CN110736486B - 一种紧凑型双冗余绝对式编码器 - Google Patents

Abstract

一种紧凑型双冗余绝对式编码器，该编码器包括轴承支座和通过轴承安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端贯穿轴承支座安装有磁铁和光码盘，轴承支座上还安装有与磁铁、光码盘配合的电路板，电路板上安装有与磁铁配合的磁传感器、与光码盘配合的光电传感器、用于信号处理的微处理器；电路板通过螺柱安装在光码盘的外侧，光码盘的内侧的轴承支座上还安装有与光电传感器配合的光电发射器件。该编码器内部采用单对极的磁铁和双码道的码盘相结合的方式，既能实现编码器的冗余式绝对位置输出，又能降低编码器的体积，同时该编码器还具有耐冲击、振动的优点和抗电磁干扰的优点。

Description

一种紧凑型双冗余绝对式编码器

技术领域

本发明涉及一种编码器，特别是一种紧凑型双冗余绝对式编码器， 还涉及上述紧凑型双冗余绝对式编码器的使用方法。

背景技术

绝对式编码器是一种测量角度、位移的传感器，在机器人控制、 伺服驱动、风力发电及国防装备等领域得到了广泛应用。

常见的绝对式编码器有磁电编码器和光电编码器，磁电编码器采 用霍尔或者磁阻原理，其优点是耐冲击、振动，但是抗电磁干扰能力 较弱；而光电编码器采用光电转换原理，其优点是抗电磁干扰能力强， 但是不耐冲击振动。

在国防、航天等重要领域，编码器应用时需要考虑冗余设计，即 当有一个编码器输出故障时，需要无缝切换到另一个编码器的输出上， 传统的方法是在一个轴上安装两个绝对值编码器，这样虽然能够实现 冗余设计，但是将导致系统臃肿，成本增加。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种采 用单对极的磁铁和双码道的码盘相结合的方式，既能实现编码器的冗 余式绝对位置输出，又能降低编码器的体积的紧凑型双冗余绝对式编 码器。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供了上述紧凑型双冗余 绝对式编码器的编码方法。

本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本 发明是一种紧凑型双冗余绝对式编码器，该编码器包括轴承支座和通 过轴承安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端贯穿轴承支座安装有磁 铁和光码盘，轴承支座上还安装有与磁铁、光码盘配合的电路板，电 路板上安装有与磁铁配合的磁传感器、与光码盘配合的光电传感器、 用于信号处理的微处理器；电路板通过螺柱安装在光码盘的外侧，光 码盘的内侧的轴承支座上还安装有与光电传感器配合的光电发射器 件。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，所述磁铁为单 对极径向充磁的圆柱形磁铁；光码盘为双增量码道的透射式码盘，透 射式码盘的外圈有128组明暗相交的条纹，透射式码盘的内圈码道刻 画有127组明暗相交的条纹，光码盘的内外两圈的条纹的起始点一致。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，所述磁传感器 包括四个霍尔传感器，四个霍尔传感器沿电路板的周向均匀分布。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，所述光电传感 器包括一个狭缝玻璃盘及8个光电检测阵列，狭缝玻璃盘上设置有内 外两圈狭缝，每圈狭缝都由四组狭缝组成、且四组狭缝按照四裂相指 示光栅排列；所述8个光电检测阵列分为两组，两组光电检测阵列分 别位于内外两圈狭缝的下方。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，每组狭缝包括 3个狭缝，每个狭缝的宽度与光码盘的透光缝相等、且形状为正弦形。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，所述电路板上 还安装有电源电路、接口电路和用于输出报警信号的红绿二极管。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，一种紧凑型双 冗余绝对式编码器的编码方法，其过程如下：

(1)轴承支座转动时，磁传感器检测到磁铁的轴向磁场强度改 变而产生单周期的正、余弦信号，微处理器对磁传感器的单周期正余 弦信号进行处理，得到编码器第一个绝对位置的16位数字信号；

