CN105387879A - 大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器 - Google Patents

Abstract

大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，涉及一种绝对式磁编码器，本发明为解决现有单一位置传感器不能同时兼顾高精度、高可靠性和低成本要求的问题。本发明磁编码器的磁码盘为圆环结构，沿圆环的轴向充磁，磁码盘的上方平行设置有敏感芯片检测电路板，敏感芯片检测电路板垂直固定在电路板上，电路板为圆环结构，磁码盘位于电路板的圆环以内，并且，电路板与磁码盘同轴设置，磁码盘作为转子在电机的驱动下转动，电路板作为定子，电路板与磁码盘之间有0.4mm间隙；磁码盘的外表面上均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道和内圈游标码道，外圈主码道和内圈游标码道极间相互挫列布置。本发明用于机器人控制系统中。

Description

大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器

技术领域

本发明涉及一种绝对式磁编码器。

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，因此在对位置传感器体积要求严格、控制精度要求高的场合，无法得到广泛应用；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，因此极大地限制了它的应用；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

本发明目的是为了解决现有单一位置传感器不能同时兼顾高精度、高可靠性和低成本要求的问题，提供了一种大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器。

本发明所述大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，该磁编码器的磁码盘为圆环结构，沿圆环的轴向充磁，磁码盘的上方平行设置有敏感芯片检测电路板，敏感芯片检测电路板垂直固定在电路板上，电路板为圆环结构，磁码盘位于电路板的圆环以内，并且，电路板与磁码盘同轴设置，磁码盘作为转子在电机的驱动下转动，电路板作为定子，电路板与磁码盘之间有0.4mm间隙；磁码盘的外表面上均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道和内圈游标码道，外圈主码道和内圈游标码道极间相互挫列布置；

敏感芯片检测电路板包括传感器，磁码盘和敏感芯片检测电路板发生相对转动时，传感器检测外圈主码道和内圈游标码道的磁场变化信息；

敏感芯片检测电路板包括信号处理单元、通信单元和存储单元，传感器将检测到的磁场变化信息输出至信号处理单元，信号处理单元根据磁场变化信息获取绝对位置信息，然后将绝对位置信息发送至通信单元，通信单元将绝对位置信息与上位机进行数据交换，传感器检测到的磁场变化信息存储在存储单元中。

本发明的优点：本发明提出的大中心孔结构的绝对位置传感器，克服了传统的单一位置传感器的不足，在既能保证较高的精度和可靠性的同时，又能满足成本低廉结构简单的实际需求。本发明采用中心孔结构设计，与传统位置传感器结构形式相比，更有利于机器人内部线缆走线，提高系统可靠性；利用霍尔原理进行绝对位置测量，在保证测量精度高的同时，能够耐受恶劣环境，具有更广泛的应用前景；此外，传感器的码道基于游标原理进行设计，通过解算得到绝对位置信息，具有体积小，结构紧凑的优点；检测使用的霍尔元件成本较低，工作稳定可靠，与同类传感器相比有更高的推广价值。

附图说明

图1是本发明所述磁码盘的结构示意图；

图2是本发明所述大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器的主视图；

图3是本发明所述大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器的电路原理图；

图4是信号处理单元的波形图，横坐标表示时间，单位为s，纵坐标表示输出信号，单位为V。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1-图3说明本实施方式，本实施方式所述大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，该磁编码器的磁码盘1为圆环结构，沿圆环的轴向充磁，磁码盘1的上方平行设置有敏感芯片检测电路板4，敏感芯片检测电路板4垂直固定在电路板5上，电路板5为圆环结构，磁码盘1位于电路板5的圆环以内，并且，电路板5与磁码盘1同轴设置，磁码盘1作为转子在电机的驱动下转动，电路板5作为定子，电路板5与磁码盘1之间有0.4mm间隙；磁码盘1的外表面上均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道2和内圈游标码道3，外圈主码道2和内圈游标码道3极间相互挫列布置；

敏感芯片检测电路板4包括传感器6，磁码盘1和敏感芯片检测电路板4发生相对转动时，传感器6检测外圈主码道2和内圈游标码道3的磁场变化信息；

敏感芯片检测电路板4包括信号处理单元7、通信单元8和存储单元9，传感器6将检测到的磁场变化信息输出至信号处理单元7，信号处理单元7根据磁场变化信息获取绝对位置信息，然后将绝对位置信息发送至通信单元8，通信单元8将绝对位置信息与上位机进行数据交换，传感器6检测到的磁场变化信息存储在存储单元9中。

