CN109631958B - 位置编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种位置编码器，包括：定子模块，定子模块包括激励线圈及接收线圈组件；其中激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在定子模块区域内产生交变电磁场；接收线圈组件设置在激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；转子模块，转子模块用于影响激激励线圈和接收线圈组件之间的电磁耦合强度；处理模块，处理模块包括信号处理单元和振荡电路单元；屏蔽层，屏蔽层用于屏蔽外界电磁干扰。与现有技术相比，本发明具有以下优点：屏蔽了来自于金属连接导线、金属物体(如信号处理模块、电子元器件等)和电机本体漏磁等外界干扰，保证位置信号的真实性，提高了编码器的可靠性；可以提供高精度和高分辨率的绝对位置信号。

Description

位置编码器

技术领域

本发明涉及一种位置编码器，特别涉及但不限于一种用于产生伺服电机所需编码信号的位置编码器。

背景技术

近年来，伺服电机凭借其优异的性能而得到市场的一致认可。其中，位置编码器作为伺服电机系统闭环控制中的重要一环，承担着反馈及控制电机旋转速度及位置的重要作用。随着市场对伺服电机在安全、精度和可靠性等方面的要求不断提高，电机厂商对伺服电机编码器的要求也随之提高，要求编码器在提供伺服电机转速、绝对位置信号的同时，保证信号的高精度、高分辨率。

现有技术中，中国发明专利《感应式旋转角度传感器和以此配备的自动同步发送机》(申请号：200410043380.3)提供一种感应式旋转角度传感器，该传感器由一个电路板(1)组成，在该电路板上设置一个励磁线路(1.6)和一个接收线路(1.1；1.2)，其中所述接收线路(1.1；1.2)具有一个在一个第一平面中延伸的第一刻度段(1.11；1.21)，还具有一个在一个第二平面中延伸的第二刻度段(1.12；1.22)。此外感应式旋转角度传感器还具有一个刻度元件(2)，该刻度原件可以相对于电路板(1)旋转并包括一个刻度磁道(2.1)，该刻度磁道由交替设置的导电的和不导电的刻度区(2.11、2.12)组成。在此所述接收线路(1.1；1.2)在相对于刻度元件(2)旋转一圈内给出一个奇数的信号周期。

但是，现有技术中存在如下缺陷：

1)两组或多组接收信号之间相互叠加造成干扰，使得到正余弦信号发生失真，加大了后续信号处理电路设计难度，更对最终位置信号的精度及分辨率造成损失。

2)金属连接导线、金属物体(如信号处理模块、电子元器件等)及电机本体漏磁都会影响接收信号的质量，对最终位置信号的精度及分辨率造成损失。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的在于提供一种解决上述方案在位置编码器信号失真、工作环境干扰等方面缺陷的位置传感器。

为解决上述技术问题，本发明提供一种传感器，包括：定子模块，所述定子模块包括激励线圈及接收线圈组件；其中所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述定子模块区域内产生交变电磁场；所述接收线圈组件设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；转子模块，所述转子模块用于影响激所述激励线圈和所述接收线圈组件之间的电磁耦合强度；处理模块，所述处理模块包括信号处理单元和振荡电路单元；屏蔽层，所述屏蔽层用于屏蔽外界电磁干扰。

优选地，所述屏蔽层设置于所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板与所述处理模块所在极板之间；

所述激励线圈和所述接收线圈组件在所述屏蔽层靠近所述激励线圈及所述组件一侧的垂直方向空间范围内形成感应耦合区域，所述屏蔽层靠近所述处理模块一侧为非感应耦合区域。

优选地，所述屏蔽层在垂直方向上遮盖住所述激励线圈和所述接收线圈组件。

优选地，所述接收线圈组件包括第一接收线圈单元及第二接收线圈单元；其中

所述第一接收线圈单元及所述第二接收线圈单元分别包括2个周期性重复绕制的接收线圈。

优选地，所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元同平面设置或错层设置；

当所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元处于同一平面时，在所述感应耦合区域内，所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元无交点；

当所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元处于不同平面时，在所述感应耦合区域内，所述激励线圈在所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元所在平面上的投影与所述第二接收线圈单元无交点。

