CN107655399A - 一种多圈绝对值编码器及位置检测方法 - Google Patents

一种多圈绝对值编码器及位置检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种多圈绝对值编码器及基于该多圈绝对值编码器的位置检测方法，多圈绝对值编码器包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器，其中，所述永磁体安装于待测对象并随所述待测对象转动，所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测待测对象的单圈绝对角度值，标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内，所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接。与现有的多圈绝对值编码器相对比，结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高，在较低的成本下实现多圈转动的位置检测。

Description

一种多圈绝对值编码器及位置检测方法
技术领域
本发明涉及工业控制技术领域，尤其涉及一种多圈绝对值编码器及基于该多圈绝对值编码器的位置检测方法。
背景技术
编码器是机器人上的重要零部件，其按编码形式可分为增量式和绝对值式，按记圈方式可分为单圈和多圈。其中多圈绝对值编码器技术难度最大。
目前，较为典型的多圈绝对值编码器，由单圈绝对值的光栅或磁栅加上一个齿轮的多圈记数机构组成，而齿轮机构结构复杂，设计加工难度大，成本高昂。还有通过复杂的电路实现记多圈功能的编码器，电路的结构比较复杂，要实现较高的稳定性和可靠性技术难度很大。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是一种结构简单、易于安装、可靠性高、成本低廉的多圈绝对值编码器及基于该多圈绝对值编码器的位置检测方法，能够在较低的成本下实现多圈转动的位置检测。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种多圈绝对值编码器，包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；
所述永磁体安装于待测对象并随所述待测对象转动；
所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测待测对象的单圈绝对角度值；
标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内；
所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述待测对象的多圈绝对角度值。
进一步地，还包括主电源、备用电源和用于选择所述主电源或所述备用电源向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。
进一步地，所述电源选择电路选择所述备用电源供电且在预设时间内，所述所述单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对，当角度变化始终小于阈值时，所述单片机进入低功耗休眠模式。
优选地，所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。
本发明还提供了一种基于上述任一种所述的多圈绝对值编码器的位置检测方法，包括：
获取磁角传感器的输出数据，得到所述待测对象的单圈绝对角度值；
获取所述磁角传感器跨过单圈绝对角度值的零位的次数，根据所述次数确定所述待测对象的旋转圈数；
根据所述单圈绝对角度值和所述待测对象的旋转圈数确定所述待测对象的位置检测信息。
进一步地，单片机间隔采值，在所述待测对象的一个旋转周期内至少采值二次，并根据采值结果判断待测对象的跨圈方向。
优选地，所述间隔采值为变周期式间隔采值，当待测对象为非工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第一采值间隔；当待测对象为工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第二采值间隔；所述第二采值间隔小于所述第一采值间隔。
优选地，所述单片机对间隔采值获得的角度信息进行比对，当相邻两次采值的角度变化大于阈值时，判定所述待测对象为工作模式；当使用备用电源供电且相邻两次采值的角度变化小于阈值时，则判定为非工作模式。
优选地，所述阈值为0.5°
优选地，所述待测对象由工作模式转为非工作模式时，所述单片机在预设时间内保持以第二间隔进行间隔采值，在所述预设时间内，检测结果仍然为非工作模式时，所述单片机切换为以第一间隔进行间隔采值。
(三)有益效果
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供地多圈绝对值编码器，包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器，其中，所述永磁体安装于待测对象并随所述待测对象转动，所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测待测对象的单圈绝对角度值，标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内，所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述待测对象的多圈绝对角度值。与现有的多圈绝对值编码器相对比，结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高，在较低的成本下实现多圈转动的位置检测。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多圈绝对值编码器的结构框图；
