CN114111848A - 磁编码器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种磁编码器，包括磁鼓、磁信号检测元件及磁信号处理输出元件，其中磁鼓的外周壁上沿其轴向设有M个单极磁环，在每个单极磁环的磁场范围内沿其周向设有n个磁信号检测元件，单极磁环的外圆周面上沿其周向依次交替地设置有凸起与凹槽，凸起对应圆心角为α，凹槽对应圆心角为β，轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向偏转角度为A，轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度为B，A和B不同时等于零，其中M≥2，n≥1。根据本发明，磁编码器的分辨率通过α、β、M、n、A、B等多个参数共同调整得到确保，较多的可调整参数有利于设计出不同功能、不同控制精确度要求的磁编码器。

Description

磁编码器

技术领域

本发明属于磁编码器设计技术领域，具体涉及一种磁编码器。

背景技术

磁编码器是一种以磁阻传感器、磁鼓、信号处理电路为主要组成部分构成的角度或者位移测量装置。磁编码器因为有体积小、精密度高、分辨度高、无接触无磨损、高抗震、安装简单、使用寿命长、接口形式多等众多优点，因而广泛应用于工业控制、机械制造、船舶、纺织、印刷、航空、航天、雷达、通讯、军工等领域。

磁鼓上磁极的个数决定着磁编码器的分辨率，磁鼓上磁极的均匀性决定着磁编码器输出信号的质量，磁鼓上磁极的磁场强度和作用距离决定着磁编码器的结构和体积。总之，磁鼓对磁编码器的各向性能参数有着及其重要的影响，而磁鼓的很多性能又与其圆周上的磁信号源的结构密不可分。

申请人的在先申请的专利中公开了一种具有凹凸结构的磁环作为磁信号的磁鼓的技术方案，其可产生的磁信号的数量是凸起与凹槽的数量之和，按照这种原理，只要凸起与凹槽所占的圆心角越小，则磁鼓产生的磁信号的数量就越多，能够提升磁编码器的分辨率，但凸起或凹槽的最小圆心角受到四个方面因素的制约：第一个因素，磁环材质的强度和韧性，凸起部分的最小圆心角必须保证凸起部分有足够的强度，不会轻易损坏；第二个因素，加工工具或加工方法的最小缝隙，例如CNC激光机床的最小加工缝隙是0.1mm左右，则磁环的凹槽部分对应的圆心角就不能小于0.1mm缝隙对应的圆心角；第三个因素，磁信号检测元件的最小感知角度，凸起和凹槽对应的最小圆心角都不能小于磁信号检测元件的最小感知角度，否则就得不到清晰明确的磁信号；第四个因素，磁环的直径(外径)，磁鼓上磁环的直径不是任意的，而是由安装磁编码器的径向空间决定的，径向空间越小磁编码器只能越小，磁环的直径也只能越小，磁鼓上具有相同圆心角的凸起或凹槽的数量也就越小，磁鼓产生的磁信号也就越少。受制于以上几个因素，现有技术中的磁编码器的检测精度和分辨率的进一步提高尤其艰难。

发明内容

因此，本发明提供一种磁编码器，以能够进一步提高磁编码器的检测精度和分辨率。

为了解决上述问题，本发明提供一种磁编码器，包括磁鼓、磁信号检测元件及磁信号处理输出元件，其中所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有M个单极磁环，在每个单极磁环的磁场范围内沿其周向设有n个磁信号检测元件，所述单极磁环的外圆周面上沿其周向依次交替地设置有凸起与凹槽，所述凸起的外圆壁的两端点与所述单极磁环的圆心之间形成的圆心角为α，所述凹槽的外圆壁的两端点与所述单极磁环的圆心之间形成的圆心角为β，M个单极磁环中轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向偏转角度为A，轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度为B，A和B不同时等于零，其中M≥2，n≥1。

在一些实施方式中，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的单极磁环的外圆周上的每个凸起的α不相等，每个凹槽的β不相等，α和β不相等。

在一些实施方式中，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的单极磁环的外圆周上的每个凸起的α相等，每个凹槽的β相等，α和β相等。

在一些实施方式中，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的M个单极磁环中轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向偏转角度A不相等，M个单极磁环中轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度B不相等。

在一些实施方式中，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的M个单极磁环中轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向偏转角度A相等，M个单极磁环中轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度B相等。