优选地，所述第一接收线圈单元和/或所述第二接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到1个周期的接收信号。

优选地，所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元中，其中一个接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到n个周期的接收信号，另一个接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到n+1个周期的接收信号，其中n为正整数。

优选地，在所述屏蔽层与所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板之间设有隔离层。

优选地，所述屏蔽层为导电屏蔽层；所述隔离层为绝缘隔离层。

优选地，所述屏蔽层与所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板之间的间距为0.5毫米～5毫米。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)两组或多组接收线圈组件可以集成在紧密的空间内，且相互之间不存在干扰，大大减小了位置编码器的尺寸，为客户安装结构设计提供了便利；

2)屏蔽了来自于金属连接导线、金属物体(如信号处理模块、电子元器件等)和电机本体漏磁等外界干扰，保证位置信号的真实性，提高了编码器的可靠性。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征目的和优点将会变得更明显。

图1为本发明伺服电机位置编码器剖面结构示意图；

图2为常用绝对式位置编码器定子模块示意图；

图3为常用增量式位置编码器定子模块示意图；

图4为约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器的转子模块结构示意图；

图5为约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器的定子模块结构示意图；

图6为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块结构示意图；

图7为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块第一级板截面示意图；

图8为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块第二级板截面示意图；

图9为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块第三级板截面示意图；

图10为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块第四级板截面示意图；

图11为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块第五级板截面示意图；

图12为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块剖面示意图；

图13为本发明伺服电机位置编码器实例一屏蔽层安装位置精度误差关系示意图；

图14为约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器的接收信号示意图；

图15为本发明伺服电机位置编码器实例一接收信号示意图；

图16为本发明伺服电机位置编码器实例二转子模块结构示意图；

图17为本发明伺服电机位置编码器实例二定子模块结构示意图；

图18为本发明伺服电机位置编码器实例二接收信号示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。

图1为本发明所述绝对式伺服电机位置编码器的剖面结构图。

如图1所示，轴承4安装在编码器中心位置并与编码器外壳7相连接，该轴承通过与外部伺服电机转轴连接而同步转动；转子模块1固定在轴承4上，随轴心线6转动；定子模块2通过螺丝5固定在编码器外壳7上，处理电路3放置在定子模块2上；转子模块1和定子模块2相互靠近、平行且同轴放置，均被编码器外壳7包裹在内。

图2为常用的绝对式位置编码器定子模块示意图。

如图2所示，定子模块2e是一块非导电材料所制的载具，其上包括定位孔12、激励线圈13、接收线圈组件28和29。

如图2所示，定子模块2e上设置3个定位孔12，通过螺丝5将定子模块固定在编码器外壳7上。

如图2所示，定子模块2e上设置了激励线圈13，激励线圈13由在定子模块2e第一级板上的3匝金属导线和第二级板上的3匝金属导线串联而成，金属导线设置在定子模块2e的外圈，将接收线圈28和接收线圈29包裹在内。激励线圈13通过焊盘最终连接到振荡电路电路板。

如图2所以，定子模块2e上设置了接收线圈28和接收线圈29，接收线圈28和接收线圈29之间存在特定的角度相位差，本实例中为90度相位差。接收线圈28和接收线圈29分别沿圆周方向依次绕制有2个类正弦闭合金属导线，且接收线圈28和接收线圈29拥有相同的几何形状。

如图2所示，接收线圈28和接收线圈29绕制于非导电材料所制的定子模块2e的第一级板和第二级板。接收线圈28和接收线圈29通过焊盘连接到信号处理电路板。

基于上述常用的绝对式位置编码器架构，其工作方式如下：

系统供电后，振荡电路配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。

根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

转子模块用于影响激励线圈13和接收线圈28和接收线圈29之间的耦合关系，当伺服电机转动时，带动轴承4及转子模块一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使转子模块产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将导致接收线圈28和接收线圈29上的感应电动势发生变化。当转子模块相对定子模块2e旋转一圈后，在接收线圈28和接收线圈29上分别得到1圈1个周期的正弦信号，且两者之间相位差为90度。

