CN105553187A - 一种一周输出一个周期正余弦信号的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，属于编码器被动测量技术领域。包括磁阻传感器，金属圆盘，磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，金属圆盘的中心与旋转轴偏移一定距离，金属圆盘转动后产生径向偏心，导致金属圆盘表面与传感器之间的间隙变化，磁阻传感器在磁场的作用下，随间隙的变化而产生正余弦变化的信号。该方法具有结构简单，操作难度低，获取的信号质量高等优点，大大降低了获取高质量正余弦信号的难度。

Description

一种一周输出一个周期正余弦信号的方法

技术领域

本发明属于编码器被动测量技术领域。

背景技术

在编码器领域，获取正余弦信号的方法有很多种，比较典型的是光电式和电磁式。

1、光电式输出正余弦信号的原理是：光栅盘的刻线与指示光栅的刻线存在一定的角度偏差，光栅盘旋转后，经平行光照射，在光电池上产生明暗相间的摩尔条纹，光电池感知光强变化输出正余弦信号。

缺点是对环境要求较高，容易受到油污的侵蚀，光栅盘为玻璃材质，容易受到外部震动、冲击等盘境的影响，码盘出现破碎，并且需要做密封处理。

2、电磁式输出正余弦信号的原理是：在旋转轴的轴心固定一个磁柱，霍尔器件在磁柱的正上方放置，磁柱转动一周过程中，霍尔传感器接收的磁通量方向不断变化，输出正余弦信号。

这种安装方式只适用于轴端安装，无法实现大空心轴安装，而且磁柱的磁性范围小，得到的波形正弦性不够，限制了对波形的细分。

发明内容

本发明提供一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，以解决光电式存的对环境要求较高，电磁式存在的只适用于轴端安装的问题。

本发明采取的技术方案是：金属圆盘圆心与旋转轴中心偏心安装，该金属圆盘为铁磁性质材料，一个磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，且与金属圆盘同一平面，磁阻传感器的输出量与被测参数x线性变化，x表示在磁阻传感器到旋转中心路径上、磁阻传感器接收面到金属圆盘外圆表面的距离。

本发明所述N个磁阻传感器相差一定角度放置，且与旋转中心距离相等，N≥2，N是自然数。

本发明所述两个磁阻传感器相差90度方向放置，且与旋转中心距离相等。

本发明所述另一个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，使两金属圆盘的偏心方向互相垂直，另一个磁阻传感器与该磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，分别对应一个金属圆盘。

本发明所述N个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，N≥2，N是自然数，N个金属圆盘的偏心方向相差一定的度数，N个磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，N个磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，分别对应一个金属圆盘。

所述金属圆盘在偏心方向打一个小孔或在偏心的反方向加一个金属块。

本发明的优点是：对环境要求低：使用磁阻传感器，可用于光电式编码器无法正常工作的油污的环境，抗振动，较光电编码器故障率低。结构简单：所用的磁阻传感器技术成熟，金属圆盘加工难度低，降低成本的同时也解决了光电编码器对加工精度要求高的问题。用户安装方便：用户定位安装方便，精度可靠，适合安装在大口径的空心轴或实心轴后端，且不妨碍电机轴末端的其他安装设备。对电机要求低：此方法可解决光电编码器对轴向窜动和径向跳动敏感等问题，提高了产品的适应性。拓展性良好：此方法可应用于单圈绝对式编码器、多圈绝对式编码器、增量式编码器。

附图说明

图1是本发明原理图；

图2是本发明磁阻传感器的输出电压与磁场强度呈线性关系图；

图3是本发明实施例1的原理图；

图4是本发明实施例2的原理图，使用一个金属圆盘与两个磁阻传感器获取正余弦信号的原理图；

图5是本发明实施例2的原理图，使用一个金属圆盘与N个磁阻传感器获取正余弦信号的原理图；

图6是本发明实施例3的原理图，使用两个金属圆盘与两个磁阻传感器获取正余弦信号的原理图；

图7是图6的仰视图；

图8是本发明实施例3的原理图，使用N个金属圆盘与N个磁阻传感器获取正余弦信号的原理图；

图9是图8的仰视图；

图10是本发明金属圆盘在偏心方向打一个小孔减料或在反向加料的原理图。

具体实施方式

金属圆盘一2圆心O₁与旋转轴中心O偏心安装，该金属圆盘为铁磁性质材料，一个磁阻传感器一1放置在旋转中心的径向方向，且与金属圆盘同一平面，磁阻传感器的输出量与被测参数x线性变化，x表示在磁阻传感器到旋转中心路径上、磁阻传感器接收面到金属圆盘外圆表面的距离。

