CN108827142B - 一种绝对式旋转编码器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种绝对式旋转编码器及其测量方法，包括：平行缠绕在圆形码盘侧面、成圆环状的第一磁栅尺和第二磁栅尺，分别读取第一磁栅尺和第二磁栅尺数值的第一读数头和第二读数头，第一磁栅尺和第二磁栅尺的非可测量码道交错设置；本申请通过将两条磁栅尺平行缠绕至任意能与被测旋转物体同轴安装的圆形盘上，同时第一磁栅尺和第二磁栅尺的非可测量码道交错设置，实现在单磁栅尺触发非可测量码道时，切换至另一读数头读取另一磁栅尺的码道，继续进行测量，实现简易转角测量编码器，易于制作和临时生产，同时，利用编码数据库直接测量被测旋转部件的旋转角度，避免了现有技术中需要将直线位移转换为回转位移时的误差，提高了测量精度。

Description

一种绝对式旋转编码器及其测量方法

技术领域

本发明涉及光电测距领域，特别涉及一种绝对式旋转编码器及其测量方法。

背景技术

磁栅尺是一种常见的测量直线位移的测量仪器，而测量旋转部件转速及转角时，需要旋转编码器，但旋转编码器的码盘成本高，常见于实验室，而生产场所仅普遍具有磁栅尺。

为此，现有技术中，一般使用传动机构来将直线位移变为旋转位移，从而令磁栅尺完成旋转编码器的功能，通过直线位移来换算角度位移；但这种方法的缺点是会丢失精度，由于传动部件的增加，使得直线位移转换为回转位移时的误差变大。

为此，需要研发一种在不损失精度的前提下，简易的编码器。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种绝对式旋转编码器及其测量方法，能够满足精度要求下的简易绝对式旋转编码器。其具体方案如下：

一种绝对式旋转编码器，包括：平行缠绕在圆形码盘侧面、成圆环状的第一磁栅尺和第二磁栅尺，分别读取所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺数值的第一读数头和第二读数头，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺的非可测量码道交错设置。

可选的，所述第一读数头和所述第二读数头均为采用磁敏霍尔元件的磁头。

可选的，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺同向缠绕，且所述非可测量码道相差180°设置。

可选的，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺相同。

本发明还公开了一种绝对式旋转编码器测量方法，应用于前述的绝对式旋转编码器，包括：

预先设定第一磁栅尺和第二磁栅尺的码道与编码数据库中编码的对应关系，建立编码与角度的对应关系；

当接收到所述第一读数头错误的第一编码后，则利用所述第二读数头采集的第二编码进行测量，得到测量结果。

可选的，所述编码数据库采用八位二进制编码方式。

可选的，还包括：

分别利用所述第一读数头和第二读数头的第一测量结果和第二测量结果求平均，得到最终测量结果。

其中，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺相同，且同向缠绕，所述非可测量码道相差180°设置。

可选的，所述编码数据库中所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺同一水平位置的可测量码道对应的编码对应的角度相同。

可选的，所述利用所述第二读数头的编码进行测量，得到测量结果的过程，包括：

利用所述第二读数头的编码进行测量，得到初始测量结果；

利用所述第一磁栅尺的角度为基准，去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果。

可选的，所述利用所述第一磁栅尺的角度为基准，去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果的过程，包括：

利用所述第一磁栅尺的角度为基准，得到所述第一磁栅尺的起始位置与所述第二磁栅尺的起始位置的角度差，利用所述角度差去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果。

本发明中，绝对式旋转编码器，包括：平行缠绕在圆形码盘侧面、成圆环状的第一磁栅尺和第二磁栅尺，分别读取第一磁栅尺和第二磁栅尺数值的第一读数头和第二读数头，第一磁栅尺和第二磁栅尺的非可测量码道交错设置。

