CN114279472A

CN114279472A - 一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法及电路

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Publication number: CN114279472A
Application number: CN202111662880.5A
Authority: CN
Inventors: 任宏宇; 张辉; 朱冠伦; 黄意雅; 于广华; 徐秀兰; 郭奇勋
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-05

Abstract

本发明提供了一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法及电路，涉及磁电编码器技术领域，使用基于各向异性磁电阻(Anisotropic magnetoresistance，AMR)技术的角位移传感器，使用IC‑TW28芯片来提高增量式磁电编码器的测量分辨率和输出精度。本发明有益效果：设计简单，使用的元器件较少，可实现编码器的高动态、高精度编码，同时，可消除外界杂散磁场及装配误差对采集精度的影响，同时可消除外界杂散磁场及装配误差对采集精度的影响，能够提高增量式磁电编码器的普遍适用性。

Description

一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法及电路

技术领域

本发明属于磁电编码器技术领域，具体地涉及一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法及电路。

背景技术

编码器是将机械运动中角位移或直线位移等物理量转变为电信号的一类传感器件。按照工作原理编码器可分为绝对式编码器和增量式编码器两类。绝对式编码器的每一个位置对应一个确定的电信号输出，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关；增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小，其测量与中间过程相关。

编码器根据工作原理可分类为：光电式、磁电式和触点电刷式。应用最广的是光电编码器,但由于光电编码器使用光栅材料,决定了其无法适应苛刻的环境工作,在受到外界大冲击时，码盘容易碎裂,并且光栅加工工艺复杂,要求较高的装配和定位精度,而且感光器件的寿命有限,高精度的光电编码器加工难度大,成本难以控制。触点电刷式编码器的分辨率受到电刷的限制，不能做到很高；且电刷接触产生磨擦，使用寿命较短，不允许高速运转。磁电式编码器采用磁性元件作为传感器，基于霍尔效应或磁阻效应，可实现角位移的高精度测量，其构成部件少，结构紧凑，易于实现小型化、高精度、高分辨率，具有抗振动、抗冲击、长寿命等特性，广泛应用于电机伺服系统及自动控制系统。

但现有的增量式磁电式编码器产品中，磁电传感器主要是基于霍尔效应来设计的(公开号：CN2056RS42281U，公开号：CN209043335U)，而基于霍尔效应的磁电编码器一般需要多个霍尔传感器，通过把旋转磁场转化为正弦信号来处理，不仅麻烦且成本较高。近年来新兴一种基于磁阻效应的角位移传感器，主要是通过多级充磁的磁鼓，将周期变化的空间磁场转化成差分的正余弦信号，从而来实现角位移的测量，操作简单方便。

因此，亟需一种能够用于磁阻效应角位移传感器的信号处理电路，能够将差分的正余弦信号转换为增量式编码器所需的脉冲信号。

发明内容

本发明提供一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法及电路，解决现有技术中现有的增量式磁电式编码器产品成本高精度差等问题。