本实施方式中，为了保证传感器6正常工作，电源需快速稳定工作。

本实施方式中，传感器6通过SPI串口与外部进行通信。

具体实施方式二：本实施方式对实施方式一作进一步说明，电路板5的中心孔的内径大于25mm。

本实施方式中，大于25mm内径的中心孔，利于机器人内部走线，可有效的防止当机器人工作时，内部线缆相互缠绕的问题。

具体实施方式三：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，外圈主码道2是64对磁极的主码道，内圈游标码道3是63对磁极的游标码道。

具体实施方式四：信号处理单元7根据磁场变化信息获取绝对位置信息的具体过程为：

外圈主码道2和内圈游标码道3相对于磁码盘1的中心转过的角度θ_p1和θ_p2分别为：

${\mathrm{\θ}}_{P_1}=\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{N}+N_1\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}---\left(1\right);$

${\mathrm{\θ}}_1,{\mathrm{\θ}}_{P_1}\∈\[0,2\mathrm{\π});N=1,2,3...n;N_1=0,1,2,3...(N-1);$

${\mathrm{\θ}}_{P_2}=\frac{{\mathrm{\θ}}_2}{(N-1)}+N_2\×\frac{2\mathrm{\π}}{(N-1)}---\left(2\right);$

${\mathrm{\θ}}_2,{\mathrm{\θ}}_{P_2}\∈\[0,2\mathrm{\π});N=1,2,3...n;N_2=0,1,2...(N-2);$

其中：N₁表示外圈主码道2转过的磁极对数，N₂为内圈游标码道3的磁极对数，N表示外圈主码道2的磁极对数，θ₁表示外圈主码道2一对磁极间转过的角度，θ₂表示内圈游标码道3一对磁极间转过的角度；

因为 ${\mathrm{\θ}}_{P_1}={\mathrm{\θ}}_{P_2},$ 所以有：

${\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\θ}}_1}{N}+N_1\×\frac{2\mathrm{\π}}{N}-2\mathrm{\π}(N_1-N_2)\\ \frac{{\mathrm{\θ}}_2}{N-1}+\frac{2{\mathrm{\πN}}_1}{N-1}+\frac{2\mathrm{\π}N(N_2-N_1)}{N-1}\end{array}\right.---\left(3\right);$

将(3)代入(1)中，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{P_1}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2+2\mathrm{\π}(N_1-N_2)\\ {\mathrm{\θ}}_{P_2}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2+2\mathrm{\π}(N_1-N_2)\end{array}\right.---\left(4\right);$

当N₁＝N₂时，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{P_1}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2\\ {\mathrm{\θ}}_{P_2}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2\end{array}\right.;$

当N₁＝N₂+1时，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{P_1}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2+2\mathrm{\π}\\ {\mathrm{\θ}}_{P_2}={\mathrm{\θ}}_1-{\mathrm{\θ}}_2+2\mathrm{\π}\end{array}\right.;$

则转子转过的绝对角度为：

${\mathrm{\&theta;}}_{P_1}={\mathrm{\&theta;}}_{P_2}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2,& ({\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2)\&GreaterEqual;0\\ {\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;},& ({\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2)<0\end{array}\right.;$

${\mathrm{\&theta;}}_1,{\mathrm{\&theta;}}_2,{\mathrm{\&theta;}}_{P_1},{\mathrm{\&theta;}}_{P_2}\&Element;[\mathrm{0,2}\mathrm{\&pi;}).$

本实施方式中，如图4所示，传感器6在工作时采集转子游标码道的磁极变化，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2和内圈游标码道3的磁极变化信息。

本实施方式中，外圈主码道2磁极对数比内圈游标码道3磁极对数多一对，即：传感器6转动完整一圈时外圈主码道2所采集的正余弦信号比内圈游标码道3多一个完整周期，因此令磁极对数分别为n和n-1。

本发明中，该绝对位置传感器主要包括磁码盘1和信号处理电路部分，磁码盘1和电路板5均为圆环结构，同轴布置，这种结构有利于复杂走线的布置，防止机器人工作时线缆间相互缠绕。磁码盘1的磁钢材料为粘结NdFeB磁体材料，为克服径向冲磁导致磁极间磁场分布不均匀，影响原始信号的准确性问题，设计了轴向充磁的磁码盘，其上有两道磁轨：外圈为64对极磁极的主码道，内圈是具有63对磁极的游标码道。主码道和游标码道极间相互挫列布置。敏感芯片检测电路板4与磁码盘1相对，位于磁码盘1上方。当磁码盘1与敏感芯片检测电路板4发生相对转动时，利用霍尔效应，电路板上的集成2个霍尔元件的芯片检测主码道和游标码道的磁场变化，并转化成输出信号，经过信号处理单元7处理得到转子的绝对位置信息。

Claims (4)