本发明通过将两条磁栅尺平行缠绕至任意能与被测旋转物体同轴安装的圆形盘上，根据两条磁栅尺的缠绕结果对编码器的编码数据库进行编码，建立码道与编码的对应关系和编码与角度的对应关系，同时在双磁栅尺和双读数头的基础上，第一磁栅尺和第二磁栅尺的非可测量码道交错设置，实现在单磁栅尺触发非可测量码道时，切换至另一读数头读取另一磁栅尺的码道，继续进行测量，最终得到测量结果，实现简易转角测量编码器，易于制作和临时生产，同时，利用编码数据库直接测量被测旋转部件的旋转角度，避免了现有技术中需要将直线位移转换为回转位移时的误差，提高了测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种绝对式旋转编码器结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种磁栅尺形变示意图；

图3为本发明实施例提供的一种绝对式旋转编码器测量方法流程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

本发明实施例公开了一种绝对式旋转编码器，参见图1所示，包括：平行缠绕在圆形码盘1侧面、成圆环状的第一磁栅尺2和第二磁栅尺3，分别读取第一磁栅尺2和第二磁栅尺3数值的第一读数头4和第二读数头5，第一磁栅尺2和第二磁栅尺3的非可测量码道6交错设置；

预先设定第一磁栅尺2和第二磁栅尺3的码道与编码数据库中编码的对应关系，建立编码与角度的对应关系；

当接收到第一读数头4错误的第一编码后，则利用第二读数头5采集的第二编码进行测量，得到测量结果。

其中，由于第一磁栅尺2和第二磁栅尺3为现有的磁栅尺，而被绕圆形码盘1的周长不定，因此，当将第一磁栅尺2和第二磁栅尺3缠绕在圆形码盘1侧面时，可能会出现磁栅尺长度过长存在码道重叠部分，或磁栅尺长度过短存在码道缺口，缺口处和重叠部分导致码道不清晰无法读数的区域，即非可测量码道6；而其余读数头可以正常读取磁栅尺的码道的编码，即可测量码道。

其中，编码数据库中记录有码道位置信息与编码的对应关系和编码与角度的位置关系，因此，编码器通过读数头采集到磁栅尺的码道的位置信息，即可利用编码数据库，得到相应的编码，根据编码进而得到记录被测旋转部件旋转多少角度的测量结果。

可以理解的是，因为编码数据库中未保存有非可测量码道6的编码，所以当读数头接收到的编码在编码数据库中无法找到时，则说明读取到非可测量码道6位置，此时便可采用另一读数头采集到的编码进行测量，最终得到测量结果。

具体的，由于磁栅尺缠绕在圆形码盘1侧面会出现非可测量码道6，因此，为保证读数头在读取到非可测量码道6时仍能正确测量，平行缠绕两条磁栅尺，且非可测量码道6交错设置，两条磁栅尺的缠绕方向，错位角度不定，但由于磁栅尺码道是依序排列，因此，可以通过预先测量两个磁栅尺的错位解度，参考缠绕方向，或在对编码数据库进行编码时进行修正，均可弥补两条磁栅尺的测量结果的区别，所以，当任一读数头读取到一条磁栅尺的非可测量码道6时，编码器可以利用另一读数头采集到的码道位置信从编码数据库中得到非可测量码道6对应的测量结果，从而避免了非可测量码道6对测量结果的影响。

需要说明的是，为保证编码器在读数头采集到磁栅尺的非可测量码道6时能够及时利用另一读数头采集到的另一磁栅尺的位置信息，在编码器运行时，同时启动第一读数头4和第二读数头5，以此确保两个读数头分别通过第一磁栅尺2和第二磁栅尺3的测量数据的连续性；圆形码盘1可以为圆柱形码盘1或圆环形码盘1，测量时与被测旋转物体同轴安装，同时圆形码盘1可以为任意能够令第一磁栅尺2和第二磁栅尺3缠绕、平行设置且能与被测旋转物体同轴安装的物体，例如，圆形码盘1可以为被测旋转物体的传动轴或轮盘等。

当然，若读数头未读取到非可测量码道6，则直接利用当前读数头采集的编码得到测量结果，例如，利用第一读数头4读取第一磁栅尺2的码道，第一读数头4截止测量结束，未读取到第一磁栅尺2的非可测量码道6，则直接利用第一读数头4读取的编码，得到测量结果。

