CN110345976A - 一种光磁混合编码器系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了的光磁混合编码器系统，包括光电池；感应正对磁钢中心位置磁场变化的磁感芯片；感应正对磁钢边缘位置磁场变化的霍尔芯片。处理器用于根据所述光编码信号解算出绝对位置的刻线相位角；根据磁编码信号生成绝对位置的刻线值和圈数值；衔接所述刻线相位角、所述刻线值以及所述圈数值，获得多圈绝对位置信息。本申请是分别根据两种解算方式的精确度，各选取两组绝对位置的部分数据进行衔接组合，从而获得较为准确地位置数据；另外，磁编码信号是基于分别对应于磁钢中心位置和边缘位置两种不同位置的磁场变化而生成的，提高整个光磁编码器的测量精度，有利于光磁混合编码器的广泛应用。

Description

一种光磁混合编码器系统

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别是涉及一种光磁混合编码器系 统。

背景技术

光编码器是由一个中心有轴的光电码盘，其上有环形明暗相间的 刻线，有光电发射和接收器件读取并获得信号的一类传感器，主要用 来测量位移或角度。光电编码器具有测量精确度高的优点，同时也存 在易污染，抗干扰能力差的缺点。光编码器是因其测量精确度高的特 点，成为目前行业内应用最为广泛的编码器。但是光编码器因为抗污 染、抗干扰能力弱，也使得光编码器的应用受到一定的限制。

另外，目前还存在一种光磁混合编码器，通过结合检测的光信号 和电信号共同解算出位置信息。这种编码器能够在一定程度上减小污 染、震动等方面的干扰对解算出的位置信息的准确度的影响。

发明内容

本发明的目的是提供一种光磁混合编码器系统，提高光磁编码器 的测量精度，有利于光磁混合编码器的广泛应用。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光磁混合编码器系统，包 括用于感应码道的光信号的变化，生成相应的光编码信号的光电池；

用于感应磁钢的磁场变化，生成磁编码信号的磁感芯片，其中， 所述磁钢和设置有所述码道的码盘设于同一旋转主轴上；

和所述光电池以及所述磁感芯片分别相连接的处理器，用于根据 所述光编码信号解算出第一绝对位置；根据所述磁编码信号解算出第 二绝对位置；衔接所述第一绝对位置中的刻线相位角、所述第二绝对 位置的刻线值以及所述第二绝对位置的圈数值，获得多圈绝对位置信 息。

其中，所述磁钢包括半圆形N磁极和半圆形S磁极；

所述磁感片包括第一磁感芯片和第二磁感芯片；

所述第一磁感芯片包括两个正交设置的芯片，且所述磁钢每旋转 一圈，所述第一磁场芯片输出一个周期的方波信号；且两个所述第一 磁感芯片输出信号的相位差为90度；

所述第二磁感芯片用于所述磁钢每旋转一周，输出两个周期的正 弦信号和两个周期的余弦信号。

其中，两个所述第一磁感芯片均设于正对所述磁钢边缘位置处； 所述第二磁感芯片设于正对所述磁钢中心位置处。

其中，所述第一磁感芯片为TMR芯片、GMR芯片或AMR芯片 任意一种，所述磁感芯片为AMR芯片。

其中，所述磁钢设置在所述码盘的中心位置。

其中，所述处理器具体用于：

根据当前时刻的两个所述方波信号，确定当前时刻的第二绝对位 置的位置范围；根据所述位置范围和当前时刻的所述正弦信号和所述 余弦信号，确定当前时刻的所述第二绝对位置的刻线值；根据所述第 一磁感芯片输出的方波信号的累计周期数，获得所述第二绝对位置的 圈数值。

其中，所述处理器具体还用于：

将所述第一绝对位置和所述第二绝对位置的刻线值、刻线相位角 以及圈数值进行一一对比，判断所述编码器是否可用。

其中，所述处理器具体还用于：

将所述第一绝对位置和所述第二绝对位置的刻线值、刻线相位角 以及圈数值分别和标准编码器的解算获得的标准绝对位置的刻线值、 刻线相位角以及圈数值进行对比，并根据对比结果对两组所述绝对位 置进行校正。

其中，所述码盘上的码道为游标码道、格雷码道或M序列码道中 的任意一种码道。

其中，所述码盘上的码道为游标码道；所述光电池为内置有运算 单端输出电路、比较器电路以及差分运算电路。

本发明所提供的光磁混合编码器系统，包括用于光电池；感应正 对磁钢中心位置磁场变化的磁感芯片；感应正对磁钢边缘位置磁场变 化，霍尔芯片。处理器用于根据所述光编码信号解算出绝对位置的刻 线相位角；根据磁编码信号生成绝对位置的刻线值和圈数值；衔接所 述刻线相位角、所述刻线值以及所述圈数值，获得多圈绝对位置信息。