图2是本发明实施例磁角传感器、单片机及永磁体布置结构示意图；
图3是本发明实施例中磁角传感器置于永磁体的端面的结构示意图。
图中：1：永磁体；2：磁角传感器；3：单片机；4：电源；100：待测对象；200：电路板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1和图2所示，本发明实施例提供的多圈绝对值编码器包括永磁体1、单片机3和至少一个磁角传感器2、其中，永磁体1安装于待测对象100，并随待测对象100转动，且永磁体1的几何中心位于待测对象100的轴线上，磁角传感器2集成于电路板200上，并位于永磁体1的一侧，通过周期变化的磁场给出一圈内的单圈绝对角度值。在本实施例中，单片机3也集成在电路板200上，但单片机3与永磁体1相对位置并没有特定要求，在此不做限定。例如，磁角传感器2可以固定编码器电路板上，单片机3可以固定在驱动电路板上。
永磁体1安装在待测对象100上，安装时对永磁体的位置没有特殊要求，可以安装在侧面也可以安装在端面。通过一个标定过程把单圈绝对角度值的零位标记在单片机中，当单片机检测到单圈绝对角度值的零位时，即可判定待测对象100旋转跨圈，而磁角传感器2的输出端与单片机3连接，磁角传感器2将检测的信息传送给单片机3，单片机3根据检测到的单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定待测对象100的多圈绝对角度值。
多圈绝对值编码器的对外数据接口是一个SPI接口，由单片机3提供，配置为SPI从模式。
本实施例提供的多圈绝对值编码器与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高。
需要说明的是，本实施例中，待测对象100可以是转轴或阀门，本实施例中以机械臂关节内的转轴作为待测对象对本发明技术方案进行解释说明。本实施例中的永磁体可以是圆形，也可是其他形状，优选的永磁体为N极与S极对称设置，具体可采用一个N极与S极对称设置的永磁铁实现。
本发明实施例提供的多圈绝对值编码器，如图1所示，还包括电源4，具体地，电源4包括主电源和备用电源，多圈绝对值编码器还设有用于选择主电源或所述备用电源向所述单片机3和磁角传感器2供电的电源选择电路。
本发明实施例中，主电源由外部供电实现，备用电源由电池实现，电源选择电路由电源选择芯片实现。具体的，外部供电和电池供电通过电源选择芯片切换，可有效去除干扰，避免切换过程中的电源抖动。在一个具体实施例中，电源选择芯片为MAX6326芯片。其中，电池可选择一个小封装的支持充电功能的锂离子电池，充电控制可以选用专门的锂电池充电管理芯片，也可以通过单片机3实现，通过单片机实现时，有外部供电时，单片机3通过集成的ADC功能电路检测电池的电压，当电压低于预设门限电压时通过IO控制充电开关电路打开，对电池充电，充电过程中监测电压，电压达到一定值时认为已充满，关断充电电路。其中，充电开关电路可通过三极管实现。
本发明实施例中，当所述电源选择电路选择所述备用电源供电且且在预设时间内，所述所述单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对，当角度变化始终小于阈值时，所述单片机进入待机，即单片机3处于超低功耗的休眠模式，只消耗备用电源很小的电流，用于维持单片机3和磁角传感器2基本工作模式，防止记圈错误。
此处，单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对的预设时间为0.5S-1.5S，优选为1S，当然该预设时间可以根据待测对象的转速、检测精度等因素进行选择。
在一个具体的实施例中，永磁体1采用环状磁铁，磁角传感器2采用模拟输出磁角度传感器集成芯片，位于环状磁铁的侧面，单片机3选用低功耗型单片机，电池采用锂离子电池。
当使用模拟输出磁角传感器放置在永磁体1的侧面时，需要标定，具体地，模拟输出磁角传感器提供正弦值，余弦值两路信号输出，相位差为45度，可在180度内提供唯一的正弦值和余弦值，以180度周期循环。通过正弦值和余弦值得到正切值，利用正切值查表，用一个高精度的编码器标定它，记录一张正切值与实际角度值的映射表格，并存储到单片机3内，单片机3根据模拟输出磁角传感器输出的信号即可以得到待测对象的实际的角度值。
在另一个实施例中，若模拟输出磁角传感器如图3所示，放置在圆形磁铁的端面，在得到正切值后，求反正切就可以得到待测对象的实际的角度值。
在其它一些实施例中，还可以使用直接输出角度的磁角传感器，放在端面直接输出角度值，或者磁角传感器自带补偿算法，放在侧面时只需针对不同型号提供一些参数即可。
此外，本发明实施例还提供了一种基于上述任一种多圈绝对值编码器的位置检测方法，包括：
获取磁角传感器的输出数据，得到所述待测对象的单圈绝对角度值；
获取所述磁角传感器跨过单圈绝对角度值的零位的次数，根据所述次数确定所述待测对象的旋转圈数；
根据所述单圈绝对角度值和所述待测对象的旋转圈数确定所述待测对象的位置检测信息。
