CN204361860U - 一种旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种旋转编码器，包括安装在转子（5）上的磁钢环（1），包围在磁钢环（1）外，且用于固定在定子上的磁屏蔽外壳（2），以及安装在外壳（2）上的信号检测处理板（3）。所述信号检测处理板（3）与磁钢环（1）平行，上面安装有N（N ≥ 2）个磁感应元件（4），磁感应元件（4）在与磁钢环（1）同轴的360度圆周上或180度半圆周上等角度均匀分布。本实用新型所述装置生产极其简单；体积大小及结构灵活设计，可实现微型化，也可实现空心轴和实心轴结构；抗干扰能力强；抗振性好；性价比非常高。

Description

一种旋转编码器

技术领域

本实用新型涉及一种旋转编码器，具体说用于伺服电机或自动控制系统中转动角度和转动角速度的检测部件，也可用于数控系统中的指令发生器

背景技术

磁电编码器是近几年来快速发展起来的一种转动角度和角速度的检测部件。它克服光电式编码器许多不足，如光栅容易受污染导致脉冲丢失问题、抗震性差问题、高精度光栅加工成本高问题、绝对值式光电编码器工艺复杂成本高问题、不易实现高精度小型化产品问题等等。也克服使用旋转变压器作为位置反馈部件的不足之处，如极低速的位置反馈精度问题、解码技术复杂及成本过高问题等等。

目前工程上应用的磁电编码器有很多种，传统的是通过磁鼓或齿轮形式实现，通过磁感应部件感测磁鼓或齿轮上磁极的周期性变化，输出脉冲信号，但此种编码器精度低、且只能实现增量式。

专利申请号为200410024190.7、200410024191.1、200410024192.6、200410024195.X、200410024194.5、200410024193.0的专利分别提出一种磁电编码器，其原理相同，以200410024190.7为例，结构如图1所示，磁传感器位于与磁环同轴的外壳内侧壁上，感测旋转磁场，通过处理装置算出角度输出。但其结构存在一定缺陷，侧面感测磁场变换信号，需要使用柔性线路板，柔性线路板上安装贴片磁感应元件，一般需要手工焊接，效率低；然后需要把柔性线路板粘贴到外壳内壁上，通过柔性线路板接头输出模拟信号；柔性线路板粘贴工艺复杂，且粘结胶在高温下或油污下容易脱落，输出接头处的柔性线路板上覆铜线路容易断开，很不可靠。

专利申请号为200910137761.0的专利提出另一种结构的磁电编码器，结构如图2所示，在磁环的外侧同轴的定子圆周上放置若干段等规格铁氧体，各个铁氧体中间有间隙，用于安装磁感应元件。这种结构在装配的可靠性上有很大提高，但这种磁场的积分结构，磁感应元件很容易受到外部磁场的干扰，导致信号输出的不稳定，甚至导致输出角度的 错误。若外部增加磁场屏蔽罩，则编码器的结构相应增大很多。同时，这种结构一般使用插件的磁感应元件，焊接需要保证高度一致，同轴性要好，否则插入间隙非常困难，而且插入间隙后需要使用胶固定磁感应元件，否则震动下容易导致磁感应元件引脚断掉，而且震动也会导致输出模拟信号不稳定，影响输出精度。另外，此结构体积不够灵活，尤其需要安装轴承时，体积特别大，不易实现小型化。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于，针对现有技术的不足提供一种新的磁电编码器信号拾取方式和结构，其结构简单、生产工艺简单、可靠性好、抗干扰能力强、体积灵活、成本低等特点。

本实用新型的具体技术方案是：

一种旋转编码器，包括安装在转子上的磁钢环，包围在磁钢环外且固定在定子上的磁屏蔽外壳，以及安装在外壳上的信号检测处理板，其特征在于所述信号检测处理板与磁钢环平行，包括PCB板、贴于PCB板一侧的N(N≥2)个磁感应元件和设于PCB板另一侧的线缆，磁感应元件在与磁钢环同轴的360度圆周上或180度半圆周上等角度均匀分布。

