CN113494932A - 一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法，涉及编码器技术领域，所述伺服电机编码器包括PCB板、安装在所述PCB板上的UVW光电编码模块和ABZ光电编码模块，以及与所述UVW光电编码模块、所述ABZ光电编码模块相配套的码盘。主要目的在于通过码盘的双码道设计以及UVW信号输出的独特逻辑算法，从而满足检测转子磁极位置的同时，达到小尺寸、低成本、高稳定性的要求。

Description

一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，特别是涉及一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法。

背景技术

伺服电机是用在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，可以将电压信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。随着伺服电机的应用范围日益扩大，伺服电机编码器的需求量也不断增加。伺服电机编码器能够安装在伺服电机上，从而测量磁极位置和伺服电机转角及转速。

目前，现有的伺服电机编码器可以通过ABZ光电编码器模块和3个霍尔传感器实现定位转子的磁极位置，也可以应用ABZ模块和3个光电开关，或者还可以应用ABZUVW整体模块的方案实现定位转子的磁极位置。然而，霍尔传感器磁编码抗干扰能力差，光电开关方案中PCB板很难做到小型化，同时配套码盘尺寸大也变相增加了成本，另外，ABZUVW模块方案价格偏高，且对安装精度要求高。因此，提出一种新的伺服电机编码器是编码器技术领域亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法，以解决现有伺服电机编码器抗干扰能力差、成本高且安装精度要求高的问题。

依据本发明一个方面，提供了一种伺服电机编码器，包括：PCB板、安装在所述PCB板上的UVW光电编码模块和ABZ光电编码模块，以及与所述UVW光电编码模块、所述ABZ光电编码模块相配套的码盘。

进一步地，所述码盘上自内向外分别刻蚀有与所述ABZ光电编码模块对应的AB码道、Z码道、以及与所述UVW光电编码模块对应的第一码道、第二码道。

进一步地，所述第一码道上刻蚀有明条纹光栅、暗条纹光栅以及明暗条纹光栅，所述第二码道上刻蚀有明条纹光栅和暗条纹光栅。

进一步地，所述UVW光电编码模块包括安装在所述码盘两侧的光接收传感器和固定光源。

进一步地，所述光接收传感器包括4组光电池；

其中3组光电池安装在第一码道侧面，1组光电池安装在第二码道侧面。

进一步地，所述UVW光电编码模块还包括光电转换电路，所述光转换电路与所述光接收传感器连接，用于接收和组合所述光接收传感器发送的第一电信号和第二电信号，并转换为UVW信号输出。

依据本发明二个方面，提供了一种伺服电机转子磁极位置检测方法，包括：

将接收的第一电信号与第二电信号进行组合，得到位置检测信号；

利用逻辑算法，将所述位置检测信号转换为UVW信号，并将所述UVW信号反馈给驱动器。

本发明提供一种伺服电机编码器及伺服电机转子磁极位置检测方法，与现有技术通过ABZ光电编码器模块和3个霍尔传感器实现定位转子的磁极位置，也可以应用ABZ模块和3个光电开关，或者还可以应用ABZUVW整体模块的方案实现定位转子的磁极位置相比，本发明通过码盘的双码道设计以及UVW信号输出的独特逻辑算法，从而满足检测转子磁极位置的同时，达到小尺寸、低成本、高稳定性的要求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了本发明实施例提供的一种伺服电机编码器的结构示意图；

图2示出了本发明实施例提供的一种ABZ码道与UVW码道结合的码盘结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的一种双码道结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的一种UVW信号逻辑算法示意图；

