CN111220186A - 一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及精密测量技术领域，且公开了一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，所述转子和定子同轴且平行设置；所述转子包括由外到内依次设置有精机图案区1和粗机图案区2，且采用差分布置；所述定子包括由外到内依次设置有精机图案区5和粗机图案区6，且采用差分布置。本申请既能实现提高绝对位置识别准确性，又能实现不改变原有编码器结构，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。

Description

一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器
技术领域
本发明涉及精密测量技术领域，具体为一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器。
背景技术
绝对式时栅角度位移编码器又称为精密角位移传感器，用于检测旋转体的位置与速度的传感器，广泛应用于现代工业和科研中，比如计量检定、国防军工、装备制造，科学研究实验系统及航天航空领域。
目前，市场上主要采用光栅、磁栅以及容栅等栅式编码器，其中，光栅编码器由于技术成熟且精度较高，应用十分广泛，但是，光栅式编码器对于工作环境要求极高，尤其是对粉尘环境、油污环境等敏感，抗震能力差，使得其应用范围窄。
绝对式时栅角度位移编码器主要采用单对极粗机做位置粗测，多对极精机做精确位置识别方式实现绝对位置识别，这种结构这种结构的编码器，一方面由于粗机精度较差，绝对位置识别能力较差；一方面由于单对极设计，精度和绝对位置识别受安装影响较大，在安装较差情况下极易出现绝对位置识别错误的情况。所以该类型产品在工业应用上难度较大。
因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的角度位移编码器。
发明内容
本发明主要是提供一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，解决现有技术的问题。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，所述转子和定子同轴且平行设置；所述转子包括由外到内依次设置有精机图案区1和粗机图案区2，且采用差分布置；所述定子包括由外到内依次设置有精机图案区5和粗机图案区6，且采用差分布置。
进一步，所述粗机图案区2内还依次设置有隔离区3和信号发射区4；所述粗机图案区6内还依次设置有隔离区7和信号接收区8，且所述信号接收区8与所述信号发射区4对应。
进一步，所述精机图案区1包括多组感应片组一呈环状分布，所述感应片组一设置有两个转子精机感应片A；所述粗机图案区2包括多组感应片组二呈环状分布，所述感应片组二设置有两个转子粗机感应片B；所述精机图案区5包括多组发射片组一呈环状分布，所述发射片组一设置有四个定子精机发射片E；所述粗机图案区6包括多组发射片组二呈环状分布，所述发射片组二设置有四个定子粗机发射片F。
进一步，所述信号发射区4包括同轴设置的转子第一发射环C和转子第二发射环D；所述信号接收区8包括同轴设置的定子第一接收环G和定子第二接收环H，所述第一发射环C与所述定子第一接收环G对应；所述转子第二发射环D与所述定子第二接收环H对应。
进一步，所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B均为类菱形结构，且所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B在所述转子的径向方向上的两个对边为圆弧边，以及沿所述转子周向的两个对边为直线边，所述直线边与所述转子的径向呈倾斜状。
进一步，所述转子精机感应片A沿所述转子周向的跨度与四个定子精机发射片E绕所述定子周向的跨度相同；所述转子粗机感应片B沿所述转子周向的跨度与四个定子粗机发射片F绕所述定子周向的跨度相同。
进一步，所述精机图案区5和粗机图案区6分别与外设电路切换开关输出连接；所述定子第一接收环G和定子第二接收环H分别与外设电路连接。
进一步，相邻四个所述定子精机发射片E为一个精机发射对极，相邻四个所述定子粗机发射片F为一个粗机发射对极，相邻两个所述转子精机感应片A为一个精机感应对极，相邻两个所述转子粗机感应片B为一个粗机感应对极，同时粗机发射对极与粗机感应对极数量相等，精机发射对极与精机感应对极数量相等，且粗机发射对极数量与精机发射对极数量呈互质数。
进一步，同一对极的四个所述定子精机发射片E和定子粗机发射片F输入不同相位的激励信号。
