CN108693373A - 一种pwm码盘转速传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种PWM码盘的转速传感器,包括:PWM码盘、发光管、接收管、放大整形电路和微控制器。PWM码盘是种在结构上码盘圆面均等为N等分,码盘齿按照一定的占比分布在等分圆面上的一种码盘,其纵切延展开后类似于占空比不同的PWM波形结构。发光管和接收管用于提供光电转换功能,分布在码盘两侧,当码盘转动时,形成对光的遮挡或通透效应,使得接收管产生通断的波形信号,经过放大整形处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号。本发明由于采用新型码盘结构,使得角度、转速、角速度、角加速度和旋转方向等物理量容易测量,且使用一套光电码盘装置作为检测元件,降低了系统的成本,安装使用简单。

Description

一种PWM码盘转速传感器
技术领域
本发明属于传感器技术领域,涉及一种PWM码盘转速传感器。
背景技术
目前,在智能车上的转速传感器通常采用光电码盘形式。由于码盘结构齿一般大小均匀,旋转起来产生脉冲,很难通过光电脉冲获取旋转方向,所以普通光电码盘一般用来测量转速,不能测量旋转方向。实际情况也有采用旋转编码器进行转速和方向的测量的应用,但往往速度测量成本较高。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点,本发明的目的在于提供一种PWM码盘的转速传感器,采用一套光电码盘在测速度同时可以测方向,制作工艺简单,成本低廉,实用性强。
本发明是通过以下技术方案来实现:
一种PWM码盘转速传感器,包括PWM码盘、发光管、接收管、放大整形电路和微控制器;PWM码盘安装在被测对象的旋转轴上,发光管和接收管(3)分布在码盘两侧,用于提供光电转换功能;
所述PWM码盘码盘由N个面积均等的子扇区组成,子扇区由码盘齿扇区和透光扇区组成,码盘齿扇区为不透光区;
子扇区的弧长为πD/N,码盘齿扇区弧长为πD/N*K(n),K(n)=n×δmax÷N;其中,D为PWM码盘的直径,δmax为PWM最大占空比,n为子扇区的编号,1≤n≤N;
当PWM码盘被带动转动时,发光管发出的光的被PWM码盘遮挡或通透,使得接收管产生通断的初级信号并发送给放大整形电路;放大整形电路对初级信号进行整形和幅值处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号;微控制器接收光电数字脉冲信号并进行分析,计算出转速、旋转方向、角度位置、角速度和角加速度在内的信息,再通过输出接口输出。
将PWM码盘的码盘齿扇区等效为三角波形,透光扇区等效为0电平波形,当PWM码盘从开始处延展并数字化后,可看作N个PWM周期波形;
周期波形的占空比为:
第一个PWM波形占空比δ=1×δmax÷N=δmin
第二个PWM波形占空比δ=2×δmax÷N;
第三个PWM波形占空比δ=3×δmax÷N;
依次类推,最后一个PWM波形占空比δ=N×δmax÷N=δmax
当PWM码盘旋转一周,PWM周期波形占空比将线性变化;当顺时针旋转一周时,占空比依次增大δmax÷N;当逆时针旋转一周时,占空比依次减小δmax÷N。
设PWM码盘旋转时,转过子扇区的时间内的角加速度α不变,PWM码盘每转过一个子扇区,就会产生一个PWM信号;信号传输至微控制器时,若信号的高电平时间与低电平时间和为T,占空比为δ,则计算出以下信息:
1)转速n=1/N/T;
2)PWM码盘位置角度为:θ=180(2δN/δmax-1)/N;
3)角速度ω=360/N/T;
4)角加速度α=dω/dT;
5)旋转方向:本次占空比δ2与前一次的占空比δ1比较,若δ21>0,则顺时针转动;若δ21<0,则逆时针转动。
对应PWM码盘对光线的遮挡和通透,接收管分别输出1和0的数字信号。
与现有技术相比,本发明具有以下有益的技术效果:
本发明提供的PWM码盘转速传感器,将PWM码盘区分为非透光区域(码盘齿扇区)和透光扇区组成,码盘齿的弧长和其子扇区的总弧长之比与子扇区位置编号n成正比,码盘齿扇区等效为三角波形,透光扇区等效为0电平波形,当PWM码盘从(0)处延展并数字化后,可以看作N个PWM周期波形。
