CN116222371B - 一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法 - Google Patents

一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，旨在解决当前的光栅式编码器抗干扰能力弱、工作环境要求苛刻等问题。通过使用通电线圈代替光栅式编码器中的光源作为信号发生源，再与磁栅盘和开关式霍尔元件相配合，磁栅盘随着电机主轴旋转，其上均匀的刻有磁栅格，通电线圈产生的磁场通过磁栅格被磁栅盘后面的开关型霍尔接收到磁场信号，产生脉冲信号，以此判断电机主轴的旋转状态。磁栅式磁电编码器具有光栅式编码器的高精度、高分辨率的优点，又兼具磁电编码的抗污染能力强的优点。

Description

一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法
技术领域
本发明属于编码器制造领域，具体涉及一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法。
背景技术
光栅式编码器是一种增量式编码器，主要由光源、光栅盘和光电检测装置构成。其主要工作原理为光电转换，是通过光电转换将输出轴的机械几何位移量转换为脉冲信号或数字信号，在伺服系统中，光栅盘和电动机同轴致使电动机的旋转带动光栅盘的旋转，再经过光电检测装置输出若干个脉冲信号，根据信号的每秒脉冲数，就能得到当前电机的转速以及增量式位置，另外光栅式编码器的码盘输出两个存在相位差的光码，根据双通道输出光码的状态的改变便可判断出电动机的旋转方向。
光栅式编码器作为一种很成熟的增量式编码器，具有体积小，分辨率高，精度高等优点。既可检测角度位移，又能在机械转换装置帮助下检测直线位移，内部元器件不存在机械接触，使用寿命较长，安装又比较方便。
光栅式编码器虽然精度较高，结构简单，但是因为使用光源作为原始信号发生转置，因此对使用环境具有严格要求。在一些环境恶劣的工作场景中，光源以及光电检测装置就会受到极大影响，导致精度降低甚至不能使用。而磁电编码器使用磁场作为信号发生装置，磁场与光源相比更稳定，更不易受到环境的影响，抗干扰能力远远强于光源。但是磁电编码器的分辨率没有光栅式编码器高，需要加入一些精度补偿算法才能使磁电编码器与光栅式编码器的精度处于同一水准。因此，一款既具有磁电编码器的强抗干扰能力又兼具光栅式编码器的高精度的新型编码器很有应用前景。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，旨在解决当前的光栅式编码器抗干扰能力弱、工作环境要求苛刻等问题。通过使用通电线圈产生的磁场来代替光栅式编码器中的光源作为信号发生源，再与磁栅盘和开关式霍尔元件相配合，磁栅盘随着电机主轴旋转，其上均匀的刻有磁栅格，通电线圈产生的磁场通过磁栅格被磁栅盘后面的开关型霍尔接收到磁场信号，以判断电机主轴的旋转状态。
本发明公布了一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，包括：
通电线圈，用作产生强度可控的磁场发生源；
磁栅盘，由导磁材料制成，其上有经过机械加工出的磁栅格，可以使磁场透过磁栅盘，被编码器信号解算板上的开关型霍尔接收；
开关型霍尔a1，只有在磁栅格经过线圈磁场时，磁场强度达到预定值时向外输出高电平脉冲信号，其余输出低电平信号；
开关型霍尔a2，只有在磁栅格经过线圈磁场时，磁场强度达到预定值时向外输出高电平脉冲信号，其余输出低电平信号；
开关型霍尔a3，只有在整圈计数磁栅格经过线圈磁场时，磁场强度达到预定值时向外输出高电平脉冲信号，其余输出低电平信号；
单片机，内置有管脚识别模块，用来识别管脚的高低电平状态；
步骤一：将编码器与电机主体连接：
用4个连接螺柱将编码器固定板与电机主体螺纹连接，将编码器信号解算板与编码器固定板螺纹连接，将磁栅盘与电机主轴同轴胶接在一起，保证电机主轴旋转时，磁栅盘随之旋转，将通电线圈与编码器端盖胶接，将外界供电电源正负极与通电线圈上的线圈正负极连接，通电线圈开始产生轴向磁场；给电机主体通电，使得电机主轴旋转，带动胶接在电机主轴上的磁栅盘旋转；