图5示出了本发明实施例提供的一种伺服电机转子的磁极位置检测方法流程图。

其中，1-PCB，2-UVW光电编码模块，3-ABZ光电编码模块，4-码盘。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如背景技术所述，现有的伺服电机编码器可以通过ABZ光电编码器模块和3个霍尔传感器实现定位转子的磁极位置，也可以应用ABZ模块和3个光电开关，或者还可以应用ABZUVW整体模块的方案实现定位转子的磁极位置。然而，霍尔传感器磁编码抗干扰能力差，光电开关方案中PCB板很难做到小型化，同时配套码盘尺寸大也变相增加了成本，另外，ABZUVW模块方案价格偏高，且对安装精度要求高。因此，提出一种新的伺服电机编码器是编码器技术领域亟待解决的技术问题。

为了解决上述问题，本发明实施例提供了一种伺服电机编码器，如图1所示，包括PCB板、安装在所述PCB板上的UVW光电编码模块和ABZ光电编码模块，以及与所述UVW光电编码模块、所述ABZ光电编码模块相配套的码盘。

对于本发明实施例，如图1所示，可以将所述UVW光电编码模块与ABZ光电编码模块按照预设角度安装于同一PCB内，将模块输出的ABZ信号和UVW信号经电路处理后通过连接器(connector)输出。需要说明的是，所述预设角度具体可以指，在UVW光电编码模块与ABZ光电编码模块满足各自的光学中心的基础上，尽量方便其他辅助电子元器件布局，可以取180°、90°、45°等圆周的1/2ⁿ，以确保UVW信号与AB增量信号的上升沿对齐。本发明实施例通过将UVW光电编码模块与ABZ光电编码模块集成在一个PCB内，从而可以实现小尺寸、价格低廉、安装精度要求低且抗电磁干扰能力强的伺服编码器设计。

需要说明的是，光学中心是编码器模块发光受光中心相对的位置，设计码盘时需根据光学半径的计算公式计算出光学中心所在圆的半径，然后经明暗条纹刻蚀在相应的圆周上，公式可以为R0＝25.4*CPR/(2πLPI)，25.4为公制单位和英制单位的转换系数，CPR即一个圆周内要刻蚀的明暗条纹对数，LPI即每Inch内明暗条纹对数。刻蚀明暗条纹的径向宽度根据计算出的光学半径±0.5mm，这样在径向0.5mm的容差范围内编码器模块都可以检测到明暗条纹的差异，从而输出高低电平，达到检出目的。本发明实施例采用两个编码器组合的方式，可以使模块内部光电池对应的码道宽度最大化，从而使安装时对准光学中心更容易，甚至稍微有些偏差也能检出。

具体地，所述码盘上自内向外分别刻蚀有与所述ABZ光电编码模块对应的AB码道、Z码道、以及与所述UVW光电编码模块对应的第一码道、第二码道。

对于本发明实施例，如图2所示，所述AB码道，刻蚀于码盘的最内侧，可以用于与所述ABZ光电编码模块配套，输出A、B信号，以判断编码器的转动方向；所述Z码道，刻蚀于AB码道外侧，可以用于与ABZ光电编码模块配套，输出Z信号，以确定编码器的原始零位；所述第一码道，刻蚀于Z码道外侧，用于将光源透射到光接收传感器，以产生第一电信号；所述第二码道，刻蚀于码盘的最外侧，用于将光源透射到光接收传感器，以产生第二电信号。

具体地，所述第一码道上刻蚀有明条纹光栅、暗条纹光栅以及明暗条纹光栅，所述第二码道上刻蚀有明条纹光栅和暗条纹光栅。

对于本发明实施例，所述第一码道可以为内层码道Track1，所述第二码道可以为外层码道Track2。所述码盘可以采用4对极码盘，即在一个圆周内有4个UVW周期，如图2所示，示出了一个UVW周期的码盘图面，对应电机旋转绝对角度90度。为了与市面常见编码器兼容，可以将每个UVW周期分成6个区间，分别对应不同的UVW信号输出，因此，所述第一码道与所述第二码道需要组合为6个不同的信号进行输出，即一个码道输出2个状态信号，另一个码道输出3个状态信号，在本发明实施例中，所述第二码道Track2可以设计为一半明条纹光栅，一半暗条纹光栅；所述第一码道Track1可以设计为1/3明条纹光栅，1/3暗条纹光栅，1/3明暗相间条纹光栅。所述第一码道Track1与所述第二码道Track2组合后即可将UVW一个周期等分成6个区间，每个区间对应15度。

