CN109708673A - 基于码型的分离式磁编码器 - Google Patents

Abstract

本发明基于码型的分离式磁编码器，使用分离式的磁敏感元件分布来读取被测量装置上磁化成多个磁极的码型信息，该码型信息代表了于测量量程内的粗略位置，同时对每个粗略位置表示的区间进行细分得到高分辨率和精度的位置信息，本发明设计了一种高精度编码器的同时，提高了高精度编码器量程和使用范围，也极大地降低了整体成本与加工难度。

Description

基于码型的分离式磁编码器

技术领域

本发明专利涉及位置测量的一种装置，特别是涉及旋转、线性位置测量的编码器装置。

背景技术

在物体做旋转或线性运动时，为了测量运动物体的位置、运动状态，一般会使用编码器来测量。编码器反馈的位置数据可以被上位机用于进行位置、速度闭环的控制，从而得到物体更佳的运动状态，拥有更高的运动精度。

编码器有不同的实现原理，现在市场上常见的这个位置传感器有：光电编码器、磁编码器、电容编码器、电感编码器、旋转变压器等，这些不同原理的编码器拥有各自不同的优点，如光电编码器精度高，磁编码器耐污染等。

编码器的输出信号有增量、绝对值两种。增量信号表现的是编码器当前位置与上一个位置是相对的，通常输出为弦波或方波，其无法确定某一时刻被测物体的绝对位置；而绝对值输出则为当前位置的绝对位置信息，并且通过一定的串口通信协议读取。

而由于增量信号可以由绝对值信号处理后输出，对于磁编码器来讲，大多数磁编码器芯片均是测量得到绝对位置信息，再将该信息处理后在需要的情况下输出增量信号。

而对于磁编码器测量绝对位置来说，目前现有的方案有：单对极测量、双码道测量，码型测量。磁编码器通常会使用物理磁极粗分加上对一组磁极内的电子细分来得到更高精度的位置信息。其中精度最低的是单对极测量，因为其磁铁一个周期内仅被磁化成一对磁极，物理粗分数为1；双码道测量、码型测量均将一个周期内被测装置磁化为多对磁极，并通过不同的方案在一个周期内识别出多个物理粗分区间，再对每个物理粗分区间内的数据进行电子细分，得到更高分辨率、精度的位置数据。

针对于基于码型的测量方式，现有的实施为定制化芯片的方式，将需要的码型磁化于载体上，通过定制化芯片中的数个磁敏感元件来测量载体上的码型变化，得到物理粗分，并同时对一个粗分区间内的数据进行电子细分，得到更高的精度。

参见图1，对于旋转位置测量使用磁环1，对于线性位置测量使用磁条2，其均含有多个被磁化的磁极，用来组合成磁码型。定制芯片3位于该磁环1、磁条2的磁场中，定制芯片3中含有多个磁敏感元件4，通过磁敏感元件4阵列来测量得到被测磁化装置的磁场分布数据，后续从多个数据中通过算法得到对应的角度数据。由于芯片批量生产的固定和局限性，当芯片一但设计完成，其对磁环的参数要求也被固定。如芯片中磁敏感元件4的间距、个数固定后，则磁环上磁极的间距、个数也被确定，这将严格地限制磁环、磁条的尺寸，要想获得更大尺寸的编码器，则需要重新设计芯片。

且由于芯片的尺寸小，致始磁敏感元件4的间距极小，这样使得磁环上的磁极最小宽度很小，带来了相当高的加工难度和成本，不适合批量化地使用。

这种方式使用的定制化芯片，价格极其昂贵，且使用范围固定，在当前对高精度编码器需求越来越大的情况下，更为廉价、适用范围更广的编码器是市场上极其需要的。

发明内容

本发明设计了一种基于码型的分离式磁编码器，该设计将码型磁化于被测量装置的磁载体上，使用分离式分布的磁敏感元件来探测磁载体上的磁场分布，并从中计算出位置数据。

对于基于码型的测量原理，其使用N个磁敏感元件来测量得到当前的物理粗分对应的码数，对应的码数则拥有N位数据并根据一定顺序组合成二进制码，且该二进制码拥有一个量程内的绝对位置定位。对于旋转编码器，其量程为一个圆周，则表示该二进制码在360度内拥有唯一的绝对位置；对于线性编码器，其量程为一定长度L，则表示该二进制码在L长度内拥有唯一的绝对位置。

