CN107218957B - 电动门窗一体电子式绝对值编码器装置及其数据处理方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电动门窗控制技术领域，具体涉及一种电动门窗一体电子式绝对值编码器装置及其数据处理方法。包括磁环、备用电池、电子式绝对值编码器感应板、正交光编码器和磁感应开关，电子式绝对值编码器感应板穿过电动机转轴与所述电动机端盖固定连接，磁环设置于所述电子式绝对值编码器感应板和光栅片之间，且穿过电动机转轴与所述光栅片固定连接，磁感应开关与所述磁环相对设置，磁感应开关不少于三个，备用电池输出端与磁感应开关电连接。将正交光编码器和磁感应开关一体式设置在电动机转轴上，通过正交光编码器驱动电动机转动，而通过磁感应开关获取门的绝对位置，从而实现门的高精度控制，无需外置正交光编码器以实现门位置的获取。

Description

电动门窗一体电子式绝对值编码器装置及其数据处理方法
技术领域
本发明涉及电动门窗控制技术领域，具体涉及一种电动门窗一体电子式绝对值编码器装置及其数据处理方法。
背景技术
现有电动门窗控制系统一般采用变频器电机或者伺服电机作为执行机构，并在门卷轴上加装外置绝对值编码器，通过感测外置绝对值编码器的位置信号，对门进行控制。当快到达开门位置时，对执行机构进行减速并停止锁定到开门位置，当快达到关门位置时，对执行结构进行减速并停止锁定到关门位置。外置绝对值编码器的精度和可靠性直接关系到控制的精度和稳定性，也起到限位和保护的作用。
由于分体式外置绝对值编码器需要加装在门卷轴上，其与电机的安装不能同步进行，需要安装者进行额外的安装，并且要求安装轴承的同心度、安装后接线的顺序准确无误，需要通过提高安装者的技能来提高电动门窗控制系统的可靠性，由于安装人员技能的参差不齐，会增加终端客户使用的体验，并且整体的安装成本和使用成本都比较高。而从绝对值编码器的实现方式上又分为机械式的及电子式的。机械式绝对值编码器通过多级齿轮传动，将机械的多圈信息通过齿轮的刻度进行保存下来，但由于齿轮正、反向的机械间隙，此种方式实现的多圈绝对值编码器的精度和一致性都不能保证，故在高精度的门窗控制系统受到限制。电子式绝对值编码器通过在传动轴上套上额外的永磁体，然后将磁传感器也同轴的方式安装到传动轴上，此种方式可以解决正反向间隙所导致的精度的问题，但其分体安装的方式天然受到以上所述的种种缺点。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种无需后续安装，精度高、功耗低的电动门窗一体电子式绝对值编码器装置及其数据处理方法。
本发明一种电动门窗一体电子式绝对值编码器装置的技术方案为，包括电动机端盖、电动机转轴，所述电动机转轴上安装有光栅片，所述光栅片为狭缝沿圆周方向均匀分布的环状光栅片，还包括磁环、备用电池、电子式绝对值编码器感应板和安装在所述电子式绝对值编码器感应板内侧的正交光编码器和磁感应开关，所述电子式绝对值编码器感应板穿过所述电动机转轴与所述电动机端盖固定连接，所述磁环设置于所述电子式绝对值编码器感应板和光栅片之间，且穿过电动机转轴与所述光栅片固定连接，所述磁感应开关与所述磁环相对设置，所述磁感应开关不少于三个，所述备用电池输出端与磁感应开关连接，所述磁感应开关的信号输出端与所述电子式绝对值编码器感应板的数据处理芯片连接。
进一步的，所述磁感应开关绕所述电子式绝对值编码器感应板中心呈扇形布置，且相邻磁感应开关之间的相位差为120°/N，所述N为电动机的磁极对数。
进一步的，所述正交光编码器以及光栅片为狭缝不超过2500的任意组合。
进一步的，所述磁环为根据电机的磁极对数设置的不超过10对极的任意充磁磁极。
本发明一种电动门窗一体电子式绝对值编码器装置的数据处理方法的技术方案为：通过正交光编码器驱动电动机转轴旋转，将电动机N*360°的电器角度沿顺时针方向划分为序列号递增的N*6个等分扇区，根据接收到的磁感应开关信号的高低电平信息，确定电动机转子当前所处扇区，并记录扇区正向跳变次数n1和反向跳变次数n2；
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子旋转的机械圈数信息
Figure BDA0001256476020000031
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子的机械角度信息
Figure BDA0001256476020000032
且当扇区以序列号递增方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为正；当扇区以序列号递减方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为反；
所述N为电动机的磁极对数。