步骤二：采集角度值数字信号：
采集开关型霍尔a1角度值信号A，并进行模数转换，得到开关型霍尔a1角度值数字信号HA；采集开关型霍尔a2角度值信号B，并进行模数转换，得到开关型霍尔a2角度值数字信号HB；采集开关型霍尔a3角度值信号Z，并进行模数转换，得到开关型霍尔a3角度值数字信号HZ；
步骤三：电机主轴同一方向旋转的角度值解算方法：
若电机主轴只向一个方向旋转，不发生旋转方向改变的情况下，开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号和开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号之间存在着时滞性，即：顺时针旋转时，A相脉冲信号领先于B相脉冲信号；逆时针旋转时，A相脉冲信号滞后于B相脉冲信号；
磁栅盘上有n个磁栅格，每一个磁栅格经过通电线圈的磁场后，都会输出一个脉冲信号，每一个脉冲信号对应的机械角度值为：
θ1＝360°/n (1)
其中，n为磁栅盘上的磁栅格数量；
电机主轴在顺时针旋转时一圈内的角度解算公式为：
q1＝A1×θ1 (2)
其中，A1为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值；
在磁栅盘上还刻有一个整圈计数磁栅格g，磁栅格每转过一整圈，整圈计数磁栅格g便经过一次通电线圈磁场，开关型霍尔a3输出一个Z相整圈脉冲信号；n个A相脉冲信号对应着一个Z相脉冲信号，则电机主轴的绝对角度解算公式为：
q2＝(Z1-1)×360°+ (m-(Z1-1)×n) ×θ1 (3)
其中，Z1为开关型霍尔a3输出的Z相整圈脉冲信号数，m为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，n为磁栅盘上磁栅格的个数量，θ1为每一个脉冲信号对应的机械角度值；
步骤三：电机主轴存在旋转方向改变时角度值解算方法：
若电机主轴旋转方向发生改变时，开关型霍尔a2会持续输出大于等于一个相位的高电平或低电平；在旋转方向未发生改变前，电机主轴旋转过的角度的解算公式为公式(3)，在旋转方向发生了变化后角度解算公式为：
q3＝q2-B2×θ1 (4)
其中，q2为旋转方向未发生改变时转过的角度值，B2为旋转方向改变后开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值；
本发明的有益效果为：
1.本发明的磁栅式磁电编码器克服了光栅式磁电编码器容易受到油污、粉尘等环境因素的影响，此编码器更加稳定、可靠。
2.传统的磁电编码器的精度和分辨率是磁钢充磁的均匀性，而磁钢的充磁过程很难控制，导致传统磁电编码器的精度和分辨率提升困难，本发明的磁栅式磁电编码器的分辨率和精度是依据磁栅盘上的机械加工出的磁栅格的个数以及磁栅格的宽度来决定的，机械加工精度越高，编码器的分辨率和精度就越高，克服了传统的磁电编码器的精度和分辨率提升困难的问题。
3.本发明使用的通电线圈产生磁场，可以通过调节通电线圈的电流强度来控制磁场的强弱程度。
4.本发明的磁栅式磁电编码器中不存在磁钢，避免了磁电编码器长时间使用后磁钢温度上升后容易碎裂的问题，使得编码器更安全、更可靠。
5.本发明的磁栅式磁电编码器既能够解算出电机主轴的当前的旋转角度，又能够记录电机旋转圈数。
附图说明：
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述：
图1为本发明所述总体结构示意图；
图2为本发明所述编码器内部结构图；
图3为本发明所述编码器主体部件图；
图4为本发明所述通电线圈局部放大示意图；
图5为本发明所述磁栅盘结构图；
图6为本发明所述编码器信号解算板；
图7为本发明所述电机主轴顺时针旋转时脉冲信号图；
图8为本发明所述电机主轴逆时针旋转时脉冲信号图；
图9为本发明所述电机主轴旋转方向发生变化的脉冲信号图；