进一步地，获取磁角传感器的输出数据时，单片机采用间隔采值的方式，能够更省电。
为了能够更简单准确的判断跨圈方向，在一个旋转周期内，单片机至少采值二次，并要根据采值有角度信息判断跨圈方向。
具体地，若两次采值按先后顺序分别为355度和5度，即在两个采值期间，待测对象从355度旋转5度，并跨过了单圈绝对角度值的零位，可以准确的判断为正向跨了一圈，单片机记数加1；若两次采值按先后顺序分别为5度和355度即在两个采值期间，待测对象从5度旋转355度，并跨过了单圈绝对角度值的零位，可以准确的判断为反向跨了一圈，单片机记数减1。当然，两次采样角度值不能间隔太大，即采值时间间隔不能太大，要保证一圈内采集足够的点数，否则无法判断转向且可能丢圈，实际中可根据待测对象的最大转速值计算出一个允许的最大时间间隔。
进一步地，为了更好的降低功耗，采用变周期式间隔采值，当待测对象为非工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第一采值间隔；当待测对象为工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第二采值间隔；所述第二采值间隔小于所述第一采值间隔。
本发明实施例中，判断工作模式和非工作模式的方式为：单片机对间隔采值获得的角度信息进行比对，当相邻两次采值的角度变化大于阈值时，判定所述待测对象为工作模式，否则，则判定为非工作模式。
为了提高检测精度，当所述待测对象由工作模式转为非工作模式时，所述单片机在预设时间内保持以第二间隔进行间隔采值，在所述预设时间内，检测结果仍然为非工作模式时，所述单片机切换为以第一间隔进行间隔采值。
优选地，相邻两次采值的角度变化的阈值为0.2度-1度，检测非工作模式的预设时间为0.5S-1.5S，具体地，可以根据所需检测精度和待测对象的转速确定具体的时间和变化角度。
在一个具体地实施例中，在工作模式时，采值间隔时间为2ms，若外部停止供电，开始使用备用电源供电，且连续两次采值的角度变化小于0.5度时并持续1s后，采值间隔调整为20ms。当外部正常供电时，可以始终保持2ms的采值间隔。
综上所述，本发明提供的多圈绝对值编码器利用磁角传感器、永磁体和单片机实现多圈绝对角度值的检测，与现有的多圈绝对值编码器相对比，无需复杂的齿轮组结构，使多圈绝对值编码器的结构更简单，能够有效降低成本和设计难度，并且可靠性和稳定性较高。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种多圈绝对值编码器，其特征在于：包括单片机、永磁体和至少一个磁角传感器；
所述永磁体安装于待测对象并随所述待测对象转动；
所述至少一个磁角传感器设置于所述永磁体的周围，以检测待测对象的单圈绝对角度值；
标定单圈绝对角度值的零位，并储存在所述单片机内；
所述至少一个磁角传感器的输出端分别与所述单片机连接，以供所述单片机根据所述单圈绝对角度值和跨过单圈绝对角度值的零位的次数确定所述待测对象的多圈绝对角度值。
2.根据权利要求1所述的多圈绝对值编码器，其特征在于：还包括主电源、备用电源和用于选择所述主电源或所述备用电源向所述单片机和磁角传感器供电的电源选择电路。
3.根据权利要求2所述的多圈绝对值编码器，其特征在于：所述电源选择电路选择所述备用电源供电且在预设时间内，所述所述单片机持续对连续两次获得的角度信息进行比对，当角度变化始终小于阈值时，所述单片机进入低功耗休眠模式。
4.根据权利要求1-3任一项所述的多圈绝对值编码器，其特征在于，所述永磁体为N极与S极对称设置的环状永磁体。
5.一种基于如权利要求1-4任一项所述的多圈绝对值编码器的位置检测方法，其特征在于，包括：
获取磁角传感器的输出数据，得到所述待测对象的单圈绝对角度值；
获取所述磁角传感器跨过单圈绝对角度值的零位的次数，根据所述次数确定所述待测对象的旋转圈数；
根据所述单圈绝对角度值和所述待测对象的旋转圈数确定所述待测对象的位置检测信息。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：单片机间隔采值，在所述待测对象的一个旋转周期内至少采值二次，并根据采值结果判断待测对象的跨圈方向。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述间隔采值为变周期式间隔采值，当待测对象为非工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第一采值间隔；当待测对象为工作模式时，所述间隔采值的采值间隔为第二采值间隔；所述第二采值间隔小于所述第一采值间隔。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述单片机对间隔采值获得的角度信息进行比对，当相邻两次采值的角度变化大于阈值时，判定所述待测对象为工作模式；当使用备用电源供电且相邻两次采值的角度变化小于阈值时，则判定为非工作模式。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述阈值为0.5°。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述待测对象由工作模式转为非工作模式时，所述单片机在预设时间内保持以第二间隔进行间隔采值，在所述预设时间内，检测结果仍然为非工作模式时，所述单片机切换为以第一间隔进行间隔采值。
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