优化地，当N＝2时，2个磁感应元件之间的夹角为90度。

优化地，所述信号检测处理板包括PCB板、贴于PCB板一侧的磁感应元件和设于PCB板另一侧的线缆、AD转换器和微处理器。

优化地，所述外壳与转子通过轴承装配在一起。

优化地，所述外壳直接固定在被测物体的定子上，磁钢环固定在被测物体的旋转轴上。

更进一步地，所述磁钢环与转子垂直，转子具有空心轴结构或实心轴结构，转子外围罩有磁屏蔽外壳，外壳与转子同轴，磁钢环和磁感应元件均在磁屏蔽外壳内侧；磁屏蔽外壳内部安装有信号检测处理板，信号检测处理板与磁钢环平行；信号检测处理板上安装有AD转换器和微处理器，或安装内置AD转换器的微处理器。

优化地，所述信号检测处理板依靠外圆定位安装在外壳上，或通过工装依靠内圆定位安装在外壳上。

优化地，所述磁感应元件为贴片封装或插件封装、依靠焊盘定位的电子 元件，该电子元件安装圆周直径不小于磁钢外径。

在有些场合中，信号检测处理卡上的AD转换器和微处理器省去，磁感应元件直接通过电缆输出模拟信号，由接受装置进行AD转换，计算处理成角度。

当磁钢环随转子旋转时，磁感应元件感测电磁信号转换为电压信号，电压信号通过运算放大器或直接到AD转换器转换为数字信号，再传递给微处理器，由微处理器经过运算处理转换为增量或绝对式角度，通过线缆输出。

附图说明

图1为现有技术磁电编码器结构图。

图2为现有技术磁电编码器结构图。

图3为目前已经公开的磁电编码器结构图。

图4为本发明所述磁钢环结构图。

图5为本发明所述磁钢环结构图。

图6为当磁感应元件为N＝2时的信号检测处理板示意图。

图7为当磁感应元件为N＝3时在180度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图。

图8为当磁感应元件为N＝3时在360度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图。

图9为当磁感应元件为N＝4时在180度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图。

图10为当磁感应元件为N＝4时在360度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图。

图11为当磁感应元件为N＝6时在360度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图。

图12为数据处理框图。

图13为本实用新型的一种空心轴结构编码器。

图14为本实用新型的一种实心轴结构编码器。

图15为本实用新型的一种无轴承直接安装被测物体上的结构。

具体实施方式

图13和图14分别是本实用新型实施的有轴承结构图；图15是本 实用新型实施的无轴承结构图。三种结构只在机械装配上有不同，信号拾取方式和处理方式是一致的。

图13和图14机械装配实施方式相同，以下参照附图13，说明有轴承结构的实施方式。该结构磁电编码器由磁钢环(1)、具有磁屏蔽效果的外壳(2)、转子(5)、轴承(8)和信号检测处理板(3)组成；信号检测处理板(3)由PCB板、磁感应元件(4)、AD转换器(6)和微处理器(7)组成，并焊接有线缆(9)输出。一些应用场合AD转换器(6)和微处理器(7)省去，磁感应元件(4)的信号直接通过线缆(9)输出。该结构装配过程包括：转子(5)首先装配到轴承(8)的内环上固定，磁钢环(1)粘接在转子(5)上；外壳(2)装配到轴承(8)的外环上固定，保证磁钢环(1)处在外壳(2)的内侧；预先安装好磁感应元件(4)等电子元件和焊接好线缆(9)的信号检测处理板(3)，通过外圆或内圆定位，安装到外壳(2)上，确保磁感应元件(4)所在的圆周与转子同轴，并且处在外壳(2)的内侧。

图15为无轴承结构，该结构磁电编码器由磁钢环(1)、具有磁屏蔽效果的外壳(2)和信号检测处理板(3)组成；信号检测处理板(3)由PCB板、磁感应元件(4)、AD转换器(6)和微处理器(7)组成，并焊接有线缆(9)输出。一些应用场合AD转换器(6)和微处理器(7)省去，磁感应元件(4)的信号直接通过线缆(9)输出。该结构装配过程包括：磁钢环(1)直接粘接在被测物体，如伺服电机的轴(5′)上；外壳(2)通过外圆或内圆固定在被测物体的定子，如伺服电机的后法兰(10)上，保证磁钢环(1)处在外壳(2)的内侧；预先安装好磁感应元件(4)等电子元件和焊接好线缆(9)的信号检测处理板(3)，通过外圆或内圆定位，安装到外壳(2)上，确保磁感应元件(4)所在的圆周与转子同轴，并且处在外壳(2)的内侧。

