CN110906959A - 一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法 - Google Patents

一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，包括一主多副的齿轮组、单圈角度检测单元组和处理器单元。齿轮组单元包含一个主齿轮和若干同时与主齿轮啮合的副齿轮，主齿轮连接外部的旋转输入，并带动所有副齿轮转动。单圈角度检测单元组检测所有齿轮的单圈角度值，并送至处理器单元计算出多圈角度值，其计算方法分为以下几个步骤：步骤一，检测出所有齿轮旋转的单圈角度值。步骤二，将每个齿轮均匀地划分为其齿数个扇区，根据步骤一得出的单圈角度值计算当前所在的扇区值。步骤三，对计算出的扇区值进行校验补偿。步骤四，根据校验补偿后的最终扇区值计算出主齿轮中心轴转过的多圈值。

Description

一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法
技术领域：
本发明涉及一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法。
背景技术：
近年来，磁电式绝对编码器逐渐广泛应用于机器人姿态控制、电机旋转控制、以及其他有旋转圈数记录和绝对位置采集的场合。相比于传统的光电式绝对编码器，磁电式因具有结构简单、稳定性好，分辨率高等特点而大放异彩。
多圈磁电式编码技术大多采用级联的齿轮组方式，即第一级的齿轮输出作为第二级的输入，假定每级减速比是10，那么理论上三级就可以记录1000圈。然而这种方案虽然理论简单，但体积大，且对齿轮以及安装精度要求很高，尤为重要的是，由于采用级联的结构，会产生码值“进位”，这意味着“高级”齿轮的一点误差都会被放大很多倍，导致编码器无法工作。因此，开发一种小体积、强抗扰、易于生产制造的多圈绝对磁电编码技术的研究迫在眉睫。
发明内容：
本发明是为了解决上述现有技术存在的问题而提供一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法。
本发明所采用的技术方案有：一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，包括：
一主多副的齿轮组，所述齿轮组中所有齿轮的模数相等，副齿轮均围绕在主齿轮四周且与主齿轮相啮合，各个副齿轮的齿数互不相同，记主齿轮的齿轮编号为0，副齿轮的齿轮编号为1-N个，主齿轮的齿数记为P0，副齿轮的齿数分别记为P1～PN；
单圈角度检测单元组，所述单圈角度检测单元组中检测单元的数量与所述齿轮组中齿轮的数量相同，每个检测单元包括固定设置于对应齿轮中心轴上的一个双极型的永磁体和与所述永磁体匹配的磁场分布传感器；
处理器单元，所述磁场分布传感器将传感信号输出给处理器单元，处理器单元获取单圈角度检测单元组数据，处理器单元依照以下步骤完成编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值：
步骤一)处理器单元根据获取单圈角度检测单元组数据，读取出齿轮组中所有齿轮旋转的单圈角度值；
步骤二)根据步骤一得出的单圈角度值计算出每个副齿轮当前所在的扇区值Fn，n为1-N；
步骤三)按以下公式对步骤二计算各副齿轮的扇区值Fn进行校验补偿，输出补偿后的扇区值F′n；
F′n＝Fn+(M0-Mn)×M0×Mn/2 (1)
公式(1)中：n为1-N；Fn对应第n个副齿轮扇区值，F′n为补偿后第n个副齿轮扇区值；M0为主齿轮的算子，Mn为第n个副齿轮的算子，所述主齿轮与副齿轮的算子由公式(2)计算获得，
Figure BDA0002304486940000021
公式(2)中：n为0-N，其中：n＝0，对应为主齿轮；n为1-N，对应标记为1-N副齿轮；M为每个齿轮的一个算子，ε为校验系数，取值为0<ε<0.5；E为各齿轮单圈角度值在当前的扇区中所占比例，取值为0≤E≤1；
步骤四)，根据补偿后扇区值计算并输出主齿轮中心轴转过的多圈值，输出所述主齿轮中心轴转过的多圈值由公式(3)计算获得，
C＝Y/P0 (3)