本发明提供的PWM码盘转速传感器,当系统工作时,发光管发出光线,旋转轴上固定的PWM码盘得以转动起来,形成对光的遮挡或通透效应,使得接收管产生通断的波形信号,经过放大整形处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号;微控制器对数字脉冲信号进行PWM波形分析,就可得到转速和方向等参数信息。由于PWM码盘的子扇区所占圆周面积较小,可以认为子扇区内的旋转轴角加速度α恒定。每转过一个子扇区,就会产生一个PWM信号。经过微控制器测量,若该信号的高低电平时间和为T,占空比为δ,则此时可以计算出5个量:转速、旋转方向、位置角度、角速度和角加速度信息。本发明由于采用新型码盘结构,可测量除了转速和方向外的多达5种旋转物理参量,且使用一套光电码盘装置,降低了系统的成本,更新方便,安装简单实用。
附图说明
图1是本发明的PWM码盘结构及结构展开示意图;
图2是本发明的典型应用实施例。
图3是本发明的参数测量实例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细阐述,所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1,一种PWM码盘转速传感器,包括:PWM码盘1,发光管2,接收管3、放大整形电路4、微控制器5和输出接口6等组成。PWM码盘1安装在被测对象的旋转轴上。发光管2和接收管3分布在码盘1两侧,用于提供光电转换功能。
所述PWM码盘1码盘由N个面积均等的子扇区组成,子扇区由码盘齿扇区和透光扇区组成,码盘齿扇区为不透光区;
子扇区的弧长为πD/N,码盘齿扇区弧长为πD/N*K(n),K(n)=n×δmax÷N;其中,D为PWM码盘的直径,δmax为PWM最大占空比,n为子扇区的编号,1≤n≤N;
当PWM码盘1被带动转动时,发光管2发出的光的被PWM码盘1遮挡或通透,使得接收管3产生通断的初级信号并发送给放大整形电路4;放大整形电路4对初级信号进行整形和幅值处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号;微控制器5接收光电数字脉冲信号并进行分析,计算出转速、旋转方向、角度位置、角速度和角加速度在内的信息,再通过输出接口6输出。
具体的,码盘由N个面积均等的子扇区(1,2,3,……,N)组成。每个子扇区由码盘齿扇区(非透光区域B)和透光扇区A组成,码盘齿扇区是不透光的,码盘齿扇区弧长和子扇区总弧长之比K(n)与子扇区位置编号n成正比。即如下:
子扇区的总弧长为:πD/N
码盘齿扇区弧长为:πD/N*K(n)
比值K(n):n×dδ。其中,δmax为最大占空比,一般取0.99。dδ=δmax÷N,称为占空比增量。
假设码盘齿扇区等效为三角波形,透光扇区等效为0电平波形,当PWM码盘从(0)处延展并数字化后,可以看作N个PWM周期波形。周期波形的占空比为:第一个PWM波形占空比δ=1×dδ=δmin,第二个PWM波形占空比δ=2×dδ,第三个PWM波形占空比δ=3×dδ,依次类推,最后一个PWM波形占空比δ=N×dδ=δmax。当PWM码盘旋转一周,PWM周期波形占空比将线性变化。当顺时针旋转一周时,占空比依次增大dδ;当逆时针旋转一周时,占空比依次减小dδ。
当系统工作时,发光管发出光线,旋转轴上固定的PWM码盘得以转动起来,形成对光的遮挡或通透效应,使得接收管产生通断的波形信号,经过放大整形处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号。微控制器对数字脉冲信号进行PWM波形分析。
由于PWM码盘的子扇区所占圆周面积较小,可以认为子扇区内的旋转轴角加速度α恒定,同时规定把PWM码盘(0)处规定为基准0度,子扇区n的位置角度θ规定为子扇区角平分线的角度。每转过一个子扇区,就会产生一个PWM信号。经过微控制器测量,若该信号的高低电平时间和为T,占空比为δ,则此时可以计算出5个量,如下:
(1)转速为n=1/N/T;
(2)PWM码盘位置角度θ=180(2δN/δmax-1)/N。PWM码盘的位置角度与占空比δ成线性关系,已知占空比δ就可算出PWM码盘的位置角度θ;
(3)角速度为ω=360/N/T;