进一步的，第一磁栅尺2和第二磁栅尺3可以均为绝对式磁栅尺，采用绝对式录磁方式，弯曲后与被测旋转部件同轴安装，采用磁敏霍尔元件的磁头，当有磁性的磁条靠近磁头时，产生霍尔电压，由于霍尔效应，不同的磁性会产生方向相反的电压，这样就可以对电压的正负进行编码，可以记正的为1负的为0，通过这种方式就可以对采集到的信号进行编码。例如，编码数据库采用八位二进制编码，使1100 0000对应于0度使1000 0001对应于0.5度等，即可通过读取磁栅的码来显示对应的角度。

可见，本发明实施例通过将两条磁栅尺平行缠绕至任意能与被测旋转物体同轴安装的圆形码盘1上，根据两条磁栅尺的缠绕结果对编码器的编码数据库进行编码，建立码道与编码的对应关系和编码与角度的对应关系，同时在双磁栅尺和双读数头的基础上，第一磁栅尺2和第二磁栅尺3的非可测量码道6交错设置，实现在单磁栅尺触发非可测量码道6时，切换至另一读数头读取另一磁栅尺的码道，继续进行测量，最终得到测量结果，实现简易转角测量编码器，易于制作和临时生产，同时，利用编码数据库直接测量被测旋转部件的旋转角度，避免了现有技术中需要将直线位移转换为回转位移时的误差，提高了测量精度。

其中，在利用两个磁栅尺的错位解度和缠绕方向，弥补两条磁栅尺的测量结果的区别时，上述利用第二读数头5的编码进行测量，得到测量结果的过程，可以具体包括如下步骤S1和S2：

S1：利用第二读数头5的编码进行测量，得到初始测量结果；

S2：利用第一磁栅尺2的角度为基准，去除第二磁栅尺3对初始测量结果造成的偏差，得到测量结果。

具体的，利用第一磁栅尺2的角度为基准，得到第一磁栅尺2的起始位置与第二磁栅尺3的起始位置的角度差，利用角度差去除第二磁栅尺3对初始测量结果造成的偏差，得到测量结果；例如，若第一磁栅尺2的与第二磁栅尺3缠绕方向同向且相差180°，以第一磁栅尺2的起始位置为准，第二读数头5得到的初始测量结果为50°，则令初始测量结果加上180°，得到测量结果230°；若第一磁栅尺2的与第二磁栅尺3缠绕方向反向且相差180°，以第一磁栅尺2的起始位置为准，第二读数头5得到的初始测量结果为310°，则令初始测量结果减去180°，得到测量结果230°；其中，第一磁栅尺2和第二磁栅尺3可以完全相同，便于利用角度弥补初始测量结果造成的偏差。

此外，在利用编码数据库对两条磁栅尺的缠绕方向，错位角度不定导致的测量结果不同的修正时，还可以令第一磁栅尺2和第二磁栅尺3同一水平位置的可测量码道对应的角度相同，即，除非可测量码道6外，通过第一读数头4或第二读数头5测量得到的测量结果均一致，例如，水平方向平行设置第一读数头4和第二读数头5，第一读数头4和第二读数头5同时采集同一水平位置的可测量码道的编码，第一读数头4采集的编码为101，第二读数头5采集的编码为011，但通过在编码数据库中预先建立第一读数头4与第二读数头5对应的第一编码组和第二编码组，令第一读数头4采集的编码101和第二读数头5采集的编码011均对应相同的角度，如30°，从而实现第一读数头4和第二读数头5数据的无缝切换。

参见图2所示，在实际应用中，当环境温度发生改变时，磁栅尺可能会随着温度而发生形变，在两条磁栅尺完全相同的情况下，两条磁栅尺的收缩或者膨胀会同时发生，且形变量也相同，并且因为两条磁栅尺的非可测量码道6和起始位置均相差180°且同向弯曲，两条磁栅尺的形变量方向会相反，如图2中两磁栅尺受环境影响的膨胀或收缩方向如箭头所示，若取环境影响量为Δθ，则两个读数头读出的量分别为θ₁-Δθ和θ₂+Δθ，利用第一读数头4和第二读数头5的第一测量结果和第二测量结果求平均，会使环境影响因素量被消除，得到更为准确地最终测量结果，进而提高了稳定性。