需要说明的是，若仅按照上述方式设置光栅，则可能出现竞争冒险现象，即2个或2个以上数位同时跳变而引起的逻辑出错或信号尖峰的出现，这对信号处理是致命的。因此，本发明实施例采用类似于格雷码的设计，即将上述第一码道Track1设计为1/6明条纹→1/6明暗相间条纹→1/6暗条纹→1/6暗条纹→1/6明暗相间条纹→1/6明条纹的形式，这样可以为防止逻辑电路中的竞争冒险，提高伺服电机运行的稳定性。

具体地，所述UVW光电编码模块包括安装在所述码盘两侧，与所述UVW码道对应的光接收传感器和固定光源。

对于本发明实施例，所述固定光源可以用于发射光源；所述光接收传感器可以用于接收经由码盘透射的光源，并将所述光源转换为电信号。所述光接收传感器可以包括4组光电池，其中，1组光电池对应第二码道Track2，记作PD-A，用于产生第二电信号；3组光电池对应第一码道Track1，分别记作PD-B、PD-C、PD-D，用于产生第一电信号。如图3所示，PD-A输出的第一电信号经放大比较后只有2种状态(0→1)，PD-B、PD-C、PD-D输出的第二电信号经放大比较后有8种状态(000→001→011→010→110→100→101→111，其中0代表低电平，1代表高电平)，而由于本发明实施例中，输出的第二电信号只需3种状态，即可与第一电信号的2种状态组合，表示码盘的6个区间，因此，对于上述第二电信号，可以取000为同低状态、111为同高状态、其余6种状态均为电平不一致状态，分别对应图3中所示的一样Hi、一样Lo、不一样三种状态。

需要说明的是，以往UVW设计都是采用3对光电池，对应码盘上的3个码道，只能增大码盘盘面或者码道做的很窄，造成定位困难。而本发明实施例采用双码道来实现UVW信号输出。通过本发明实施例的设计，所述第一码道Track1的三种状态与所述第二码道Track2的两种状态通过组合逻辑可以形成六种状态，再利用逻辑算法通过UVW输出这六种状态，从而实现了在一个光电编码器模块内输出UVW信号，且能够减小编码器尺寸。

具体地，所述UVW光电编码模块还包括光电转换电路，用于接收所述电信号，并将所述电信号转换为数字电压信号输出。

对于本发明实施例，由于光电池输出信号为电流信号，所述光电转换电路可以通过放大器将所述电流信号转换成电压信号，此时的电压信号是模拟量，再经过比较器输出数字电压信号，即高低电平。所述光电转换电路可以在半导体内部通过光刻等工艺实现。

通过本发明的技术方案，提供一种伺服电机编码器，与现有技术通过ABZ光电编码器模块和3个霍尔传感器实现定位转子的磁极位置，也可以应用ABZ模块和3个光电开关，或者还可以应用ABZUVW整体模块的方案实现定位转子的磁极位置相比，本发明通过码盘的双码道设计以及UVW信号输出的独特逻辑算法，从而满足检测转子磁极位置的同时，达到小尺寸、低成本、高稳定性的要求。

