CN108180823A - 一种两级式磁绝对角度编码器 - Google Patents

一种两级式磁绝对角度编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种两级式磁绝对角度编码器，包括：壳体，内部形成有容置腔，壳体上纵向开设通道；外连接轴，一端经通道伸入容置腔内并连接有粗级单极磁性材料，另一端用以与外部待测物体相连；次级多极磁性材料组件，位于容置腔内并与外连接轴的一端刚性相连，并贯穿开设有中心通孔，粗级单极磁性材料容置于中心通孔内；信号处理输出单元，由多根支撑柱水平安装于容置腔内，并设有粗级单极磁感应元器件、次级多极磁感应元器件；并与外部上位机系统通讯连接。其技术方案在同一个磁编码器中采用两组磁性材料与对应的磁感应元器件进行磁性感应角度测量，能够以游标算法融合生成高分辨、高精度测量输出结果。

Description

一种两级式磁绝对角度编码器
技术领域
本发明涉及磁编码器技术领域，尤其涉及一种两级式磁绝对角度编码器。
背景技术
公知的编码器主要有旋变，光学，磁编码器等型式。相对于光学编码器，磁编码器有更好的抗污染，抗震动特性。相对于旋变编码器，磁传感器具有质量轻，方便实现小型化等特性。随着半导体工艺的快速发展，以及丰富的接口灵活性，磁编码器越来越广泛应用。
磁角度编码器采用磁性材料加磁性感应元器件以及信号处理组成的编码器。当磁性材料有周期性的转动，磁性感应元器件会产生周期性的信号输出，信号处理单元以此计算出绝对输出角度。
但是，因为单个磁性感应元器件的精度难以提高以及磁性材料的磁感应强度随着温度变化而改变，加上结构装配误差，使得单级磁性单元的编码器输出分辨率和精度受到限制。很难满足伺服电机，机器人，机床等应用环境对高分辨率、高精度的编码器的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供一种旨在能够以游标算法融合生成高分辨、高精度的测量输出结果的两级式磁绝对角度编码器，用以克服上述技术缺陷。
具体技术方案如下：
一种两级式磁绝对角度编码器，包括：
壳体，内部形成有容置腔，壳体上端面纵向开设有连通至容置腔的通道；
外连接轴，一端经由通道伸入容置腔内并连接有一个粗级单极磁性材料，另一端用以与外部待测物体相连；
次级多极磁性材料组件，位于容置腔内并与外连接轴的一端刚性相连，且次级多极磁性材料组件上贯穿开设有一个中心通孔，外连接轴连接有粗级单极磁性材料的一端伸入中心通孔且粗级单极磁性材料容置于中心通孔内；
信号处理输出单元，由多根支撑柱水平安装于容置腔内，每一支撑柱的两端分别固连壳体的内顶面及信号处理输出单元的面板上，信号处理输出单元上端面具有与粗级单极磁性材料相对设置的粗级单极磁感应元器件、与次级多极磁性材料组件相对设置的次级多极磁感应元器件；并且，信号处理输出单元与外部上位机系统通讯连接。
较佳的，设定粗级单极磁感应元器件的分辨率为n1位，次级多极磁感应元器件分辨率为n2位.粗级单极磁性材料的极对数为m1，次级多极磁性材料组件中磁性材料的极对数为m2，则粗级单极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n1]，次级多极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n2]；且m1＝1，而m2>m1，并设定n1＝n2；
则两级式磁绝对角度编码器的分辨率为：n2+lg(m2)位；
设定θ1为粗级单极磁感应输出数值或者等效数值，θ2为次级多极磁感应输出数值或者等效数值，则两级式磁绝对角度编码器的输出角度为Φ：
并且，
粗级单极磁感应角度精度为：式中ka为常数，通常小于3；