相对于现有技术的光磁混合编码器的中结合光编码信号和磁编 码信号共同解算出绝对位置的方式而言，本申请是分别基于光编码信 号和磁编码信号即可分别解算出绝对位置，且根据两种解算方式的精 确度，各选取两组绝对位置的部分数据进行衔接组合，从而获得较为 准确地位置数据。另外，磁编码信号是基于分别对应于磁钢中心位置 和边缘位置两种不同位置的磁场变化而生成的，有利于提高磁编码器 的测量精度，进而提高整个光磁编码器的测量精度，有利于光磁混合 编码器的广泛应用。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，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的介绍，显而易 见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的光磁混合编码器系统的框架示意图；

图2为本发明实施例提供的光磁混合编码器的局部结构示意图；

图3为第一磁感芯片和第二磁感芯片的输出信号的对应关系的坐 标示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图 和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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。

如图1和图2所示，图1为本发明实施例提供的光磁混合编码器 系统的框架示意图，图2为本发明实施例提供的光磁混合编码器的局 部结构示意图，该系统可以包括：

感应码道4的光信号的变化，生成相应的光编码信号的光电池1；

用于感应磁钢6的磁场变化，生成磁编码信号的磁感芯片2，其 中，磁钢6和设置有码道4的码盘5设于同一旋转主轴7上；

和光电池1以及磁感芯片2分别相连接的处理器3；其中，处理 器3用于根据光编码信号解算出第一绝对位置；根据磁编码信号解算 出第二绝对位置值；衔接第一绝对位置中的刻线相位角、第二绝对位 置的刻线值以及第二绝对位置的圈数值，获得多圈绝对位置信息。

具体地，对于光电池1是用于感应检测码盘5的码道4上的光信 号的感应元件相同，和码盘5的相对位置与常规光编码器中设置方式 类似，在此不详细赘述。

当旋转主轴7旋转时，码盘5和磁钢6也会随之旋转，光电池1 接收到的光源8通过码道4的光栅刻线发射的光线，也随着光栅明暗 条纹的变化而变化，进而输出相应的光编码信号，用于感应磁钢6旋 转时磁场的变化的磁感芯片2，也随着磁钢6的旋转可以输出相应的 磁编码信号。

本实施例中的带有码道4的码盘5、旋转主轴7以及光电池1共 同形成了光编码器的主要部件，根据光电池1输出的光编码信号，是 可以解算出完整的绝对位置的，本申请中将通过光电池1输出的光编 码信号设为第一绝对位置。而同理，通过磁感芯片2感应磁钢6旋转 导致的磁感芯片所在位置的磁场变化，进而输出的磁编码信号，也可 以决算出一组绝对位置，本实施例中设为第二绝对位置。

对于本实施例中光磁混合编码器而言，处理器3可以根据光电池 1和磁感芯片2输出的编码信号可以分别解算出两组绝对位置，但是 光编码信号解算出的绝对位置是基于光电池和码盘5之间的相对位置 而言的，而磁编码信号解算出的绝对位置是基于磁感芯片2相对于磁 钢6的相对位置而言的。但是码盘5和磁钢6之间的旋转是同步进一 步的，而光电池1和磁感芯片2之间的相对位置固定，因此，本申请 中通过磁编码器解算出第二绝对位置之后，可以转换为以光电池1和 码盘5之间的相对位置进行表示，也即是说第一绝对位置和第二绝对 位置均是以光编码器中表征绝对位置的方式进行表示。

但是对于磁编码器而言，其优势是具有抗污染、抗振动干扰的特 性，而解算出的绝对位置的精确度相对于光编码器而言，精度相对较 低。例如尽管光编码器和磁编码磁分别获得的编码信号均可以解算出 绝对位置的刻线值，但磁编码器解算出的刻线值往往是不准确的；反 之，对于光编码器而言，一旦受到油污污染、震动干扰等影响，往往 会难以计算出准确地刻线值以及圈数值。

因此，本实施例中根据光编码器和磁编码器各自的优势特点，选 取两种编码器解算出的绝对位置中较为准确地一部分进行衔接组合， 从而获得更为准确地绝对位置。并且本实施例中两种编码器均可以独 立解算出绝对位置，当一种编码器出现故障时，另一种编码器还能够 起到冗余的作用。

