CN110006336A - 一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法 - Google Patents

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Abstract

一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，包括主轴、主体、信号处理电路板以及壳体。主轴与主体间为双轴承支承结构，主轴沉孔中安装有径向充磁圆形磁铁。信号处理电路板为圆片形，正面中心设置有霍尔传感器芯片，反面设置有微控制器、CAN总线接口电路，通过螺钉固定在主体的台阶面上。本发明采用对径差分方式测试磁场信号，并用闭环跟踪细分算法，使测量角快速收敛到输入的两路正交余弦信号对应角度值。本发明的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法提高了抗干扰能力，提升了测角精度和响应速度。

Description

一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法
技术领域
本发明涉及位移和角度传感器技术领域，尤其是涉及一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法。
背景技术
磁电编码器作为一种位移和角度传感器，广泛应用于电机伺服系统及自动控制系统。航空航天领域对磁电编码器要求更高，要求具有高动态、高精度、高可靠性的输出，还要具备结构紧凑、抗油污、抗震动特点。
专利(专利号：ZL201620250596.5)提供了一种双霍尔信号采样磁电编码器，采用两个相位差为90°的霍尔传感器对磁场信号进行采样，这种结构的磁场信号容易受到杂散磁场、环境温度的影响；其次，角度解调时，对两路正余弦信号进行反正切计算得到角度值的这种角度解算，对结构安装精度要求高，常规结构难以满足要求；另外，这种算法计算量大，对处理器性能要求较高，角度输出延迟大，难以满足实时解算要求。专利(专利号：ZL200520140332.6)提供了一种小型单圈绝对式磁电编码器设计方案，其磁轴套与主轴分体设计，且采用挡圈作为主轴轴向限位，不能保证磁铁旋转精度，也难以保证磁铁与霍尔传感器芯片的相对位置精度，从而难以保证磁电编码器的高精度。
显然，采用现有技术方案的磁电编码器不能满足航空航天领域对磁电编码器的高动态、高精度、高可靠性输出要求，也不具备结构紧凑、抗油污、抗震动特点。
发明内容
为了实现磁电编码器的高动态、高精度、高可靠性输出要求，还要具备结构紧凑、抗油污、抗震动特点，需要在磁电编码器的结构上、装配上做出技术改进，以满足航空航天领域对磁电编码器的技术要求。
为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，包括主轴、主体、信号处理电路板以及壳体。
所述主轴为阶梯轴，轴前段为位移输入轴，轴中段为安装轴，轴后段设置有轴肩，在轴肩内部同轴心设置有主轴沉孔，在主轴沉孔内涂胶压入有径向充磁圆形磁铁，主轴还在位移输入轴与安装轴之间设置有螺纹段。
所述主体为带法兰的轴套结构，轴套内设置有多个台阶孔，靠近法兰面的轴承孔被凸台分为前轴承孔、后轴承孔两部分，背向法兰面的后轴承孔与台阶孔连接，在台阶孔的径向设置有槽孔，与台阶孔相连的是电路板安装孔，在电路板安装孔与台阶孔的台阶面上设施有多个螺纹孔，主体还在背向法兰端的轴套外径上设置一阶梯轴，并在阶梯轴的台阶面处设置有径向环槽。
主轴通过后轴承、前轴承与主体连接，其中，后轴承内圈安装在主轴的安装轴上，外圈安装在主体的后轴承孔内，后轴承端面的一端与主轴的轴肩接触，另一端与凸台的下凸台面接触；前轴承内圈安装在主轴的安装轴上，外圈安装在主体的前轴承孔内，前轴承端面的一端与凸台的上凸台面接触；另一端与安装在主轴螺纹段上的锁紧螺母接触。
在主体的台阶面上通过多个螺钉安装有信号处理电路板，信号处理电路板为圆片形，正面中心设置有霍尔传感器芯片，反面设置有微控制器、CAN总线接口电路；霍尔传感器芯片上设置有四个以圆形片圆心为中心，圆周向均匀排列的Hall传感器；在主体的阶梯轴上扣合安装有壳体。
为了进一步改进技术方案，本发明所述壳体与主体上的环槽之间填充有胶液。
为了进一步改进技术方案，本发明所述前轴承、后轴承为带密封圈的轴承。
一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法中的磁铁与Hall安装间距控制方法，包括以下步骤：
步骤一、通过调整锁紧螺母，消除主轴上的轴承、轴承的轴向间隙，使得固定在主轴沉孔内的径向充磁圆形磁铁没有轴向窜动，并在锁紧螺母螺纹处涂抹螺纹胶；
步骤二、将带有Hall传感器的信号处理电路板用多个螺钉安装在主体的台阶面上，此时信号处理电路板与径向充磁圆形磁铁之间形成间隙；