在一些实施方式中，所述单极磁环为各向异性磁体，或者，为各向同性磁体。

在一些实施方式中，所述单极磁环为钕铁硼磁体、钐钴磁体、铝镍钴磁体、橡胶磁体、铁氧体磁体中的至少一种。

根据本发明，磁编码器磁鼓的凸起与凹槽的精度通过机械加工得到确保，磁编码器的其它特性(如分辨率)可以通过圆心角α和β的大小、单极磁环的个数M、在每个单极磁环的磁场范围内沿其周向配置的磁信号检测元件的个数n、轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向的偏转角度A、轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度为B等多个参数共同调整得到确保，较多的可调整参数有利于设计出不同功能、不同精确度要求的磁编码器。

附图说明

图1为发明实施例的磁编码器中的M个单极磁环沿磁鼓的周向展开后的结构示意图(仅示出部分片段)，图中示出了M个单极磁环中轴向相邻两个单极磁环的凸起沿磁鼓的周向偏转角度而M个磁信号检测元件则沿着磁鼓的轴向一字排列的状态；

图2为本发明实施例的磁编码器中的单极磁环的结构示意图；

图3为本发明另一实施例的磁编码器中的M个单极磁环沿磁鼓的周向展开后的结构示意图(仅示出部分片段)，图中示出了M个单极磁环沿着磁鼓的轴向一字排列而M个磁信号检测元件中轴向相邻两个磁信号检测元件沿磁鼓的周向偏转角度的状态。

附图标记表示为：

1、单极磁环；11、凸起；12、凹槽；2、磁信号检测元件。

具体实施方式

结合参见图1至图3所示，根据本发明的实施例，提供一种磁编码器，包括磁鼓、磁信号检测元件及磁信号处理输出元件，其中所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有M个单极磁环1，在每个单极磁环1的磁场范围内沿其周向设有n个磁信号检测元件2，所述单极磁环1的外圆周面上沿其周向依次交替地设置有凸起11与凹槽12，所述凸起11的外圆壁的两端点与所述单极磁环1的圆心之间形成的圆心角为α，所述凹槽12的外圆壁的两端点与所述单极磁环1的圆心之间形成的圆心角为β，M个单极磁环1中轴向相邻的两个单极磁环1分别具有的凸起11沿着磁鼓的周向偏转角度为A，轴向相邻的两个磁信号检测元件2沿着磁鼓的周向偏转角度为B，A和B不同时等于零，其中M≥2，n≥1，需要说明的是，如果A和B同时为零的话，将达不到增加磁鼓旋转一周产生的磁信号的目的。该技术方案中，有效克服现有技术中通过单个单极磁环1的外周壁上的凹凸结构的加工尺寸与精度来提升受限于加工工艺精度、材料物性(强度、韧度等)、尺寸及磁信号检测元件的最小感知角度的不足。也即根据本发明，磁编码器磁鼓的凸起与凹槽的精度通过机械加工得到确保，磁编码器的其它特性(如分辨率)通过圆心角α和β的大小、单极磁环的个数M、在每个单极磁环的磁场范围内沿其周向配置的磁信号检测元件的个数n、轴向相邻的两个单极磁环分别具有的凸起沿着磁鼓的周向的偏转角度A、轴向相邻的两个磁信号检测元件沿着磁鼓的周向偏转角度为B等多个参数共同调整得到确保，较多的可调整参数有利于设计出不同功能、不同控制精确度要求的磁编码器。可以理解的，因为本发明中磁信号检测元件得到的磁场强度信号只有强弱之分，且数量可以足够大，因此完全可以按照处理数字信号的方法处理磁信号，例如将磁场强度高的磁信号作为1，磁场强度低的磁信号作为0；因为本发明中可以同时从多个磁信号检测元件得到磁信号，因此可以对每一组磁信号进行排列组合处理，得到更大数量的磁信号。

所述单极磁环指的是所述磁环的外环圆周壁(也即外圆周壁)和/或内环圆周壁(也即内圆周壁)仅具有单一磁极(N极或者S极)的磁环。

具体的，在本发明中，磁信号是由单极磁环外圆周面上沿其周向依次交替地设置的凸起11和凹槽12产生的，在技术背景部分已经做过论述，受到多重因素的制约，单个磁环的凸起11和凹陷12不能无限增多，那么单个磁环可产生的磁信号的个数也就不能无限制的增多，也就说，单个磁环产生的单个磁信号所占的最小圆心角有一个极限值。为了让磁鼓旋转一周产生更多的磁信号，本发明在磁鼓的外周壁上沿其轴向设置了多个单极磁环1。