进一步的，根据本发明实施例，提供了一种伺服电机转子磁极位置检测方法，包括：

101、将接收的第一电信号与第二电信号进行组合，得到位置检测信号。

其中，本发明实施例的执行主体可以为UVW光电编码模块，所述第一电信号可以为所述UVW光电编码模块接收透射过所述第一码道的光源后，产生的电信号，所述第二电信号可以为所述UVW光电编码模块接收透射过所述第二码道的光源后，产生的电信号，具体可以通过高低电平表示。具体地，本发明实施例在所述第一码道侧面安装3组光电池，则3组光电池的电信号组合同时能够表示8个状态，包括000、001、010、100、011、101、110、111，其中0表示低电平Lo，1表示高电平Hi，而由于第一码道只需要提供3种状态，因此，可以将000作为一种状态，即一样Hi，将111作为一种状态，即一样Lo，将其余6种合并为一种状态，即不一样，从而实现通过3组光电池反馈的电信号，区分3种不同的状态；在所述第二码道侧面安装1组光电池，则1组光电池的电信号组合能够表示2个状态，包括0和1。将所述第一电信号与所述第二电信号进行组合，可以得到定位信号，所述定位信号可以表示转子的磁极位置所在区域，例如，所述第一电信号为000，所述第二电信号为0，则将所述第一电信号和所述第二电信号进行组合可以得到定位信号为0000，表示转子磁极位置处于区域I。

102、利用预设的逻辑算法，将所述状态信号转换为UVW信号，并将所述UVW信号反馈给驱动器。

其中，所述逻辑算法通过芯片执行，如数字电路中的译码器，类似于74LS138译码器，3根输入能输出8种输出状态等。所述逻辑算法的具体过程可以包括：接收定位信号，将所述定位信号转换为UVW信号输出。例如，接收定位信号为0000，利用预先设置的逻辑电路，输出UVW信号为000。具体地，可以利用预设的逻辑算法，将所述定位信号转换为UVW信号，并将所述UVW信号反馈给驱动器，所述驱动器可以根据所述UVW信号确定伺服电机转子磁极位置，从而加大扭矩启动。

需要说明的是，UVW信号与伺服电机的转子位置是在码盘编码器安装时联系起来的，安装伺服电机编码器时需要调“零位”，例如将转子位置与码盘上U信号的上升沿对齐后再将码盘固定在电机轴上，这样由于码盘与轴的相对位置是不变的，那么无论怎么转，U上升沿的位置一定对应转子位置。

本发明通过码盘的双码道设计以及UVW信号输出的独特逻辑算法，从而满足检测转子磁极位置的同时，达到小尺寸、低成本、高稳定性的要求。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。

应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (7)

1.一种伺服电机编码器，其特征在于，包括：PCB板、按照预设角度安装在PCB板上的UVW光电编码模块和ABZ光电编码模块，以及与所述UVW光电编码模块和所述ABZ光电编码模块相配套的码盘。

2.根据权利要求1所述的伺服电机编码器，其特征在于，所述码盘上自内向外分别刻蚀有与所述ABZ光电编码模块对应的AB码道和Z码道、以及与所述UVW光电编码模块对应的第一码道和第二码道。

3.根据权利要求2所述的伺服电机编码器，其特征在于，所述第一码道上刻蚀有明条纹光栅、暗条纹光栅以及明暗条纹光栅，所述第二码道上刻蚀有明条纹光栅和暗条纹光栅。

4.根据权利要求3所述的伺服电机编码器，其特征在于，所述UVW光电编码模块包括安装在所述码盘两侧的光接收传感器和固定光源。

5.根据权利要求4所述的伺服电机编码器，其特征在于，所述光接收传感器包括4组光电池；其中3组光电池安装在第一码道侧面，1组光电池安装在第二码道侧面。

6.根据权利要求5所述的伺服电机编码器，其特征在于，所述UVW光电编码模块还包括光电转换电路；

所述光转换电路与所述光接收传感器连接，用于接收和组合所述光接收传感器发送的第一电信号和第二电信号，并转换为UVW信号输出。

7.一种伺服电机转子磁极位置检测方法，其特征在于，包括：

将接收的第一电信号与第二电信号进行组合，得到位置检测信号；

利用逻辑算法，将所述位置检测信号转换为UVW信号，并将所述UVW信号反馈给驱动器。

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