步骤三、通过主体上的槽孔，插入装配工装到信号处理电路板与径向充磁圆形磁铁形成的间隙中，所述装配工装为具有一系列厚度的长条体，更换不同厚度的装配工装，直至装配工装垂直于厚度方向的两个面贴合信号处理电路板与径向充磁圆形磁铁，算出设计间距与该装配工装板厚的差值；
步骤四、拆下信号处理电路板，选择与步骤三所述差值等厚的垫片，垫在信号处理电路板与主体的台阶面之间，在螺钉螺纹部涂抹螺纹胶，重新用多个螺钉紧固固定。
为了进一步改进技术方案，本发明所述霍尔传感器芯片上的四个Hall传感器是采用对径差分方式采集旋转磁场信号，并输出两路正交正弦信号传输给微控制器，微控制器对两路正弦信号进行AD变换，然后调用闭环跟踪细分算法计算出角度，并数字输出。
由于采用如上所述的技术方案，本发明具有如下有益效果：
本发明公开的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，在结构上，磁铁安装孔设计在主轴上，保证与主轴同心，并通过消除主轴轴承轴向间隙，提高了固定在主轴上的磁铁的旋转精度和轴向定位精度。在装配上，通过装配工装调整磁铁与hall的安装距离，保证磁铁与hall之间的距离精度；通过壳体与主体环槽之间通过注胶紧固、密封，选用带密封圈的轴承，锁紧螺母、螺钉涂抹螺纹胶等措施，提高了抗油污、抗震动能力，也使磁电编码器整体紧凑、性能可靠。在细分算法上，采用闭环跟踪细分算法，提高了角位移输出精度，缩短了计算时间，提高了动态响应。
附图说明
图1为本发明的剖面示意图。
图2为主轴结构示意图。
图3为主体剖面结构示意图。
图4为信号处理电路板正面结构示意图。
图5为信号处理电路板反面结构示意图。
图6为装配工装结构示意图。
图7为角度细分算法框图。
图中：1、紧定螺母；2、主轴；21、螺纹段，22、安装轴，23、轴肩；24、主轴沉孔；25、位移输入轴；3主体，31、凸台；32、螺纹孔；33、台阶面；34、环槽；35、槽孔，41、前轴承；42、后轴承；5、径向充磁圆形磁铁；6、螺钉；7、信号处理电路板；71、霍尔传感器芯片；72、微控制器；73、CAN总线接口电路；8、壳体，9、装配工装。
具体实施方式
通过下面的实施例，结合附图可以详细的解释本发明，公开本发明的目的旨在保护本发明范围内的一切技术改进。
一种小型高精度磁电编码器结构，包括主轴2、主体3、信号处理电路板7以及壳体8。主轴2上的位移输入轴25用来连接需要测量角度的旋转件；主轴2为双轴承支撑结构安装于主体3的轴承孔内，使固定安装在主轴沉孔24内的径向充磁圆形磁铁5，可绕主轴轴心无径向跳动地旋转，用来支撑旋转的前轴承41、后轴承42带有密封圈结构。在主体3的阶梯轴36上扣合安装有壳体8，并在壳体8与主体3上的环槽34之间填充有胶液，用来提高整体的密封性。
主体3内的台阶面33上安装有信号处理电路板7，信号处理电路板7在径向充磁圆形磁铁5的下方，且间隔一定距离，该距离精度对磁电编码器的角度测量精度比较重要，因此要进行安装位置调整，调整步骤如下：
步骤一、通过调整锁紧螺母1，消除主轴2上的轴承42、轴承41的轴向间隙，使得固定在主轴沉孔24内的径向充磁圆形磁铁5没有轴向窜动，并在锁紧螺母1的螺纹处涂抹螺纹胶，用来防松动、增加抗震性。
步骤二、将带有Hall传感器711的信号处理电路板7用多个螺钉6安装在主体3的台阶面33上，此时信号处理电路板7与径向充磁圆形磁铁5之间形成一定距离的间隙；为了保证磁铁与Hall安装间距可调，主体3上的电路板安装孔孔深为上公差；
步骤三、通过主体3上的槽孔35，插入装配工装9到信号处理电路板7与径向充磁圆形磁铁5形成的间隙中，所述装配工装9为具有一系列厚度的长条体，更换不同厚度的装配工装9，直至装配工装9垂直于厚度方向的两个面刚刚贴合信号处理电路板7与径向充磁圆形磁铁5，算出设计厚度与该装配工装9板厚的差值；
步骤四、拆下信号处理电路板7，选择与步骤三所述差值等厚的垫片，垫在信号处理电路板7与主体3的台阶面33之间，再重新用多个螺钉6紧固固定。螺钉6的螺纹部涂抹有螺纹胶，用来防松动、增加抗震性。
本发明采用径差分方式采集旋转磁场信号，并通过闭环跟踪细分算法计算输出测量角度值，具体如以下步骤：
步骤一、需要测量角度的旋转件带动主轴2旋转，主轴2上的径向充磁圆形磁铁5同轴旋转，建立旋转磁场；
步骤二、信号处理电路板7上的四个霍尔传感器芯片71采用对径差分方式采集旋转磁场信号，并输出两路正交正弦信号传输给微控制器72；
步骤三、微控制器72对两路正弦信号进行AD变换，然后采用闭环跟踪细分算法，以两路正交正弦信号为输入，测量角为输出，构造闭环反馈系统，通过综合滤波算法计算反馈角度误差，实时更新测量角度数值，使测量角快速收敛到输入的两路正交余弦信号对应角度值，并将测量角度值以数字方式输出。
本发明未详述部分为现有技术。