为便于理解本发明的内容，下文以本发明的一种最简单结构的磁编码器磁鼓对本发明的主要技术内容加以说明：

单极磁环1外圆周面上沿其周向依次交替地设置的凸起11和凹槽12的圆心角相等，为α；磁鼓的外周壁上沿其轴向设有两个单极磁环(也即M＝2)；每个磁环上方只设一个磁信号检测元件2(也即n＝1)，两个(分别对应两个单极磁环1)磁信号检测元件位于一条与磁鼓轴中心线平行的直线上；让两个磁环的凸起错开α/2角度；磁鼓旋转α角度后，2个磁环分别产生一个磁信号，即产生两个磁信号；如此一来，磁鼓产生单个磁信号的圆心角就由α减小到了α/2。可以看出，磁鼓表面只有一个磁环的情况下，磁鼓旋转一周只能产生360/α个磁信号，一半是磁环的凸起11产生的，一半是磁环的凹陷12产生的。磁鼓表面串联两个磁环后，磁鼓旋转一周可以产生2×360/α个磁信号，磁信号数量增加了一倍。

同理，如果磁鼓的外壁由M个磁环串联而成，如果让M个磁环的凸起错开α/M角度，则磁鼓旋转α角度后就可以产生M个磁信号，磁鼓旋转360°可以产生360M/α个磁信号，就可以实现磁鼓旋转很小的圆心角就产生一个磁信号最终提高磁编码器分辨率的目的。如果想从单个磁环得到更多磁信号，可以在每个单极磁环的磁场范围内沿其周向设置多个磁信号检测元件2。

因为磁编码器的用途非常广泛，不同用途的磁编码器必须满足不同的控制信号要求。因此，本发明中磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的单极磁环1的外圆周上的每个凸起11的α可以不相等，每个凹槽12的β可以不相等，α和β可以不相等。而通常情况下，每个凸起11的α被设计的相等，每个凹槽12的β被设计的相等，α和β也相等。

为达到磁鼓旋转一定角度后磁鼓表面的每个磁环都可以产生一个磁信号的目的，需要相邻的两个单极磁环分别具有的凸起11沿着磁鼓的周向偏转角度A，或者需要相邻的两个磁信号检测元件2沿着磁鼓的周向偏转角度B，且A和B不能同时为零，例如A＝0，B≠0意味着磁鼓表面相邻的两个单极磁环分别具有的凸起11沿着磁鼓的轴向彼此对齐，但磁鼓表面相邻的两个磁信号检测元件2沿着磁鼓的周向偏转了角度B；A≠0，B＝0意味着磁鼓表面相邻的两个单极磁环1分别具有的凸起11沿着磁鼓的周向彼此偏转了角度A，但磁鼓表面相邻的两个磁信号检测元件2沿着磁鼓的轴向彼此对齐。具体的，参见图1所示，所有检测磁环磁信号的磁信号检测元件2位于一条与磁鼓轴中心线平行的直线(图中竖直延伸的虚线)上，即B＝0，所有磁环的凸起或凹槽彼此错开一个角度A；在另一个实施例中，参见图3所示，所有磁环的凸起与凸起对齐、凹槽与凹槽对齐(也即轴向磁环周向不偏转角度)，即A＝0，但检测磁环磁信号的磁信号检测元件彼此错开一个角度B；在另一个实施例中，根据需要布置磁环凸起或凹槽对齐方式和磁信号检测元件2的安置位置，即A≠0，B≠0，以满足不同控制类型对磁编码器的信号要求，也即混合布置偏转角度的方式。

轴向相邻的两个单极磁环1的磁性相同，或者，轴向相邻的两个单极磁环1的磁性相反，也即，轴向相邻的两个单极磁环1的极性可以同时为N极或极，也可以是一个是N极另一个是S极，具体采用何种极性组合方式，依据磁编码器芯片对磁鼓磁信号的处理程式进行确定即可。