进一步，所述激励信号采用分时激励方法实现激励，用于获得两通道信号。
有益效果：本申请既能实现提高绝对位置识别准确性，又能实现不改变原有编码器结构，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。
附图说明
图1为本实施例的转子结构示意图；
图2为本实施例的定子结构示意图；
图3为本实施例的转子和定子重合正视示意图；
图4为本实施例的转子和定子重合结构示意图；
图5为本实施例的编码器系统结构示意图；
图6为本实施例的编码器工作流程示意图；
图7为本实施例的绝对位置计算流程示意图。
具体实施方式
以下将结合实施例对本发明涉及的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器技术方案进一步详细说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1至图7所示，本实施例的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，所述转子和定子同轴且平行设置；所述转子包括由外到内依次设置有精机图案区1和粗机图案区2，且采用差分布置；所述定子包括由外到内依次设置有精机图案区5和粗机图案区6，且采用差分布置。
进一步，所述粗机图案区2内还依次设置有隔离区3和信号发射区4；所述粗机图案区6内还依次设置有隔离区7和信号接收区8，且所述信号接收区8与所述信号发射区4对应。
进一步，所述精机图案区1包括多组感应片组一呈环状分布，所述感应片组一设置有两个转子精机感应片A；所述粗机图案区2包括多组感应片组二呈环状分布，所述感应片组二设置有两个转子粗机感应片B；所述精机图案区5包括多组发射片组一呈环状分布，所述发射片组一设置有四个定子精机发射片E；所述粗机图案区6包括多组发射片组二呈环状分布，所述发射片组二设置有四个定子粗机发射片F。
进一步，所述信号发射区4包括同轴设置的转子第一发射环C和转子第二发射环D；所述信号接收区8包括同轴设置的定子第一接收环G和定子第二接收环H，所述第一发射环C与所述定子第一接收环G对应；所述转子第二发射环D与所述定子第二接收环H对应。
进一步，所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B均为类菱形结构，且所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B在所述转子的径向方向上的两个对边为圆弧边，以及沿所述转子周向的两个对边为直线边，所述直线边与所述转子的径向呈倾斜状。
进一步，所述转子精机感应片A沿所述转子周向的跨度与四个定子精机发射片E绕所述定子周向的跨度相同；所述转子粗机感应片B沿所述转子周向的跨度与四个定子粗机发射片F绕所述定子周向的跨度相同。
进一步，所述精机图案区5和粗机图案区6分别与外设电路切换开关输出连接；所述定子第一接收环G和定子第二接收环H分别与外设电路连接。
进一步，相邻四个所述定子精机发射片E为一个精机发射对极，相邻四个所述定子粗机发射片F为一个粗机发射对极，相邻两个所述转子精机感应片A为一个精机感应对极，相邻两个所述转子粗机感应片B为一个粗机感应对极，同时粗机发射对极与粗机感应对极数量相等，精机发射对极与精机感应对极数量相等，且粗机发射对极数量与精机发射对极数量呈互质数。
进一步，同一对极的四个所述定子精机发射片E和定子粗机发射片F输入不同相位的激励信号。
进一步，所述激励信号采用分时激励方法实现激励，用于获得两通道信号。
有益效果：本申请既能实现提高绝对位置识别准确性，又能实现不改变原有编码器结构，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。
本发明的精机图案区1和精机图案区5构成精机，粗机图案区2和粗机图案区6构成粗机，且共同构成粗精机，转子精机感应片A和转子粗机感应片B统称感应片，定子精机发射片E和定子粗机发射片F统称发射片。
本发明采用粗精机双通道差分结构，且粗精机级数按互质数设计，以此实现绝对式编码器功能，当粗精机级数采用互质数(如：1&n，2&3，3&4，5&32，7&64，13&32等)设计时便能够实现绝对位置识别功能，特别当粗精机级数采用多对多互质数(如：5&32，7&64，13&32等)设计时，通过互质数计算绝对位置算法，编码器将会具备更加优良可靠的绝对位置识别能力，编码器相对传统粗机单级设置下对安装要求更低，使用性更广。(传统模式采用精机多对极，粗机单对极设计，该发明采用精机多对极，粗机对极数与精机对极数互质且小于精机对极数(该方法包含传统一对多模式，因为1与任何数互为质数))。
