CN116294977A - 一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子制造领域，涉及到一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法。本发明将采用一种二硫化钼薄膜材料胶接在电机转子上，采用汇流环的供电方式，给胶接在电机转子上呈θ/2角度布置的两块二硫化钼薄膜材料供电，在定子内部条型光源的影响下，二硫化钼薄膜材料的电阻值会发生变化，胶接在电机转子上的转子输出线圈就会产生不同的磁场，PCB板上的开关型霍尔就会接收到模拟信号，单片机内置有AD转换器将开关型霍尔接收到的模拟信号转换数字信号，利用A、B两相脉冲以及高低电平的结果进行解算，从而得到当前电机转子的旋转方式以及电机转子所处的实际角度位置。
Description
技术领域：
本发明属于电子制造领域，具体涉及一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法。
背景技术：
角位移传感器是一种用于测量物体旋转角度的传感器，也称为旋转角度传感器。它通过测量物体相对于固定位置的转动角度来确定物体的位置和运动状态。角位移传感器可以通过多种方式实现对物体的角度测量，如光学、磁性或机械式等技术。角位移传感器广泛应用于机械工程、自动化控制、航空航天等领域。目前，角位移传感器可以分为光电式、电容式、电感式、压阻式、霍尔式等多种类型。
光电式角位移传感器利用光学原理，通过检测旋转轴上反射或透过的光束的位置变化来测量旋转角度，它的优点是精度高，缺点是受光源影响较大，易受外界干扰。电容式角位移传感器，它是通过测量电容值的变化来检测旋转角度，优点是响应速度快、抗干扰能力强，缺点是受温度变化影响较大，且较为敏感。电感式角位移传感器的优点是响应速度快，缺点是精度较低，易受电源电压变化影响。压阻式角位移传感器的优点是价格低廉，缺点是精度较低，易受温度和外界干扰影响。霍尔式角位移传感器的优点是响应速度快，缺点是价格较高，易受外界磁场干扰。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种方案，目的是在电机转子高速运转的情况下，可以快速、精确的检测出电机转子转过的角度值，并且不受外界光源、磁场等外界干扰。本发明将采用一种二硫化钼薄膜材料胶接在电机转子上，采用汇流环的供电方式，给胶接在电机转子上呈θ/2角度布置的两块二硫化钼薄膜材料供电，在定子内部条型光源的影响下，二硫化钼薄膜材料的电阻值会发生变化，胶接在电机转子上的转子输出线圈就会产生不同的磁场，PCB板上的开关型霍尔就会接收到模拟信号，单片机内置有AD转换器将开关型霍尔接收到的模拟信号转换数字信号，利用A、B两相脉冲以及高低电平的结果进行解算，从而得到当前电机转子的旋转方式以及电机转子所处的实际角度位置。
本发明公布了一种基于薄膜材料的绝对式角位移传感器及角度解算方法，包括：
二硫化钼薄膜材料a(5)与二硫化钼薄膜材料b(6)：一种受光源影响的柔性材料，光照可以影响二硫化钼材料的电学性质，二硫化钼薄膜材料展开图为栅格样式。
镍铬合金电阻片a(24)与镍铬合金电阻片b(25)：一种低温漂电阻材料，其具有良好的高温稳定性，并且普通的可见光不能影响镍铬合金的化学或物理性质。
所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在电机转子上的二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上，二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b由于条形光源的影响电阻值就会产生变化；
步骤二：外接电源a供直流电给汇流环，汇流环采用并联的方式供电，一部分通过导线a供电给二硫化钼薄膜材料a与镍铬合金电阻片a，分压产生的信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场V1；一部分通过导线b供电给二硫化钼薄膜材料b与镍铬合金电阻片b，分压产生的信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场V2；单片机内置有AD转换器将开关型霍尔a与开关型霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2；
步骤三：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上各有n个栅格，条形光源照在二硫化钼薄膜材料上时电阻值会增加，所以每当材料经过条形光源时，开关型霍尔就会接收到一个高电平，当条形光源照到栅格空白处的时候，开关型霍尔就会接收到一个低电平，一个脉冲信号包括一个高电平和一个低电平，每一个脉冲信号对应的机械角度值为θ：
其中，n为二硫化钼薄膜材料上的栅格数量；
步骤四：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b放置时存在一个夹角，夹角为θ/2，所以开关型霍尔a输出的A相脉冲信号和开关型霍尔b输出的B相脉冲信号之间存在着时间差；依据双霍尔数字信号HV1、HV2的高低电平变化关系，将转过一个脉冲生成的脉冲图象划分为四个区间，每个区间对应的是θ/4；
通过比较双霍尔数字信号的电平变化关系来判断当前采样点所处的位置：记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位，当出现这四种情况时电机转子为正转，记P值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，P值加一；记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位，当出现这四种情况时电机转子为反转，记N值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，N值加一；