通过接收线圈28和接收线圈29上1圈1个周期的正余弦信号得到伺服电机旋转方向，同时得到伺服电机旋转一圈内的相对粗略的绝对位置信号。但上述技术方案的缺点是无法得到高精度及高分辨率的绝对位置信号。

图3为常用的增量式位置编码器定子模块示意图。

如图3所示，定子模块2f是一块非导电材料所制的载具，其上包括定位孔12、激励线圈13、接收线圈组件30和31。

如图3所示，定子模块2f上设置3个定位孔12，通过螺丝5将定子模块固定在编码器外壳7上。

如图3所示，定子模块2f上设置了激励线圈13，激励线圈13由在定子模块2f第一级板上的3匝金属导线和第二级板上的3匝金属导线串联而成，金属导线设置在定子模块2f的外圈，将接收线圈30和接收线圈31包裹在内。激励线圈13通过焊盘最终连接到振荡电路电路板。

如图3所以，定子模块2f上设置了接收线圈30和接收线圈31，接收线圈30和接收线圈31之间存在特定的角度相位差，本实例中为90度相位差。接收线圈30和接收线圈31分别沿圆周方向依次绕制有64个类正弦闭合金属导线，且接收线圈30和接收线圈31拥有相同的几何形状。

如图3所示，接收线圈30和接收线圈31绕制于非导电材料所制的定子模块2f的第一级板和第二级板。接收线圈30和接收线圈31通过焊盘连接到信号处理电路板。

基于上述常用的增量式伺服电机编码器架构，其工作方式如下：

系统供电后，振荡电路配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。

根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

转子模块用于影响激励线圈13和接收线圈30和接收线圈31之间的耦合关系，当伺服电机转动时，带动轴承4及转子模块一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使转子模块产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将导致接收线圈30和接收线圈31上的感应电动势发生变化。当转子模块相对定子模块2f旋转一圈后，在接收线圈30和接收线圈31上分别得到1圈32个周期的正弦信号，且两者之间相位差为90度。

通过接收线圈30和接收线圈31上1圈32个周期的正余弦信号得到伺服电机旋转方向，同时得到一个高精度及高分辨率(5bit分辨率)的增量位置信号，这样可以降低后续处理电路的设计难度。但是上述技术方案的缺点是无法得到电机的绝对位置信号。

为了得到电机绝对位置信号，同时保证位置信号的精度和分辨率满足客户要求，约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司在中国发明专利《感应式旋转角度传感器和以此配备的自动同步发送机》(申请号：200410043380.3)提出了一种感应式旋转角度传感器来解决上述技术方案缺陷。

图4-图5展示了约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器示意图。

图4为约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器的转子模块示意图。

如图4所示，转子模块1a沿圆周方向上包含2组扇环形导电材料刻度区8a和9a，其中，刻度区9a包含1个扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1a内圈；刻度区8a包含32个周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1a外圈。

如图4所示，转子模块1b沿圆周方向上包含2组扇环形导电材料刻度区8b和9b，其中，刻度区9b包含1个扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1a外圈；刻度区8b包含32个周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1b内圈。

图5为约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器的定子模块示意图。

如图5所示，定子模块2a是一块非导电材料所制的载具，其上包括定位孔12、激励线圈13、第一接收线圈单元及第二接收线圈单元；第一接收线圈单元包括接收线圈14和接收线圈15，第二接收线圈单元包括接收线圈16和接收线圈17。

如图5所示，定子模块2a上设置3个定位孔12，通过螺丝5将定子模块固定在编码器外壳7上。

如图5所示，定子模块2a上设置1组激励线圈13，激励线圈13由在定子模块2a第一级板上的9匝金属导线和第二级板上的9匝金属导线串联而成，金属导线分别设置在定子模块2a的外圈、中圈和内圈，将第一接收线圈单元组及第二接收线圈单元组包裹在内。激励线圈13通过焊盘13-1和13-2最终连接到振荡电路电路板。

如图5所以，定子模块2a上设置了第一接收线圈单元的接收线圈14和接收线圈15，接收线圈14和接收线圈15之间存在特定的角度相位差，本实例一中为90度相位差。接收线圈14和接收线圈15分别沿圆周方向依次绕制有64个类正弦闭合金属导线，且接收线圈14和接收线圈15拥有相同的几何形状。