相邻每四个定子精机发射片E为一个精机对极，相邻每四个定子粗机发射片F为一个粗机对极，且同一对极的四个定子精机发射片E和定子粗机发射片F输入不同相位的激励信号。本施例中粗机和精机的对极数为互质数设置，以确保在进行绝对位置计算的时候能够一一对应上，避免绝对位置识别错位。
四路激励信号分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并加载于发射片。
对极工作原理详细说明：
由信号发生器产生四路相位相差90度的频率为20KHz的正弦信号sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)，并加载到发射片，这四路信号分别依次加载到四个同组的发射片；
由于感应片的结构与发射片的结构对应，使得转子的感应片在转子的旋转过程中感应得到含有被测旋转体的角度位置信息的感应信号，感应信号传输到转子发射区，然后由发射区发射，再由定子接收区接收信号，从而使得整个转子与外部之间没有任何接线结构，从而使得整个传感器利于布置，适应性范围更广，其中接收区的第一接收环所得到的位置感应信号和第二接收环所得到的位置感应信号形成相位差为180°；
其中，第一接收环G输出的位置信号为V＝Asin(wt+x)；A为信号的幅值，x为发射片工作时感应信号中所包含的位置信息；而第二接收环H输出的位置信号的幅值与第一接收环G相同，但相位差为180°；
输入放大器将原始位置信号进行差分放大，然后滤波处理，经过比较器得到一个方波信号，进入处理器进行位置计算。该合成位置信号的相位依然是(wt+x)；由于信号发生器的输出信号由处理器控制，所以处理器内部便会具备一个固定相位为wt的基准方波信号，经过比较器输出的方波信号与处理器内部基准方波信号进行时栅细分算法处理得到被测旋转体的角度位置x并输出。
模块说明：
信号发生器用于产生四路相位差90°的频率为20KHz的正弦信号sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)，该模块由处理器控制，使用精密DA产生四路高质量的模拟信号；
输出放大器，用于将上一级产生的四路激励信号进行升压放大，以满足激励要求；
切换开关，为了满足粗精机都得到激励，此处采用分时激励的办法，处理器通过切换开关方向，实现激励在粗机和精机上的切换，并在各自激励的时候采集到对应的位置信号，以此实现绝对位置识别；
放大输入电路，将定子信号接收区接收到的差分信号进行差分放大处理，便于后级电路处理；
滤波器，上级电路输出的信号携带有各种环境的噪声，为了提高信号的质量，该设计中使用硬件带通滤波电路，对信号进行滤波处理，以获得一个成分更为干净的位置信号；
比较器，位置信号为一正弦信号，其相对于基准信号的相位即为位置信号，此时将正弦信号经过比较器，便得到一方波信号，此时便可以使用处理器通过高频计数器对信号进行数字化处理。
处理器，将上级电路输入的方波信号进行计数，实现模拟信号数字化，然后通过与基准信号比对，计算信号角度信息。并更具工作状态控制开关及信号发生器等电路模块，实现编码器运行控制功能。
绝对位置识别过程明细说明：
编码器开机后马上进入绝对位置识别模式，如果检测到为第一次开机，编码器将从FLASH中读取编码器相关配置参数，包含精机对极数，粗机对极数等，然后由处理器通过切换开关将四路激励信号(相位相差90度的频率为20KHz的正弦信号sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°))切换到粗机发射片上，此时电路输入端采集到的信号为粗机感应信号，该信号携带粗机位置信息，经过放大、滤波、比较器后进入处理器计算粗机位置角度。等待一段时间后(毫秒级)，处理器得到足够的粗机角度数据后，处理器切换激励信号至精机发射片，此时电路输入端采集到的信号为精机感应信号，该信号携带精机位置信息，经过放大、滤波、比较器后进入处理器，通过结合上一步骤采集到的粗机位置，使用互质数计算绝对位置算法计算绝对位置角度。
至此，编码器便完成绝对位置识别，当完成绝对位置识别后，后续的角度数据将会以当前绝对位置为起点开始进行增量计算，以此实现绝对式时栅角度编码器功能。
粗精机对极数为互质数设置情况下计算绝对位置：
主要基于如下理论：
在如下函数关系中，x的取值为离散整数。
a.任意周期函数的和差积商均是周期函数。
b.等差数列的和差积商均是等差数列
Figure BDA0002381352190000091
现设有T1＜T2，则有在x＜T1内f1(x)为等差数列，设其公差为a；则有在x＜T2内f2(x)为等差数列，设其公差为b。
Figure BDA0002381352190000092
很容易可以得出如下结论：
a.对于f1(x)而言，f1(x)，f1(x+T1)，f1(x+2T1)，……f(x+N1T1)构成一个等差数列，其公差取决于周期值和初始值。f2(x)同理。
