CN204388870U - 绝对式编码器 - Google Patents

Abstract

一种绝对式编码器包含：一中央磁铁和一外环磁铁，所述中央磁铁和所述外环磁铁同心地设置于一转轴上、一磁感应式编码器、一磁感应组件和一控制器。所述磁感应式编码器用于量测所述转轴于单圈内的旋转角度，以及所述磁感应组件用于感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，以输出一包含高电平信号和低电平信号的方波信号。所述控制器用于接收所述方波信号，并且将所接收的所述方波信号转换为一旋转圈数信号。

Description

绝对式编码器

技术领域

本实用新型涉及一种绝对式编码器，更具体的说是涉及一种能量测转轴单圈内的角度位置和量测转轴的旋转圈数的绝对式编码器。

背景技术

编码器(Encoder)是用来检测角度、位置、速度和加速度的感测器。当用于电机设备时，可将输入资讯例如旋转位置或旋转量，通过具有编码功能的逻辑电路，转换为类比或数位信号。常见的编码器类型例如有机械式、光学式和磁感应式。编码器从功能上还可分为增量式和绝对式。

一般而言，增量式编码器只能用于提供当前位置相对于前一位置的信息，也就是说，只能用于获得相对位置信号。另一方面，增量式编码器也不具有记忆当前的绝对位置的功能。因此，增量式编码器应用在电机设备上，当电机设备断电时，假若机械位置因外力移动或转动而改变，导致位置产生偏移，而当电机设备重新启动时，因增量式编码器无法获得当前的绝对位置信号，也就无法判断当前位置的信号是否相同于停机前所记录的信号，因而必须调整编码器进行原点复归的流程。

有别于增量式编码器，绝对式编码器除了有增量式编码器的功能外，还能实现绝对位置的测量。也就是说，能即时输出电机设备的转轴旋转角度或位置的绝对值。当电机设备断电后再复电时，绝对式编码器能够即时读取当前转轴旋转角度或位置的绝对值信号。

在工业生产中广泛应用的绝对式编码器多为光电式。然而，光电式编码器的光栅盘的抗冲击、抗振动性低。因此当光电式编码器的光栅盘在绕轴旋转时，容易因为轴振动使得光栅盘破碎。另一方面，光电式编码器的环境适应性差，对于湿气、尘埃和温度变化的抵抗能力较弱。

有鉴于此，现今机电设备逐渐发展为使用磁感应式的绝对式编码器，磁感应式编码器结构简单、反应速度快并且对环境抗干扰能力强。目前市面上贩售多种磁感应式编码器晶片，其中之一为一种非接触式磁性旋转式编码器，在单一元件中整合霍尔元件、类比前端与数位信号处理功能，用于准确量测电机设备于一圈360°全范围内的旋转角度。使用上，只需在晶片的相对位置设置对应于晶片中央位置旋转的简单双极磁体，通常所述磁体会设置在电机设备的转轴上，伴随电机设备的转轴转动，并通过磁极的变化，转换为特定的位置信号。

然而，上述绝对式编码器晶片在转动超过一圈后，编码就会回到原点。当电机设备正常运作时，往往需要通过外加的逻辑电路，用以辅助记录目前的转动圈数。假若电机设备断电且遗失所记录的转动圈数的资料时，当电机设备重新启动后，即使所述绝对式编码器能读取出当前的绝对位置信号，却无法得知目前转轴位在第几圈的转动上，因此必须耗费时间进行转轴的原点复归流程。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种绝对式编码器及其操作方法，其可在电机设备断电时，记录和计算转轴的旋转圈数，并且于电机设备重新启动后，量测转轴于单圈内的旋转角度以及获得转轴当前的旋转圈数信号。