如图5所示，第一接收线圈单元中的接收线圈14和接收线圈15分别均匀绕制于非导电材料所制的定子模块2a的第一级板和第二级板。接收线圈组件14通过焊盘14-1和14-2最终连接到信号处理电路板。接收线圈组件15通过焊盘15-1和15-2最终连接到信号处理电路板。

如图5所以，定子模块2a上设置了第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17，接收线圈16和接收线圈17之间存在特定的角度相位差，本实例一中为90度相位差。接收线圈16和接收线圈17分别沿圆周方向依次绕制有2个类正弦闭合金属导线，且接收线圈16和接收线圈17拥有相同的几何形状。

如图5所示，第二接收线圈单元中的接收线圈16和接收线圈17绕制于非导电材料所制的定子模块2a的第一级板和第二级板。接收线圈16通过焊盘16-1和16-2最终连接到信号处理电路板。接收线圈17通过焊盘17-1和17-2最终连接到信号处理电路板。

基于上述约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器架构，其工作方式如下：

系统供电后，振荡电路配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。

根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

转子模块1a用于影响激励线圈13和第一接收线圈单元及第二接收线圈单元之间的耦合关系，当伺服电机转动时，带动轴承4及转子模块1a一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使得转子模块1a上的导电材料刻度区8a和9a产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将导致第一接收线圈单元及第二接收线圈单元上的感应电动势发生变化。当转子模块1a相对定子模块2a旋转一圈后，在第一接收线圈单元上得到1圈32个周期的接收信号；在第二接收线圈单元得到1圈1个周期的接收信号。

通过第二接收线圈单元中接收线圈16和接收线圈17上相对转子模块旋转1圈得到的1个周期的接收信号得到伺服电机旋转方向，同时得到伺服电机旋转一圈内的相对粗略的绝对位置信号。通过第一接收线圈单元中接收线圈14和接收线圈15上相对转子模块旋转1圈得到的32个周期的接收信号得到一个高分辨率(5bit)的增量信号。通过2个接收线圈组件的结合，在得到伺服电机绝对位置的同时，也保证了位置信号的分辨率和精度。

但是基于上述约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器架构所得到的两组正余弦信号存在一定的问题。

图14分别截取了实例一中第一接收线圈单元接收线圈14和第二接收线圈单元接收线圈16上得到的接收信号幅值与旋转角度的关系。

如图14所示，第一接收线圈单元接收线圈14相对转子模块旋转一圈得到的32个周期的接收信号18a，但是其上又叠加了一个1圈1个周期的干扰信号，导致第一接收线圈单元接收线圈14上的32个正弦信号18a的幅值均不相同。

如图14所示，第二接收线圈单元接收线圈16相对转子模块旋转一圈得到的1个周期的接收信号19a，但是其上又叠加了一个1圈32个周期的干扰信号，导致第二接收线圈单元接收线圈16上的正弦信号19a失真。

如图14所示，基于上述约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器架构所得到的两组正余弦信号发生了失真，这对后续信号处理加大了难度，容易造成信号精度的损失。

产生上述现象的原因在于：

1)内圈第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17为了连接到焊盘16-1、16-2、17-1和17-2，必须通过定子模块2a的第三级板和第四级板将金属导线引出，其经过的路线位于第一接收线圈单元14和15的下方，导致第一接收线圈单元组上的感应电动势和第二接收线圈单元组上的感应电动势相互耦合。

2)激励线圈13分别设置在定子模块2a的外圈、中圈和内圈，为了将外中内三部分激励线圈金属导线串联起来，必须通过定子模块2a的第三级板和第四级板将激励线圈相连接，导致第一接收线圈单元上的感应电动势和第二接收线圈单元上的感应电动势分别耦合到激励线圈上，再通过激励线圈相互干扰。

为了解决上述问题，本发明在基于上述约翰尼斯海登海恩博士股份有限公司提出的感应式旋转角度传感器架构上进行了改进。

图6-图12展示了本发明伺服电机位置编码器实例一的实现方式。

图6为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块结构示意图。

如图6所示，第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15所在区域、第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17和激励线圈13所在区域相互之间没有交叠或者重叠，这样保证了第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15、第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17和激励线圈13相互之间没有互相耦合干扰。本发明将通过图5-图9说明实例一的实现方式。