公式(3)中：C为编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值；P0为主齿轮的齿数；Y为主齿轮转过的扇区数目，取值范围为0至P0～PN的最小公倍数，为整数值，且Y取值满足所有副齿轮的“(Y-F′n)/Pn”的计算值为自然数。
进一步地，所述一主多副的齿轮组的所有齿轮的齿数互为质数。
进一步地，步骤二)中所述单圈角度值计算每个副齿轮当前所在的扇区值Fn由公式Fn＝INT(An×Pn/360)计算得出，式中，n为1-N，An为第n个副齿轮测量的单圈角度值。
进一步地，步骤三)中所述校验系数ε＝0.2。
本发明具有如下有益效果：
1)相较于传统的级联式齿轮结构，本发明由于采用一主多副齿轮结构，副齿轮全部围绕在主齿轮周围并同时与之啮合，空间利用率将大大提升，且各主、副齿轮之间的减速比与量程大小无直接关系，因此齿轮可以做的很小，整个编码器也相对精简、小巧。
2)本发明的所有齿轮在参与编码时，权重都相等，不存在“进位”的情况，即便单圈角度检测有误差，在计算多圈角度值时也不会将此误差放大。
3)由于采用扇区校验补偿算法，可以有效保证在所有副齿轮的单圈角度检测都存在1～2°误差的情况下，准确判断副齿轮的扇区值，最后计算出的多圈角度值只包含主齿轮的检测误差。这便意味着整个编码器系统可以降低齿轮加工和结构安装精度的要求，极大地提升了编码器的可制造性。
附图说明：
图1是本发明编码器的组成架构示意图。
图2是图1的齿轮组的一主多副结构示意图。
图3是本发明的多圈角度计算方法流程图。
图4是本发明的扇区校验补偿方法流程图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1至图4，本发明一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，所述编码器包括：一主多副的齿轮组、单圈角度检测单元组、处理器单元，其中：
一主多副的齿轮组，所述齿轮组中所有齿轮的模数相等，副齿轮均围绕在主齿轮四周且与主齿轮相啮合，各个副齿轮的齿数互不相同，记主齿轮的齿轮编号为0，副齿轮的齿轮编号为1-N个，主齿轮的齿数记为P0，副齿轮的齿数分别记为P1～PN；一主多副的齿轮组的所有齿轮的齿数互为质数。
单圈角度检测单元组，所述单圈角度检测单元组中检测单元的数量与所述齿轮组中齿轮的数量相同，每个检测单元包括固定设置于对应齿轮中心轴上的一个双极型的永磁体和与所述永磁体匹配的磁场分布传感器。
处理器单元，所述磁场分布传感器将传感信号输出给处理器单元，处理器单元获取单圈角度检测单元组数据，处理器单元依照以下步骤完成编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值：
步骤一)处理器单元根据获取单圈角度检测单元组数据，读取出齿轮组中所有齿轮旋转的单圈角度值；
步骤二)根据步骤一得出的单圈角度值计算出每个副齿轮当前所在的扇区值Fn，n为1-N；
步骤三)按以下公式对步骤二计算各副齿轮的扇区值Fn进行校验补偿，输出补偿后的扇区值F′n；
F′n＝Fn+(M0-Mn)×M0×Mn/2 (1)
公式(1)中：n为1-N；Fn对应第n个副齿轮扇区值，F′n为补偿后第n个副齿轮扇区值；M0为主齿轮的算子，Mn为第n个副齿轮的算子，所述主齿轮与副齿轮的算子由公式(2)计算获得，
Figure BDA0002304486940000041
公式(2)中：n为0-N，其中：n＝0，对应为主齿轮；n为1-N，对应标记为1-N副齿轮；M为每个齿轮的一个算子，ε为校验系数，取值为0<ε<0.5；E为各齿轮单圈角度值在当前的扇区中所占比例，取值为0≤E≤1；
步骤四)，根据补偿后扇区值计算并输出主齿轮中心轴转过的多圈值，输出所述主齿轮中心轴转过的多圈值由公式(3)计算获得，
C＝Y/P0 (3)
公式(3)中：C为编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值；P0为主齿轮的齿数；Y为主齿轮转过的扇区数目，取值范围为0至P0～PN的最小公倍数，为整数值，且Y取值满足所有副齿轮的“(Y-F′n)/Pn”的计算值为自然数。