(2)光电传感器根据码盘透光面积的改变而产生多周期的正、 余弦信号，其中外圈光电接收阵列产生128个周期的正、余弦信号， 内圈光电接收阵列产生127个周期的正、余弦信号，微处理器对光电 传感器的多周期正余弦信号进行处理得到内、外圈当前相位角的9位 数字信号，再通过内、外圈的相位角的差值，得到编码器绝对值位置 的9位数字信号；然后微处理器把绝对值位置的9位数字信号作为粗 角数据、外圈的9位数字信号作为精角数据，通过数据组合与纠错， 获得编码器第二个绝对位置的16位数字信号；

(3)微处理器通过采集磁传感器及光电传感器输出正余弦信号 的幅值，判断磁传感器与光电传感器测量数据的正确性，当判断磁传 感器和光电传感器其中一个传感器输出异常时，控制红绿二极管发出 报警信号，切换输出另一个传感器的数据。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器的编码方法，该 方法具体步骤如下：

(1)磁传感器随着磁铁的轴向磁场强度变化，输出四路与转动角 度θ°相关的单周期信号

四路信号经过差分变换为两路信号V₀sinθ、V₀cosθ， 微处理器采集磁传感器输出的两路信号，通过反正切法

即可获得16位分辨率的机械角度θ，即第一个编 码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(2)光电传感器随着光码盘的透光面积变化，输出8路与转动角度θ° 相关的多周期正余弦信号，外圈信号为

内圈信号为

内外圈的8路信号 经过差分转化为4路正余弦信号，外圈为V₁sin 128θ和V₁cos 128θ，内圈信号 V₂sin 127θ和V₂cos127θ，其相位角存在下列关系：

式中：θ₁为外圈当前周期的相位角；

θ₂为内圈当前周期的相位角；

K₁为外圈转过的条纹组数；

K₂为内圈转过的条纹组数；

内、外圈转过的条纹组数存在下列关系：

则编码器转过的角度θ为：

微处理器对内外圈的正余弦信号经过AD转换和解算，得到外圈 9位数字角θ₁和内圈9位数字角θ₂，再通过计算内、外圈数字角θ₁θ₂

、 的差值，获得编码器绝对位置信号的9位数字信号θ₃，最后把9位数 字信号θ₃作为粗角数据、9位数字角θ₁作为精角数据，使用θ₁对θ₃进 行纠正，将纠正后的θ₃的高7位与9位的θ₁进行组合，得到第二个编 码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(3)微处理器通过判断(V₀×sin(θ))²+(V₀×cos(θ))²＝V₀ ²， (V₁×sin(128*θ))²+(V₁×cos(128*θ))²＝V₁ ²是否成立，来判断光电传感器 和磁传感器是否正常工作，当判断其中一个传感器输出异常时，微处 理控制红绿二极管发出报警信号，并将输出数据切换到正常的传感器。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一步 实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器的编码方法，当编 码器装配完成后，使用微处理器的清零功能使磁传感器和光电传感器 两种传感器解算出来的零位对齐。

本发明所要解决的技术问题还可以通过以下的技术方案来进一 步实现，对于以上所述的紧凑型双冗余绝对式编码器的编码方法，在 该编码器正常工作时，光电传感器的信号精度高于磁传感器的信号精 度，微传感器数据输出时以光电传感器解算角度为主，以磁传感器解 算角度为辅。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)编码器将磁传感器和光电传感器两种传感器集成到一个产 品内，实现了冗余设计，减小了系统体积；

(2)编码器将磁传感器的耐冲击振动和光电传感器抗电磁干扰 的优点结合起来，能应用于更广泛的环境；

(3)编码器的光码盘的码道数量由传统的多码道减少为双码道， 使得编码器尺寸小，结构简单。

附图说明

图1是本发明的总体结构图；

图2是本发明中电路板的示意图；

图3是本发明中磁铁和码盘的示意图；

图4是本发明中磁传感器结构示意图；

图5是本发明中磁传感器与磁铁配合示意图；

图6是本发明中霍尔传感器输出信号示意图；

图7是本发明中磁传感器输出波形与机械角度关系；

图8是本发明中光电传感器结构示意图；

图9是本发明中狭缝盘玻璃示意图；

图10是本发明中光电传感器正面示意图；

图11是本发明中光电传感器输出波形与机械角度关系；

图12是本发明数字角度θ₁与数字角度θ₃的组合关系；

图13是本发明的转换电路原理框图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结 合本发明附图，对本发明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。