为达上述的目的，本实用新型提供一种绝对式编码器，其包含：一中央磁铁和一外环磁铁，所述中央磁铁和所述外环磁铁同心地设置于一转轴上；一磁感应式编码器，对应所述中央磁铁旋转的中央位置间隔设置，用于量测所述转轴于单圈内的旋转角度；一磁感应组件，用于感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，以输出一包含高电平信号和低电平信号的方波信号；以及一控制器，与所述磁感应组件电性连接，用于接收所述方波信号，并且根据所接收的所述方波信号，转换为一旋转圈数信号。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，当所述磁感应组件感应到所述外环磁铁的北极时，输出所述高电平信号，以及当所述磁感应组件感应到所述外环磁铁的南极时，输出所述低电平信号。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，所述磁感应组件包含一第一霍尔元件和一第二霍尔元件，所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件分别与所述磁感应式编码器相邻地设置，并且所述第一霍尔元件与所述磁感应式编码器的连线，和所述第二霍尔元件与所述磁感应式编码器的连线形成一夹角；所述第一霍尔元件感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，输出第一方波信号，以及所述第二霍尔元件感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，输出第二方波信号。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，所述夹角角度介于80度至90度之间。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，所述第一霍尔元件输出的所述第一方波信号和所述第二霍尔元件输出的所述第二方波信号具有90度相位差。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，当转轴为正转时，所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述低电平信号，或所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的下降缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，当转轴为逆转时，所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号，或所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的下降缘，并且所述第二霍尔元件输出所述低电平信号。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，当所述控制器接收到所述第二霍尔元件输出所述第二方波信号的上升缘，并且所述第一霍尔元件输出所述高电平信号时，所述控制器将所述旋转圈数信号的计数加一。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，当所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号时，所述控制器将所述旋转圈数信号的计数减一。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，所述绝对式编码器进一步包含一电池，所述控制器包含一记忆单元，用以记录所述旋转圈数信号，当所述转轴停止转动时，所述电池提供一电流至所述磁感应组件和所述记忆单元。

于本实用新型的其中一优选的实施例当中，所述控制器包含一清除功能，用以接收一清除圈数信号，将所记录的所述旋转圈数信号归零。

附图说明

图1A绘示本实用新型的绝对式编码器。

图1B绘示本实用新型的绝对式编码器的局部视图。

图2绘示绘示本实用新型的绝对式编码器的电路方块图。

图3A绘示本实用新型的磁感应组件在外环磁铁正转时输出的方波信号。

图3B绘示本实用新型的磁感应组件在外环磁铁逆转时输出的方波信号。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例通过附图与下面的说明作详细描述，在不同的图中，相同的元件符号表示相同或相似的元件。

请参照图1A和图1B，图1A绘示本实用新型的绝对式编码器，图1B绘示本实用新型的绝对式编码器的局部视图。绝对式编码器100包含同心地设置于转轴150上的中央磁铁140与外环磁铁145、磁感应组件110、控制器120、磁感应式编码器130、和电路板160。磁感应式编码器130位在中央磁铁140旋转的中央轴线上，并且对应中央磁铁140旋转的中央轴线位置与磁铁140间隔设置。

磁感应组件110与磁感应式编码器130相邻，并且与外环磁铁145间隔地设置。磁感应组件110用于感应外环磁铁145旋转时的磁极变化，并且输出相应的方波信号。更明确地说，如图1B所示，外环磁铁145为双极磁铁，举例来说，当本实用新型的外环磁铁145的外型为环形时，外环磁铁145的其中一半环形为北极(N极)，另一半环形则为南极(S极)。因此当外环磁铁145随着转轴150旋转时，磁感应组件110在感应到外环磁铁145的N极时，输出高电平信号，反之，当磁感应组件110感应到外环磁铁145的S极时，输出低电平信号。

本实用新型藉由在转轴150上设置两个不同的磁铁(中央磁铁140和外环磁铁145)以分别对应磁感应式编码器130和磁感应组件110，因而能避免当中央磁铁140和磁感应组件110彼此之间距离过远时，磁感应组件110因外部讯号干扰导致无法准确的输出相应的高电平信号或低电平信号的问题。

根据本实用新型的优选实施例，磁感应组件110可进一步包含第一霍尔元件112和第二霍尔元件114。第一霍尔元件112和第二霍尔元件114分别与磁感应式编码器130相邻地设置，并且第一霍尔元件112与磁感应式编码器130的连线，和第二霍尔元件114与磁感应式编码器130的连线形成一夹角。根据本实用新型的实施例，所述夹角角度介于80度至90度之间。

控制器120与磁感应组件110电性连接。控制器120接收磁感应组件110所输出的方波信号，并且将所接收的所述方波信号转换为旋转圈数信号。更明确地说，磁感应组件110感应到外环磁铁145旋转时磁极在N极与S极之间交替地变化，再根据感应到N极与S极相应的输出包含高电平信号和低电平号的方波信号。控制器120接收磁感应组件110输出的方波信号，判断当前的外环磁铁145为正转或逆转，以及转动的圈数，再将所得的旋转圈数信号加以记录保存于控制器120内部。另外，根据本实用新型的另一优选实施例，控制器120进一步包含记忆单元，用于记录旋转圈数信号。