目前已有的光磁混合编码中，尽管也是分别输出光编码信号和磁 编码信号，但是在进行绝对位置解算时，两种数据需要相互参照，而 无法独立解算出绝对位置值，因此现有技术中的光磁混合编码器并不 具有冗余的功能。

另外，基于上述论述，可知，本实施例中不论码盘5上是采用哪 一种码道4根据光编码信号只要能够解算出当前刻线的相位角即可。 具体地，可以采用游标码码道、格雷码码道、M序列码道、单圈码道 中的任意一种码道，对此，本实施例中不做具体限定。

在实际进行绝对位置解算时，为了获得更为精准的绝对位置，往 往考虑将光编码组件和电编码组件分别解算出来的绝对位置进行相互 矫正，以减小测量误差，获得更为精准的测量结果。因此，这就要求 光编码组件采集的光信号数据也能解算出刻线值，那么码盘5上码道 4的数量就要求不少于两圈。而对于不要求解算出完整的第一绝对位 置的实施例中，采用单圈码道的码盘5也能实现本申请的技术方案。 因此，对于码道4的种类，可以根据实际需要进行选择。

本申请中的光磁混合编码器系统相对于现有的混合编码器而言， 具有容错冗余的功能；另外，针对光编码器和磁编码器各自的优势， 将两种编码器输出的电信号分别进行解算之后，对解算结果进行组合 衔接，从而获得更为精准度高、精确度高的绝对位置信息，提升了混 合编码器的测量性能，有利于混合编码器的广泛应用。

基于上述实施例，如图2所示，在本发明的另一具体实施例中还 可以进一步地包括：

磁感芯片2包括第一磁感芯片21和第二磁感芯片22；

第一磁感芯片21包括两个正交设置的芯片，且磁钢6每旋转一圈， 第一磁场芯片21输出一个周期的方波信号；且两个第一磁感芯片21 输出信号的相位差为90度；

第二磁感芯片22用于磁钢每旋转一周，输出两个周期的正弦信号 和两个周期的余弦信号。

如图2所示，在图2中磁钢6包括半圆形N磁极和半圆形S磁极， 两个第一磁感芯片21正对磁钢6边缘上的物理位置相差90度弧度， 那么两个第一磁感芯片21输出的信号相位也就相差90度。另外图2中第二磁感芯片22设置在正对磁钢6中心的位置。在实际应用中，该第二磁感芯片22也可以设置在正对磁钢6边缘位置处，但是因为磁感 芯片2以及光电池1等部件均需要设置在线路板上，使得线路板上的 芯片较多，因此将该第二磁感芯片22设置在正对磁钢6中心位置，可 以使得线路板上芯片布局更为紧凑。

进一步地，对于磁钢6而言，也并不一定采用圆形磁钢，还可以 是圆环形磁钢，且半个圆环为N极半个圆环为S极也能实现本申请的 技术方案，对此本申请中不再赘述。

对于第一磁感芯片21而言，需要输出方波信号，具体地可以采用 霍尔芯片、TMR芯片、GMR芯片、或者AMR芯片中的任意一种磁 感芯片；对于第二磁感芯片22，需要在磁钢旋转一圈时，输出两个正 余弦信号，那么第二磁感芯片22具有可以是AMR芯片。

如图3所示，图3为第一磁感芯片和第二磁感芯片的输出信号的 对应关系的坐标示意图。图3中磁钢6每旋转一周，每个第一磁感芯 片21即可分别输出一个周期的方波信号，且两个第一磁感芯片21的 方波信号相差90度；相应地，磁钢6每旋转一周，第二磁感芯片22 可输出量个周期的正弦信号和余弦信号。

另外，在图3中磁钢6设置在码盘5的中心处，和码盘5设置在 同一平面内。

因为磁钢6和码盘5均需要随着旋转主轴7旋转，且磁钢6的直 径一般不大于码盘5上码道4的内环，为了尽可能的缩小编码器的空 间体积，可以将磁钢6设置在码盘5的中心位置，使得码盘5和磁钢 6在同一平面内，共同可随旋转主轴7旋转，使得码盘5和磁钢6的结构设置更为紧凑合理，减小编码器的整体结构。当然码盘5和磁钢 6不设置在同一平面内，也能实现本申请的技术方案。