参照图1-13，一种紧凑型双冗余绝对式编码器，该编码器包括轴 承支座1和通过轴承3安装在轴承支座1上的转轴2，转轴2的一端 贯穿轴承支座1安装有磁铁4和光码盘5，轴承支座1上还安装有与 磁铁4、光码盘5配合的电路板6，电路板6上安装有与磁铁4配合的磁传感器7、与光码盘5配合的光电传感器8、用于信号处理的微 处理器13；电路板6通过螺柱9安装在光码盘5的外侧，光码盘5 的内侧的轴承支座1上还安装有与光电传感器8配合的光电发射器件 10。所述轴承支座1上还卡装有罩壳11，罩壳11卡装在电路板6侧， 用于对电路板6起保护作用，罩壳11上还安装有便于电缆连接的连 接器12；所述微处理器13为单片机或CPU；磁铁4为单对极径向充 磁的圆柱形磁铁4，磁铁4材质为钕铁硼或钐钴；光码盘5为一个双 码道的光电码盘；磁铁4和光码盘5固定在轴承支座1的转轴2上， 磁传感器7位于磁铁4的正上方，光电传感器8位于光码盘5的码道 正上方，光电发射器件10位于光码盘5的码道正下方；轴承支座1 转动时，磁传感器7接收到磁场强度发生周期变化，光电传感器8接收到的光强发生周期改变。

所述磁铁4为单对极径向充磁的圆柱形磁铁4；光码盘5为双增 量码道的透射式码盘，外圈有128组明暗相交的条纹，内圈码道刻画 有127组明暗相交的条纹，光码盘5的内外两圈的条纹的起始点19 一致；光码盘5上设置透光区17和不透光区18，条纹设置在透光区17。

磁传感器7包括四个霍尔传感器20，四个霍尔传感器20沿电路 板6的周向均匀分布，具体为按照的90°的间隔均匀分布在一个同 心圆上，磁传感器7与单对极径向充磁的圆柱形磁铁4配合使用，霍 尔传感器20检测磁铁4的轴向磁场，间隔180°的霍尔传感器20根据检测的磁场强度输出差分霍尔信号。

所述光电传感器8包括一个狭缝23玻璃盘21及8个光电检测阵 列22，狭缝23玻璃盘21上设置有内圈狭缝24和外圈狭缝25，每圈 狭缝23都由四组狭缝23组成、且四组狭缝23按照四裂相指示光栅 排列；所述8个光电检测阵列22分为两组，两组光电检测阵列22分 别位于内外两圈狭缝23的下方。

每组狭缝23包括3个狭缝23，每个狭缝23的宽度与光码盘5 的透光缝相等、且形状为正弦形。

所述电路板6上还安装有电源电路14、接口电路15和用于输出 报警信号的红绿二极管16。电源电路14用于为电路板6提供电源， 接口电路15便于与外部电路连接；红绿二极管16用于在其中一个传 感器输出异常时，发出报警信号。

一种紧凑型双冗余绝对式编码器的编码方法，其过程如下：

(1)轴承支座转动时，磁传感器检测到磁铁的轴向磁场强度改 变而产生单周期的正、余弦信号，微处理器对磁传感器的单周期正余 弦信号进行处理，得到编码器第一个绝对位置的16位数字信号；

(2)光电传感器根据码盘透光面积的改变而产生多周期的正、 余弦信号，其中外圈光电接收阵列产生128个周期的正、余弦信号， 内圈光电接收阵列产生127个周期的正、余弦信号，微处理器对光电 传感器的多周期正余弦信号进行处理得到内、外圈当前相位角的9位 数字信号，再通过内、外圈的相位角的差值，得到编码器绝对值位置 的9位数字信号；然后微处理器把绝对值位置的9位数字信号作为粗 角数据、外圈的9位数字信号作为精角数据，通过数据组合与纠错， 获得编码器第二个绝对位置的16位数字信号；