本发明所述N个磁阻传感器相差一定角度放置，且与旋转中心距离相等，N≥2，N是自然数。

本发明所述两个磁阻传感器相差90度方向放置，且与旋转中心距离相等。

本发明所述另一个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，使两金属圆盘的偏心方向互相垂直，另一个磁阻传感器与该磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，分别对应一个金属圆盘。

本发明所述N个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，N≥2，N是自然数，N个金属圆盘的偏心方向相差一定的度数，N个磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，N个磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，分别对应一个金属圆盘。

所述金属圆盘在偏心方向打一个小孔或在偏心的反方向加一个金属块。

本发明满足以下参数关系：

L＝L₁+L₂+x(1)

$L_1=\sqrt{R^2-{\left(ecos\mathrm{\β}\right)}^2}---\left(2\right)$

L₂＝esinβ(3)

$L=\sqrt{R^2-{\left(ecos\mathrm{\β}\right)}^2}+e\sin \mathrm{\β}+x---\left(4\right)$

由于R远远大于e，R/e＝20:300所以可得到：

L≈R+esinβ+xβ～(0，2π)(5)

x≈L-R-esinββ～(0,2π)(6)

式中：

L表示磁阻传感器接收面到旋转中心的距离；

L₁表示在磁阻传感器到旋转中心路径上，金属圆盘表面到圆盘中心的垂直距离；

L₂表示在磁阻传感器到旋转中心路径上，旋转中心到圆盘圆心的垂直距离；

x表示在磁阻传感器到旋转中心路径上、磁阻传感器接收面到金属圆盘表面的距离；

R表示金属圆盘的半径；

e表示偏心距离；

β表示偏心距与金属圆盘圆心横轴的角度；

磁阻传感器的输出电压与磁场强度呈线性关系V＝kB，如图2所示，磁阻传感器与金属圆盘间的间隙变化，导致通过传感器的磁场强度的变化，通过实测在一定距离范围内，磁场强度与间距呈线性关系B＝mx，磁阻传感器的输出电压与金属圆盘的间隙呈线性关系V＝gx,g＝km，输出电压V符合正弦变化关系V～nsinβ，n＝ekm；其中：

V表示磁阻传感器的输出电压；

B表示磁通量大小；

n,g,k,m表示线性关系的系数。

下面通过三种具体例子来进一步说明获取正余弦波形的方法。

实施例1使用一个金属圆盘与一个磁阻传感器获取正余弦信号的方法

金属圆盘一2中心O₁与旋转轴中心O采用偏心安装，旋转轴3可为空心轴或实心轴；磁阻传感器一1放置在旋转中心径向方向，与金属圆盘在同一平面；金属圆盘在偏心方向打一个小孔4减料或在反向加料5，满足动平衡要求，保持金属圆盘不产生离心力；偏心金属圆盘转动一圈的过程中，与磁阻传感器的间隙程正弦规律性变化，即输出电压与转动角度为正弦关系V～nsinβ，磁阻传感器输出的正余弦信号，经过信号处理器细分后，一个周期的正弦波细分为N份，每一份具有绝对位置关系，可作为绝对式编码器使用，具有定位功能，可以测量360度内的任何位置，也可测量局部角度变化。如：工业机器人小范围转动的关节等，用于速度测量等。