b.对于f1(x)而言，当x＜T1时，f1(x)，f1(x+1)，f1(x+2)，……f(x+T1)构成另一组等差数列，其公差为a。f2(x)同理。
而当所取周期T1，T2互质时，在0＜x＜T1×T2范围内，应该有：
T1×N1＝T2×N2
构建一个新的数列：
f(x)＝f1(x)×N2-f2(x)×N1
互质数计算绝对位置计算流程如图7：
1.舍弃精度，粗精机计数值分别取高12位。
2.精机加上相位偏置部分的值。
3.粗机×精机对极数-精机×粗机对极数，如果遇到小于0补到满量程(粗机×精机对极数)。
4.将所得差值进行移位处理，右移12(24-12)位，所得值为阶梯值。
5.在循环里将阶梯值加上粗精机对极数的差值，如果得到的结果大于精机对极数，则减去精机对极数。如此反复，直到最终运算结果为0，此时记录进行了多少次循环。其循环数即为对极数。
6.精机所在对极值乘以单个阶梯分辨率再除以精机对极数再加上原始精机值，所得即为当前绝对位置。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，包括转子和定子，其特征在于：所述转子和定子同轴且平行设置；所述转子包括由外到内依次设置有精机图案区1和粗机图案区2，且采用差分布置；所述定子包括由外到内依次设置有精机图案区5和粗机图案区6，且采用差分布置。
2.根据权利要求1所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述粗机图案区2内还依次设置有隔离区3和信号发射区4；所述粗机图案区6内还依次设置有隔离区7和信号接收区8，且所述信号接收区8与所述信号发射区4对应。
3.根据权利要求1所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述精机图案区1包括多组感应片组一呈环状分布，所述感应片组一设置有两个转子精机感应片A；所述粗机图案区2包括多组感应片组二呈环状分布，所述感应片组二设置有两个转子粗机感应片B；所述精机图案区5包括多组发射片组一呈环状分布，所述发射片组一设置有四个定子精机发射片E；所述粗机图案区6包括多组发射片组二呈环状分布，所述发射片组二设置有四个定子粗机发射片F。
4.根据权利要求2所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述信号发射区4包括同轴设置的转子第一发射环C和转子第二发射环D；所述信号接收区8包括同轴设置的定子第一接收环G和定子第二接收环H，所述第一发射环C与所述定子第一接收环G对应；所述转子第二发射环D与所述定子第二接收环H对应。
5.根据权利要求3所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B均为类菱形结构，且所述转子精机感应片A和转子粗机感应片B在所述转子的径向方向上的两个对边为圆弧边，以及沿所述转子周向的两个对边为直线边，所述直线边与所述转子的径向呈倾斜状。
6.根据权利要求5所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述转子精机感应片A沿所述转子周向的跨度与四个定子精机发射片E绕所述定子周向的跨度相同；所述转子粗机感应片B沿所述转子周向的跨度与四个定子粗机发射片F绕所述定子周向的跨度相同。
7.根据权利要求4所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述精机图案区5和粗机图案区6分别与外设电路切换开关输出连接；所述定子第一接收环G和定子第二接收环H分别与外设电路连接。
8.根据权利要求4所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：相邻四个所述定子精机发射片E为一个精机发射对极，相邻四个所述定子粗机发射片F为一个粗机发射对极，相邻两个所述转子精机感应片A为一个精机感应对极，相邻两个所述转子粗机感应片B为一个粗机感应对极，同时粗机发射对极与粗机感应对极数量相等，精机发射对极与精机感应对极数量相等，且粗机发射对极数量与精机发射对极数量呈互质数。
9.根据权利要求8所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：同一对极的四个所述定子精机发射片E和定子粗机发射片F输入不同相位的激励信号。
10.根据权利要求9所述的一种双通道差分绝对式时栅角度位移编码器，其特征在于：所述激励信号采用分时激励方法实现激励，用于获得两通道信号。
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