(4)角加速度α=dω/dT;即α=(ω2-ω1)/(T2+T1)/2,ω2为本次角速度,ω1为前一次的角速度,T2为本次高低电平时间和,T1为前一次的高低电平时间和;
(5)旋转方向确定:本次占空比δ2与前一次的占空比δ1比较,若δ21>0,则顺时针转动;若δ21<0,则逆时针转动。
假如N=24,D=0.03m,δmax=0.99的PWM码盘,某一时刻t1,测定的信号高低电平时间和T1=0.01s,占空比为δ1=0.536,如图3。相邻波形时刻t2,测定的信号高低电平时间和T2=0.012s,占空比为δ2=0.495。则5个量计算如下:
(1)转速为n1=1/N/T1=1/24/0.01≈4.17r/s;n2=1/T2=1/24/0.012≈3.47r/s
(2)PWM码盘位置角度为:
θ1=180(2δ1N/δmax-1)/N=180*(2*0.536*24/0.99-1)/24≈187.41度
θ2=180(2δ2N/δmax-1)/N=180*(2*0.495*24/0.99-1)/24≈172.5度
(3)角速度为ω1=2π/N/T1=2*3.14159/24/0.01≈26.18rad/s;
ω2=2π/N/T2=2*3.14159/24/0.012≈21.82rad/s
(4)角加速度α=(ω2-ω1)/(T2+T1)/2=-4.36/0.022/2=-99.09rad/s2
(5)δ21<0,则逆时针转动。
本发明由于采用新型码盘结构,可测量除了转速和方向外的多达5种旋转物理参量,且使用一套光电码盘装置,降低了系统的成本,安装简单方便。

Claims (4)

1.一种PWM码盘转速传感器,其特征在于,包括PWM码盘(1)、发光管(2)、接收管(3)、放大整形电路(4)和微控制器(5);PWM码盘(1)安装在被测对象的旋转轴上,发光管(2)和接收管(3)分布在码盘(1)两侧,用于提供光电转换功能;
所述PWM码盘(1)码盘由N个面积均等的子扇区组成,子扇区由码盘齿扇区和透光扇区组成,码盘齿扇区为不透光区;
子扇区的弧长为πD/N,码盘齿扇区弧长为πD/N*K(n),K(n)=n×δmax÷N;其中,D为PWM码盘的直径,δmax为PWM最大占空比,n为子扇区的编号,1≤n≤N;
当PWM码盘(1)被带动转动时,发光管(2)发出的光的被PWM码盘(1)遮挡或通透,使得接收管(3)产生通断的初级信号并发送给放大整形电路(4);放大整形电路(4)对初级信号进行整形和幅值处理,产生符合PWM波形的光电数字脉冲信号;微控制器(5)接收光电数字脉冲信号并进行分析,计算出转速、旋转方向、角度位置、角速度和角加速度在内的信息,再通过输出接口(6)输出。
2.根据权利要求1所述的一种PWM码盘转速传感器,其特征在于,将PWM码盘的码盘齿扇区等效为三角波形,透光扇区等效为0电平波形,当PWM码盘从开始处延展并数字化后,可看作N个PWM周期波形;
周期波形的占空比为:
第一个PWM波形占空比δ=1×δmax÷N=δmin
第二个PWM波形占空比δ=2×δmax÷N;
第三个PWM波形占空比δ=3×δmax÷N;
依次类推,最后一个PWM波形占空比δ=N×δmax÷N=δmax
当PWM码盘旋转一周,PWM周期波形占空比将线性变化;当顺时针旋转一周时,占空比依次增大δmax÷N;当逆时针旋转一周时,占空比依次减小δmax÷N。
3.根据权利要求2所述的PWM码盘转速传感器,其特征在于,设PWM码盘旋转时,转过子扇区的时间内的角加速度α不变,PWM码盘每转过一个子扇区,就会产生一个PWM信号;信号传输至微控制器时,若信号的高电平时间与低电平时间和为T,占空比为δ,则计算出以下信息:
1)转速n=1/N/T;
2)PWM码盘位置角度为:θ=180(2δN/δmax-1)/N;
3)角速度ω=360/N/T;
4)角加速度α=dω/dT;
5)旋转方向:本次占空比δ2与前一次的占空比δ1比较,若δ21>0,则顺时针转动;若δ21<0,则逆时针转动。
4.根据权利要求1所述的一种PWM码盘转速传感器,其特征在于,对应PWM码盘对光线的遮挡和通透,接收管分别输出1和0的数字信号。
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