次级多极磁感应角度精度为：式中kb为常数，通常小于3。
较佳的，信号处理输出单元为一圆盘形的PCB电路板，粗级单极磁感应元器件和次级多极磁感应元器件均设置于PCB电路板上。
较佳的，外连接轴伸入壳体的一端端面上向内凹陷形成有一个与粗级单极磁性材料形状相配的内凹槽，粗级单极磁性材料嵌设于内凹槽中。
较佳的，壳体包括拼合成一体的上壳体和下壳体，并于上壳体和下壳体之间形成容置腔，通道开设于上壳体的中心位置，信号处理输出单元由多根支撑柱连接上壳体的下端面。
较佳的，次级多极磁性材料组件套装于外连接轴的外周并刚性连接。
上述技术方案的有益效果在于：
两级式磁绝对角度编码器包括壳体、外连接轴、粗级单极磁性材料、次级多极磁性材料组件、信号处理输出单元、以及粗级单极磁感应元器件和次级多极磁感应元器件，由待测物体带动外连接轴及两个磁性材料同轴转动，两个磁感应元器件分别感应对应磁性材料的转动后形成弦状波线并传输至信号处理输出单元，进而传输至外部上位机系统中，从而以简单结构实现磁编码器的功能，在同一个磁编码器中采用两组磁性材料与对应的磁感应元器件进行磁性感应角度测量，使得能够以游标算法融合生成高分辨、高精度测量输出结果，其中，粗级单极磁性绝对角度测量出粗角度，相当于游标卡尺中的主尺度数，而次级多极磁性角度测量结果相当于游标卡尺的游标尺度数，通过数据融合即可实现高分辨率，高精度的测量。
附图说明
图1为本发明两级式磁绝对角度编码器的分体结构示意图；
图2为本发明两级式磁绝对角度编码器的部分装配结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图1和图2对本发明提供的两级式磁绝对角度编码器作具体阐述。
参阅图1，为两级式磁绝对角度编码器的分体结构示意图；结合图2，为两级式磁绝对角度编码器的部分装配结构示意图。如图中所示，本发明提供的两级式磁绝对角度编码器包括：
壳体，壳体内形成有容置腔，且壳体上端面纵向开设有连通至容置腔的通道41；
外连接轴6，一端经由通道41伸入容置腔内并连接有一个粗级单极磁性材料5，另一端用以与外部待测物体相连；
次级多极磁性材料组件3，位于容置腔内并与外连接轴6伸入容置腔内的一端刚性相连，且次级多极磁性材料组件3上贯穿开设有一个中心通孔31，外连接轴6连接有粗级单极磁性材料5的一端伸入中心通孔31且粗级单极磁性材料5容置于中心通孔31内；
信号处理输出单元2，由多根支撑柱7水平安装于容置腔内，且每一支撑柱7的两端分别固连壳体的内顶面及信号处理输出单元2的面板上，信号处理输出单元2上端面具有与粗级单极磁性材料5相对设置的粗级单极磁感应元器件(图中未示出)、与次级多极磁性材料组件3相对设置的次级多极磁感应元器件(图中未示出)；
并且，信号处理输出单元2通过导线或集成于信号处理输出单元2上的一无线通讯模块(图中未示出)与外部上位机系统通讯连接。
在一种优选的实施方式中，设定粗级单极磁感应元器件的分辨率为n1位，次级多极磁感应元器件分辨率为n2位.粗级单极磁性材料5的极对数为m1，次级多极磁性材料组件3中磁性材料的极对数为m2，则粗级单极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n1]，次级多极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n2]；
对于以360°为周期的绝对角度编码器，m1＝1，m2>m1，且优选的，m2＝16，32，64，128，256...，即m2优选为2的幂次方数，并设定n1＝n2；
此时，本实施例提供的两级式磁绝对角度编码器的分辨率为：n2+lg(m2)位，较单级磁感应分辨率n1位、n2位有较大提高。
