CN108981761A - 一种增量式旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种增量式旋转编码器，所述增量式旋转编码器包括通过联轴器与被测量机械转轴相连的滚筒；轴线与滚筒轴线重合且贴合于所述滚筒的外侧壁的磁栅环组；设置于固定支架上，将目标区域内所述磁栅环组的磁信号转换为电信号的磁信号读取装置；与所述磁信号读取装置相连，用于计算所述电信号的变化量的磁栅数显表；与所述磁栅数显表连接，用于将所述电信号的变化量转换为转动角度的FPGA处理模块。本增量式旋转编码器能够能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。

Description

一种增量式旋转编码器

技术领域

本发明涉及工控技术领域，特别涉及一种增量式旋转编码器。

背景技术

编码器主要应用在工控领域的角度位置测量。伴随着工控脚步的跨越式前进，机械手臂、大行程位移测控装置等相应的工厂设备对旋转设备的要求更加苛刻，伺服驱动系统中大都使用编码器作为检测位置的传感器。

编码器分为增量式和绝对式两种，现有技术中的增量式旋转编码器技术往往是利用光学特性，通过摩尔条纹原理，对旋转角度进行测量。但是，现有技术中这种编码器往往需要在比较洁净的工作环境，在粉尘较多或者油污较多的条件下，往往会干扰到检测的精准度，造成较大的测量误差。另外增量式旋转编码器若为了实现高精密级的测量，往往对于光源、码盘的要求很高，造成生成成本较高。

因此，如何提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量是本领域技术人员目前需要解决的技术问题。

发明内容

本申请的目的是提供一种增量式旋转编码器，能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。

为解决上述技术问题，本申请提供一种增量式旋转编码器，该增量式旋转编码器包括：

通过联轴器与被测量机械转轴相连的滚筒；

轴线与滚筒轴线重合且贴合于所述滚筒的外侧壁的磁栅环组；

设置于固定支架上，并将目标区域内将所述磁栅环组的磁信号转换为电信号的磁信号读取装置；

与所述磁信号读取装置相连，用于计算所述电信号的变化量的磁栅数显表；

与所述磁栅数显表连接，用于将所述电信号的变化量转换为转动角度的FPGA处理模块。

可选的，所述磁栅环组由磁栅尺首尾相接得到。

可选的，所述磁栅环组包括：第一磁栅环和第二磁栅环；其中，所述第一磁栅环的端面平行于所述第二磁栅环的端面；

可选的，所述第一磁栅环和所述第二磁栅环均由1条直线磁栅尺首尾相接得到；其中，构成所述第一磁栅环的直线磁栅尺和构成所述第二磁栅环的直线磁栅尺为相同型号、相同规格的磁栅尺。

可选的，所述第一磁栅环的裂口与第二磁栅环的裂口的连线与所述磁栅环的轴线相交。

可选的，所述磁信号读取装置包括：

将所述第一磁栅环的磁信号转换为电信号的第一磁栅读数头；

将所述第二磁栅环的磁信号转换为电信号的第二磁栅读数头。

可选的，所述FPGA处理模块包括：

与所述磁栅数显表连接，用于根据预设切换规则确定当前读数头的选择电路；

与所述选择电路连接，用于将所述当前读数头对应磁栅尺的电信号的变化量转换为所述转动角度的角度换算电路；

其中，所述预设切换规则具体为：

当所述第一磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第一磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第二磁栅读数头设置为新的所述当前读数头；

当所述第二磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第二磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第一磁栅读数头设置为新的所述当前读数头。

本发明提供了一种增量式旋转编码器，包括通过联轴器与被测量机械转轴相连的滚筒；沿所述滚筒转动方向，贴合于所述滚筒的外侧壁的磁栅环组；设置于固定支架上，并将目标区域内将所述磁栅环组的磁信号转换为电信号的磁信号读取装置；与所述磁信号读取装置相连，用于计算所述电信号的变化量的磁栅数显表；与所述磁栅数显表连接，用于将所述电信号的变化量转换为转动角度的FPGA处理模块。

由于现有技术使用码盘来指示编码器转动角度，而码盘上划有精密的码道，当码盘在粉尘较多或油污较多的环境中工作时，码道往往会被粉尘和油污污染，使得编码器度数不够准确。而磁栅环是利用磁录音原理研制出来的，通过磁头读取磁栅环上的磁信息，粉尘和油污无法对磁栅环内部的涂磁层产生任何影响。基于此，本发明将现有技术中用于指示编码器转动角度的码盘替换为磁栅环组，利用磁信号读取装置读取磁栅环组上的磁信号，并将磁信号转化为电信号，再利用磁栅读数表和FPGA处理模块将电信号的变化量转化为转动角度。本方案能够提高增量式编码器的抗干扰性能，能够在恶劣工作环境中准确的实现角度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例所提供的一种增量式旋转编码器的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的优选的磁栅环组的结构示意图。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

