CN112097804B - 一种电涡流感应式绝对值旋转编码器 - Google Patents

一种电涡流感应式绝对值旋转编码器 Download PDF

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Abstract

一种电涡流感应式绝对值旋转编码器，该编码器包括轴承支座和通过轴承固定安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端延伸至轴承支座外侧，转轴的另一端固定安装有转子，转子侧的轴承支座上固定安装有与转子配合的定子和解算电路板，轴承支座上还套装有外壳，在解算电路板上设置有A/D转换与信号处理电路、滤波与放大电路、信号调理与检波电路、激磁信号电路、DC/DC电源和数字接口电路；转轴旋装时，转子与定子配合将机械位置信号转换成电信号，解算电路板把电信号转换成绝对值角度数字信号。该编码器是一种转换精度高、结构简单、体积小的电涡流感应式绝对值旋转编码器，能够很好的满足满足用户对轻量化、小型化的要求。

Description

一种电涡流感应式绝对值旋转编码器
技术领域
本发明涉及一种编码器，特别是一种电涡流感应式绝对值旋转编码器。
背景技术
旋转编码器主要用于检测机械运动中的角度位置信号，将机械角位移信号转换成数字信号，其中应用最广的是工业标准φ58mm的一体化轴角编码器，传统的一体化轴角编码器主要有光电编码器、磁性编码器和机电编码器；光电编码器转换精度高，占据编码器主要市场，但结构复杂、体积大、价格高、抗恶劣环境能力差，不适应恶劣环境系统；磁电编码器体积小，抗恶劣环境能力强，但转换精度低，适应精度要求不高的恶劣系统；机电编码器转换精度较高，抗恶劣环境能力强，广泛应用于军事领域及恶劣环境领域；但是，由于采用旋转变压器作为位置传感器，存在体积大、重量重的缺陷，难以满足用户对轻量化、小型化的要求。
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，提供一种采用平面结构的电涡流感应式绝对值旋转编码器，该编码器采用电路板PCB设计线圈取代传统线绕线圈，将角度信息转换成两路正余弦模拟信号，通过解算电路实现绝对值角度数字转换，转换精度高，体积小，并且重量只有传统机电编码器的四分之一。
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。本发明是一种一电涡流感应式绝对值旋转编码器，该编码器包括轴承支座和通过轴承固定安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端延伸至轴承支座外侧，转轴的另一端固定安装有转子，转子侧的轴承支座上固定安装有与转子配合的定子和解算电路板，轴承支座上还套装有外壳，在解算电路板上设置有A/D转换与信号处理电路、滤波与放大电路、信号调理与检波电路、激磁信号电路、DC/DC电源和数字接口电路；转轴旋装时，转子与定子配合将机械位置信号转换成电信号，解算电路板把电信号转换成绝对值角度数字信号。
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，对于以上所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，所述定子和转子均为采用PCB设计的平面结构，在定子上设置有定子图案，定子图案包括环形线圈、内组感应线圈和外组感应线圈；在转子上设置有铜箔图案，铜箔图案包括M片内环铜箔和M+1片外环铜箔。
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，对于以上所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，定子与转子组成电涡流位移传感器，安装时，定子上的定子图案与转子上的铜箔图案相对应，定子上的内组感应线圈、外组感应线圈与转子中内环铜箔、外环铜箔保持同心，并且定子与转子之间的安装距离小于2mm。
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，对于以上所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，环形线圈作为励磁线圈，分为内组环形线圈、中组环形线圈和外组环形线圈，3组环形线圈串联工作，中组环形线圈绕向与内组环形线圈、外组线圈的绕向相反；
内组感应线圈作为次级线圈，设置有4匝，每匝为M个正弦周期，匝间角度差为1/4周期，第1匝与第3匝反向串联工作，用于输出次级感应正弦调制信号；第2匝与第4匝反向串联工作，用于输出次级感应余弦调制信号；
外组感应线圈作为精级线圈，设置有4匝，每匝为M+1个正弦周期，匝间角度差为1/4周期，第1匝与第3匝反向串联工作，用于输出精级感应正弦调制信号，第2匝与第4匝反向串联工作，用于输出精级感应余弦调制信号。
