用于采集外圈主码道(4)与内圈游标码道(5)的磁极变化信息，

信号处理电路用于接收磁场变化信息，对磁场变化信息进行处理，输出绝对位置信息。

2.根据权利要求1所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，其特征在于，磁环(1)上外圈主码道4为64对极，内圈游标码道(5)为63对极。

3.根据权利要求1所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，其特征在于，磁环座(6)本体由铝合金材料制成，磁环(1)采用粘结NdFeB磁体材料制成。

4.根据权利要求1所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，其特征在于，信号处理电路包括电源模块(7)、信号检测模块(8)、信号调理模块(9)、信号处理模块(10)、数模转换模块(11)和通信模块(12)，

所述电源模块(7)用于为信号检测模块(8)、信号调理模块(9)、信号处理模块(10)、数模转换模块(11)和通信模块(12)提供供电电源，

信号检测模块(8)的码道磁极变化信息输出端连接信号调理模块(9)的码道磁极变化信息输入端，信号调理模块(9)的模拟信号输出端连接信号处理模块(10)的模拟信号输入端，信号处理模块(10)的处理信号输出端连接数模转换模块(11)的处理信号输入端，数模转换模块(11)的数字信号输出端连接通信模块(12)的数字信号输入端。

5.根据权利要求4所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器，其特征在于，它还包括上位机，

通信模块(12)通过SPI串口与上位机进行通讯。

6.根据权利要求1或4所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器实现的绝对位置测量方法，其特征在于，当磁码盘与电路板(2)发生相对转动时，采用电路板(2)上的霍尔元件采集外圈主码道(4)与内圈游标码道(5)的磁极变化信息，由信号检测模块(8)接收磁极变化信息，输入给信号调理模块(9)，所得到的模拟信号经过信号处理模块(11)磁场变化信息进行处理，输出信号由数模转换模块(10)转换成数字信号，并通过通信模块(12)输出绝对位置信息。

7.根据权利要求6所述的一种大中心孔结构的磁电式绝对位置传感器实现的绝对位置测量方法，其特征在于，

采用信号处理模块(11)对磁场变化信息进行处理，输出信号由数模转换模块(10)转换成数字信号，并通过通信模块(12)输出绝对位置信息的过程：

信号处理电路检测磁极变化信息，该信息由周期不同的正/余弦信号组成，分别对应外圈主码道和内圈游标码道的磁极变化信息，外圈主码道和内圈游标码道相对于码盘中心所转过的角度分别表示为：

其中，m_outer表示外圈主码道转过的磁极对数，m_inner表示内圈游标码道转过的磁极对数，p_outer表示外圈主码道采集到的电压波形数据，p_inner表示内圈游标码道采集到的电压波形数据，由于θ_outer＝θ_inner，可得，

由于所述磁码盘上外圈主码道(4)极对数比内圈游标码道(5)多一对极，即传感器转动完整一圈外圈主码道所采集的正余弦信号比内圈游标码道多一个完整周期，令外圈主码道和内圈游标码道极对数分别为n和n-1，

当m_outer＝m_inner＝m时，

当m_outer＝m_inner+1＝m时，

由公式4和公式5计算外圈主码道绝对转角：

根据公式：

$P_A(P_{\mathrm{outer}},P_{\mathrm{inner}})=\left\{\begin{array}{c}\arctan \left(\frac{A\sin \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}{A\cos \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}{\cos \left(P_{\mathrm{outer}}\right)}\right)\\ \arctan \left(\frac{A\sin \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}{A\cos \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}\right)=\arctan \left(\frac{\sin \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}{\cos \left(P_{\mathrm{inner}}\right)}\right)\end{array}\right.,$ (公式7)

获得绝对位置P_A。