设定输出角度为Φ，θ1为粗级单极磁感应输出数值或者等效数值，θ2为次级多极磁感应输出数值或者等效数值，且粗级单极零点输出和次级多级零点输出在传感器装配时对齐或者通过信号处理输出单元2实现修正对齐，于是，可得到：
其中，为类似于游标算法的主尺读数；为类似于游标算法的游标尺读数；
并且，粗级单极磁感应角度精度为：式中ka为常数，通常小于3；
次级多极磁感应角度精度为：式中kb为常数，通常小于3。
对于磁感应设计，选取ka＝kb<3，n1＝n2，而m2>>10，所以次级多极磁感应角度精度高于粗级单极磁感应精度。而两级磁编码器通过两级磁感应输出融合，选取次级多极磁感应角度精度为两级磁编码器输出精度。
从以上分析可知，通过实现两级磁电感应测量融合所制成的两级磁编码器，较粗级单极绝对角度编码器有更高精度，更高分辨率输出。
值得指出的是，上述的编码器的分辨率是指编码器可读取并输出的最小角度变化，对应的参数有：每转刻线数(line)、每转脉冲数(PPR)、最小步距(Step)、位(Bit)等，且在通讯数据输出型的编码器或绝对值编码器，其输出的分辨率一般是以多少“位”来表达，即2的幂次方的圆周分割度。
基于上述技术方案，两级式磁绝对角度编码器包括壳体、外连接轴6、粗级单极磁性材料5、次级多极磁性材料组件3、信号处理输出单元2、以及粗级单极磁感应元器件和次级多极磁感应元器件，由待测物体带动外连接轴6及两个磁性材料同轴转动，两个磁感应元器件的相对两端接入信号处理输出单元2内，在分别感应到对应的磁性材料的转动后在另外的相对两端形成弦状电压变化并传输至信号处理输出单元2内，而信号处理输出单元2修正诊断处理后传输至外部上位机中，以读取、记录或进一步诊断修正及分析，实现磁编码器的功能，在同一个磁编码器中采用两组磁性材料与对应的磁感应元器件进行磁性感应角度测量，使得能够以游标算法融合生成高分辨、高精度测量输出结果，其中，粗级单极磁性绝对角度测量出粗角度，相当于游标卡尺中的主尺度数，而次级多极磁性角度测量结果相当于游标卡尺的游标尺度数，通过数据融合即可实现高分辨率，高精度的测量。
值得指出的是，上述的信号处理输出单元2为一圆盘形的PCB电路板，粗级单极磁感应元器件和次级多极磁感应元器件均设置于PCB电路板上，可采用霍尔元件。进一步的，本实施例中，粗级单极磁性材料5是极对数为一(即上述的n1为1)的永磁体。
在一种优选的实施方式中，外连接轴6伸入壳体的一端端面上向内凹陷形成有一个与粗级单极磁性材料5形状相配的内凹槽61，且粗级单极磁性材料5嵌设于内凹槽61中，使得在外连接轴6圆周转动时不易于因离心作用而将粗级单极磁性材料5甩出。进一步的，壳体包括拼合成一体的上壳体4和下壳体1，并于上壳体4和下壳体1之间形成容置腔，通道41开设于上壳体4的中心位置，信号处理输出单元2由多根支撑柱7连接上壳体4的下端面，从而便于向下脱出下壳体1进行维护更换各部件及安装。进一步的，支撑柱7的数量为三根，三根支撑柱7均匀布置的连接于上壳体4的下端面，且信号处理输出单元2的面板上开设有与三根支撑柱7位置相对且形状相配的通槽21，便于固定及保持信号处理输出单元2的水平状态。具体使用中，还可在支撑柱7外周开设外螺纹，并通过在通槽21两侧分别旋接一个螺母实现支撑柱7与信号处理输出单元2之间的固定，以便于位置调节和锁定，也可直接通过化学胶粘接两者实现相对固定效果。进一步的，于下壳体1一侧还开设有用以穿设导线的槽孔11，便于信号处理输出单元2与上位机之间的通讯连接。
在一种优选的实施方式中，上述的粗级单极磁性材料5、次级多极磁性材料组件3、信号处理输出单元2都是水平设置的，且粗级单极磁感应元器件与粗级单极磁性材料5之间、次级多极磁感应元器件与次级多极磁性材料组件3之间均具有预设的水平距离。进一步的，次级多极磁性材料组件3套装于外连接轴6的外周并通过铆接、螺钉锁紧、过盈配合、焊接、压紧等方式实现刚性连接。
