CN207082973U - 磁编码器、电机和电机系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种磁编码器、电机和电机系统；其中，磁编码器包括传动齿轮、传动轴、磁极、磁编码芯片和固定座；传动齿轮与外部的输出齿轮盘啮合连接；传动齿轮通过传动轴与磁极连接；磁编码芯片设置于固定座上；传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动；传动齿轮带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，将绝对位置信号输出。本实用新型通过该方式，无需使用行程开关等额外的传感器确定坐标零度，对机构进行一次标定零度操作之后，以后开机即可获得当前的绝对位置信息。

Description

磁编码器、电机和电机系统

技术领域

本实用新型涉及电机技术领域，尤其是涉及一种磁编码器、电机和电机系统。

背景技术

随着机器人技术的飞速发展，机器人在人们日常生活，以及工业生产中的应用日趋广泛，这也意味着对机器人运动控制的精度要求越来越高。

而现有的机器人结构中，通常采用电机磁编码器作为机器人关节等部位的位置传感器，这种传感器难以标定结构的绝对位置，需要电机额外设置其他传感器，才能获取机器人关节的绝对位置角度。这种方式导致机器人结构中存在传感器使用较多，结构复杂，成本较高，且绝对位置标定结果无法永久保存。另外，电位器可以输出结构的绝对位置，且结构简单，但是精度低、稳定性差且寿命短，严重影响机器人的整体性能。

针对上述现有的编码器难以标定结构的绝对位置的问题，尚未提出有效的解决方案。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种磁编码器、电机和电机系统，以获取并输出结构运动的绝对位置信息。

第一方面，本实用新型实施例提供了一种磁编码器，包括传动齿轮、传动轴、磁极、磁编码芯片和固定座；传动齿轮与外部的输出齿轮盘啮合连接；传动齿轮通过传动轴与磁极连接；磁编码芯片设置于固定座上；传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动；传动齿轮带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，将绝对位置信号输出。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第一种可能的实施方式，其中，上述磁编码器还包括轴承；轴承设置于传动齿轮和传动轴之间。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第二种可能的实施方式，其中，上述传动齿轮与传动轴固定连接。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第三种可能的实施方式，其中，上述磁编码芯片与磁极同轴设置；磁极在传动轴的带动下，围绕轴心转动。

结合第一方面，本实用新型实施例提供了第一方面的第四种可能的实施方式，其中，上述磁极的形状为圆形；磁极中，N极和S极以直径为界限，并列排列。

第二方面，本实用新型实施例提供了一种电机，该电机包括上述磁编码器，还包括电机本体、输出齿轮盘和基座；磁编码器的固定座与电机本体设置于基座上；输出齿轮盘与电机本体连接；电机本体驱动输出齿轮盘转动；输出齿轮盘带动机械结构运动；输出齿轮盘还带动磁编码器的传动齿轮转动，以使磁编码器输出绝对位置信号。

结合第二方面，本实用新型实施例提供了第二方面的第一种可能的实施方式，其中，上述输出齿轮盘与传动齿轮的传动比为1。

第三方面，本实用新型实施例提供了一种电机系统，该系统包括上述电机；还包括中控模块；中控模块分别与电机中的电机本体和磁编码器电连接；中控模块用于驱动电机本体转动；中控模块还用于接收磁编码器输出的绝对位置信号。

结合第三方面，本实用新型实施例提供了第三方面的第一种可能的实施方式，其中，上述系统还包括机械结构；机械结构与电机本体的输出齿轮盘连接。

结合第三方面的第一种可能的实施方式，本实用新型实施例提供了第三方面的第二种可能的实施方式，其中，上述机械结构包括机器人的手臂结构。

本实用新型实施例带来了以下有益效果：

本实用新型实施例提供的一种磁编码器、电机和电机系统，传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动，同时带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，并将绝对位置信号输出；通过该方式，无需使用行程开关等额外的传感器确定坐标零度，对机构进行一次标定零度操作之后，以后开机即可获得当前的绝对位置信息。

同时，上述磁编码器、电机和电机系统具有较高编码精度，从而提高了电机运动控制的精确度。

本实用新型的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种磁编码器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种磁编码器中，磁极的结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种电机的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的一种电机系统的结构框图。

图标：10-传动齿轮；11-传动轴；12-磁极；13-磁编码芯片；14-固定座；15-轴承；20-电机本体；21-输出齿轮盘；22-基座；40-电机；41-中控模块；42-磁编码器。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

考虑到现有的编码器难以标定结构的绝对位置的问题，本实用新型实施例提供了一种磁编码器、电机和电机系统；该技术可以应用于智能控制、智能驱动的相关场景中；尤其可以应用于机器人等精确度要求较高的运动控制场景中；该技术可以采用相关的软件或硬件实现，下面通过实施例进行描述。

实施例一：

参见图1所示的一种磁编码器的结构示意图；该磁编码器包括传动齿轮10、传动轴11、磁极12、磁编码芯片13和固定座14；

传动齿轮10与外部的输出齿轮盘啮合连接；传动齿轮10通过传动轴11与磁极12连接；磁编码芯片13设置于固定座14上；

传动齿轮10在输出齿轮盘的驱动下转动；传动齿轮10带动磁极12同步转动；磁编码芯片13将磁极的变化转换为绝对位置信号，并将该绝对位置信号输出。该绝对位置信号包括相关结构的，各个自由度的当前角度。