1.大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，其特征在于，该磁编码器的磁码盘(1)为圆环结构，沿圆环的轴向充磁，磁码盘(1)的上方平行设置有敏感芯片检测电路板(4)，敏感芯片检测电路板(4)垂直固定在电路板(5)上，电路板(5)为圆环结构，磁码盘(1)位于电路板(5)的圆环以内，并且，电路板(5)与磁码盘(1)同轴设置，磁码盘(1)作为转子在电机的驱动下转动，电路板(5)作为定子，电路板(5)与磁码盘(1)之间有0.4mm间隙；磁码盘(1)的外表面上均匀布置两圈码道，分别为外圈主码道(2)和内圈游标码道(3)，外圈主码道(2)和内圈游标码道(3)极间相互挫列布置；

敏感芯片检测电路板(4)包括传感器(6)，磁码盘(1)和敏感芯片检测电路板(4)发生相对转动时，传感器(6)检测外圈主码道(2)和内圈游标码道(3)的磁场变化信息；

敏感芯片检测电路板(4)包括信号处理单元(7)、通信单元(8)和存储单元(9)，传感器(6)将检测到的磁场变化信息输出至信号处理单元(7)，信号处理单元(7)根据磁场变化信息获取绝对位置信息，然后将绝对位置信息发送至通信单元(8)，通信单元(8)将绝对位置信息与上位机进行数据交换，传感器(6)检测到的磁场变化信息存储在存储单元(9)中。

2.根据权利要求1所述的大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，其特征在于，电路板(5)的中心孔的内径大于25mm。

3.根据权利要求1所述的大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，其特征在于，外圈主码道(2)是64对磁极的主码道，内圈游标码道(3)是63对磁极的游标码道。

4.根据权利要求1所述的大中心孔轴向充磁结构的绝对位置磁编码器，其特征在于，信号处理单元(7)根据磁场变化信息获取绝对位置信息的具体过程为：

外圈主码道(2)和内圈游标码道(3)相对于磁码盘(1)的中心转过的角度θ_p1和θ_p2分别为：

${\mathrm{\&theta;}}_{P_1}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1}{N}+N_1\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}---\left(1\right);$

${\mathrm{\&theta;}}_1,{\mathrm{\&theta;}}_{P_1}\&Element;\&lsqb;0,2\mathrm{\&pi;});N=1,2,3...n;N_1=0,1,2,3...(N-1);$

${\mathrm{\&theta;}}_{P_2}=\frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{(N-1)}+N_2\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{(N-1)}---\left(2\right);$

${\mathrm{\&theta;}}_2,{\mathrm{\&theta;}}_{P_2}\&Element;\&lsqb;0,2\mathrm{\&pi;});N=1,2,3...n;N_2=0,1,2...(N-2);$

其中：N₁表示外圈主码道(2)转过的磁极对数，N₂为内圈游标码道(3)的磁极对数，N表示外圈主码道(2)的磁极对数，θ₁表示外圈主码道(2)一对磁极间转过的角度，θ₂表示内圈游标码道(3)一对磁极间转过的角度；

因为所以有：

${\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2=\left\{\begin{array}{c}\frac{{\mathrm{\&theta;}}_1}{N}+N_1\&times;\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N}-2\mathrm{\&pi;}(N_1-N_2)\\ \frac{{\mathrm{\&theta;}}_2}{N-1}+\frac{2{\mathrm{\&pi;N}}_1}{N-1}+\frac{2\mathrm{\&pi;}N(N_2-N_1)}{N-1}\end{array}\right.---\left(3\right);$

将(3)代入(1)中，可得：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{P_1}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;}(N_1-N_2)\\ {\mathrm{\&theta;}}_{P_2}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;}(N_1-N_2)\end{array}\right.---\left(4\right);$

当N₁＝N₂时，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{P_1}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2\\ {\mathrm{\&theta;}}_{P_2}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2\end{array}\right.;$

当N₁＝N₂+1时，

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\&theta;}}_{P_1}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;}\\ {\mathrm{\&theta;}}_{P_2}={\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;}\end{array}\right.;$

则转子转过的绝对角度为：

${\mathrm{\&theta;}}_{P_1}={\mathrm{\&theta;}}_{P_2}=\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2,& ({\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2)\&GreaterEqual;0\\ {\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2+2\mathrm{\&pi;},& ({\mathrm{\&theta;}}_1-{\mathrm{\&theta;}}_2)<0\end{array}\right.;$

${\mathrm{\&theta;}}_1,{\mathrm{\&theta;}}_2,{\mathrm{\&theta;}}_{P_1},{\mathrm{\&theta;}}_{P_2}\&Element;\&lsqb;0,2\mathrm{\&pi;}).$