实施例2使用一个金属圆盘与两个磁阻传感器获取正余弦信号的方法

金属圆盘一2中心O₁与旋转中心O采用偏心安装，磁阻传感器一1，磁阻传感器二1’放置在旋转中心径向方向，与金属圆盘一在同一平面，磁阻传感器一1，磁阻传感器二1’与旋转中心距离相等。偏心金属圆盘一转动一圈的过程中，与磁阻传感器的间隙程正旋规律性变化，即输出电压与金属圆盘和磁阻传感器的间隙为正旋关系V～nsinβ；磁阻传感器一1，磁阻传感器二1’相差90度，偏心金属圆盘一在旋转过程中，圆盘的同一位置与两个磁阻传感器之间的间隙相同，这使得两路信号波形相同，但相差90度的相位差；金属圆盘在偏心方向打一个小孔4减料或在反向加料5，满足动平衡要求，保持金属圆盘不产生离心力；磁阻传感器输出的正余弦信号，经过信号处理器细分后，一个周期的正弦波细分为N份，每一份具有绝对位置关系，可作为绝对式编码器使用，具有定位功能，可以测量360度内的任何位置，也可测量局部角度变化，如：角度位移检测，高精密转台，工业机器人小范围转动的关节等。

以上例子说明还适用于一个金属圆盘一2与N个磁阻传感器的使用方法，即磁阻传感器一，磁阻传感器二......磁阻传感器N放置在旋转中心径向方向，磁阻传感器间相差一定角度，如图5所示，且与金属圆盘在同一平面，可得到N个相差一定相位差的正余弦波形的信号，N>2，N是自然数。

实施例3使用两个金属圆盘与两个磁阻传感器获取正余弦信号的方法

金属圆盘一2中心O₁与旋转中心O采用偏心安装；如图6，图7所示，金属圆盘二2’中心O₂与旋转中心O采用偏心安装；金属圆盘在偏心方向打一个小孔减料或在反向加料，满足动平衡要求，保持金属圆盘不产生离心力，磁阻传感器一1，磁阻传感器二1’放置在同一位置，且上下重叠；金属圆盘一2，金属圆盘二2’的偏心方向互相垂直，即两个金属圆盘与传感器间隙相同的位置，相差90度。磁阻传感器一1，磁阻传感器二1’放置在旋转中心径向方向，分别对应一个金属圆盘；金属圆盘一2，金属圆盘二2’旋转一圈的过程中，与磁阻传感器的间隙程正旋规律性变化；即输出信号与转动角度为正弦关系V～nsinβ；输出两个相差90度的正余弦波；磁阻传感器输出的正余弦信号，经过信号处理器细分后，一个周期的正弦波细分为N份，每一份具有绝对位置关系，可作为绝对式编码器使用，具有定位功能，可以测量360度内的任何位置，也可测量局部角度变化。如：角度位移检测，高精密转台，工业机器人小范围转动的关节等。

以上例子说明还适用于N个金属圆盘与N个磁阻传感器的使用方法，如图8，图9所示，即磁阻传感器一，磁阻传感器二......磁阻传感器N放置在旋转中心径向方向，且相互重叠。金属圆盘一，金属圆盘二.....金属圆盘N的偏心方向相差一定的度数，磁阻传感器一，磁阻传感器二......磁阻传感器N放置在旋转中心的径向方向，分别对应一个金属圆盘，可得到N个相差一定相位差的正余弦波形的信号，N>2，N是自然数。

Claims (6)

1.一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：金属圆盘圆心与旋转轴中心偏心安装，该金属圆盘为铁磁性质材料，一个磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，且与金属圆盘同一平面，磁阻传感器的输出量与被测参数x线性变化，x表示在磁阻传感器到旋转中心路径上、磁阻传感器接收面到金属圆盘外圆表面的距离。

2.根据权利要求1所述的一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：N个磁阻传感器相差一定角度放置，且与旋转中心距离相等，N≥2，N是自然数。

3.根据权利要求2所述的一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：两个磁阻传感器相差90度方向放置，且与旋转中心距离相等。

4.根据权利要求1所述的一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：另一个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，使两金属圆盘的偏心方向互相垂直，另一个磁阻传感器与该磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，分别对应一个金属圆盘。

5.根据权利要求1所述的一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：N个金属圆盘圆心与旋转中心采用偏心安装，N≥2，N是自然数，N个金属圆盘的偏心方向相差一定的度数，N个磁阻传感器放置在同一位置，且上下重叠，N个磁阻传感器放置在旋转中心的径向方向，分别对应一个金属圆盘。

6.根据权利要求1所述的一种一周输出一个周期正余弦信号的方法，其特征在于：金属圆盘在偏心方向打一个小孔或在偏心的反方向加一个金属块。