Claims (5)

1.一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，其特征是：包括主轴(2)、主体(3)、信号处理电路板(7)以及壳体(8)；
所述主轴(2)为阶梯轴，轴前段为位移输入轴(25)，轴中段为安装轴(22)，轴后段设置有轴肩(23)，在轴肩内部同轴心设置有主轴沉孔(24)，在主轴沉孔(24)内压入有径向充磁圆形磁铁(5)，主轴(2)还在位移输入轴(25)与安装轴(22)之间设置有螺纹段(21)；
所述主体(3)为带法兰的轴套结构，轴套内设置有多个台阶孔，靠近法兰面的轴承孔被凸台(31)分为前轴承孔(37)、后轴承孔(38)两部分，背向法兰面的后轴承孔(38)与台阶孔连接，在台阶孔的径向设置有槽孔(35)，与台阶孔相连的是电路板安装孔，在电路板安装孔与台阶孔的台阶面(33)上设施有多个螺纹孔(32)，主体(3)还在背向法兰端的轴套外径上设置一阶梯轴(36)，并在阶梯轴(36)的台阶面处设置有径向环槽(34)；
主轴(2)通过后轴承(42)、前轴承(41)与主体(3)连接，其中，后轴承(42)内圈安装在主轴(2)的安装轴(22)上，外圈安装在主体(3)的后轴承孔(38)内，后轴承(42)端面的一端与主轴(2)的轴肩(23)接触，另一端与凸台(31)的下凸台面接触；前轴承(41)内圈安装在主轴(2)的安装轴(22)上，外圈安装在主体(3)的前轴承孔(37)内，前轴承(41)端面的一端与凸台(31)的上凸台面接触；另一端与安装在主轴(2)螺纹段(21)上的锁紧螺母(1)接触；
在主体(3)的台阶面(33)上通过多个螺钉(6)安装有信号处理电路板(7)，信号处理电路板(7)为圆片形，正面中心设置有霍尔传感器芯片(71)，反面设置有微控制器(72)、CAN总线接口电路(73)；霍尔传感器芯片(71)上设置有四个以圆形片圆心为中心，圆周向均匀排列的Hall传感器(711)；在主体(3)的阶梯轴(36)上扣合安装有壳体(8)。
2.如权利要求1所述的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，其特征是：所述壳体(8)与主体(3)上的环槽(34)之间填充有胶液。
3.如权利要求1所述的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法，其特征是：所述前轴承(41)、后轴承(42)为带密封圈的轴承。
4.一种如权利要求1所述的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法中的磁铁与Hall安装间距控制方法，包括以下步骤：
步骤一、通过调整锁紧螺母(1)，消除主轴(2)上的轴承(42)、轴承(41)的轴向间隙，使得固定在主轴沉孔(24)内的径向充磁圆形磁铁(5)没有轴向窜动，并在锁紧螺母(1)螺纹处涂抹螺纹胶；
步骤二、将带有霍尔传感器芯片(71)的信号处理电路板(7)用多个螺钉(6)安装在主体(3)的台阶面(33)上，此时信号处理电路板(7)与径向充磁圆形磁铁(5)之间形成间隙；
步骤三、通过主体(3)上的槽孔(35)，插入装配工装(9)到信号处理电路板(7)与径向充磁圆形磁铁(5)形成的间隙中，所述装配工装(9)为具有一系列厚度的长条体，更换不同厚度的装配工装(9)，直至装配工装(9)垂直于厚度方向的两个面贴合信号处理电路板(7)与径向充磁圆形磁铁(5)，算出设计间距与该装配工装(9)板厚的差值；
步骤四、拆下信号处理电路板(7)，选择与步骤三所述差值等厚的垫片，垫在信号处理电路板(7)与主体(3)的台阶面(33)之间，在螺钉(6)螺纹部涂抹螺纹胶，重新用多个螺钉(6)紧固固定。
5.如权利要求4所述的一种小型高动态高精度数字输出磁电编码器及安装控制方法中的磁铁与Hall安装间距控制方法，其特征是：所述霍尔传感器芯片(71)上的四个Hall传感器(711)是采用对径差分方式采集旋转磁场信号，并输出两路正交正弦信号传输给微控制器(72)，微控制器(72)对两路正弦信号进行AD变换，然后调用闭环跟踪细分算法计算出角度，并数字输出。
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