理想情况下，测量得到的N位数据则最多可表示2的N次方个绝对位置，而对于实际来说，可以从N位数据中得到可辨识的唯一位置数是小于2的N次方个的(记为M个)。对于旋转编码器，将360度根据M个唯一二进制码将其粗分为M份，而于这每一个粗分区间中，又可以通过磁敏感元件的模拟量对其进行电子细分，得到分辨率更高的细分数据(记为Z个)，从而使编码器系统得到M*Z的高分辨率，在分辨率提高的同时，也可以得到更高的精度。

该方法使用分离式的磁敏感元件进行测量，使得磁敏感元件的数量可以进行灵活地调整。如背景技术中所提到的定制芯片技术方案，在线性测量中，该方案只能用来测量固定长度的范围，而本发明将可以通过增加磁敏感元件的个数来增加被测长度的范围，而且该数量级是以幂级成长的，几乎可以满足所有长度的精密测量；同理，在旋转测量中，定制芯片技术方案限制了磁极的宽度与唯一二进制码的个数，使得只能测量有限半径的磁环，从而限制了使用的环境，本发明通过增加磁敏感元件的个数来增加被测磁环的半径，同时也可以提高测量的精度与分辨率。

附图说明

图1为定制芯片与磁化后的磁环、磁条配合读取角度的位置关系图。

图2为本发明的分离式磁编码器与磁化后的磁环、磁条配合读取角度的位置关系图。

图3为每个粗分区间的细分波形图。

具体实施方式

参照附图对本发明专利的实施方式进行描述。

参见图2，磁敏感元件5均匀地分布于磁环6、磁条7的磁场内，在圆周或直线上拥有一定的间隔隔开，并将其与芯片一并固定在PCB板上，通过磁敏感元件5来采集磁环6或磁条7的磁场数据并传递至芯片进行后续的算法处理。

磁化后的被测量装置磁环6或磁条7会影响周围环境中的磁场，当将磁敏感元件5位置该磁场中时，则可以测得当前磁极对应的磁场强度与方向，本发明中使用磁场的方向来组合成为二进制码，如图2中有6个磁敏感元件5，每个磁敏感元件5测量得到该位置的磁场强度与方向并将其转化为模拟量，并通过数模转换器转换成数字量并传递给芯片做后续处理，经过芯片处理后可以分辨出该模拟量表达的磁场方向，我们假设磁场大于零即方向为正向的可得到1，磁场小于零即反向可得到0，则这6个磁敏感元件5可得到的二进制码格式为XXXXXX，如000001。在该二进制码的设计过程中，需要保证二进制码的唯一性，即该码在一个量程的测量过程中是唯一存在的。通过测量得到的唯一二进制码，称粗码，我们可以将满量程粗分为粗码的个数份理论区间，如图2中磁环6的理论区间为40份。

磁敏感元件5的分布与被测量物体的理论磁极分布拥有一定的间隔，即磁敏感元件5并不是分布在相邻的理论磁极附近的，这样带来的好处是：当使用如图1中的定制芯片方案时，以磁环1为例，共分为40份理论区间，可生成40个唯一二进制码，则因为芯片3中的磁敏感元件4拥有确定的间隔，所以磁环1的磁化最小极宽则必须与该理论区间的尺寸等，即为360°/40＝9°；而本发明使用的分离式方案，其在磁敏感元件5的分布中加入了间隔，其大小为2个理论磁极，使得在磁环6在磁化的过程中，其可以被磁化的最小极宽是大于9°的，为9°的整数倍，即如图2中的磁环6所示，该磁环6的理论磁极数为40份，而使用本发明分离式方案，实际磁化极数是远小于40份的，但是在计算时仍可得到由40份理论区间提供的波形数据，即40个唯一二进制码，具体的磁极数则是与间隔的大小、码型的设计有关，这样子则可以在加工的过程中减小充磁磁头的设计难度和成本。

与之对比的图1中的芯片3，在实际应用中，由芯片3的整体尺寸限制，其磁敏感元件4之间的间隔极小，所以对磁环的理论极宽是远小于9°的，且其最小磁化极宽等于理论极宽，磁环设计成本高，而本发明的最小磁化磁宽是远大于理论极宽的，使得磁环的设计、加工可行性更高。