(3)微处理器通过采集磁传感器及光电传感器输出正余弦信号 的幅值，判断磁传感器与光电传感器测量数据的正确性，当磁传感器 和光电传感器都正常时，光电传感器的信号精度高于磁传感器的信号 精度，微传感器数据输出时以光电传感器解算角度为主，以磁传感器 解算角度为辅；当判断磁传感器和光电传感器其中一个传感器输出异 常时，控制红绿二极管发出报警信号，切换输出另一个传感器的数据。

该方法具体步骤如下：

(1)磁传感器随着磁铁的轴向磁场强度变化，输出四路与转动角 度θ°相关的单周期信号

四路信号经过差分变换为两路信号V₀sinθ、V₀cosθ， 微处理器采集磁传感器输出的两路信号，通过反正切法

即可获得16位分辨率的机械角度θ，即第一个编 码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(2)编码器的轴承支座转动时，光电传感器输出的8路正余弦 信号经过微处理器处理，可求得相位角θ₁、θ₂、θ₃的9位二进制码信 号，然后使用θ₁对θ₃进行纠正，将纠正后的θ₃的高7位与9位的θ₁进 行组合，即可输出16位分辨率的绝对机械角度θ；具体为光电传感 器随着光码盘的透光面积变化，输出8路与转动角度θ°相关的多周 期正余弦信号，外圈信号为

内圈信号为

内外圈的 8路信号经过差分转化为4路正余弦信号，外圈为V₁sin128θ和 V₁cos128θ，内圈信号V₂sin127θ和V₂cos127θ，其相位角存在下列关 系：

式中：θ₁为外圈当前周期的相位角；

θ₂为内圈当前周期的相位角；

K₁为外圈转过的条纹组数；

K₂为内圈转过的条纹组数；

内、外圈转过的条纹组数存在下列关系：

则编码器转过的角度θ为：

微处理器对内外圈的正余弦信号经过AD转换和解算，得到外圈 9位数字角θ₁和内圈9位数字角θ₂，再通过计算内、外圈数字角θ₁θ₂

、 的差值，获得编码器绝对位置信号的9位数字信号θ₃，最后把9位数 字信号θ₃作为粗角数据、9位数字角θ₁作为精角数据，使用θ₁对θ₃进 行纠正，将纠正后的θ₃的高7位与9位的θ₁进行组合，得到第二个编 码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(3)编码器正常工作时，磁传感器及光电传感器输出正余弦信 号的幅值V₀、V₁为常数，光电传感器的信号精度高于磁传感器的信号 精度，微传感器数据输出时以光电传感器解算角度为主，以磁传感器 解算角度为辅；当光电传感器或磁传感器工作异常时，正余弦信号的 幅值V₀、V₁将会发生改变，微处理器采集传感器输出的信号，可判断 传感器输出信号的正确性，具体为微处理器采集传感器输出的信号， 并通过判断(V₀×sin(θ))²+(V₀×cos(θ))²＝V₀ ²，

(V₁×sin(128*θ))²+(V₁×cos(128*θ))²＝V₁ ²是否成立，来判断光电传感器 和磁传感器是否正常工作，当判断其中一个传感器输出异常时，微处 理控制红绿二极管发出报警信号，并将输出数据切换到正常的传感器。

由于磁铁与光码盘的工艺和安装的问题，也可能导致微处理器解 算出磁传感器和光电传感器两种传感器的机械零位不一致，可以在微 处理器内部编制清零功能，当编码器装配完成后，使用清零功能使两 种传感器解算出来的零位对齐。

Claims (8)

1.一种紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：该编码器包括轴承支座和通过轴承安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端贯穿轴承支座安装有磁铁和光码盘，轴承支座上还安装有与磁铁、光码盘配合的电路板，电路板上安装有与磁铁配合的磁传感器、与光码盘配合的光电传感器和用于信号处理的微处理器；电路板通过螺柱安装在光码盘的外侧，光码盘的内侧的轴承支座上还安装有与光电传感器配合的光电发射器件；

所述磁铁为单对极径向充磁的圆柱形磁铁；光码盘为双增量码道的透射式码盘，透射式码盘的外圈有128组明暗相交的条纹，透射式码盘的内圈码道刻画有127组明暗相交的条纹，光码盘的内外两圈的条纹的起始点一致；