可选地，基于第一磁感芯片21输出的方波信号，和第二磁感芯片 22输出正弦信号以及余弦信号，在本发明另一具体实施例中，处理器 3具体用于：根据当前时刻的两个方波信号，确定当前时刻的第二绝 对位置的位置范围；根据位置范围和当前时刻的正弦信号和余弦信号， 确定当前时刻的第二绝对位置的刻线值；根据第一磁感芯片输出的方 波信号的累计周期数，获得第二绝对位置的圈数值。

根据图3可知，两个第一磁感芯片21输出的高低电平存在四种组 合状态。因为第一磁感芯片21的方波信号的周期起始点和第二磁感芯 片22的正余弦信号的周期起点具有一定的同步性，且周期时长是2倍 的关系；那么根据两个第一磁感芯片21输出的高低电平不同的组合， 即可确定当前位置对应于第二磁感芯片22输出的第几个周期的正余弦 信号，也即是第二绝对位置的位置范围，在根据第二磁感芯片22当前 输出的正余弦值的大小，即可解算出当前的第二绝对位置。

例如图3所示，当第一个第一磁感芯片输出的是高电平，第二个第 一磁感芯片输出的是低电平；即可确定出第二磁感芯片22当前输出的 是第一个周期内的正余弦信号，在根据第二磁感芯片22输出的正弦信 号为a，预先信号为b，即可进一步获得当前的第二绝对位置。

需要说明的是，之所以在磁钢6每旋转一圈，第二磁感芯片22 输出两个周期的正余弦信号，是为了基于正余弦信号解算出更精准的 第一绝对位置。尽管第二磁感芯片22也可以在磁钢6旋转一圈时，只 输出一个周期的正余弦信号，而此时无需采用第一磁感芯片21检测磁 场变化，即可解算出第二绝对位置，但是这种解算方式解算出的第二 绝对位置的精度较低。因此，本实施例中采用两个第一磁感芯片21 和一个第二磁感芯片22结合，是一种优选的实施方式。

另外，因为磁钢6每旋转一圈，第一磁感芯片21输出一个周期的 方波信号，因此根据第一磁感芯片21的方波信号的周期数即可获得圈 数值。

可选地，在本发明的另一具体实施例中，还可以进一步地包括：

码盘5上的码道4为游标码道；光电池1为内置有运算单端输出 电路、比较器电路以及差分运算电路。

需要说明的是，对于光电池1输出的光编码信号，一般都是模拟 量信号，但是处理器3并不能对该光编码信号进行解算处理，而需要 在光电池1和处理器3中间设置差分电路、运算单端输出电路、以及 比较器电路。

例如，当光电池1接收到游标码的主码道M的光信号后，可生成 M_Sin+信号、M_Sin-信号、M_Cos+信号、M_Cos-信号，其中，M_Sin+ 信号和M_Sin-信号需要通过运算单端输出电路处理，生成M_Sin信 号，M_Sin信号为和M_Sin+信号具有相同周期，且幅值增大两倍的信 号；M_Sin+信号和M_Sin-信号还需要通过比较器电路处理，输出 M_Sin_Pulse数字信号；M_Sin+信号和M_Sin-信号还需要通过差分运 算电路处理，输出进行差分运算后的M_Sin+信号和M_Sin-信号。

对于主码道的M_Cos+信号、M_Cos-信号也需要进行类似的处理， 而针对游标码中的段码道N和游标码道S的信号则只需要运算单端输 出电路、比较器电路处理即可；且针对每个码道的正弦信号和余弦信 号进行处理的运算单端输出电路、比较器电路以及差分运算电路是相 互独立的，也就要求处理器3和光电池1之间需要设置较多运算单端 输出电路、比较器电路以及差分运算电路。

因此，在线路板上需要设置较为复杂的电路结构，且在光磁混合 的编码器中，线路板上还需要同时设置多个磁感芯片，进一步使得线 路板上的空间较为拥挤。

本实施例中将运算单端输出电路、比较器电路以及差分运算电路 等电路集成在光电池中，从而减小了光电池1和处理器3中之间的电 路元件，为磁感芯片2在线路板上的设置提供足够的空间，有利于编 码器小型化的发展。

如前所述，本申请中的处理器3可以根据光编码信号和磁编码信 号可以分别独立解算出两个绝对位置，因此两个绝对位置可以互为冗 余的作用。但是在此基础上，二者也可以用作相互校正的功能。因此， 在本发明的另一具体实施例中，该处理器3还可以用于：

将所述第一绝对位置和所述第二绝对位置的刻线值、刻线相位角 以及圈数值进行一一对比，判断所述编码器是否可用。

在正常情况下，通过光编码信号解算出的第一绝对位置与磁编码 信号算出的第二绝对位置，在误差允许范围内是相同的。因此，如果 一旦两种方式解算出的绝对位置相差较大，则说明光电混合编码器必 然出现故障。