本发明的第一方面，提供一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法，包括：

步骤1、使用AMR传感器将旋转磁场转化为相位相差90°的正余弦差分信号；

步骤2、将步骤1输出的正余弦信号使用仪表放大器进行放大；

步骤3、将步骤2放大后的信号输入进IC-TW28芯片，对正余弦信号进行插值细分并输出脉冲信号。

上述信号处理方法中，所述仪表放大器的个数为2个。

上述信号处理方法中，所述仪表放大器的型号为AD8224、AD620、 AD8226中的一种或者多种结合。

上述信号处理方法中，所述IC-TW28芯片最高可对一个周期的正余弦信号插值256次，细分输出256个脉冲信号。

本发明的第二方面，提供一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，包括：

AMR传感器，用于将旋转磁场转化为相位相差90°的正余弦差分信号；

仪表放大器，用于对AMR传感器输出的正余弦差分信号进行放大和偏置；

IC-TW28芯片，对正余弦信号进行插值细分并输出脉冲信号。

上述信号处理电路中，所述仪表放大器的输出端连接IC-TW28芯片的 SIN+管脚和COS+管脚。

上述信号处理电路中，所述仪表放大器的个数为2个。

上述信号处理电路中，所述仪表放大器的型号为AD8224、AD620、 AD8226中的一种或者多种结合。

上述信号处理电路中，所述IC-TW28芯片最高可对一个周期的正余弦信号插值256次，细分输出256个脉冲信号。

应当理解，发明内容部分中所描述的内容并非旨在限定本发明的实施例的关键或重要特征，亦非用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的描述变得容易理解。

本发明有益效果：本发明使用基于各向异性磁电阻(Anisotropicmagnetoresistance，AMR)技术的角位移传感器，可实现编码器的高动态、高精度编码，同时，可消除外界杂散磁场及装配误差对采集精度的影响；通过使用IC-TW28芯片来提高增量式磁电编码器的测量分辨率和输出精度，且输出信号满足一般伺服的通信要求，设计简单，使用的元器件较少，能够提高增量式磁电编码器的普遍适用性。

附图说明

图1为本发明增量式磁电编码器信号处理电路的示意图。

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，下面将结合本发明实施例中的附图，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作出创造性劳动前提下所获得的全部其他实施例，都属于本发明保护的范围。

另外，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A 和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

现有的增量式磁电式编码器产品中，磁电传感器主要是基于霍尔效应来设计的，而基于霍尔效应的磁电编码器一般需要多个霍尔传感器，通过把旋转磁场转化为正弦信号来处理，不仅成本高，而且精度较差。因此，亟需一种信号处理电路，能够将差分的正余弦信号转换为增量式编码器所需的脉冲信号。针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于增量式磁电编码器电路，该电路使用基于各向异性磁电阻(Anisotropicmagnetoresistance，AMR)技术的角位移传感器，可实现编码器的高动态、高精度编码，同时，可消除外界杂散磁场及装配误差对采集精度的影响。AMR 传感器对磁场较为敏感，可以把旋转磁场转化为相位相差90°的正余弦差分信号，将该信号使用仪表放大器进行放大，再将信号输入进IC-TW28芯片，即可对正余弦信号进行细分并输出脉冲信号。IC-TW28最高可对每组正余弦信号细分输出256个脉冲信号，可以大大提升角位移的测量分辨率及测量精度。

在上述增量式磁电编码器的电路设计中，使用的AMR传感器能产生相位相差90°的正余弦差分信号，信号峰峰值较小，不足20mV。AD8224仪表放大器用于对AMR传感器输出的正余弦信号进行放大和偏置，放大倍数由仪表放大器所外接的电阻决定，直流偏置则由输入进仪表放大器的VREF决定。当该磁电编码器用于干扰较大的工业场所时，其输出的正余弦信号上会叠加共模噪声，仪表放大器能够较好的处理该共模噪声。由于IC-TW28芯片对输入的信号有一定的直流偏置要求，仪表放大器也能够对AMR传感器输出的正余弦信号进行适当的偏置。IC-TW28芯片能够将输入的正余弦信号进行插值细分，对于一个周期的正余弦信号，IC-TW28可以通过程序调节插值次数，同时输出同等次数的脉冲信号，IC-TW28最高可以对一个周期的正余弦信号插值256次。IC-TW28输出的A、B脉冲为差分信号，满足RS422通信要求，抗干扰能力较强，可以进行远距离传输。

本发明通过使用IC-TW28芯片来提高增量式磁电编码器的测量分辨率和输出精度，且输出信号满足一般伺服的通信要求，设计简单，使用的元器件较少，能够提高增量式磁电编码器的普遍适用性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

