CN106595726A - 一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器 - Google Patents

一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，能够采集随轴转动的齿轮对周围磁场产生的扰动信号，后经信号处理输出包含齿轮的转动位置、速度和零点位置的弦波信号。本发明中的齿轮型磁性编码器采用分离式设计，包括一个齿轮和一个磁感应读头，其特征在于，所述齿轮中有一个齿为缺齿，所述缺齿长度为齿轮齿的一半；所述磁感应读头采集齿轮齿与缺齿缺口带来的磁场变化量。本发明提供了一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，该编码器采用单个齿轮，对齿轮进行特殊设计，所用齿轮上有一个缺齿，齿轮结构简单，体积小，成本低，方便安装使用，该磁性编码器的齿轮直接采用硅钢齿轮，防护等级高，抗振动冲击能力强。

Description

一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器
技术领域
本发明涉及磁性编码器技术领域，具体涉及一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器。
背景技术
编码器是一种用于检测机械运动的速度、位置、角度、距离或计数的传感器，随着工业自动化行业的快速发展，数控和伺服系统等工控设备的大量应用，以及机械设备数控精度要求的不断提高，编码器产品的种类不断增加，应用比例也得到大幅度的提升，整个市场规模在迅速扩大，目前常用的编码器主要有光电编码器和磁性编码器两种。
磁性编码器是由磁感应读头和磁环组成的。磁性编码器工作时是将磁环与被测转轴相连，当被测转轴做圆周转动时，磁环上的磁极对由远而近地靠近磁感应读头时，会使其周围的磁场环境发生发化。磁感应读头去感应磁场的变化，将磁感应强度的方向和大小的变化转化为电阻或者电压的变化，然后通过后续的信号处理电路输出角度值。磁性编码器受外界污染影响小，与光电编码器相比具有独特的优势，磁电编码器结构简单，响应速度快，成本低，抗冲击能力强。然而，磁环是由铁磁性物质粉末和作为粘结剂用的塑性物质通过注塑、压铸或铸造等工艺加工成型的柱形环状结构，工艺上很难控制材料的均匀性，而磁化位置也较难精准控制，使得码盘上磁矩大小和强弱以及均匀性较难进一步得到提高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，能够采集随轴转动的齿轮对周围磁场产生的扰动信号，后经信号处理输出包含齿轮的转动位置、速度和零点位置的弦波信号即编码信号。
本发明的技术方案是：
本发明中的齿轮型磁性编码器，采用分离式设计，包括一个齿轮和一个磁感应读头，所述齿轮中有一个齿为缺齿；所述磁感应读头采集齿轮齿与缺齿缺口带来的磁场变化量，并将磁场变化量转换为编码信号后输出，所述磁感应读头包括电路板、外壳、排针、永磁铁和梯度传感器芯片；
所述电路板包括第一电路板和第二电路板，第一电路板和第二电路板平行放置在外壳内部，两层电路板之间用排针连接固定，并通过排针进行信号传输，所述永磁体置于第一电路板和第二电路板之间；
所述梯度传感器芯片由双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片组成，所述双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片安装在第一层电路板的外侧，两颗芯片中心间距为齿轮正常齿长的一半；
所述双路集成梯度传感器芯片与缺齿的中心位置对准，双路集成梯度传感器芯片内部包含A路和B路两路梯度传感器子芯片，A路和B路同时采集齿轮齿带来的磁场变化量并输出两路呈90°相位差的弦波信号，两路弦波信号中包含齿轮的运动速度和运动方向信息；
单路梯度传感器芯片与缺齿缺口的中心位置对准，采集缺齿缺口带来的磁场变化量并输出缺齿缺口信号，用于记录齿轮旋转的圈数，只在齿轮的缺齿缺口部位有正弦信号输出，其他部位没有信号输出；
所述第二层电路板是信号处理电路板，对第一电路板采集到的齿轮齿信号与缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号即编码信号。
所述齿轮采用硅钢材料制成，被测旋转轴与齿轮中心孔固定连接。所述齿轮与磁感应读头之间的距离为0.1-0.2mm。所述缺齿长度为齿轮正常齿的一半。所述磁感应读头内部采用灌胶密封。
所述双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片为巨磁阻磁传感器、磁阻传感器或磁隧道结传感器。所述A路和B路两路梯度传感器芯片均采用惠斯通电桥结构，两路惠斯通电桥的间距为所述齿轮齿间距的1/2，每个惠斯通电桥的桥臂间距为所述齿轮齿间距的1/4；
所述单路梯度传感器芯片采用惠斯通电桥结构，惠斯通电桥的桥臂间距为所述齿轮齿间距。所述信号处理电路板包括电位器控制的偏置调平电路、差分运算放大器控制的信号放大电路以及反相电路；第一层电路板采集信号之前，偏置调平电路中的三个电位器分别调节三路梯度传感器芯片输出的零位电平一致；第一层电路板采集信号时，信号放大电路与反相电路对第一电路板采集到的原始齿轮齿信号和缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号即编码信号。
有益效果：