进一步的，当所述电动机转子当前所处扇区的序列号相较于上一时刻增加时，将扇区正向跳边次数加1；当所述电动机转子当前所处扇区的序列号相较于上一时刻减小时，将扇区反向跳边次数加1。
进一步的，设置备用电池和供电切换装置，当电动机断电时，供电切换装置切换备用电池继续为磁感应开关供电，并输出电动机转子旋转的机械圈数信息C、电动机转子的机械角度信息S和电动机转子旋转方向信息。
本发明的有益效果：将正交光编码器和磁感应开关一体式设置在电动机转轴上，通过正交光编码器驱动电动机转动，而通过磁感应开关获取门的绝对位置，从而实现门的高精度控制，实现绝对值编码器功能，无需在门卷轴上外置绝对值编码器，安装方便。由于磁感应开关功耗低，能够通过备用电池驱动，即便系统掉电，也能保证电动机转子绝对位置的记录，维护方便，稳定性更高。
附图说明
图1为本发明一体电子式绝对值编码器装置的分解结构示意图；
图2为本发明一体电子式绝对值编码器装置主视图；
图3为本发明正交光编码器输出波形图；
图4为本发明磁感应开关输出波形图；
图中：1—电子式绝对值编码器感应板，2—磁环，3—光栅片，4—电动机转轴，5—电动机端盖，6—正交光编码器，7—磁感应开关。
具体实施方式
以下通过具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
如图1和2所示，本发明包括电子式绝对值编码器感应板1、磁环2、光栅片3、电动机转轴4、电动机端盖5、正交光编码器6、磁感应开关7。光栅片3为狭缝沿圆周方向均匀分布的环状光栅片，光栅片3穿设于电动机转轴4上，并通过内六角螺栓固定在电动机转轴4上。光栅片3外侧(即远离电动机端盖5的一侧)设有凸环，磁环2通过凸环套设固定在光栅片3上。电子式绝对值编码器感应板1为U型板，其通过螺柱固定在电动机端盖5上，电子式绝对值编码器感应板1中心位置穿过电动机转轴4。多个磁感应开关7固定于电子式绝对值编码器感应板1的内侧，磁感应开关7绕电子式绝对值编码器感应板1中心呈扇形布置，且磁感应开关7据电子式绝对值编码器感应板1中心距离不大于磁环2的外径，正交光编码器6固定在电子式绝对值编码器感应板1与光栅片3对应位置。还设置有备用电池和供电切换装置，用于在电动机断电时，通过供电切换装置接通备用电池为磁感应开关7供电。其中，供电切换装置由两个二极管构成，两个二极管的阴极并联，阳极分别与备用电池和供电电源连接。电子式绝对值编码器感应板1内部集成有数据处理芯片，用于对磁感应开关7输入的信号进行运算处理。
其中，正交光编码器6以及光栅片3为狭缝不超过2500的任意组合，磁环2为根据电机的磁极对数设置的不超过10对级的任意充磁磁极，磁感应开关7的静态电流小于10uA。
如图2所示，正交光编码器6通过监测光栅片3上的光栅条纹随着电动机转轴4的转动，在正交光编码器6上产生相位差为90度的A、B信号。正交光编码器6的精度决定于光栅片3的条纹线数(即狭缝数)L，比如2500线的光栅片，旋转一个机械周期，A信号和B信号都会产生2500个脉冲，通过4倍频技术，A/B信号可以将一个机械周期分为10000个脉冲，那么分辨率对应的机械角度为(90度/L)。根据A/B信号输出的频率和相位计算出电动机转子的位置，A/B的正交信号通过RS422的接口对外发送，提供给控制器运行时对电机精确位置的定位检测。
如图3所示，电动机转轴4的转动在三个磁感应开关上产生3路120度相位差的磁开关信号，即HA、HB、HC的信号。假设电动机的磁极对数为N，那么3个磁感应开关的机械布局位置相差为120度/N。比如：2对级的电机机械布局位置相差为60度，3对级的电机机械布局位置相差为40度，4对级的电机机械布局位置相差30度，以此类推。
对于磁极对数为N的电机，机械转子旋转一圈360度，对应于电气角度的N圈，故机械转子的一周对应N*360度个电气角度。以电气角度为坐标，将360度的电气角度化按顺时针方向化分为序列号递增的6个扇区，每扇区为60度电气角度，即每个电气一周对应的6个扇区按顺时针方向序列号分别为：1-2-3-4-5-6。HA、HB、HC信号为高低电平信号，任意时刻，根据接收到的HA、HB、HC信号的高低电平序列，可以确定唯一扇区，如：HA、HB、HC信号为100时，对应电气角度为60°～120°区域，即第二个扇区，序列编号为2。将每一时刻HA、HB、HC信号对应扇区的序列编号与上一时刻序列编号进行对比，当序列编号产生变化时，代表扇区跳边一次，根据序列编号是递增还是递减可以判断电机转子的旋转方向。从而输出电机转子的绝对位置信息，包括：电动机转子旋转的机械圈数信息C、电动机转子的机械角度信息S和电机转子旋转方向。其中，
Figure BDA0001256476020000061
扇区正向跳变次数为n1和反向跳变次数为n2。