如图1所示，一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，包括一个 AMR传感器，两个仪表放大器和一个IC-TW28芯片，仪表放大器的输出端连接IC-TW28芯片的SIN+管脚和COS+管脚，所述仪表放大器型号为 AD8422；所述AMR传感器用于将旋转磁场转化为相位相差90°的正余弦差分信号，所述仪表放大器用于接收AMR传感器的信号，并对该信号进行放大和叠加直流偏置；IC-TW28芯片用于接收仪表放大器的信号，并输出脉冲信号。

进一步，如果磁电编码器系统使用的传感器输出的峰峰值能够超过 20mV，且具有一定偏置的正余弦信号时，可以不使用图1中的仪表放大器，极大的简化设计。

进一步，仪表放大器可以选择其他型号，如AD620、AD8226等。

一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法，具体地，在一磁鼓上冲入了100对磁极，当磁鼓旋转1圈时，AMR传感器会输出100组正余弦信号。其中，每组正余弦信号通过差分的方式输出，具体的，AMR传感器输出SIN+、 SIN-和COS+、COS-到仪表放大器的同相端与反向端。仪表放大器的放大增益通过一个外置电阻设置，在本实施例中，所选用的仪表放大器型号为 AD8422,其放大增益范围为1至1000，所配置的外置电阻阻值为620Ω。仪表放大器放大后的正余弦信号的直流偏置为0V，为了满足IC-TW28的输入信号的要求，应在仪表放大器的基准电压管脚输入一参考电压，具体的，在本实施例中输入的参考电压VREF为1.65V。仪表放大器输出的信号分别记为正弦信号SINA和余弦信号COSB，这两个信号满足直流偏置为1.65V，峰峰值大于20mV且小于2V。仪表放大器输出的SINA信号与COSB信号分别输入到IC-TW28芯片的SIN+和COS+管脚，IC-TW28芯片的SIN-和COS-管脚则输入1.65V电压。由于仪表放大器输出的信号非差分信号，所以仪表放大器芯片与IC-TW28芯片在电路板的布局上最好采用紧密相邻的布局方式。通过设置IC-TW28的寄存器，可以配置其插值次数，具体的，在本实施例中，设置IC-TW28的插值次数为50次，即每输入一组正余弦信号，IC-TW28会输出50个脉冲。在本实施例中，由于磁鼓上充入了100对磁极，所以每旋转一圈，IC-TW28会输出5000个脉冲。IC-TW28满足RS422的通信规则，采用差分的方式输出脉冲，可直接与支持脉冲计数的伺服器相连，实现编码器与伺服器的通信。

本方案的优点在于通过使用IC-TW28芯片来提高增量式磁电编码器的输出精度，在本实例中，仅需充入100对磁极便可以输出5000个脉冲信号，将编码器的测量分辨率提高到了0.072°，且输出信号满足一般伺服的通信要求，设计简单，使用的元器件较少，提高了增量式磁电编码器的普遍适用性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围，本发明的连接指直接连接或间接连接。

尽管本文较多地使用了增量式磁电编码器、AMR传感器、IC-TW28等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims

1.一种用于增量式磁电编码器的信号处理方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述仪表放大器的个数为2个。

3.根据权利要求1所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述仪表放大器的型号为AD8224、AD620、AD8226中的一种或者多种结合。

4.根据权利要求1所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述IC-TW28芯片最高可对一个周期的正余弦信号插值256次，细分输出256个脉冲信号。

5.一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，包括：

IC-TW28芯片，对正余弦信号进行插值细分并输出脉冲信号。

6.根据权利要求5所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述仪表放大器的输出端连接IC-TW28芯片的SIN+管脚和COS+管脚。

7.根据权利要求5所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述仪表放大器的个数为2个。

8.根据权利要求5所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述仪表放大器的型号为AD8224、AD620、AD8226中的一种或者多种结合。

9.根据权利要求5所述的一种用于增量式磁电编码器的信号处理电路，其特征在于，所述IC-TW28芯片最高可对一个周期的正余弦信号插值256次，细分输出256个脉冲信号。