图中1、通电线圈；2、磁栅盘；3、编码器信号解算板；4、编码器端盖；5、编码器固定板；6、电机主轴；7、连接螺柱；8、电机主体；1-1、通电线圈正极；1-2、通电线圈负极；2-1、磁栅格a；2-2、磁栅格b；2-3、磁栅格c；2-4、磁栅格d；2-5、磁栅格e；2-6、磁栅格f；2-7、整圈计数磁栅格g；3-1、开关型霍尔a1；3-2、开关型霍尔a2；3-3、蔽磁板；3-4、开关型霍尔a3；3-5、单片机；
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
如图 1、图 2、图 3、图 4、图 5、图 6、图 7、图 8、图9所示，本发明具体实施方式采用以下技术方案：
所述的一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，其特征在于：所述的磁栅式磁电编码器，它包括通电线圈(1)，磁栅盘(2)，编码器信号解算板(3)，编码器端盖(4)，编码器固定板(5)，电机主轴(6)，连接螺柱(7)，电机主体(8)；通电线圈正极(1-1)，通电线圈负极(1-2)；磁栅格a(2-1)，磁栅格b(2-2)，磁栅格c(2-3)，磁栅格d(2-4)，磁栅格e(2-5)，磁栅格f(2-6)，整圈计数磁栅格g(2-7)；开关型霍尔a1(3-1)，开关型霍尔a2(3-2)，蔽磁板(3-3)，开关型霍尔a3(3-4)，单片机(3-5)；其中，通电线圈(1)与编码器端盖(4)胶接，并且通电线圈(1)的线圈正极与线圈负极通过编码器端盖(4)上的开孔留在编码器外部，使用时与供电电源的正负极相接；磁栅盘(2)与电机主轴(6)同轴配合并胶接；编码器信号解算板(3)与编码器固定板(5)螺纹连接；编码器端盖(4)与编码器信号解算板(3)之间通过使用螺纹连接；编码器固定板(5)通过使用四个连接螺柱(7)与电机主体(8)螺纹连接；磁栅格a(2-1)、磁栅格b(2-2)、磁栅格c(2-3)、磁栅格d(2-4)、磁栅格e(2-5)、磁栅格f(2-6)、整圈计数磁栅格g(2-7)为经过机械加工开孔的方式加工出的孔洞，使得通电线圈(1)产生的磁场能够通过磁栅格被编码器信号解算板(3)上的开关型霍尔a1(3-1)，开关型霍尔a2(3-2)，开关型霍尔a3(3-4)接收到磁场信号；开关型霍尔a1(3-1)、开关型霍尔a2(3-2)、蔽磁板(3-3)、开关型霍尔a3(3-4)、单片机(3-5)均与编码器信号解算板(3)锡焊焊接；开关型霍尔a1(3-1)与开关型霍尔a2(3-2)交错布置，存在相位差，开关型霍尔a3(3-4)与开关型霍尔a1(3-1)处于同一相位。
当供电电源正负极与通电线圈(1)的通电线圈正极(1-1)与通电线圈负极(1-2)连接后，通电线圈(1)在电流的作用下产生轴向磁场；当电机主体(8)通电后，电机主轴(6)开始旋转，胶接在电机主轴(6)上的磁栅盘(2)会随着电机主轴(6)旋转，磁栅盘(2)经过旋转后，当磁栅格a(2-1)通过通电线圈(1)产生的磁场时，开关型霍尔a1(3-1)会接收到磁场信号，磁场信号经过单片机(3-5)中的内置模数转换器转换后会输出一个脉冲信号，开关型霍尔a2(3-2)随后也会输出一个脉冲信号，依此顺序，磁栅盘(2)上的6个磁栅格会依次持续输出脉冲信号，通过记录开关型霍尔a1(3-1)输出的A相脉冲信号数来判断电机主轴的旋转位置；当电机主轴旋转了整圈时，整圈计数磁栅格g(2-7)会再次经过线圈磁场，此时开关型霍尔a3(3-4)会再次输出脉冲信号，通过记录开关型霍尔a3(3-4)输出的Z相脉冲信号数来记录电机主轴旋转圈数；
一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，本方法应用于磁电编码器领域：
一种磁栅式磁电编码器及其角度解算方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一：将编码器与电机主体连接：
用4个连接螺柱将编码器固定板与电机主体螺纹连接，将编码器信号解算板与编码器固定板螺纹连接，将磁栅盘与电机主轴同轴胶接在一起，保证电机主轴旋转时，磁栅盘随之旋转，将通电线圈与编码器端盖胶接，将外界供电电源正负极与通电线圈上的线圈正负极连接，通电线圈开始产生轴向磁场；给电机主体通电，使得电机主轴旋转，带动胶接在电机主轴上的磁栅盘旋转；