步骤二)中所述单圈角度值计算每个副齿轮当前所在的扇区值Fn由公式Fn＝INT(An×Pn/360)计算得出，式中，n为1-N，An为第n个副齿轮测量的单圈角度值。
步骤三)中所述校验系数ε＝0.2。
以下结合具体实施例对本发明进行说明：
如图1齿轮组结构，其中主齿轮的齿数为10，副齿轮设有三个，其齿数分别为31、33、41，所有齿轮模数相等，当主齿轮转动一个齿时，所有副齿轮跟着转动一个齿，则主齿轮转动31*33*41＝41943个齿之后，所有齿轮复归初始位置，即此绝对编码器最大量程为41943/10＝4194圈。单圈的磁场分布传感器可采用AS5045芯片，其单圈分辨率可达4096个码值。设定校验系数为0.2，表1阐述了如何根据各个齿轮检测的单圈码值推算出主齿轮中心轴的多圈码值。
Figure BDA0002304486940000051
Figure BDA0002304486940000061
表1
由表1可知，编码器有效量程可达四千多圈，单圈码值精度为4096，整个系统的误差为主齿轮的检测误差，而所有的副齿轮误差都可以完美的通过自校验算法排除，大大提高了编码器系统的稳定性，同时降低了齿轮加工和装配精度要求，提高了编码器装置的可制造性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，其特征在于：包括：
一主多副的齿轮组，所述齿轮组中所有齿轮的模数相等，副齿轮均围绕在主齿轮四周且与主齿轮相啮合，各个副齿轮的齿数互不相同，记主齿轮的齿轮编号为0，副齿轮的齿轮编号为1-N个，主齿轮的齿数记为P0，副齿轮的齿数分别记为P1～PN；
单圈角度检测单元组，所述单圈角度检测单元组中检测单元的数量与所述齿轮组中齿轮的数量相同，每个检测单元包括固定设置于对应齿轮中心轴上的一个双极型的永磁体和与所述永磁体匹配的磁场分布传感器；
处理器单元，所述磁场分布传感器将传感信号输出给处理器单元，处理器单元获取单圈角度检测单元组数据，处理器单元依照以下步骤完成编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值：
步骤一)处理器单元根据获取单圈角度检测单元组数据，读取出齿轮组中所有齿轮旋转的单圈角度值；
步骤二)根据步骤一得出的单圈角度值计算出每个副齿轮当前所在的扇区值Fn，n为1-N；
步骤三)按以下公式对步骤二计算各副齿轮的扇区值Fn进行校验补偿，输出补偿后的扇区值F′n；
F′n＝Fn+(M0-Mn)×M0×Mn/2 (1)
公式(1)中：n为1-N；Fn对应第n个副齿轮扇区值，F′n为补偿后第n个副齿轮扇区值；M0为主齿轮的算子，Mn为第n个副齿轮的算子，所述主齿轮与副齿轮的算子由公式(2)计算获得，
Figure FDA0002304486930000011
公式(2)中：n为0-N，其中：n＝0，对应为主齿轮；n为1-N，对应标记为1-N副齿轮；
M为每个齿轮的一个算子，ε为校验系数，取值为0<ε<0.5；E为各齿轮单圈角度值在当前的扇区中所占比例，取值为0≤E≤1；
步骤四)，根据补偿后扇区值计算并输出主齿轮中心轴转过的多圈值，输出所述主齿轮中心轴转过的多圈值由公式(3)计算获得，
C＝Y/P0 (3)
公式(3)中：C为编码器输出主齿轮中心轴转过的多圈值；P0为主齿轮的齿数；Y为主齿轮转过的扇区数目，取值范围为0至P0～PN的最小公倍数，为整数值，且Y取值满足所有副齿轮的“(Y-F′n)/Pn”的计算值为自然数。
2.如权利要求1所述的一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，其特征在于：所述一主多副的齿轮组的所有齿轮的齿数互为质数。
3.如权利要求1所述的一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，其特征在于：步骤二)中所述单圈角度值计算每个副齿轮当前所在的扇区值Fn由公式Fn＝INT(An×Pn/360)计算得出，式中，n为1-N，An为第n个副齿轮测量的单圈角度值。
4.如权利要求1所述的一主多副齿轮结构的磁电式绝对编码器的实现方法，其特征在于：步骤三)中所述校验系数ε＝0.2。
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