CN1959577A - 一种电动执行器用的数字式位置传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电动执行器用的数字式位置传感装置。增量式编码角度传感器和设有定位光栅的绝对式编码角度传感器分别与微控制器相互电路连接，并分别与伺服电机轴向机械连接和与执行器的机械输出端相连接，其码盘上设置了一圈周向分布的定位光栅，每个绝对编码光栅扇区周向中央位置都设有定位光栅与之对应，定位光栅上的光电传感器和所有码道的光电传感器安装在同一径向位置上。通过初始运行参数设置a和重上电时对计数器进行行程位置计数值的重加载b及传感数据读取及刷新与改写c操作步骤，实现执行器位置数字信号传感。具有构造简单、控制精度高和造价低的技术效果。可以广泛应用于工业电器自动控制机械上使用。

Description

一种电动执行器用的数字式位置传感装置

技术领域

本发明涉及电器领域的自动控制装置，具体地说是一种电动执行器用的数字式位置传感装置。

背景技术

在本发明提出以前，在电器自动控制领域通常采用精密电位器作为电动执行器位置传感器，由于电位器电信号是机械触点拾取的，因此随着使用时间的延长其精度和寿命会随之降低，如果用作智能型执行器的位置检测，还要对其输出信号进行模数转换，其检测精度将受到影响，另外精密电位器本身的造价也较高。因而发明一种造价低、非接触式且容易制造的数字式位置传感器是非常必要的。

目前广泛使用的数字式位置传感器一种是增量式编码角度传感器，另一种是绝对式编码角度传感器。增量式的编码角度传感器是将传感器码盘轴直接和电动执行器伺服电机进行轴向连接，所构成的位置传感器可以得到很高的分辨率，且容易制作，成本低。但存在着难以克服的不能断电、容易产生累计误差的缺陷。而绝对式编码角度传感器是将传感器和电动执行器的机械输出端直接或间接相连，因此它输出的数字信号编码直接对应电动执行器的机械输出位置，它不怕断电，也不存在累计误差。但其码位要在9位以上，而制造9位以上兼顾其外形体积小巧的绝对编码角度传感器是比较困难的，而且造价又较高，因而没有得到广泛的应用。

发明内容

为了克服现有位置传感器精度低、造价高的缺点，本发明提出一种电动执行器用的数字式位置传感装置。该装置可以使电动执行器工作可靠，精度高，且造价低。

本发明解决技术问题所采用的方案是：增量式编码角度传感器和设有定位光栅的绝对式编码角度传感器分别与微控制器相互电路连接，增量式编码角度传感器又与伺服电机进行轴向机械连接，设有定位光栅的绝对式编码角度传感器直接或间接与执行器的机械输出端相连接；设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的码盘上设置了一圈周向均匀分布的定位光栅，每个绝对编码光栅扇区周向中央位置都设有定位光栅与之对应，定位光栅上的光电传感器和所有码道的光电传感器安装在同一径向位置上；通过初始运行参数设置a和重上电时对计数器进行行程位置计数值的重加载b及传感数据读取和刷新与改写c操作步骤，实现执行器位置数字信号传感。

本发明数字传感装置的积极效果在于：1、由于其使用中每次重上电都要对计数器进行行程位置计数值的重加载，所以断电时无需电池保护运行数据；2、又由于其运行中用对应的EEPROM或FLASH存储器的标定数据对计数器中的累计值进行刷新与改写，所以随时的刷新与改写保证了位置检测值不存在累计误差；3、还由于其位置检测精度不由设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的码位决定，而是由增量式编码角度传感器输出码率及伺服电机到机械位置输出端的减速变比决定，所以设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的码位不用做得太高，因此其制作成本也较低。实现了构造简单、控制精度高和造价低的技术效果。可以广泛应用于工业电器自动控制机械上使用。

附图说明

图1为本发明传感装置构成图

图2为本发明传感装置设有定位光栅的‘4’位绝对编码角度传感器结构简图

图3为本发明传感装置在应用前的工作参数预置操作程序流程图

图4为本发明传感装置的执行器经工作参数预置后实际运行过程中的操作程序图

图中，1.增量式编码角度传感器，101.增量式编码角度传感器起始操作，102.向行程的终点方向运行执行器，103.是否有定位中断触发信号判定，104.用对应存储器中的值对计数器置数，105.使执行器向起始方向运行，106.计算执行器机械输出端位置，107.是否有定位中断触发信号判定，108.用对应存储器中的值对计数器置数，2.微控制器，201.微控制器起始操作，202.将执行器机械输出端置于行程的起始位置，203.向行程的终点方向运行执行器，204.是否有定位中断触发信号判定，205.存储计数器累计值于对应的存储器中，206.执行器是否运行到行程终点判定，207.存储全行程位置计数累计值，208，微控制器终止操作，3.绝对式编码角度传感器，3.1.码盘，3.1-1.定位光栅，3.1-2.光电传感器，4.执行器伺服电机，5.执行器机械输出端。