步骤二：采集角度值数字信号：
采集开关型霍尔a1角度值信号A，并进行模数转换，得到开关型霍尔a1角度值数字信号HA；采集开关型霍尔a2角度值信号B，并进行模数转换，得到开关型霍尔a2角度值数字信号HB；采集开关型霍尔a3角度值信号Z，并进行模数转换，得到开关型霍尔a3角度值数字信号HZ；
步骤三：电机主轴同一方向旋转的角度值解算方法：
若电机主轴只向一个方向旋转，不发生旋转方向改变的情况下，开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号和开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号之间存在着时滞性，即：顺时针旋转时，A相脉冲信号领先于B相脉冲信号；逆时针旋转时，A相脉冲信号滞后于B相脉冲信号；
本发明以磁栅盘上有6个磁栅格为例，每一个磁栅格经过通电线圈的磁场后，都会输出一个脉冲信号，每一个脉冲信号对应的机械角度值为：
θ1＝360°/6 (1)
其中，6为磁栅盘上的磁栅格数量；
电机主轴在顺时针旋转时一圈内的角度解算公式为：
q1＝A1×θ1 (2)
其中，A1为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值；
在磁栅盘上还刻有一个整圈计数磁栅格g，磁栅格每转过一整圈，整圈计数磁栅格g便经过一次通电线圈磁场，开关型霍尔a3输出一个Z相整圈脉冲信号；n个A相脉冲信号对应着一个Z相脉冲信号，则电机主轴的绝对角度解算公式为：
q2＝(Z1-1)×360°+ (m-(Z1-1)×6) ×θ1 (3)
其中，Z1为开关型霍尔a3输出的Z相整圈脉冲信号数，m为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，6为磁栅盘上磁栅格的个数量，θ1为每一个脉冲信号对应的机械角度值；
步骤三：电机主轴存在旋转方向改变时角度值解算方法：
若电机主轴旋转方向发生改变时，开关型霍尔a2会持续输出大于等于一个相位的高电平或低电平；在旋转方向未发生改变前，电机主轴旋转过的角度的解算公式为公式(3)，在旋转方向发生了变化后角度解算公式为：
q3＝q2-B2×θ1 (4)
其中，q2为旋转方向未发生改变时转过的角度值，B2为旋转方向改变后开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值；
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种磁栅式磁电编码器的角度解算方法，应用于磁栅式磁电编码器，磁栅式磁电编码器包括通电线圈(1)，磁栅盘(2)，编码器信号解算板(3)，编码器端盖(4)，编码器固定板(5)，电机主轴(6)，连接螺柱(7)，电机主体(8)；通电线圈正极(1-1)，通电线圈负极(1-2)；磁栅格a(2-1)，磁栅格b(2-2)，磁栅格c(2-3)，磁栅格d(2-4)，磁栅格e(2-5)，磁栅格f(2-6)，整圈计数磁栅格g(2-7)；开关型霍尔a1(3-1)，开关型霍尔a2(3-2)，蔽磁板(3-3)，开关型霍尔a3(3-4)，单片机(3-5)；其中，通电线圈(1)与编码器端盖(4)胶接，并且通电线圈(1)的线圈正极与线圈负极通过编码器端盖(4)上的开孔留在编码器外部，使用时与供电电源的正负极相接；磁栅盘(2)与电机主轴(6)同轴配合并胶接；编码器信号解算板(3)与编码器固定板(5)螺纹连接；编码器端盖(4)与编码器信号解算板(3)之间通过使用螺纹连接；编码器固定板(5)通过使用四个连接螺柱(7)与电机主体(8)螺纹连接；磁栅格a(2-1)、磁栅格b(2-2)、磁栅格c(2-3)、磁栅格d(2-4)、磁栅格e(2-5)、磁栅格f(2-6)、整圈计数磁栅格g(2-7)为经过机械加工开孔的方式加工出的孔洞，使得通电线圈(1)产生的磁场能够通过磁栅格被编码器信号解算板(3)上的开关型霍尔a1(3-1)，开关型霍尔a2(3-2)，开关型霍尔a3(3-4)接收到磁场信号；开关型霍尔a1(3-1)、开关型霍尔a2(3-2)、蔽磁板(3-3)、开关型霍尔a3(3-4)、单片机(3-5)均与编码器信号解算板(3)锡焊焊接；开关型霍尔a1(3-1)与开关型霍尔a2(3-2)交错布置，存在相位差，开关型霍尔a3(3-4)与开关型霍尔a1(3-1)处于同一相位；