在一些实施方式中，所述凸起11及所述凹槽12通过机加工的方式形成，具体例如采用激光加工方式，从而保证每个凸起及凹槽的尺寸精度，可以保证磁信号源在360°的均匀分布，能够有效克服磁环充磁过程中容易导致的N极和S极之间的无磁区模糊、变形和宽度不一致的缺陷，极大提高磁鼓的磁信号源质量，保证磁编码器的精度。

本发明中的单极磁环1可以是各向异性磁体，可以是各向同性磁体。本发明中的单极磁环1可以是钕铁硼磁体，钐钴磁体，铝镍钴磁体，橡胶磁体，铁氧体磁体或其它类型的永磁体，或者他们的组合。

以下采用α＝β＝1°、A＝0.25°、B＝0、M＝4作为具体实施例对本发明的技术方案进行进一步阐述。

磁环的每个凸起与凹陷部分对应圆心角相等，均为1°(也即α＝β＝1°)。在这种结构下，磁鼓每旋转1°产生一个磁信号，其旋转一周可以产生360个磁信号，其中180个凸起磁信号(磁场强度数值高)、180个凹陷磁信号(磁场强度数值低)。进一步的，将4个这样的磁环在磁鼓的轴向串联起来(也即沿着磁鼓的轴向依次布置)，让每个磁环的凸起或凹陷相差0.25°(A＝1°/4)，在每个磁环上方安置一个磁信号检测元件，且让所有磁信号检测元件位于一条与磁鼓轴中心线平行的直线上(B＝0，如图1所示)，这样，磁鼓每旋转0.25°就可以产生一个磁信号，磁鼓旋转一圈可以产生1440个磁信号。同理，如果串联10个磁环，则磁鼓每旋转一圈就可以产生3600个磁信号。如果采用目前人们普遍的方法，即在每个单极磁环1的磁场范围内沿其周向设置4个磁信号检测元件2，则磁鼓每旋转一圈就可以产生4x3600个磁信号，即14400个磁信号。

可以理解的，所述磁信号处理输出元件用于获取所述磁信号检测元件检测到的磁信号并将磁信号按照预设规则处理形成相应的输出信号输出至相应的控制系统中，此部分作为磁编码器的常规技术，此处不做赘述。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。以上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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种磁编码器，其特征在于，包括磁鼓、磁信号检测元件及磁信号处理输出元件，其中所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有M个单极磁环(1)，在每个单极磁环(1)的磁场范围内沿其周向设有n个磁信号检测元件(2)，所述单极磁环(1)的外圆周面上沿其周向依次交替地设置有凸起(11)与凹槽(12)，所述凸起(11)的外圆壁的两端点与所述单极磁环(1)的圆心之间形成的圆心角为α，所述凹槽(12)的外圆壁的两端点与所述单极磁环(1)的圆心之间形成的圆心角为β，M个单极磁环(1)中轴向相邻的两个单极磁环(1)分别具有的凸起(11)沿着磁鼓的周向偏转角度为A，轴向相邻的两个磁信号检测元件(2)沿着磁鼓的周向偏转角度为B，A和B不同时等于零，其中M≥2，n≥1。

2.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的单极磁环(1)的外圆周上的每个凸起(11)的α不相等，每个凹槽(12)的β不相等，α和β不相等。

3.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的单极磁环(1)的外圆周上的每个凸起(11)的α相等，每个凹槽(12)的β相等，α和β相等。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的磁编码器，其特征在于，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的M个单极磁环(1)中轴向相邻的两个单极磁环(1)分别具有的凸起(12)沿着磁鼓的周向偏转角度A不相等，M个单极磁环(1)中轴向相邻的两个磁信号检测元件(2)沿着磁鼓的周向偏转角度B不相等。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的磁编码器，其特征在于，所述磁鼓的外周壁上沿其轴向设有的M个单极磁环(1)中轴向相邻的两个单极磁环(1)分别具有的凸起(12)沿着磁鼓的周向偏转角度A相等，M个单极磁环(1)中轴向相邻的两个磁信号检测元件(2)沿着磁鼓的周向偏转角度B相等。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的磁编码器，其特征在于，所述单极磁环(1)为各向异性磁体，或者，为各向同性磁体。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的磁编码器，其特征在于，所述单极磁环(1)为钕铁硼磁体、钐钴磁体、铝镍钴磁体、橡胶磁体、铁氧体磁体中的至少一种。

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