此外，本发明实施例还公开了一种绝对式旋转编码器测量方法，应用于如前述的绝对式旋转编码器，参见图3所示，该方法包括：

S21：预先设定第一磁栅尺和第二磁栅尺的码道与编码数据库中编码的对应关系，建立编码与角度的对应关系；

S22：当接收到第一读数头错误的第一编码后，则利用第二读数头采集的第二编码进行测量，得到测量结果。

可见，本发明实施例利用前述的绝对式旋转编码器实现在双磁栅尺和双读数头的基础上，第一磁栅尺和第二磁栅尺的非可测量码道交错设置，实现在单磁栅尺触发非可测量码道时，切换至另一读数头读取另一磁栅尺的码道，继续进行测量，最终得到测量结果，实现简易转角测量编码器，易于制作和临时生产，同时，利用编码数据库直接测量被测旋转部件的旋转角度，避免了现有技术中需要将直线位移转换为回转位移时的误差，提高了测量精度。

其中，编码数据库可以采用八位二进制编码方式。

本发明实施例中，还包括：

分别利用第一读数头和第二读数头的第一测量结果和第二测量结果求平均，得到最终测量结果；

其中，第一磁栅尺和第二磁栅尺相同，且同向缠绕，非可测量码道相差180°设置。

上述编码数据库中第一磁栅尺和第二磁栅尺同一水平位置的可测量码道对应的编码对应的角度相同。

上述利用第二读数头的编码进行测量，得到测量结果的过程，包括：

利用第二读数头的编码进行测量，得到初始测量结果；

利用第一磁栅尺的角度为基准，去除第二磁栅尺对初始测量结果造成的偏差，得到测量结果。

上述利用第一磁栅尺的角度为基准，去除第二磁栅尺对初始测量结果造成的偏差，得到测量结果的过程，包括：

利用第一磁栅尺的角度为基准，得到第一磁栅尺的起始位置与第二磁栅尺的起始位置的角度差，利用角度差去除第二磁栅尺对初始测量结果造成的偏差，得到测量结果。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

以上对本发明所提供的一种绝对式旋转编码器及其测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种绝对式旋转编码器，其特征在于，包括：平行缠绕在圆形码盘侧面、成圆环状的第一磁栅尺和第二磁栅尺，分别读取所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺数值的第一读数头和第二读数头，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺的非可测量码道交错设置；

其中，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺同向缠绕，且所述非可测量码道相差180°设置，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺相同。

2.根据权利要求1所述的绝对式旋转编码器，其特征在于，所述第一读数头和所述第二读数头均为采用磁敏霍尔元件的磁头。

3.一种绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，应用于如权利要求1或2所述的绝对式旋转编码器，包括：

预先设定第一磁栅尺和第二磁栅尺的码道与编码数据库中编码的对应关系，建立编码与角度的对应关系；

当接收到所述第一读数头错误的第一编码后，则利用所述第二读数头采集的第二编码进行测量，得到测量结果。

4.根据权利要求3所述的绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，所述编码数据库采用八位二进制编码方式。

5.根据权利要求3所述的绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，还包括：

分别利用所述第一读数头和第二读数头的第一测量结果和第二测量结果求平均，得到最终测量结果；

其中，所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺相同，且同向缠绕，所述非可测量码道相差180°设置。

6.根据权利要求3至5任一项所述的绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，所述编码数据库中所述第一磁栅尺和所述第二磁栅尺同一水平位置的可测量码道对应的编码对应的角度相同。

7.根据权利要求3至5任一项所述的绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，所述利用所述第二读数头的编码进行测量，得到测量结果的过程，包括：

利用所述第二读数头的编码进行测量，得到初始测量结果；

利用所述第一磁栅尺的角度为基准，去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果。

8.根据权利要求7所述的绝对式旋转编码器测量方法，其特征在于，所述利用所述第一磁栅尺的角度为基准，去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果的过程，包括：

利用所述第一磁栅尺的角度为基准，得到所述第一磁栅尺的起始位置与所述第二磁栅尺的起始位置的角度差，利用所述角度差去除所述第二磁栅尺对所述初始测量结果造成的偏差，得到所述测量结果。

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