图7-图11为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块的第一级板、第二级板、第三极板、第四级板和第五极板截面示意图。

如图7-图11所示，激励线圈13分别在定子模块2b的第一级板2b-1和第二级板2b-2上设置了9匝金属导线，金属导线分别设置在定子模块2b的外圈、中圈和内圈。外圈、中圈和内圈的激励线圈13金属导线分别经过通孔13-a、13-b、13-c、13-d、13-e、13-f、13-g和13-h通过定子模块2b的第三极板2b-3和第四级板2b-4，最终在第五极板2b-5上通过金属导线串联在一起，并最终经过通孔13-i和13-j在第五极板2b-5上通过金属导线连接到振荡电路模块。

如图7-图11所示，定子模块2b上设置了第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15，接收线圈14和接收线圈15之间存在特定的角度相位差，本实例二中为90度相位差。接收线圈14和接收线圈15分别沿圆周方向依次绕制有64个类正弦闭合金属导线，且接收线圈14和接收线圈15拥有相同的几何形状。

如图7-图11所示，第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15分别均匀绕制于非导电材料所制的定子模块2b的第一级板2b-1和第二级板2b-2。接收线圈14经过通孔14-a和14-b通过第三极板2b-3和第四级板2b-4，最终在第五极板2b-5上通过金属导线连接到信号处理电路模块。接收线圈15经过通孔15-a和15-b通过第三极板2b-3和第四级板2b-4，最终在第五极板2b-5上通过金属导线连接到信号处理电路模块。

如图7-图11所示，定子模块2b上设置了第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17，接收线圈16和接收线圈17之间存在特定的角度相位差，本实例二中为90度相位差。接收线圈16和接收线圈17分别沿圆周方向依次绕制有2个类正弦闭合金属导线，且接收线圈16和接收线圈17拥有相同的几何形状。

如图7-图11所示，第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17分别绕制于非导电材料所制的定子模块2a的第一级板2b-1和第二级板2b-2。接收线圈16经过通孔16-a和16-b通过第三极板2b-3和第四级板2b-4，最终在第五极板2-5上通过金属导线连接到信号处理电路模块。接收线圈17经过通孔17-a和17-b通过第三极板2b-3和第四级板2b-4，最终在第五极板2b-5上通过金属导线连接到信号处理电路模块。

如图9和图10所示，定子模块2b的第三极板2b-3上只有通孔13-a、13-b、13-c、13-d、13-e、13-f、13-g、13-h、13-i、13-j、14-a、14-b、15-a、15-b、16-a、16-b、17-a和17-b。定子模块2b的第四级板上除了有通孔13-a、13-b、13-c、13-d、13-e、13-f、13-g、13-h、13-i、13-j、14-a、14-b、15-a、15-b、16-a、16-b、17-a和17-b，还有由导电材料构成的屏蔽层20。

接收线圈组件感应耦合区域一定范围内需要避免出现金属导线或金属物体，以免造成对接收信号的干扰。本发明伺服电机位置编码器实例一中，不仅激励线圈13、第一接收线圈单元和第二接收线圈单元的金属走线会影响到感应耦合区域，同时由于实例二中将信号处理模块和振荡电路模块都集成在了定子模块2b的第五极板上，这些因素都会影响到接收信号的质量，并最终造成位置信号的精度损失。所以，为了消除以上因素的干扰，本发明伺服电机位置编码器实例一中，在定子模块2b的第四极板2b-4上添加了由导电材料构成的屏蔽层20，同时为了避免屏蔽层20离感应耦合区域过近而导致振荡电路失效，实例二中在定子模块2b的第二极板2b-2和第四极板2b-4之间增加了第三极板2b-3作为隔离层,第三极板2b-3上除去通孔外没有其他导电材料，所以第三极板2b-3可以增加屏蔽层20和感应耦合区域的距离，同时自身不会干扰到感应耦合区域。这样最终不仅减小编码器整体尺寸，也保证了接收信号不会受到外界干扰。