磁感应式编码器130位在中央磁铁140旋转的中央轴线上，并且对应中央磁铁140旋转的中央轴线位置，与中央磁铁140间隔设置。磁感应式编码器130为非接触式磁性旋转式编码器，在单一元件中整合霍尔元件、类比前端与数位信号处理功能。磁感应式编码器130在使用上，将转轴150转动时中央磁铁140相应所产生的磁极的变化，转换为特定的位置信号，因而准确量测转轴150于单圈内的旋转角度170。

根据本实用新型的优选实施例，磁感应组件110、控制器120和磁感应式编码器130可设置在同一电路板160上。

请参照图2，图2绘示绘示本实用新型的绝对式编码器的电路方块图。当本实用新型的绝对式编码器应用至一电机设备时，在电机设备正常运作下，电机设备外部电路270的外部电源280提供电力至绝对式编码器的电路板160。外部电源280所提供的电压进入电路板160后，经过电压转换单元161，转换为工作电压。所述外部电源280主要是用以提供电路板160内的第一霍尔元件112、第二霍尔元件114、控制器120和磁感应式编码器130运转所需的电力。磁感应式编码器130根据中央磁铁140转动时所产生的磁极的变化，转换为特定的信号，例如位置以及角度的A、B和Z信号，因而能准确量测电机设备的转轴于单圈内的旋转角度。控制器120接收第一霍尔元件112和第二霍尔元件114感应电机设备的转轴在旋转时外环磁铁的磁极变化，所输出的相应的方波信号，进而输出相应的旋转圈数信号Rx。

另外，外部电源280转换为工作电压后，会再经过充电电路162，用以向电容284充电。因此，当电机设备断电时，即使外部电源280不再提供电力至绝对式编码器的电路板160，电路板160可通过电容284提供所需电力。根据本实用新型的优选实施例，进一步包含一外部的电池282与电路板160电性连接。因此当外部电源280停止供电时，亦可通过电池282持续提供电力至电路板160。另外，电路板160内部包含电压侦测单元163、165与电源转换开关164。电压侦测单元163用于侦测外部电源280和电容284当前的电压，而电源转换开关164根据电压侦测单元163所传递的信号，切换提供至第一霍尔元件112、第二霍尔元件114和控制器120的电力来源，所述电力来源为外部电源280、电池282或电容284其中之一。

可以理解的是，根据图2所示，当电机设备正常运作下，外部电源280会提供电力至磁感应式编码器130、第一霍尔元件112、第二霍尔元件114和控制器120。当外部电源280停止供电时，第一霍尔元件112、第二霍尔元件114和控制器120可通过电容284或电池282持续供电，更明确地说，电容284或电池282不用于提供电力至磁感应式编码器130。根据本实用新型的优选实施例，当外部电源280停止供电且电机设备无转动下，电容284或电池282仅会提供电力至第一霍尔元件112、第二霍尔元件114和控制器120的记忆单元122。值得注意的是，第一霍尔元件112、第二霍尔元件114和控制器120的记忆单元122消耗电流小于50μA，使得本实用新型的绝对式编码器在无外部电源供电时，能保持在相对低的耗电量，达到省电的功能。也就是说，控制器120内部记忆单元122所储存的旋转圈数信号Rx的资料不会因电机设备长时间停电而遗失。

根据本实用新型的优选实施例，控制器120进一步包含清除功能，用以接收清除圈数信号D，将所记录的所述旋转圈数信号归零。

请参照图3A和图3B。图3A绘示本实用新型的磁感应组件在外环磁铁正转时输出的方波信号。图3B绘示本实用新型的磁感应组件在外环磁铁逆转时输出的方波信号。根据本实用新型的优选实施例，本实用新型的磁感应组件进一步包含第一霍尔元件和第二霍尔元件。图3A和图3B中，第一霍尔元件所输出的第一方波信号H1和第二霍尔元件所输出的第二方波信号H2具有90度相位差。当外环磁铁正转时，第一霍尔元件所输出的第一方波信号H1的相位在前；当外环磁铁逆转时，第二霍尔元件所输出的第二方波信号H2的相位在前。