本发明中每两个磁敏感元件5之间的间隔可以相等，也可以不同，但必须不能处理相邻的理论磁极附近，该间隔影响的是被测量磁性元件的磁码型设计，在保证可得到的所有二进制码于满量程唯一的情况下，可以极优地调整编码器的尺寸大小，同时又减小对应磁极的充磁难度，本发明使得编码器设计更加的灵活，适用于所有尺寸范围的应用场景。

在组合编码器与被测量磁性物质时，可以将粗码写入非易失性储存器中，制成对应的位置指示表，方便在运行的过程中处理芯片进行查表读取。

得到了粗位置的区间后，需要对该区间的数据进行细分从而得到高更的分辨率与精度，而对该区间的数据细分，最少需要两个磁敏感元件5输出的模拟数据，如图3所示的W1与W2波形，且该两个模拟数据必须满足相位差90度，即在每个粗分区间中，有可能出现的波形为F1、F2、F3、F4四段中的一种组合，这四个种类的波形组合都可以通过对两个波形的模拟量进行反正切的方法得到最终的细分的位置，从而再和粗分的位置数据进行组合，得到最终的位置数据。

为了能够得到一组相差90度的波形，则需要保证编码器运行的过程中，在这N个磁敏感元件5输出的数据则需满足上一时刻与下一时刻的相邻二进制码最少发生一位的变化，如这三个相邻的运动时态：读取的唯一二进制码从000001至000011至000111，其每个二进制码对应所对应的格式是B5，B4，B3，B2，B1，B0位数据，即6个传感器出来的每一位，当从000001过渡到000011时，则B1从磁感应强度为负过渡到磁感应强度为正，该波形经过零点；当从000011过渡到000111时，B2从磁感应强度为负过渡到磁感应强度为正，该波型经过零点。所以可以得到的是在000011粗分区间内，B1测量得到的磁感应强度是基于正方向从0逐渐递增的，B2出来的磁感应强度是基于负方向从向0递减的，所以B1与B2则分别对应图3中的F3类型的波形组合，即B1对应W2曲线，B2对应W1曲线。在每一粗分区间中，必须保证该组合的存在，才能在数学上对其进行可靠的细分处理，根据二进制码的设计不同，有的区间有可能存在多种波形的组合。

对于细分的处理，实际得到的波型远不如图3所示的规整，若直接使用反正切的方法得到的角度则会带有一部分的误差，需要对每一个粗分区域出现的波形进行标定，得到实际的曲线后，并拟合成函数，将该函数储存于非易失性传感器中，在实际运行时处理芯片将两个模拟量代入到该函数中得到对应的角度数据，该函数在设计过程中也需要考虑温度漂移、安装位置浮动带来的幅值上的改变及误差的抵消。

在得到高分辨率的绝对值位置后，如果需要增量数据，则可以对得到的绝对值位置进行增量插补，以弦波或方波的形式输出增量数据。

本发明通过对多极磁化的磁性物质做为被测装置，并提出了一种分离式的磁编码器测量方案，优化了充磁方式，得到灵活的整体结构，通过组合粗分与细分获取最终的高分辨率，该方案可以通过调节间隔来获取不同的对于空间分布安装位置的敏感度，且得其对安装精度极不敏感。

Claims (9)

1.基于码型的分离式磁编码器，其特征在于具备：磁敏感元件与处理芯片、磁化成多个磁极的被测量装置。

2.根据权利要求1所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于磁敏感元件与处理芯片固定于PCB上。

3.根据权利要求1所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于磁敏感元件分布之间存在相对于理论磁极而言的间隔，且每两个磁敏感元件之间的间隔可以相同也可以不同。

4.根据权利要求1所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于磁敏感元件在被测量装置的磁化后的磁极上可以测量到唯一二进制码。

5.根据权利要求1所述的基于码型的分离式磁编码器，拥有数模转换模块，将磁敏感元件输出的模拟量转换为数字量，并交给处理芯片做处理的装置。

6.根据权利要求5所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于使用磁敏感元件测量得到的磁感应方向来作为二进制码的0、1组成元素。

7.根据权利要求5所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于每一个粗分区域最少拥有两个相位差为90°的波形中的一个种类。

8.根据权利要求5所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于处理芯片内会储存标定后的每个粗分区间的处理函数。

9.根据权利要求5所述的基于码型的分离式磁编码器，其特征在于可以根据测量得到的绝对值位置信息插补后输出增量位置信息。