具体的，在编码器生产过程中，将标定(装配精度修正、温度特性修正、转速影响修正)参数写入单个编码器的信号处理输出单元2中，能够降低外界应用环境对磁编码器的影响并提高产品的一致性，而在具体使用过程中，信号处理输出单元2能将编码器内部自诊断信息发送反馈至上位机系统，提高和上位机系统的交互性，进而提高整个系统的安全性。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种两级式磁绝对角度编码器，其特在于，包括：
壳体，内部形成有容置腔，所述壳体上端面纵向开设有连通至所述容置腔的通道(41)；
外连接轴(6)，一端经由所述通道(41)伸入所述容置腔内并连接有一个粗级单极磁性材料(5)，另一端用以与外部待测物体相连；
次级多极磁性材料组件(3)，位于所述容置腔内并与所述外连接轴(6)的一端刚性相连，且所述次级多极磁性材料组件(3)上贯穿开设有一个中心通孔(31)，所述外连接轴(6)连接有所述粗级单极磁性材料(5)的一端伸入所述中心通孔(31)且所述粗级单极磁性材料(5)容置于所述中心通孔(31)内；
信号处理输出单元(2)，由多根支撑柱(7)水平安装于所述容置腔内，每一所述支撑柱(7)的两端分别固连所述壳体的内顶面及所述信号处理输出单元(2)的面板上，所述信号处理输出单元(2)上端面具有与所述粗级单极磁性材料(5)相对设置的粗级单极磁感应元器件、与所述次级多极磁性材料组件(3)相对设置的次级多极磁感应元器件；并且，所述信号处理输出单元(2)与外部上位机系统通讯连接。
2.如权利要求1所述的两级式磁绝对角度编码器，其特在于，
设定所述粗级单极磁感应元器件的分辨率为n1位，所述次级多极磁感应元器件分辨率为n2位.所述粗级单极磁性材料(5)的极对数为m1，所述次级多极磁性材料组件(3)中磁性材料的极对数为m2，则所述粗级单极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n1]，所述次级多极磁感应元器件的输出数值范围或等效数值范围为[1，2n2]；且m1＝1，而m2>m1，并设定n1＝n2；
则所述两级式磁绝对角度编码器的分辨率为：n2+lg(m2)位；
设定θ1为粗级单极磁感应输出数值或者等效数值，θ2为次级多极磁感应输出数值或者等效数值，则所述两级式磁绝对角度编码器的输出角度为Φ：
并且，
粗级单极磁感应角度精度为：式中ka为常数，通常小于3；
次级多极磁感应角度精度为：式中kb为常数，通常小于3。
3.如权利要求2所述的两级式磁绝对角度编码器，其特在于，所述信号处理输出单元(2)为一圆盘形的PCB电路板，所述粗级单极磁感应元器件和次级多极磁感应元器件均设置于所述PCB电路板上。
4.如权利要求1或3所述的两级式磁绝对角度编码器，其特在于，所述外连接轴(6)伸入所述壳体的一端端面上向内凹陷形成有一个与所述粗级单极磁性材料(5)形状相配的内凹槽(61)，所述粗级单极磁性材料(5)嵌设于所述内凹槽(61)中。
5.如权利要求4所述的两级式磁绝对角度编码器，其特在于，所述壳体包括拼合成一体的上壳体(4)和下壳体(1)，并于所述上壳体(4)和下壳体(1)之间形成容置腔，所述通道(41)开设于所述上壳体(4)的中心位置，所述信号处理输出单元(2)由多根所述支撑柱(7)连接所述上壳体(4)的下端面。
6.如权利要求5所述的两级式磁绝对角度编码器，其特在于，所述次级多极磁性材料组件(3)套装于所述外连接轴(6)的外周并刚性连接。
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