最终得到电机转子旋转时的角度解算公式为：
Q＝P×θ/4-N×θ/4 (2)
其中Q表示电机转子所转的角度，若结果为正值表示最终的解算结果为正转，若结果为负值表示最终的结算结果为反转。
本发明的有益效果为：
1.本发明所述的角位移传感器是基于一种二硫化钼薄膜材料，本身是一种厚度薄、质量轻的材料，能够与电机转子很好的贴附，同时不影响电机的机械性能，并且本发明的角位移传感器内置于电机转子上，与其他类型的外置式角位移传感器相比，角度解算更精确。
2.本发明所述的角位移传感器是基于一种栅格薄膜材料，其具有极好的可定制性，薄膜材料可以通过控制制造参数来定制，因此可以根据需要制造出各种不同栅格数目的薄膜材料，既可以更好的满足实际需要，又可以节省生产成本。
3.本发明所述的角位移传感器与传统的磁电式角位移传感器相比，装置中不存在磁钢、磁铁，避免了传感器长时间运行而导致的磁钢开裂、退磁等影响，使传感器的使用范围更广泛。
4.本发明所述的角位移传感器角度解算方法，根据栅格的数量以及装置的安装角度，可以更加高效、准确的记录电机转子的旋转方式以及电机转子所转过的角度。
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为本发明所述装置的总体结构示意图；
图2为本发明所述装置的内部结构分布示意图；
图3为本发明所述装置的定子线圈及条形光源结构分布示意图；
图4为本发明所述装置的二硫化钼材料结构布置示意图；
图5为本发明所述装置的汇流环结构分布示意图；
图6为本发明所述装置的PCB板结构分布示意图；
图7为本发明电机转子正转时脉冲及角度值解算图；
图8为本发明电机转子反转时脉冲及角度值解算图；
图9为本发明电机转子旋转方向发生变化时脉冲及角度值解算图；
图中，1、前端盖；2、轴承a；3、电机转子；4、汇流环；4-1、汇流环内圈；4-2、汇流环外圈a；4-3、汇流环外圈b；4-4、连接钉；5、二硫化钼薄膜材料a；6、二硫化钼薄膜材料b；7、转子输出线圈a；8、转子输出线圈b；9、轴承b；10、电机定子；11、外接电源a；12、外接电源b；13、信号接收壳；14、PCB板；14-1、开关型霍尔a；14-2、开关型霍尔b；14-3、单片机；15、后端盖；16、防护罩；17、螺栓；18、螺母；19、螺钉a；20、螺钉b；21、铆钉；22、定子线圈；23、条形光源；24、镍铬合金电阻片a；25、镍铬合金电阻片b；26、导线a；27、导线b。
具体实施方式
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。
本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，结合附图进一步说明本发明的具体结构及具体实施方式：
一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法，该装置的结构包括前端盖(1)、轴承a(2)、电机转子(3)、汇流环(4)、二硫化钼薄膜材料a(5)、二硫化钼薄膜材料b(6)、转子输出线圈a(7)、转子输出线圈b(8)、轴承b(9)、电机定子(10)、外接电源a(11)、外接电源b(12)、信号接收壳(13)、PCB板(14)、后端盖(15)、防护罩(16)、螺栓(17)、螺母(18)、螺钉a(19)、螺钉b(20)、铆钉(21)、定子线圈(22)、条形光源(23)、镍铬合金电阻片a(24)、镍铬合金电阻片b(25)、导线a(26)、导线b(27)；其中汇流环(4)包括汇流环内圈(4-1)、汇流环外圈a(4-2)、汇流环外圈b(4-3)、连接钉(4-4)，PCB板(14)包括开关型霍尔a(14-1)、开关型霍尔b(14-2)、单片机(14-3)，汇流环内圈(4-1)与二硫化钼薄膜材料a(5)与二硫化钼薄膜材料b(6)与镍铬合金电阻片a(24)与镍铬合金电阻片b(25)与转子感应线圈a(7)与转子输出线圈b(8)都胶接在电机转子(3)，定子线圈(22)绕在电机定子(10)上，条形光源(23)胶接在电机定子(10)上，轴承a(2)与轴承b(9)通过轴肩定位固定在电机转子(3)上；汇流环内圈(4-1)连接导线a(26)，导线a(26)连接镍铬合金电阻片a(24)，通过导线a(26)连接转子输出线圈a(7)，通过导线a(26)连接二硫化钼薄膜材料a(5)，通过导线a(26)连接汇流环内圈(4-1)；汇流环内圈(4-1)连接导线b(27)，导线b(27)连接镍铬合金电阻片b(25)，通过导线b(27)连接转子输出线圈b(8)，通过导线b(27)连接二硫化钼薄膜材料b(6)，通过导线b(27)连接汇流环内圈(4-1)；外接电源a(11)与外接电源b(12)焊接在电机定子(10)上，信号接收壳(13)与电机定子(10)通过螺钉a(19)连接，PCB板(14)胶接在信号接收壳(13)上，防护罩(16)与电机定子(10)通过铆钉(21)连接，前端盖(1)与电机定子(10)通过螺栓(17)与螺母(18)连接，后端盖(15)与信号接收壳(13)通过螺钉b(20)连接。
二硫化钼薄膜材料a(5)与二硫化钼薄膜材料b(6)：一种受光源影响的柔性材料，光照可以影响二硫化钼材料的电学性质，二硫化钼薄膜材料展开图为栅格样式。
镍铬合金电阻片a(24)与镍铬合金电阻片b(25)：一种低温漂电阻材料，其具有良好的高温稳定性，并且普通的可见光不能影响镍铬合金的化学或物理性质。
一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法，该方法的具体实现过程为：
所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在电机转子上的二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上，二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b由于条形光源的影响电阻值就会产生变化；