当供电电源正负极与通电线圈(1)的通电线圈正极(1-1)与通电线圈负极(1-2)连接后，通电线圈(1)在电流的作用下产生轴向磁场；当电机主体(8)通电后，电机主轴(6)开始旋转，胶接在电机主轴(6)上的磁栅盘(2)会随着电机主轴(6)旋转，磁栅盘(2)经过旋转后，当磁栅格a(2-1)通过通电线圈(1)产生的磁场时，开关型霍尔a1(3-1)会接收到磁场信号，磁场信号经过单片机(3-5)中的内置模数转换器转换后会输出一个脉冲信号，开关型霍尔a2(3-2)随后也会输出一个脉冲信号，依此顺序，磁栅盘(2)上的6个磁栅格会依次持续输出脉冲信号，通过记录开关型霍尔a1(3-1)输出的A相脉冲信号数来判断电机主轴的旋转位置；当电机主轴旋转了整圈时，整圈计数磁栅格g(2-7)会再次经过线圈磁场，此时开关型霍尔a3(3-4)会再次输出脉冲信号，通过记录开关型霍尔a3(3-4)输出的Z相脉冲信号数来记录电机主轴旋转圈数；
其特征在于：所述方法的具体实施过程为：
步骤一：将编码器与电机主体连接：
用4个连接螺柱将编码器固定板与电机主体螺纹连接，将编码器信号解算板与编码器固定板螺纹连接，将磁栅盘与电机主轴同轴胶接在一起，保证电机主轴旋转时，磁栅盘随之旋转，将通电线圈与编码器端盖胶接，将外界供电电源正负极与通电线圈上的线圈正负极连接，通电线圈开始产生轴向磁场；给电机主体通电，使得电机主轴旋转，带动胶接在电机主轴上的磁栅盘旋转；
步骤二：采集角度值数字信号：
采集开关型霍尔a1角度值信号A，并进行模数转换，得到开关型霍尔a1角度值数字信号HA；采集开关型霍尔a2角度值信号B，并进行模数转换，得到开关型霍尔a2角度值数字信号HB；采集开关型霍尔a3角度值信号Z，并进行模数转换，得到开关型霍尔a3角度值数字信号HZ；
步骤三：电机主轴同一方向旋转的角度值解算方法：
若电机主轴只向一个方向旋转，不发生旋转方向改变的情况下，开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号和开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号之间存在着时滞性，即：顺时针旋转时，A相脉冲信号领先于B相脉冲信号；逆时针旋转时，A相脉冲信号滞后于B相脉冲信号；
磁栅盘上有n个磁栅格，每一个磁栅格经过通电线圈的磁场后，都会输出一个脉冲信号，每一个脉冲信号对应的机械角度值为：
θ1＝360°/n(1)
其中，n为磁栅盘上的磁栅格数量；
电机主轴在顺时针旋转时一圈内的角度解算公式为：
q1＝A1×θ1(2)
其中，A1为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值；
在磁栅盘上还刻有一个整圈计数磁栅格g，磁栅格每转过一整圈，整圈计数磁栅格g便经过一次通电线圈磁场，开关型霍尔a3输出一个Z相整圈脉冲信号；n个A相脉冲信号对应着一个Z相脉冲信号，则电机主轴的绝对角度解算公式为：
q2＝(Z1-1)×360°+(m-(Z1-1)×n)×θ1(3)
其中，Z1为开关型霍尔a3输出的Z相整圈脉冲信号数，m为开关型霍尔a1输出的A相脉冲信号数，n为磁栅盘上磁栅格的数量，θ1为每一个脉冲信号对应的机械角度值；
电机主轴存在旋转方向改变时角度值解算方法：
若电机主轴旋转方向发生改变时，开关型霍尔a2会持续输出大于等于一个相位的高电平或低电平；在旋转方向未发生改变前，电机主轴旋转过的角度的解算公式为公式(3)，在旋转方向发生了变化后角度解算公式为：
q3＝q2-B2×θ1(4)其中，q2为旋转方向未发生改变时转过的角度值，B2为旋转方向改变后开关型霍尔a2输出的B相脉冲信号数，θ1为每个脉冲信号对应的机械角度值。
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