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，对于以上所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，解算电路板的激磁信号电路产生高频激磁信号，施加到励磁线圈上，转轴旋转时，带动转子转动，在定子与转子之间产生电涡流，定子上的次级线圈和精级线圈在电涡流作用下，分别感应M周期和M+1周期幅值变化的高频正余弦调制信号；两路高频正余弦调制信号经过解算电路板中信号调理与检波电路、滤波与放大电路，输出M周期和M+1周期两路正余弦信号，经过A/D转换与信号处理电路，把模拟正余弦信号转换成数字信号，计算次级、精级的相位角，通过精级相位角减去次级相位角，得到1周期的相位角；1周期相位角与精级相位角进行粗、精组合，得到高精度绝对值角度数字信号，通过数字接口电路与外界进行通讯。
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，对于以上所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，所述M为正整数，M的取值为15。
与现有技术相比，本发明通过定子、转子和解算电路板的设置，在解算电路板上设置有激励信号电路，能够产生的1MHz以上的高频正弦激励信号，施加到励磁线圈上，编码器转轴旋转时，带动转子转动，在定子与转子之间产生电涡流；定子上的次级线圈、精级线圈在电涡流作用下，分别感应M周期和M+1周期幅值变化的高频正余弦调制信号；两路高频正余弦调制信号经过信号调理与检波电路、滤波与放大电路，对高频调制信号进行检波，滤除高频信号，输出M周期和M+1周期的两路正余弦信号，经A/D转换与信号处理电路，把模拟正余弦信号转换成数字信号，计算次级、精级的相位角，通过精级相位角减去次级相位角，可以得到1周期相位角；再将1周期相位角与精级相位角进行粗、精组合，得到高精度绝对值角度数字信号，通过数字接口电路与外界进行通讯，实现信号检测、转换、输出。该编码器是一种转换精度高、结构简单、体积小的电涡流感应式绝对值旋转编码器，能够很好的满足满足用户对轻量化、小型化的要求。
附图说明
图1为本发明的一种结构示意图；
图2为本发明的定子结构示意图；
图3为本发明的转子结构示意图；
图4为本发明的解算电路板结构示意图；
图5为本发明的一种工作流程图。
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。
参考图1-5，一种电涡流感应式绝对值旋转编码器，该编码器包括轴承支座1、转轴2、轴承3、定子4、转子5、解算电路板6和外壳7，轴承支座1用于固定定子4和解算电路板6，通过轴承2与转轴3进行连接，转子5安装在转轴2上；定子4和转子5组成电涡流位移传感器，把机械位置信号转换成电信号，再通过解算电路板6把电信号转换成数字信号；
定子4和转子5均采用PCB设计的平面结构，在定子上设置有定子图案，定子图案包括环形线圈、内组感应线圈、外组感应线圈；
定子图案中环形线圈作为励磁线圈4.1，分为内组环形线圈4.1a、中组环形线圈4.1b和外组环形线圈4.1c，3组环形线圈串联工作，中组环形线圈4.1b绕向与内组环形线圈4.1a、外组环形线圈4.1c绕向相反；
定子图案中内组感应线圈作为次级线圈4.3，分为线圈4.3a、线圈4.3b、线圈4.3c和线圈4.3d共4匝，每匝为15个正弦周期，匝间角度差为1/4周期；线圈4.3a与线圈4.3c（相差1/2周期）反向串联工作，输出次级感应正弦调制信号；线圈4.3b与线圈4.3d（相差1/2周期）反向串联工作，输出次级感应余弦调制信号；
定子图案中外组感应线圈作为精级线圈4.2，分为线圈4.2a、线圈4.2b、线圈4.2c和线圈4.2d共4匝，每匝为16个正弦周期，匝间角度差为1/4周期；线圈4.2a与线圈4.2c（相差1/2周期）反向串联工作，输出精级感应正弦调制信号；线圈4.2b与线圈4.2d（相差1/2周期）反向串联工作，输出精级感应余弦调制信号；
在转子上设置有转子图案，转子图案采用铜箔设计，包括内环铜箔5.1和外环铜箔5.2，内环铜箔5.1为15片铜箔和外环铜箔5.2为16片铜箔；定子4和转子5安装时，定子4中定子图案与转子5中转子图案相对应，定子4中次级线圈4.3、精级线圈4.2和转子5中内环铜箔5.1、外环铜箔5.2保持同心，定子4与转子5之间的安装距离小于2mm。
解算电路板6包括DC/DC电源6.1、激励信号电路6.2、信号调理与检波电路6.3、滤波与放大电路6.4、A/D转换与信号处理电路6.5、数字接口电路6.6；DC/DC电源6.1为编码器提供供电电源和信号基准电源；激励信号电路6.2用于产生1MHz以上的高频正弦激励信号，施加到励磁线圈4.1上，在定子4与转子5的内环和外环之间产生两个时变的环形磁场带，转子5上的铜箔在时变磁场作用下产生电涡流，改变环形磁场带的分布；随着转子5的旋转，内环铜箔5.1与外环铜箔5.2的阵列能够周期性地改变感应线圈内的磁通量，次级线圈、精级线圈分别感应15周期、16周期幅值变化的高频正余弦调制信号；
定子4上的次级线圈4.3、精级线圈4.2感应15周期和16周期幅值变化的高频正余弦调制信号，经过信号调理与检波电路6.3、滤波与放大电路6.4，对高频调制信号进行检波，滤除高频信号，输出15周期和16周期的两路正余弦信号，经A/D转换与信号处理电路6.5，把模拟信号转换成数字信号，计算次级、精级的相位角，通过精级相位角减去次级相位角，得到1周期相位角；再通过1周期相位角与精级相位角进行粗、精组合，得到高精度绝对值角度数字信号，最后通过数字接口电路6.6与外界进行通讯。