步骤二：外接电源a供直流电给汇流环，汇流环采用并联的方式供电，一部分通过导线a供电给二硫化钼薄膜材料a与镍铬合金电阻片a，分压产生的信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场V1；一部分通过导线b供电给二硫化钼薄膜材料b与镍铬合金电阻片b，分压产生的信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场V2；单片机内置有AD转换器将开关型霍尔a与开关型霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2；
步骤三：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上各有n个栅格，条形光源照在二硫化钼薄膜材料上时电阻值会增加，所以每当材料经过条形光源时，开关型霍尔就会接收到一个高电平，当条形光源照到栅格空白处的时候，开关型霍尔就会接收到一个低电平，一个脉冲信号包括一个高电平和一个低电平，每一个脉冲信号对应的机械角度值为θ：
其中，n为二硫化钼薄膜材料上的栅格数量；
步骤四：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b放置时存在一个夹角，夹角为θ/2，所以开关型霍尔a输出的A相脉冲信号和开关型霍尔b输出的B相脉冲信号之间存在着时间差；依据双霍尔数字信号HV1、HV2的高低电平变化关系，将转过一个脉冲生成的脉冲图象划分为四个区间，每个区间对应的是θ/4；
通过比较双霍尔数字信号的电平变化关系来判断当前采样点所处的位置：记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位，当出现这四种情况时电机转子为正转，记P值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，P值加一；记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位，当出现这四种情况时电机转子为反转，记N值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，N值加一；
最终得到电机转子旋转时的角度解算公式为：
Q＝P×θ/4-N×θ/4 (2)
其中Q表示电机转子所转的角度，若结果为正值表示最终的解算结果为正转，若结果为负值表示最终的结算结果为反转。
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)
1.一种基于栅格薄膜材料增量式角位移传感器角度解算方法，其特征在于：所述方法的具体实施过程为：
步骤一：外接电源b供电给定子线圈产生磁场，使得电机转子在磁场的作用下开始旋转，从而胶接在电机转子上的二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b开始旋转，条形光源照在二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上，二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b由于条形光源的影响电阻值就会产生变化；
步骤二：外接电源a供直流电给汇流环，汇流环采用并联的方式供电，一部分通过导线a供电给二硫化钼薄膜材料a与镍铬合金电阻片a，分压产生的信号供电给转子输出线圈a，转子输出线圈a产生磁场V1；一部分通过导线b供电给二硫化钼薄膜材料b与镍铬合金电阻片b，分压产生的信号供电给转子输出线圈b，转子输出线圈b产生磁场V2；单片机内置有AD转换器将开关型霍尔a与开关型霍尔b接收到的模拟信号V1、V2进行模数转换，得到数字信号HV1、HV2；
步骤三：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b上各有n个栅格，条形光源照在二硫化钼薄膜材料上时电阻值会增加，所以每当材料经过条形光源时，开关型霍尔就会接收到一个高电平，当条形光源照到栅格空白处的时候，开关型霍尔就会接收到一个低电平，一个脉冲信号包括一个高电平和一个低电平，每一个脉冲信号对应的机械角度值为θ：
其中，n为二硫化钼薄膜材料上的栅格数量；
步骤四：二硫化钼薄膜材料a与二硫化钼薄膜材料b放置时存在一个夹角，夹角为θ/2，所以开关型霍尔a输出的A相脉冲信号和开关型霍尔b输出的B相脉冲信号之间存在着时间差；依据双霍尔数字信号HV1、HV2的高低电平变化关系，将转过一个脉冲生成的脉冲图象划分为四个区间，每个区间对应的是θ/4；
通过比较双霍尔数字信号的电平变化关系来判断当前采样点所处的位置：记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位，当出现这四种情况时电机转子为正转，记P值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，P值加一；记A相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由高电位变成低电位、A相脉冲信号处于低电位时B相脉冲由低电位变成高电位、B相脉冲信号处于低电位时A相脉冲由高电位变成低电位、B相脉冲信号处于高电位时B相脉冲由低电位变成高电位，当出现这四种情况时电机转子为反转，记N值的初始值为0，并且当这四种情况每出现一次，N值加一；
最终得到电机转子旋转时的角度解算公式为：
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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