本发明提供了一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，该编码器采用单个齿轮，对齿轮进行特殊设计，所用齿轮上有一个缺齿，齿轮结构简单，体积小，成本低，方便安装使用，在单个齿轮的情况下，编码器实现输出包含齿轮的转动位置、速度和零点位置的弦波信号。
该磁性编码器的齿轮直接采用硅钢齿轮，防护等级高，抗振动冲击能力强。
该编码器采用分离式设计，由独立的磁感应读头和齿轮两部分组成，磁感应读头电路板设计与缺齿结构对应，利用磁感应读头采集随轴转动的齿轮对周围磁场产生的扰动信号，后经信号处理可输出包含齿轮的转动位置、速度和零点位置的弦波信号，电路读取与输出速度快，编码输出结果准确度高。
磁性编码器对于不同灵敏度的磁传感器均适用，包括磁阻、巨磁阻和磁隧道结传感器，适用范围广。
该磁性编码器利用高精度的梯度传感器芯片，其产品的性能和生产效率有很大的提高，可广泛应用于在位置检测以及速度位置反馈控制，输送设备位置反馈控制，电梯位置反馈控制、其他特殊设备应用(如无尘室、真空状态)或较恶劣环境中(如多粉尘、振动环境)。
附图说明
图1为基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器整体结构图。
图2为磁感应读头的内部结构图。
图3为基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器的齿轮结构侧视图。
图4是磁感应读头的第一层电路板芯片位置图。
图5是磁感应读头的第二层电路板电路原理框图。
其中，1-磁感应读头，1-1-塑料壳体，1-2-第一路电路板，1-2-1-双路集成梯度传感器芯片，1-2-2-单路梯度传感器芯片，1-3-第二电路板，1-4-排针，1-5-永磁体，2-齿轮，2-1-齿轮中心孔，2-2-正常齿，2-3-缺齿，2-4-缺齿缺口。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明提供了一种基于巨磁阻的齿轮型磁性编码器，如图1所示，该编码器包括齿轮2和磁感应读头1两部分，所述齿轮与磁感应读头之间的距离为0.1-0.2mm。
所述齿轮2上包括正常齿，正常齿如2-2所示，以及一个缺齿2-3，缺齿2-3所对应的缺齿缺口2-4如图3所示，所述缺齿2-3的长度是齿2-2长的一半，正常齿与缺齿结构如图3所示。所述齿轮2中的中央设有一个齿轮中心孔2-1，被测旋转轴穿过中心孔通过螺钉与齿轮安装固定。
当齿轮2随着被测转轴转动时，对磁感应读头1周围的磁场产生一定的影响，磁场发生变化，齿轮齿与缺齿缺口带来的磁场变化量分别为齿轮齿信号与缺齿缺口信号，齿轮齿信号与缺齿缺口信号中有齿轮的转动位置、速度和零点位置信息；齿轮齿信号与缺齿缺口信号通过磁感应读头1采集并输出，然后经过滤波、放大和反相处理后，对外输出给用户，对外输出一般为1V大小的带零位的弦波信号。
具体地，所述磁感应读头包括电路板、外壳、排针、永磁铁和梯度传感器芯片；
所述电路板包括第一电路板和第二电路板，第一电路板和第二电路板平行放置在外壳内部，两层电路板之间用排针连接固定，并通过排针进行信号传输，所述第一电路板和第二电路板之间放置一块永磁体，所述永磁铁为圆形或方形；
所述梯度传感器芯片由双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片组成，所述双路集成梯度传感器芯片内部包含A路和B路两路梯度传感器芯片。
如图2所示，磁感应读头1包括塑料壳体1-1、第一路电路板1-2、第二电路板1-3、排针1-4、永磁体1-5和梯度传感器芯片；
所述第一路电路板1-2和第二电路板1-3平行放置在塑料壳体1-1内部，两层电路板用排针1-4连接固定，并通过排针1-4进行信号传输，永磁体1-5放置在两层电路板1-2和1-3之间，为第一电路板上的两片梯度传感器芯片1-2-1和1-2-2提供偏置磁场；如图4所示，双路集成梯度传感器芯片1-2-1和单路梯度传感器芯片1-2-2安装在第一层电路板1-2的外侧，双路集成梯度传感器芯片1-2-1和单路梯度传感器芯片1-2-2两颗芯片中心间距为齿轮正常齿长的一半，所述双路集成梯度传感器芯片与缺齿的中心位置对准，单路梯度传感器芯片与缺齿缺口的中心位置对准。当所述齿轮2转动时，梯度传感器芯片分别采集所述齿轮2的齿轮齿和缺齿缺口对其周围磁场影响的变化量，即分别用来采集并输出随轴转动的齿轮2的齿轮齿信号和缺齿缺口信号。
所述第二层电路板1-3是信号处理电路板，对第一电路板1-2采集到的齿轮齿信号与缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号即编码信号，供用户使用。其中，信号处理电路板包括电位器控制的偏置调平电路、差分运算放大器控制的信号放大电路以及反相电路；第一层电路板采集信号之前，偏置调平电路中的三个电位器分别调节三路梯度传感器芯片输出的零位电平一致；第一层电路板采集信号时，信号放大电路与反相电路对第一电路板采集到的原始齿轮齿信号和缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号。
所述双路集成梯度传感器芯片1-2-1内部包含A路和B路两路梯度传感器芯片，均采用惠斯通电桥结构，两惠斯通电桥的间距为λ/2(λ为所述齿轮2的齿间距)，每个惠斯通电桥的桥臂间距为λ/4(λ为所述齿轮2的齿间距)。