下面请参见图1，图1为本申请实施例所提供的一种增量式旋转编码器的结构示意图。

具体结构可以包括：

通过联轴器与被测量机械转轴相连的滚筒100；

其中，本实施例中的滚筒100外侧壁的沿轴线方向投影为圆形，滚筒100通过联轴器与被测量机械的转轴相连，即被测量机械带动滚筒100转动，且滚筒100的轴线与被测量机械的轴线重合，因此滚筒100转动的角度就是被测量机械转动的角度。联轴器(图中未示出)指联接两轴或轴与回转件，使其在传递运动和动力过程中一同回转不脱开的一种装置

轴线与滚筒轴线重合且贴合于所述滚筒的外侧壁的磁栅环组200；

其中，所述磁栅环组200实际上是一种沿滚筒100转动方向完全贴合于滚筒100外表面的装置。本实施例默认，当磁栅环组匀速转动一周的过程中磁信号读取装置输出的信号为周期性电信号。作为一种优选的实施方式，磁栅环组200具体可以为一个或多个磁栅环。需要说明的是，磁栅环的制造工艺较为复杂，且若想磁栅环紧贴滚筒外侧壁需要非常精准的制作精度和安装精度，因此作为一种优选的实施方式可以将直线磁栅尺重构为圆尺进而得到与磁栅环相类似的效果。

需要说明的是，磁栅环组200可以视为由多个磁栅环构成的装置，磁栅环组200的长度可以认为是滚筒100的周长，且磁栅环组200能够绕滚筒一周。

设置于固定支架上，将目标区域内所述磁栅环组200的磁信号转换为电信号的磁信号读取装置300；

其中，固定支架是不随滚筒或被测量机械转轴转动的支架，而设置于固定支架上的磁信号读取装置在工作过程中也不随滚筒或被测量机械转轴转动。本实施例中的磁信号读取装置300可以类比于磁栅尺的读取磁头，磁信号读取装置300能够读取目标区域内的磁信号，当磁栅环组200随滚筒100转动时，目标区域内的磁栅环组的磁信号就会发生变化，由于磁信号读取装置400能够读取目标区域内的磁信号，因此磁信号读取装置300能够时刻读取目标区域内时刻变化的磁信号，进而将读取的磁信号转换为电信号，进行下一步分析。需要说明的是，本实施例默认磁信号读取装置300与磁栅环组200存在一定的距离，此处不对该距离进行具体的限定，只要能够检测到目标区域对应的磁栅环组的磁信号即可。

与所述磁信号读取装置300相连，用于计算所述电信号的变化量的磁栅数显表400；

需要说明的是，磁信号读取装置300仅仅是读取目标区域的磁信号并将磁信号转换为电信号的装置，计算电信号变化量的装置为磁栅数显表400。由于磁栅环组200随被测量机械转轴转动，目标区域内的磁栅环组200的磁信号就会发生变化，磁信号的变化就会带来电信号的变化，故可以通过电信号的变化量来确定磁栅环组相对于磁信号读取装置300转动的距离，而通过转动的距离可以换算出转动的角度。故可以通过与所述磁栅数显表400连接，FPGA处理模块500将所述电信号的变化量转换为转动角度，进而得到被测量机械转轴的转动角度。

请参见图2，图2为本申请实施例提供的优选的磁栅环组的结构示意图，为了方便理解，在图2中将第一磁栅环与第二磁栅环拆分开。作为一种优选的实施方案，上述实施例中的磁栅环组200可以具体为2个由磁栅尺首尾相接得到磁栅环，也就是说磁栅环组200为2个磁栅环，即第一磁栅环201和第二磁栅环202，而第一磁栅环201或第二磁栅环202均是由1条直线磁栅尺首尾相接重构得到。其中，所述第一磁栅环201的端面平行于所述第二磁栅环202的端面.

需要说明的是，将直线磁栅尺重构为圆尺后，往往会存在一个问题，即会在接口处不可避免的存在磁栅缺失部分，也就是整个重构之后的第一磁栅环和第二磁栅环(即圆形磁栅尺)会存在裂口，如图2中的Δd1和Δd2。而裂口的存在会导致读数的缺失，造成读数的不精准，因此单靠一条磁栅尺是无法进行完整的角度测量，在该优选的实施例中采用第一磁栅环201和第二磁栅环构成磁栅环组202设计，解决了上述问题。其中，本实施例默认第一磁栅环的裂口与第二磁栅环的裂口不重合。

进一步的，构成所述第一磁栅环201的直线磁栅尺和构成所述第二磁栅环202的直线磁栅尺为相同型号、相同规格的磁栅尺，且所述第一磁栅环201的裂口Δd1与第二磁栅环202的裂口Δd2的连线与所述磁栅环的轴线相交。通过这样的设计，在进行进行读数时不仅可以解决裂口造成的读数不准问题，而且由于使用的是同规格同型号增量式的直线磁栅尺贴合在滚筒100上，所以在测量的时候，当被测物体由于被测环境的温度发生变化后，产生的第一磁栅环和第二磁栅环的膨胀或者收缩变形时，第一磁栅环201和第二磁栅环202的变形量都是一致且相反的，故此时读取的值可以通过差分来相互抵消，从而得到精准的旋转角度。