图12为本发明伺服电机位置编码器实例一定子模块剖面示意图。

如图12所示，定子模块2b为多级板结构，其中所述激励线圈13、第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15及第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17绕制于定子模块2b的第一级板2b-1和第二级板2b-2上，第三级板2b-3为由非导电材料所制的隔离层，第四级板2b-4为由导电材料所制的屏蔽层。若屏蔽层太靠近激励线圈，在极端工作环境下可能会导致激励线圈电感降低而导致振荡电路停振失效，所以在空间允许的情况下加入一层由非导电材料所制的隔离层，用于增加定子模块上激励线圈和接收线圈组件所在极板和屏蔽层所在极板之间的距离，使得位置编码器可靠性更高。

如图12所示，第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15在第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17所在平面上的投影与第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17之间没有交叉或重叠。

如图12所示，优选的，屏蔽层2b-4平行设置于所述激励线圈及所述接收线圈组件所在的第一级板2b-1和第二级板2b-2一侧。

如图12所示，屏蔽层2b-4在垂直方向上完全遮盖住所述激励线圈和所述接收线圈组件。

如图12所示，优选的，隔离层2b-3平行设置于所述屏蔽层2b-4和所述激励线圈及所述接收线圈组件所在的第一级板2b-1和第二级板2b-2之间。

图13为本发明伺服电机位置编码器实例一屏蔽层安装位置精度误差关系示意图。

如图13所示，横坐标轴间距d代表所述屏蔽层和所述激励线圈及所述接收线圈组件所在极板的间距，纵坐标轴代表输出位置信号精度误差百分比。

如图13所示，如果屏蔽层过于靠近所述激励线圈及所述接收线圈组件所在极板，将可能会导致激励线圈电感降低，接收信号幅度降低，信噪比变差而导致位置精度误差极大，在极端工作环境下甚至导致振荡电路停振失效；当屏蔽层处于合适的位置时，位置精度误差可以降至最低；当屏蔽层逐渐远离所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板时，屏蔽层抵御来自处理模块、电机控制器模块及金属导线等金属物体和电机本体漏磁干扰的能力逐渐减弱，位置精度误差逐渐变大。

如图13所示，优选的，屏蔽层设置于距离所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板0.5mm到5mm之间。

基于上述伺服电机位置编码器实例一架构，其工作方式如下：

系统供电后，振荡电路配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。

根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

转子模块1a用于影响激励线圈13和第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15及第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17之间的耦合关系，当伺服电机转动时，带动轴承4及转子模块1a一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使得转子模块1a上的导电材料刻度区8a和9a产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将导致第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15及第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17上的感应电动势发生变化。当转子模块1a相对定子模块2b旋转一圈后，在第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15上分别得到32个周期的接收信号，且两者之间相位差为90度；在第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17上分别得到1个周期的接收信号，且两者之间相位差为90度。

通过第二接收线圈单元接收线圈16和接收线圈17相对转子模块旋转1圈得到的1个周期的接收信号得到伺服电机旋转方向，同时得到伺服电机旋转一圈内的相对粗略的绝对位置信号。通过第一接收线圈单元接收线圈14和接收线圈15相对转子模块旋转1圈得到的32个周期的接收信号得到一个高分辨率(5bit)的增量信号。通过2个接收线圈单元的结合，在得到伺服电机绝对位置的同时，也保证了位置信号的分辨率和精度。

图15分别截取了实例一中第一接收线圈单元接收线圈14和第二接收线圈单元接收线圈16上得到的正弦信号幅值与旋转角度的关系。

如图15所示，接收线圈14相对转子模块旋转1圈产生了32个周期的接收信号18b，其中每个正弦信号的幅值均相同。

如图15所示，接收线圈16相对转子模块旋转1圈产生了1个周期的接收信号19b，且没有失真。

本发明所述位置编码器，所述屏蔽层设置于所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板和所述处理模块所在极板之间；