上述结构装配完毕之后，磁钢环(1)随转子(5)或轴(5′)转动，产生周期性正弦磁场信号。磁感应元件(4)把磁场信号转换为电压信号输出给后续处理电路。

根据永久磁铁的磁场特性： $B\left(r\right)=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{{4\mathrm{\πr}}^3}[3(\mathrm{\μ}\·\hat{r})\hat{r}-\mathrm{\μ}],$ 通过调整信号检测处理板(3)与磁钢环(1)的距离r，可以调整磁感应元件(4)感测的磁场强度B，达到调整磁感应元件(4)输出电压的幅值。 可以通过试验的形式确定合理的距离，由机械结构保证输出电压幅值接近一致。

上述有轴承结构和无轴承结构使用的信号检测处理板(3)的实施方法是一致的。根据编码器输出精度要求和使用环境，选择安装需要的磁感应元件(4)的数量。图6为当磁感应元件为N＝2时的信号检测处理板示意图；图7和图8为当磁感应元件为N＝3时在360度圆周上等角度均匀分布和180度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图；图9和图10为当磁感应元件为N＝4时在360度圆周上等角度均匀分布和180度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图；图11为当磁感应元件为N＝6时在360度圆周上等角度均匀分布的信号检测处理板示意图；其他数量的磁感应元件分布方式类似。磁感应元件(4)通过焊盘焊接在PCB上。在PCB设计时，根据PCB外圆或内圆的定位工艺要求，设计焊盘所在的圆周与PCB定位圆同轴，并按照公差要求制版。信号检测处理板(3)上所有的焊接部件预先加工好，尤其使用贴片磁感应元件和其他贴片电子元器件时，可实现自动化贴片加工。

本实用新型根据上述结构提供一套信号处理方式，包括：AD转换及预处理模块、零漂处理模块、温度修正模块、查表数据判断提取模块、查表输出模块及数据存储模块。这些模块可以通过安装于信号检测处理板(3)上的AD转换器(6)和微处理器(7)或内置了AD转换器的微处理器(7)实现；也可直接由磁感应元件(4)输出模拟信号，由上位接受装置处理实现。处理过程如图12，首先根据磁感应元件(4)的数量，设计好存储数据的区间，通过试验手段设计存储的绝对角度数据和温度修正曲线数据；AD采样后经过数字滤波等预处理、零漂处理、温度修正后输出用于查表的数据；根据处理后的各项AD值大小判断查表需要的数据、提取；从存储数据对应区间读取角度，输出绝对角度或处理为增量式输出。

Claims (8)

1.一种旋转编码器，包括安装在转子上的磁钢环，包围在磁钢环外且固定在定子上的磁屏蔽外壳，以及安装在外壳上的信号检测处理板，其特征在于所述信号检测处理板与磁钢环平行，包括PCB板、贴于PCB板一侧的N个磁感应元件和设于PCB板另一侧的线缆，磁感应元件在与磁钢环同轴的360度圆周上或180度半圆周上等角度均匀分布，其中N ≥ 2。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于当N=2时，2个磁感应元件之间的夹角为90度。

3.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于所述信号检测处理板包括PCB板、贴于PCB板一侧的磁感应元件和设于PCB板另一侧的线缆、AD转换器和微处理器。

4.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于所述外壳与转子通过轴承装配在一起。

5.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于所述外壳直接固定在被测物体的定子上，磁钢环固定在被测物体的旋转轴上。

6.根据权利要求3所述的旋转编码器，其特征在于所述磁钢环与转子垂直，转子具有空心轴结构或实心轴结构，转子外围罩有磁屏蔽外壳，外壳与转子同轴，磁钢环和磁感应元件均在磁屏蔽外壳内侧；磁屏蔽外壳内部安装有信号检测处理板，信号检测处理板与磁钢环平行；信号检测处理板上安装有AD转换器和微处理器，或安装内置AD转换器的微处理器。

7.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于所述信号检测处理板依靠外圆定位安装在外壳上，或通过工装依靠内圆定位安装在外壳上。

8.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于所述磁感应元件为贴片封装或插件封装、依靠焊盘定位的电子元件，该电子元件安装圆周直径不小于磁钢外径。