具体实施方式

据1图所示：虚线框“A”中的增量式编码角度传感器1和设有定位光栅的绝对式编码角度传感器3分别与微控制器1相电路连接构成本发明的数字式位置传感装置，其中增量式编码角度传感器又与执行器伺服电机4进行轴向机械连接，设有定位光栅的绝对式编码角度传感器直接或间接与执行器的机械输出端5相连接。设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的码盘3.1上设置了一圈周向均匀分布的定位光栅3.1-1，每个绝对编码光栅扇区周向中央位置都设有定位光栅与之对应，定位光栅上的光电传感器3.1-2和所有码道的光电传感器安装在同一径向位置上。

本发明位置传感装置在使用前及使用过程中根据微控制器程序指令进行下述操作步骤：

a、初始运行参数设置：即在微控制器的RAM内存区设置一计数器，从始点向终点方向运行电动执行器，令计数器对增量式编码角度传感器输出的脉冲信号进行加减累计计数，与此同时将对应的计数器中表示执行器输出位置的计数累计值存储于地址和定位透光栅位置编码相对应的EEPROM或FLASH存储器中；

b、重上电时对计数器进行行程位置计数值的重加载：即执行器运行时，当绝对式编码角度传感器某一定位光栅运转到和光电传感器重合时，将地址和定位光栅位置编码相对应的EEPROM或FLASH内存中的数据对计数器置数；

c、传感数据读取及刷新与改写：即在执行器运行中只要定位光栅码道上的光电传感器产生导通信号，就将对应的EEPROM或FLASH内存的数据读取出，并以此数据对计数器中的累计值进行刷新与改写。

为了保证本发明传感装置具有较高的检测分辨率(优于0.1％)，码盘每转一周其输出的计数脉冲数要满足下式：码盘每转一周输出的计数脉冲数×伺服电机与机械输出端的机械减速变比＞1000。

图1中的设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的码盘轴与执行器的机械输出端直接相连或通过齿轮变速机构相连。不管采用何种连接方式，要保证执行器的最大设计行程对应的码盘转角要小360度，即成单值对应关系。设有定位光栅的绝对式编码角度传感器的电信号输出与微控制器相连。

图2中的设有定位光栅的‘4’位绝对编码角度传感器其码盘3.1上设置了一圈定位光栅3.1-1，这圈光栅的透光部分为透光栅，遮光部分为遮光栅，每个透光栅对应一绝对编码扇区，所标注的透光栅对应的编码扇区码值为05H。为了得到较高的定位精度，在保证传感器能可靠工作的情况下透光栅要做得尽量的窄。

图2中所注明的光电传感器3.1-2刚好正对编码为00H的透光栅，此时光电传感器将输出此透光栅的定位触发信号，此信号触发微控制器执行中断处理程序读取此透光栅的定位编码(码值为00H)，每个透光栅运转到光电传感器处时都会执行这种操作。

据图3所示：本发明装置在实际应用前的工作参数预置操作程序是在起始步骤101时，程序将在微控制器RAM内存区设置一计数器，这个计数器会对增量式编码角度传感器输出的脉冲信号进行加减累计计数，因此通过计数器累计值即可计算出执行器机械输出端在行程中的位置，若用百分比表示执行器机械输出位置，可由下式确定：

当前的计数器累计值/全行程的计数器累计值×100％。

在步骤102将包含有本发明装置的执行器机械输出端置于行程的起始位置，并使计数器清零，进入步骤103运行执行器向行程的终点方向运转，在此过程中计数器将产生和执行器机械输出位置相对应的计数累计值，与此同时设有定位光栅的绝对编码角度传感器中的码盘也将随之作相应角度的转动，当每个定位光栅的透光栅运转到和光电传感器重合时，光电传感器将产生中断触发信号，进入步骤104程序判断是否有定位中断触发信号产生，若没有则程序返回步骤103继续进行，若有则进入步骤105，微控制器将读取产生此中断触发信号的定位透光栅的位置编码，并将此时的计数器累计值存入以此位置编码值为对应地址的EEPROM或FLASH存储器中，完成本步骤后进入步骤106，判断执行器的机械输出端是否运转到行程的终点，若不是，返回步骤103重复前面的操作步骤，若是，执行步骤107，将此时的计数器的值储存于EEPROM或FLASH中，该值就是算式中的“全行程的计数器累计值”，是计算执行器机械输出位置的一个定量值，至此操作步骤108终止，完成了全部应用前的工作参数预置操作。