所述激励线圈及所述接收线圈组件在所述屏蔽层靠近所述激励线圈及所述接收线圈组件一侧的垂直方向空间范围内形成感应耦合区域；

所述屏蔽层靠近所述处理模块一侧为非感应耦合区域。

所述屏蔽层为导电屏蔽层，且所述屏蔽层在垂直方向上遮盖住所述激励线圈和所述接收线圈组件。

本发明所述位置编码器，其定子模块包括接收线圈组件，其中，接收线圈组件包括第一接收线圈单元和第二接收线圈单元，其中，每个接收线圈组件中包括1个或者2个周期性重复绕制的接收线圈组件。

本发明所述位置编码器，其感应耦合区域内，所述第一接收线圈单元在所述第二接收线圈单元所在平面上的投影和所述第二接收线圈单元之间没有交叉或重叠；

本发明所述位置编码器，其感应耦合区域内，所述激励线圈在所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元所在平面上的投影与所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元之间没有交叉或重叠；

本发明所述位置编码器，所述两个接收线圈单元中，至少有一个接收线圈单元相对转子模块旋转得到1个周期的接收信号。

本发明所述位置编码器，所述屏蔽层和所述激励线圈及所述接收线圈组件之间设有隔离层；

所述隔离层为绝缘隔离层。

图16-图17展示了本发明伺服电机位置编码器实例二的实现方式。

图16为本发明伺服电机位置编码器实例二转子模块示意图。

如图15所示，转子模块1c沿圆周方向上包含2组扇环形导电材料刻度区10c和11c，其中，刻度区10c包含32周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1c外圈；刻度区11c包含31个周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1c内圈。

如图16所示，转子模块1d沿圆周方向上包含2组扇环形导电材料刻度区10d和11d，其中，刻度区10d包含32个周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1d内圈；刻度区11d包含31个周期性重复的扇环形导电材料刻度区，该刻度区覆盖于绝缘材料所制载具1d外圈。

图17为本发明伺服电机位置编码器实例二定子模块示意图。

如图17所示，定子模块2c是一块非导电材料所制的载具，其上包括定位孔12、激励线圈13、第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22及第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24。

如图17所示，定子模块2c上设置3个定位孔12，通过螺丝5将定子模块固定在编码器外壳7上。

如图17所示，定子模块2c上设置1组激励线圈13，激励线圈13由在定子模块2c第一级板上的9匝金属导线和第二级板上的9匝金属导线串联而成，金属导线分别设置在定子模块2c的外圈、中圈和内圈，将第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22及第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24包裹在内。

如图17所以，定子模块2c上设置了第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22，接收线圈21和接收线圈22之间存在特定的角度相位差，本实例三中为90度相位差。接收线圈21和接收线圈22分别沿圆周方向依次绕制有64个类正弦闭合金属导线，且接收线圈21和接收线圈22拥有相同的几何形状。

如图17所示，第二接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22分别均匀绕制于非导电材料所制的定子模块2c的第一级板和第二级板。

如图17所以，定子模块2c上设置了第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24，接收线圈23和接收线圈24之间存在特定的角度相位差，本实例三中为90度相位差。接收线圈23和接收线圈23分别沿圆周方向依次绕制62个类正弦闭合金属导线，且接收线圈23和接收线圈24拥有相同的几何形状。

如图17所示，第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24均匀绕制于非导电材料所制的定子模块2c的第一级板和第二级板。

与实例一相同的是，实例二中，将信号处理模块和振荡电路模块集成在了定子模块2c的一个级板上，该级板和激励线圈及接收线圈组件组所在的第一级板和第二级板之间设置了一层由导电材料所制的屏蔽层和一层由非导电材料所制的隔离层。

与实例一相同的是，实例二中，激励线圈外中内三部分之间的金属导线通过设置于信号处理模块和振荡电路模块所在级板的金属导线串联。

与实例一相同的是，实例二中，激励线圈与接收线圈组件组通过设置于信号处理模块和振荡电路模块所在级板的金属导线分别连接到震荡电路模块和信号处理模块。

基于上述伺服电机编码器实例二架构，其工作方式如下：

系统供电后，振荡电路配合激励线圈13产生高频周期性交流电压和电流，流过激励线圈的交变电流将在其周边区域内形成交变电磁场。

根据法拉第电磁感应定律可知，通过闭合线圈的磁通量发生变化，会在闭合线圈上产生感应电动势。当激励线圈上产生的交变电磁场穿过闭合接收线圈组件时，由于通过闭合接收线圈组件的磁通量发生交变，在每个扇环形线圈上产生频率相同的交变感应电动势。