下面以N为2进行说明，当电机转子沿扇区序列编号递增方向从第一个扇区开始跳变8次，再沿扇区序列号递减方向跳变10次时，即：1-2-3-4-5-6-1-2-3-2-1-6-5-4-3-2-1-6-5，当处于电气角度的第二周时，默认第二周的编号加6，即跳变序列为：1-2-3-4-5-6-7-8-9-8-7-6-5-4-3-2-1-6-5，此时电机转子处于电气角度第一周序列号为5的扇区(由于反向跳变次数大于正向跳边次数，根据C和S的分段函数公式，即位于12个扇区中的反向第2个扇区)。
Figure BDA0001256476020000062
表示电动机转子旋转的机械角度完整圈数为0圈；
Figure BDA0001256476020000063
表示，电动机转子的机械角度为1/6，即机械角度的一周已沿逆时针方向旋转了1/6圈。最后将计算所得的绝对位置信息通过RS485总线输出。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种电动门窗一体电子式绝对值编码器装置，包括电动机端盖、电动机转轴，所述电动机转轴上安装有光栅片，所述光栅片为狭缝沿圆周方向均匀分布的环状光栅片，其特征在于：还包括磁环、备用电池、电子式绝对值编码器感应板和安装在所述电子式绝对值编码器感应板内侧的正交光编码器和磁感应开关，所述电子式绝对值编码器感应板穿过所述电动机转轴与所述电动机端盖固定连接，所述磁环设置于所述电子式绝对值编码器感应板和光栅片之间，且穿过电动机转轴与所述光栅片固定连接，所述磁感应开关与所述磁环相对设置，所述磁感应开关不少于三个，所述备用电池输出端通过供电切换装置与磁感应开关连接，所述磁感应开关的信号输出端与所述电子式绝对值编码器感应板的数据处理芯片连接；
通过正交光编码器驱动电动机转轴旋转，将电动机N*360°的电气角度沿顺时针方向划分为序列号递增的N*6个等分扇区，根据接收到的磁感应开关信号的高低电平信息，确定电动机转子当前所处扇区，并记录扇区正向跳变次数n1和反向跳变次数n2；
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子旋转的机械圈数信息
Figure FDA0004168263280000011
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子的机械角度信息
Figure FDA0004168263280000012
且当扇区以序列号递增方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为正；当扇区以序列号递减方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为反；
所述N为电动机的磁极对数。
2.如权利要求1所述的电动门窗一体电子式绝对值编码器装置，其特征在于：所述磁感应开关绕所述电子式绝对值编码器感应板中心呈扇形布置，且相邻磁感应开关之间的相位差为120°/N，所述N为电动机的磁极对数。
3.如权利要求1所述的电动门窗一体电子式绝对值编码器装置，其特征在于：所述正交光编码器以及光栅片为狭缝在2500以下的任意组合。
4.如权利要求1所述的电动门窗一体电子式绝对值编码器装置，其特征在于：所述磁环为根据电机的磁极对数设置的10对极以下的任意充磁磁极。
5.一种基于权利要求1所述电动门窗一体电子式绝对值编码器装置的数据处理方法，其特征在于：通过正交光编码器驱动电动机转轴旋转，将电动机N*360°的电气角度沿顺时针方向划分为序列号递增的N*6个等分扇区，根据接收到的磁感应开关信号的高低电平信息，确定电动机转子当前所处扇区，并记录扇区正向跳变次数n1和反向跳变次数n2；
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子旋转的机械圈数信息
Figure FDA0004168263280000021
根据扇区跳变次数n与总扇区数的关系，输出电动机转子的机械角度信息
Figure FDA0004168263280000022
且当扇区以序列号递增方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为正；当扇区以序列号递减方向跳变时，输出电动机转子旋转方向为反；
所述N为电动机的磁极对数。
6.如权利要求5所述电动门窗一体电子式绝对值编码器装置的数据处理方法，其特征在于：当所述电动机转子当前所处扇区的序列号相较于上一时刻增加时，将扇区正向跳变次数加1；当所述电动机转子当前所处扇区的序列号相较于上一时刻减小时，将扇区反向跳变次数加1。
7.如权利要求5所述电动门窗一体电子式绝对值编码器装置的数据处理方法，其特征在于：设置备用电池和供电切换装置，当电动机断电时，供电切换装置切换备用电池继续为磁感应开关供电，并输出电动机转子旋转的机械圈数信息C、电动机转子的机械角度信息S和电动机转子旋转方向信息。
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