针对于这种优选的实施例，磁信号读取装置300可以包括将所述第一磁栅环的磁信号转换为电信号的第一磁栅读数头301和将所述第二磁栅环的磁信号转换为电信号的第二磁栅读数头302。第一磁栅读数头301和第二磁栅读数头302分别读取各自对应的磁栅环的磁信号，并将磁信号转换为电信号以便磁栅数显表将电信号的变化量传给FPGA处理模块500。需要说明的是，由于在实际工作中会存在采集第一磁栅环201对应电信号变化量和第二磁栅环202对应的电信号变化量的操作，FPGA处理模块500可以包括：磁栅数显表连接，用于根据预设切换规则确定当前读数头的选择电路以及与所述选择电路连接，用于将所述当前读数头对应磁栅尺的电信号的变化量转换为所述转动角度的角度换算电路；其中，所述预设切换规则具体为：当所述第一磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第一磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第二磁栅读数头设置为新的所述当前读数头；当所述第二磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第二磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第一磁栅读数头设置为新的所述当前读数头。

下面通过一个更为具体的实施例说明上述预设切换规则：

以第一磁栅读数头为基准尺，第一磁栅读数头与第二磁栅读数头同步开始读数。在未到达裂口Δd 1(第一磁栅读数头对应的裂口)时，虽然第一磁栅读数头与第二磁栅读数头都有数据传输回FPGA处理模块，但是FPGA处理模块以第一磁栅读数头所读数据α1为准，第二磁栅读数头读取的数据α2是对第一磁栅读数头所读数据α1的校准，通过进行计算的出此时的精确数值，FPGA处理模块经过换算成精确的角度值。当到达裂口Δd 1时，由于此时第一磁栅读数头会无数据传输，此时FPGA处理模块瞬间切换读取第二磁栅读数头所收集的数据，此时第二磁栅读数头是连续的，而第一磁栅读数头是有段时间间隔Δt无数据，在到达裂口Δd2(第二磁栅读数头对应的裂口)之前可以计算计算完成之后，第一磁栅读数头的数据更新为第二磁栅读数头此时所收集的数据，第一磁栅读数头与第二磁栅读数头继续同步读数。在FPGA处理模块中的在到达裂口Δd 2后，同理，由于此时第二磁栅读数头会无数据传输，此时FPGA处理模块瞬间切换读取第一磁栅读数头所收集的数据，此时第一磁栅读数头是连续的，而第二磁栅读数头是有段时间间隔无数据，在到达裂口Δd 2之前可以计算如此往复通过对第一磁栅读数头和第二磁栅读数头的来回切换，可以对被测物体的旋转角度的精确测量。另外，当第一磁栅读数头读到零位信号时，即为其参考零位。

说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以对本申请进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。

还需要说明的是，在本说明书中，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。在没有更多限制的状况下，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。

Claims (7)

1.一种增量式旋转编码器，其特征在于，包括：

通过联轴器与被测量机械转轴相连的滚筒；

轴线与滚筒轴线重合且贴合于所述滚筒的外侧壁的磁栅环组；

设置于固定支架上，将目标区域内所述磁栅环组的磁信号转换为电信号的磁信号读取装置；

与所述磁信号读取装置相连，用于计算所述电信号的变化量的磁栅数显表；

与所述磁栅数显表连接，用于将所述电信号的变化量转换为转动角度的FPGA处理模块。

2.根据权利要求1所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述磁栅环组由磁栅尺首尾相接得到。

3.根据权利要求2所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述磁栅环组包括：第一磁栅环和第二磁栅环；其中，所述第一磁栅环的端面平行于所述第二磁栅环的端面。

4.根据权利要求3所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述第一磁栅环和所述第二磁栅环均由1条直线磁栅尺首尾相接得到；其中，构成所述第一磁栅环的直线磁栅尺和构成所述第二磁栅环的直线磁栅尺为相同型号、相同规格的磁栅尺。

5.根据权利要求4所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述第一磁栅环的裂口与第二磁栅环的裂口的连线与所述磁栅环的轴线相交。

6.根据权利要求4所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述磁信号读取装置包括：

将所述第一磁栅环的磁信号转换为电信号的第一磁栅读数头；

将所述第二磁栅环的磁信号转换为电信号的第二磁栅读数头。

7.根据权利要求6所述增量式旋转编码器，其特征在于，所述FPGA处理模块包括：

与所述磁栅数显表连接，用于根据预设切换规则确定当前读数头的选择电路；

与所述选择电路连接，用于将所述当前读数头对应磁栅尺的电信号的变化量转换为所述转动角度的角度换算电路；

其中，所述预设切换规则具体为：

当所述第一磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第一磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第二磁栅读数头设置为新的所述当前读数头；

当所述第二磁栅读数头为所述当前读数头时，判断所述第二磁栅读数头是否有数据传输；若否，则将所述第一磁栅读数头设置为新的所述当前读数头。