A路和B路两路梯度传感器芯片用来采集随轴转动的齿轮2的齿轮齿信号，A路与B路两路梯度传感器芯片输出两路呈90°相位差的弦波信号，两路弦波信号中包含了齿轮的运动速度和运动方向信息；
所述单路梯度传感器芯片1-2-2用于记录所述齿轮2旋转的圈数，只在齿轮2的缺齿缺口部位有正弦信号输出，其他部位没有信号输出，其内部结构采用的也是惠斯通电桥结构，惠斯通电桥的桥臂间距为λ(λ为所述齿轮2的齿间距)。
如图5所示，本发明的磁感应读头的信号处理框图，由电位器连接的偏置调平电路、运算放大器AD8604连接成的信号放大电路和反相电路等其它电子元器件组成。接通电源，当所述齿轮2未转动时，分别观察所述第一电路板1-2上每一路梯度传感器的正反相输出信号，并用电位器调节平衡，以消除误差和外界磁干扰信号；当齿轮转动时，对所述第一电路板1-2上梯度传感器芯片采集到的齿轮齿信号与缺齿缺口信号进行放大和反相处理，最终输出可供客户使用的包含有所述齿轮2运动的速度、位置、方向和零点位置的有效弦波信号，如图5中模拟输出A1、B1和Z1。
本发明的齿轮2采用的是硅钢材料。当齿轮2的模数尺寸根据用户的需求进行定制时，齿轮2相对应的齿间距λ随模数尺寸发生变化。
磁感应读头1的电路调试完成后对磁感应读头进行灌胶密封。
磁感应读头1通过螺钉连接在被测旋转轴相邻位置的固定体上。
所述双路集成梯度传感器芯片1-2-1和单路梯度传感器芯片1-2-2包括巨磁阻磁传感器、磁阻传感器和磁隧道结传感器。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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 (9)

1.一种基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，该齿轮型磁性编码器采用分离式设计，包括一个齿轮和一个磁感应读头，其特征在于，所述齿轮中有一个齿为缺齿；所述磁感应读头采集齿轮齿与缺齿缺口带来的磁场变化量，并将磁场变化量转换为编码信号后输出，所述磁感应读头包括电路板、外壳、排针、永磁铁和梯度传感器芯片；
所述电路板包括第一电路板和第二电路板，第一电路板和第二电路板平行放置在外壳内部，两层电路板之间用排针连接固定，并通过排针进行信号传输，所述永磁体置于第一电路板和第二电路板之间；
所述梯度传感器芯片由双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片组成，所述双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片安装在第一层电路板的外侧，两颗芯片中心间距为齿轮正常齿长的一半；
所述双路集成梯度传感器芯片与缺齿中心位置对准，双路集成梯度传感器芯片内部包含A路和B路两路梯度传感器子芯片，A路和B路同时采集齿轮齿带来的磁场变化量并输出两路呈90°相位差的弦波信号，两路弦波信号中包含齿轮的运动速度和运动方向信息；
单路梯度传感器芯片与缺齿缺口的中心位置对准，采集缺齿缺口带来的磁场变化量并输出缺齿缺口信号，用于记录齿轮旋转的圈数，只在齿轮的缺齿缺口部位有正弦信号输出，其他部位没有信号输出；
所述第二层电路板是信号处理电路板，对第一电路板采集到的齿轮齿信号与缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号即编码信号。
2.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述齿轮采用硅钢材料制成。
3.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，被测旋转轴与齿轮中心孔固定连接。
4.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述齿轮与磁感应读头之间的距离为0.1-0.2mm。
5.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述缺齿长度为齿轮正常齿的一半。
6.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述磁感应读头内部采用灌胶密封。
7.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述双路集成梯度传感器芯片和单路梯度传感器芯片为巨磁阻磁传感器、磁阻传感器或磁隧道结传感器。
8.如权利要求1所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述A路和B路两路梯度传感器芯片均采用惠斯通电桥结构，两路惠斯通电桥的间距为所述齿轮齿间距的1/2，每个惠斯通电桥的桥臂间距为所述齿轮齿间距的1/4；
所述单路梯度传感器芯片采用惠斯通电桥结构，惠斯通电桥的桥臂间距为所述齿轮齿间距。
9.如权利要求8所述的基于缺齿结构的齿轮型磁性编码器，其特征在于，所述信号处理电路板包括电位器控制的偏置调平电路、差分运算放大器控制的信号放大电路以及反相电路；第一层电路板采集信号之前，偏置调平电路中的三个电位器分别调节三路梯度传感器芯片输出的零位电平一致；第一层电路板采集信号时，信号放大电路与反相电路对第一电路板采集到的原始齿轮齿信号和缺齿缺口信号进行滤波、放大和反相处理后，对外输出有效的带零位的弦波信号即编码信号。
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