如图3A所示，当转轴为正转时，控制器会接收到第一霍尔元件输出第一方波信号H1的上升缘，并且第二霍尔元件当前输出为低电平信号L，或控制器会接收到第一霍尔元件输出第一方波信号H1的下降缘，并且第二霍尔元件当前输出为高电平信号H。反之，参照图3B所示，当转轴为逆转时，控制器会接收到第一霍尔元件输出第一方波信号H1的上升缘，并且第二霍尔元件当前输出为高电平信号H，或控制器会接收到第一霍尔元件输出第一方波信号H1的下降缘，并且第二霍尔元件当前输出为低电平信号L。

参照第3A图和第3B图所示，由第一霍尔元件所输出的第一方波信号H1和第二霍尔元件所输出的第二方波信号H2所划分的第0区至第3区，是用以表示将磁铁旋转一圈中划分为4个区域，其中第0区表示原点。也就是说，当控制器接收到触发第0区的信号时，即会增加或减少旋转圈数。当控制器接收到第二霍尔元件输出第二方波信号的上升缘，并且第一霍尔元件输出为低电平信号时，表示磁铁目前为顺转并且经过第0区，因此，控制器会将旋转圈数信号的计数加1。同理，当控制器接收到第一霍尔元件输出第一方波信号的上升缘，并且第二霍尔元件输出为高电平信号时，表示磁铁目前为逆转并且经过第0区，因此，控制器会将旋转圈数信号的计数减1。

虽然本实用新型已用优选的实施例揭露如上，然其并非用以限定本实用新型，本实用新型所属技术领域中的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本实用新型要求保护的范围当视权利要求书范围所界定者为准。

Claims (11)

1.一种绝对式编码器，其特征在于，包含：

一中央磁铁和一外环磁铁，所述中央磁铁和所述外环磁铁同心地设置于一转轴上；

一磁感应式编码器，对应所述中央磁铁旋转的中央位置间隔设置，用于量测所述转轴于单圈内的旋转角度；

一磁感应组件，用于感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，以输出一包含高电平信号和低电平信号的方波信号；以及

一控制器，与所述磁感应组件电性连接，用于接收所述方波信号，并且将所述方波信号转换为一旋转圈数信号。

2.如权利要求1所述的绝对式编码器，其特征在于，当所述磁感应组件感应到所述外环磁铁的北极时，输出所述高电平信号，以及当所述磁感应组件感应到所述外环磁铁的南极时，输出所述低电平信号。

3.如权利要求1所述的绝对式编码器，其特征在于，所述磁感应组件包含一第一霍尔元件和一第二霍尔元件，所述第一霍尔元件和所述第二霍尔元件分别与所述磁感应式编码器相邻地设置，并且所述第一霍尔元件与所述磁感应式编码器的连线，和所述第二霍尔元件与所述磁感应式编码器的连线形成一夹角；所述第一霍尔元件感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，输出第一方波信号，以及所述第二霍尔元件感应所述外环磁铁旋转时的磁极变化，输出第二方波信号。

4.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，所述夹角角度介于80度至90度之间。

5.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，所述第一霍尔元件输出的所述第一方波信号和所述第二霍尔元件输出的所述第二方波信号具有90度相位差。

6.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，当转轴为正转时，所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述低电平信号，或所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的下降缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号。

7.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，当转轴为逆转时，所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号，或所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的下降缘，并且所述第二霍尔元件输出所述低电平信号。

8.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，当所述控制器接收到所述第二霍尔元件输出所述第二方波信号的上升缘，并且所述第一霍尔元件输出所述高电平信号时，所述控制器将所述旋转圈数信号的计数加一。

9.如权利要求3所述的绝对式编码器，其特征在于，当所述控制器接收到所述第一霍尔元件输出所述第一方波信号的上升缘，并且所述第二霍尔元件输出所述高电平信号时，所述控制器将所述旋转圈数信号的计数减一。

10.如权利要求1所述的绝对式编码器，其特征在于，所述绝对式编码器进一步包含一电池，所述控制器包含一记忆单元，用以记录所述旋转圈数信号，当所述转轴停止转动时，所述电池提供一电流至所述磁感应组件和所述记忆单元。

11.如权利要求1所述的绝对式编码器，其特征在于，所述控制器包含一清除功能，用以接收一清除圈数信号，将所记录的所述旋转圈数信号归零。