本申请基于上述原理，处理器3可以在分别解算出两组绝对位置 值后，对两个绝对位置值进行对比，例如，若两组绝对位置的刻线值 相差1/4的码道，显然，该光磁混合编码器存在故障，至于故障原因 可以根据实际情况判断确定。

可选地，在本发明的另一实施例中，该处理器3具体还可以可以 用于：将第一绝对位置和第二绝对位置的刻线值、刻线相位角以及圈 数值分别和标准编码器的解算获得的标准绝对位置的刻线值、刻线相 位角以及圈数值进行对比，并根据对比结果对两组绝对位置进行校正。

如上所述，处理器3尽管可以根据光编码信号和磁编码信号，分 别解算出两组绝对位置进行相互对比校正；但是这种校正方式并不能 准确判断出是光编码信号出现偏差还是磁编码信号出现偏差。因此， 本实施例中通过获得标准编码器的绝对位置作为参考标准，即可准确 地判断出解算出的绝对位置出现偏差的原因。

另外，上一实施例中，采用中光编码信号和磁编码信号解算出的 绝对位置进行对比校正，可以应用于光磁编码器在实际测量中的校正， 起到实时对编码器的测量结果进行监测的作用，以便能够及时发现编 码器在测量过程中的故障问题，以保证光磁编码器的测量结果的可靠 性。而本申请中的校正方法，可以应用于光磁编码器投入使用前的校 正检验。

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。另外，本发明实施例提供的上述技术方案 中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以 免过多赘述。

本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 明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分 互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，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。

Claims (10)

1.一种光磁混合编码器系统，其特征在于，包括用于感应码道的光信号的变化，生成相应的光编码信号的光电池；

用于感应磁钢的磁场变化，生成磁编码信号的磁感芯片，其中，所述磁钢和设置有所述码道的码盘设于同一旋转主轴上；

和所述光电池以及所述磁感芯片分别相连接的处理器，用于根据所述光编码信号解算出第一绝对位置；根据所述磁编码信号解算出第二绝对位置；衔接所述第一绝对位置中的刻线相位角、所述第二绝对位置的刻线值以及所述第二绝对位置的圈数值，获得多圈绝对位置信息。

2.如权利要求1所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述磁钢包括半圆形N磁极和半圆形S磁极；

所述磁感片包括第一磁感芯片和第二磁感芯片；

所述第一磁感芯片包括两个正交设置的芯片，且所述磁钢每旋转一圈，所述第一磁场芯片输出一个周期的方波信号；且两个所述第一磁感芯片输出信号的相位差为90度；

所述第二磁感芯片用于所述磁钢每旋转一周，输出两个周期的正弦信号和两个周期的余弦信号。

3.如权利要求2所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，两个所述第一磁感芯片均设于正对所述磁钢边缘位置处；所述第二磁感芯片设于正对所述磁钢中心位置处。

4.如权利要求2所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述第一磁感芯片为TMR芯片、GMR芯片或AMR芯片任意一种，所述磁感芯片为AMR芯片。

5.如权利要求2所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述磁钢设置在所述码盘的中心位置。

6.如权利要求2所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述处理器具体用于：

根据当前时刻的两个所述方波信号，确定当前时刻的第二绝对位置的位置范围；根据所述位置范围和当前时刻的所述正弦信号和所述余弦信号，确定当前时刻的所述第二绝对位置的刻线值；根据所述第一磁感芯片输出的方波信号的累计周期数，获得所述第二绝对位置的圈数值。

7.如权利要求6所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述处理器具体还用于：

将所述第一绝对位置和所述第二绝对位置的刻线值、刻线相位角以及圈数值进行一一对比，判断所述编码器是否可用。

8.如权利要求6所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述处理器具体还用于：

将所述第一绝对位置和所述第二绝对位置的刻线值、刻线相位角以及圈数值分别和标准编码器的解算获得的标准绝对位置的刻线值、刻线相位角以及圈数值进行对比，并根据对比结果对两组所述绝对位置进行校正。

9.如权利要求1至8任一项所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述码盘上的码道为游标码道、格雷码道或M序列码道中的任意一种码道。

10.如权利要求1至8任一项所述的光磁混合编码器系统，其特征在于，所述码盘上的码道为游标码道；所述光电池为内置有运算单端输出电路、比较器电路以及差分运算电路。