据图4所示：本发明装置在执行器经工作参数预置后，在实际运行过程中的操作程序是在起始步骤201后程序启动执行器，执行步骤202使执行器向行程终点方向运行，与此同时进入步骤203判断是否有定位中断触发信号，此信号由光电传感器产生，若没有则程序返回步骤204继续进行，若有则进入步骤204，微控制器将读取产生此中断触发信号的定位透光栅的位置编码，并将以此编码为对应地址的EEPROM或FLASH存储器中的值对计数器置数，完成本步骤后进入步骤205，令执行器向行程的始点方向运行直到上电前的位置停止，程序完成前面的操作后进入步骤206，在此步骤中程序计算执行器的机械输出位置(当前的计数器累计值/全行程的计数器累计值×100％)。

提高本发明装置的抗干扰能力、稳定性及消除计数器的累计误差。在程序进入步骤207后，微控制器不断地判断是否中断触发信号，此信号由光电传感器产生，若否，则程序返回206，重复步骤206和207的操作，若是，则进入步骤208，此时微控制器将读取产生此中断触发信号的定位透光栅的位置编码，并把以此编码为对应地址的EEPROM或FLASH存储器中的值对计数器的值进行刷新改写，之后程序返回步骤206继续执行。

图4中，步骤201至205在系统上电后只执行一次，因此这段操作亦称为初始化操作，在这一过程中，包含有本发明装置的执行器的机械输出端会向行程的终点方向移动一段距离，然后返回上电前的位置，这段距离的长短与采用设有定位光栅的绝对编码角度传感器码位n的多少有关，下式为移动的最大距离占行程的百分比计算式：

$\frac{1}{2^n}\×100\%$

若采用图2所示的‘4’码位传感器，由上式可知执行器初始化移动最大距离相对于行程的比为6.25％，若采用‘7’码位传感器，此比值为0.78％。这一比值从应用角度来说是越小越好，这样上电的初始化移动距离也就越短，由此对被控对象的上电扰动也就更小，对于一般的工业应用小于1％即可满足要求，因为一般工业上采用的电动执行器的定位精度最高的也不过是1％。式中n的取值既要考虑减少上电时的扰动，也要考虑传感器的制作成本，因此其最大值取8为佳，若不考虑扰动因素，n最小可取1。

在流程图4中程序操作进入虚线框“B”包括的程序步骤会不断循环执行下去，直到系统断电，因此其它拓补程序(如：键盘输入及数码显示等)都应在此循环内编程。

Claims (2)

1、一种电动执行器用的数字式位置传感装置，其特征在于：包括增量式编码角度传感器(1)和设有定位光栅的绝对式编码角度传感器(3)与微控制器(2)相互通过电路连接，增量式编码角度传感器与执行器伺服电机(4)进行轴向机械连接，设有定位光栅的绝对式编码角度传感器直接或间接与执行器的机械输出端(5)相连接，其码盘(3.1)上设置了一圈周向均匀分布的定位光栅(3.1-1)，每个绝对编码光栅扇区周向中央位置都设有定位光栅的透光栅与之对应，定位光栅上的光电传感器(3.1-2)和所有码道的光电传感器安装在同一径向位置上，数字式位置传感装置在使用前及使用过程中根据微控制器程序指令进行下述操作步骤：

a、初始运行参数设置：即在微控制器的RAM内存区设置一计数器，从始点向终点方向运行电动执行器，令计数器对增量式编码角度传感器输出的脉冲信号进行加减累计计数，与此同时将对应的计数器中表示执行器输出位置的计数累计值存储于地址和定位透光栅位置编码相对应的EEPROM或FLASH存储器中；

b、重上电时对计数器进行行程位置计数值的重加载：即执行器运行时，当绝对式编码角度传感器某一定位光栅的透光栅运转到和光电传感器重合时，将地址和透光栅位置编码相对应的EEPROM或FLASH内存中的数据对计数器置数；

c、传感数据读取及刷新与改写：即在执行器运行中只要定位光栅码道上的光电传感器产生导通信号，就将对应的EEPROM或FLASH内存的数据读取出，并以此数据对计数器中的累计值进行刷新与改写。

2、根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于：设有定位光栅的绝对式编码角度传感器其码位可以是1至8中的任一正整数。

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