该编码器的编码方法为：

(1)轴承支座转动时，磁传感器检测到磁铁的轴向磁场强度改变而产生单周期的正、余弦信号，微处理器对磁传感器的单周期正余弦信号进行处理，得到编码器第一个绝对位置的16位数字信号；

(2)光电传感器根据码盘透光面积的改变而产生多周期的正、余弦信号，其中外圈光电接收阵列产生128个周期的正、余弦信号，内圈光电接收阵列产生127个周期的正、余弦信号，微处理器对光电传感器的多周期正余弦信号进行处理得到内、外圈当前相位角的9位数字信号，再通过内、外圈的相位角的差值，得到编码器绝对值位置的9位数字信号；然后微处理器把绝对值位置的9位数字信号作为粗角数据、外圈的9位数字信号作为精角数据，通过数据组合与纠错，获得编码器第二个绝对位置的16位数字信号；

(3)微处理器通过采集磁传感器及光电传感器输出正余弦信号的幅值，判断磁传感器与光电传感器测量数据的正确性，当判断磁传感器和光电传感器其中一个传感器输出异常时，控制红绿二极管发出报警信号，切换输出另一个传感器的数据。

2.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：所述磁传感器包括四个霍尔传感器，四个霍尔传感器沿电路板的周向均匀分布。

3.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：所述光电传感器包括一个狭缝玻璃盘及8个光电检测阵列，狭缝玻璃盘上设置有内外两圈狭缝，每圈狭缝都由四组狭缝组成、且四组狭缝按照四裂相指示光栅排列；所述8个光电检测阵列分为两组，两组光电检测阵列分别位于内外两圈狭缝的下方。

4.根据权利要求3所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：每组狭缝包括3个狭缝，每个狭缝的宽度与光码盘的透光缝相等、且形状为正弦形。

5.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：所述电路板上还安装有电源电路、接口电路和用于输出报警信号的红绿二极管。

6.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：所述编码方法具体步骤如下：

(1)磁传感器随着磁铁的轴向磁场强度变化，输出四路与转动角度θ°相关的单周期信号

四路信号经过差分变换为两路信号V₀sinθ、V₀cosθ，微处理器采集磁传感器输出的两路信号，通过反正切法

即可获得16位分辨率的机械角度θ，即第一个编码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(2)光电传感器随着光码盘的透光面积变化，输出8路与转动角度θ°相关的多周期正余弦信号，外圈信号为

内圈信号为

内外圈的8路信号经过差分转化为4路正余弦信号，外圈为V₁ sin128θ和V₁ cos128θ，内圈信号V₂ sin127θ和V₂cos127θ，其相位角存在下列关系：

式中：θ₁为外圈当前周期的相位角；

θ₂为内圈当前周期的相位角；

K₁为外圈转过的条纹组数；

K₂为内圈转过的条纹组数；

内、外圈转过的条纹组数存在下列关系：

则编码器转过的角度θ为：

微处理器对内外圈的正余弦信号经过AD转换和解算，得到外圈9位数字角θ₁和内圈9位数字角θ₂，再通过计算内、外圈数字角θ₁、θ₂的差值，获得编码器绝对位置信号的9位数字信号θ₃，最后把9位数字信号θ₃作为粗角数据、9位数字角θ₁作为精角数据，使用θ₁对θ₃进行纠正，将纠正后的θ₃的高7位与9位的θ₁进行组合，得到第二个编码器绝对位置信号的16位数字角θ；

(3)微处理器通过判断(V₀×sin(θ))²+(V₀×cos(θ))²＝V₀ ²，(V₁×sin(128*θ))²+(V₁×cos(128*θ))²＝V₁ ²是否成立，来判断光电传感器和磁传感器是否正常工作，当判断其中一个传感器输出异常时，微处理控制红绿二极管发出报警信号，并将输出数据切换到正常的传感器。

7.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：当编码器装配完成后，使用微处理器的清零功能使磁传感器和光电传感器两种传感器解算出来的零位对齐。

8.根据权利要求1所述的紧凑型双冗余绝对式编码器，其特征在于：在该编码器正常工作时，光电传感器的信号精度高于磁传感器的信号精度，微传感器数据输出时以光电传感器解算角度为主，以磁传感器解算角度为辅。

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