转子模块1c用于影响激励线圈13和第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22及第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24之间的耦合关系，当伺服电机转动时，带动轴承4及转子模块1c一起旋转，激励线圈13的交变电磁场使得转子模块1c上的导电材料刻度区10c和11c产生涡流场，从而削弱激励线圈13的交变电磁场强度。不均匀的电磁场强度将导致第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22及第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24上的感应电动势发生变化。当转子模块1c相对定子模块2c旋转一圈后，在第一接收线圈单元接收线圈21和接收线圈22上分别得到32个周期的接收信号，且两者之间相位差为90度；在第二接收线圈单元接收线圈23和接收线圈24上分别得到31个周期的接收信号，且两者之间相位差为90度。

通过2个接收线圈单元的结合，在得到伺服电机绝对位置的同时，也保证了位置信号的分辨率和精度。

图18分别截取了实例二中第一接收线圈单元接收线圈21和第二接收线圈单元接收线圈23上得到的正弦信号幅值与旋转角度的关系。

如图18所示，第一接收线圈单元接收线圈21相对转子模块旋转1圈产生了32个周期性重复的接收信号25，其中每个接收信号的幅值均相同。

如图18所示，第二接收线圈单元接收线圈23相对转子模块旋转1圈产生了31个周期性重复的接收信号26，其中每个接收信号的幅值均相同。

如图18所示，第一接收线圈单元接收线圈21上的正弦信号25与第二接收线圈单元接收线圈23上的正弦信号26经过计算，输出一个线性信号，这样就可以得到伺服电机的绝对位置。

本发明所述位置编码器，所述两个接收线圈单元中，其中一个接收线圈单元相对转子模块旋转一圈得到n个周期的接收信号，另一个接收线圈单元相对转子模块旋转一圈得到n+1个周期的接收信号。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (5)

1.一种位置编码器，其特征在于，包括：

定子模块，所述定子模块包括激励线圈及接收线圈组件；其中

所述激励线圈用于通过高频周期性交流电压和电流，在所述定子模块区域内产生交变电磁场；

所述接收线圈组件设置在所述激励线圈产生的交变电磁场区域内，并产生感应电动势；

转子模块，所述转子模块用于影响所述激励线圈和所述接收线圈组件之间的电磁耦合强度；

处理模块，所述处理模块包括信号处理单元和振荡电路单元；

屏蔽层，所述屏蔽层用于屏蔽外界电磁干扰；

所述屏蔽层设置于所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板与所述处理模块所在极板之间；

所述激励线圈和所述接收线圈组件在所述屏蔽层靠近所述激励线圈及所述接收线圈组件一侧的垂直方向空间范围内形成感应耦合区域，所述屏蔽层靠近所述处理模块一侧为非感应耦合区域；

所述接收线圈组件包括第一接收线圈单元及第二接收线圈单元；其中

所述第一接收线圈单元及所述第二接收线圈单元分别包括2个周期性重复绕制的接收线圈；

所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元同平面设置或错层设置；

当所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元处于同一平面时，在所述感应耦合区域内，所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元无交点；

当所述第一接收线圈单元与所述第二接收线圈单元处于不同平面时，在所述感应耦合区域内，所述激励线圈在所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元所在平面上的投影与所述第二接收线圈单元无交点；

所述屏蔽层与所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板之间的间距为0.5毫米～5毫米；

所述屏蔽层与所述激励线圈及所述接收线圈组件所在级板之间设有隔离层。

2.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，所述屏蔽层在垂直方向上遮盖住所述激励线圈和所述接收线圈组件。

3.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，所述第一接收线圈单元和/或所述第二接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到1个周期的接收信号。

4.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，所述第一接收线圈单元和所述第二接收线圈单元中，其中一个接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到n个周期的接收信号，另一个接收线圈单元相对所述转子模块旋转一周得到n+1个周期的接收信号，其中n为正整数。

5.根据权利要求1所述的位置编码器，其特征在于，所述屏蔽层为导电屏蔽层；所述隔离层为绝缘隔离层。

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