Claims (4)

1.一种电涡流感应式绝对值旋转编码器，其特征在于：该编码器包括轴承支座和通过轴承固定安装在轴承支座上的转轴，转轴的一端延伸至轴承支座外侧，转轴的另一端固定安装有转子，转子侧的轴承支座上固定安装有与转子配合的定子和解算电路板，轴承支座上还套装有外壳，在解算电路板上设置有A/D转换与信号处理电路、滤波与放大电路、信号调理与检波电路、激磁信号电路、DC/DC电源和数字接口电路；转轴旋装时，转子与定子配合将机械位置信号转换成电信号，解算电路板把电信号转换成绝对值角度数字信号；
所述定子和转子均为采用PCB设计的平面结构，在定子上设置有定子图案，定子图案包括环形线圈、内组感应线圈和外组感应线圈；在转子上设置有铜箔图案，铜箔图案包括M片内环铜箔和M+1片外环铜箔；
环形线圈作为励磁线圈，分为内组环形线圈、中组环形线圈和外组环形线圈，3组环形线圈串联工作，中组环形线圈绕向与内组环形线圈、外组线圈的绕向相反；
内组感应线圈作为次级线圈，设置有4匝，每匝为M个正弦周期，匝间角度差为1/4周期，第1匝与第3匝反向串联工作，用于输出次级感应正弦调制信号；第2匝与第4匝反向串联工作，用于输出次级感应余弦调制信号；
外组感应线圈作为精级线圈，设置有4匝，每匝为M+1个正弦周期，匝间角度差为1/4周期，第1匝与第3匝反向串联工作，用于输出精级感应正弦调制信号，第2匝与第4匝反向串联工作，用于输出精级感应余弦调制信号。
2.根据权利要求1所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，其特征在于：定子与转子组成电涡流位移传感器，安装时，定子上的定子图案与转子上的铜箔图案相对应，定子上的内组感应线圈、外组感应线圈与转子中内环铜箔、外环铜箔保持同心，并且定子与转子之间的安装距离小于2mm。
3.根据权利要求1所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，其特征在于：解算电路板的激磁信号电路产生高频激磁信号，施加到励磁线圈上，转轴旋转时，带动转子转动，在定子与转子之间产生电涡流，定子上的次级线圈和精级线圈在电涡流作用下，分别感应M周期和M+1周期幅值变化的高频正余弦调制信号；两路高频正余弦调制信号经过解算电路板中信号调理与检波电路、滤波与放大电路，输出M周期和M+1周期两路正余弦信号，经过A/D转换与信号处理电路，把模拟正余弦信号转换成数字信号，计算次级、精级的相位角，通过精级相位角减去次级相位角，得到1周期的相位角；1周期相位角与精级相位角进行粗、精组合，得到高精度绝对值角度数字信号，通过数字接口电路与外界进行通讯。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的电涡流感应式绝对值旋转编码器，其特征在于：所述M为正整数，M的取值为15。
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