在实际实现时，该磁编码器可以与电机集成设置，该电机通过输出齿轮盘控制外部的机械结构(例如，机器人的关节手臂结构)运动，同时该输出齿轮盘还将电机的运动状态传动至传动齿轮，以使磁编码器根据电机的运动状态输出绝对位置信号，并将绝对位置信号输出。

进一步地，上述绝对位置信号可以输出至外部的中控模块，该中控模块可以保存设定时间段内，或者设定数据量内的绝对位置信号，以使用户分析处理，获得电机运动状态的整体状况。

上述磁编码芯片可以采用型号为AM4096磁编码器实现；该AM4096可感应S/N极磁铁的旋转，提供精度优于0.1度的绝对位置信息输出；该AM4096提供具有16个磁极(8个磁极对)的UVW(该UVW为电机的三相标识)输出、增量式、绝对式、线性(电位计)、转速器及正弦输出；其分辨率达12位(4096步/转)，具有可编程零位。AM4096是3.3V(或5V)低功率装置，电池工作时具有休眠模式。该AM4096的最高工作速度达60000转/分，可适应-40℃至+125℃的温度。

具体地，上述AM4096磁编码器可以通过TWI(Two-wire Serial Interface，两线串行接口)接口，采用IIC(Inter-Integrated Circuit，集成电路总线)协议输出绝对位置信息。

由此可知，当磁极转动一圈时，上述磁编码芯片(相当于上述磁性旋转位置传感器)可以输出4096个输出编码；当磁编码模块直接与驱动轮连接时，对驱动轮的运动控制精度约为0.088度；相对于霍尔传感器，磁编码芯片可以大大提高电机的控制精度。

本实用新型实施例提供的一种磁编码器，传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动，同时带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，并将该绝对位置信号输出；通过该方式，无需使用行程开关等额外的传感器确定坐标零度，对机构进行一次标定零度操作之后，以后开机即可获得当前的绝对位置信息。

同时，上述磁编码器具有较高编码精度，从而提高了电机运动控制的精确度。

进一步地，上述磁编码器还包括轴承15；该轴承设置于传动齿轮和传动轴之间。通过设置轴承，可以降低传动齿轮与传动轴之间的摩擦力和部件损耗，有效减低磁编码器的编码误差，提高编码精度。

上述轴承是用于确定旋转轴与其他零件相对运动位置，起支承或导向作用的零部件；其主要功能是支撑机械旋转体，用以降低设备在传动过程中的机械载荷摩擦系数；按运动元件摩擦性质的不同，轴承可分为滚动轴承和滑动轴承两类。

进一步地，上述传动齿轮与传动轴固定连接，以保证传动齿轮与磁极的传动比为1。

上述磁编码芯片与磁极同轴设置；磁极在传动轴的带动下，围绕轴心转动。为了使磁编码芯片准确感应磁极的变化，上述此编码芯片与磁极沿轴向的距离应该小于预设的距离。

参见图2所示的一种磁编码器中，磁极的结构示意图；该磁极的形状为圆形；磁极中，N极和S极以直径为界限，并列排列。

实施例二：

对应于上述实施例一中提供的磁编码器，参见图3所示的一种电机的结构示意图；该电机包括上述磁编码器，还包括电机本体20、输出齿轮盘21和基座22；

上述磁编码器的固定座与电机本体20设置于基座22上；输出齿轮盘21与电机本体连接；

电机本体20驱动输出齿轮盘21转动；输出齿轮盘21带动机械结构运动；输出齿轮盘21还带动磁编码器的传动齿轮转动，以使磁编码器输出绝对位置信号。

进一步地，上述输出齿轮盘与传动齿轮的传动比为1；因此，磁极的变化可以直接反应电机本体的运动状态。

上述传动比是机构中两转动构件角速度的比值，也称速比。例如，构件a和构件b的传动比为i＝ωa/ωb＝na/nb，式中ωa和ωb分别为构件a和b的角速度(弧度/秒)；na和nb分别为构件a和b的转速(转/分)。当式中的角速度为瞬时值时，则求得的传动比为瞬时传动比。当式中的角速度为平均值时，则求得的传动比为平均传动比。理论上对于大多数渐开线齿廓正确的齿轮传动，瞬时传动比是不变的；对于链传动和摩擦轮传动，瞬时传动比是变化的。对于啮合传动，传动比可用a和b轮的齿数Za和Zb表示，i＝Zb/Za；对于摩擦传动，传动比可用a和b轮的直径Da和Db表示，i＝Db/Da。

由图3可知，磁编码器设置在电机基座的内部，提高了磁编码器的密封性，避免了编码器外设于电机上由于灰尘污染、部件磨损等因素造成的编码精度降低的问题，提高了电机的编码精度，从而提高了电机运动控制的精确度。

本实用新型实施例提供的一种电机，传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动，同时带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，并将该绝对位置信号输出；通过该方式，无需使用行程开关等额外的传感器确定坐标零度，对机构进行一次标定零度操作之后，以后开机即可获得当前的绝对位置信息。

同时，上述电机具有较高编码精度，从而提高了电机运动控制的精确度。

实施例三：

对应于上述实施例一中提供的磁编码器以及上述实施例二中提供的一种电机，参见图4所示的一种电机系统的结构框图；该电机系统包括上述电机40；还包括中控模块41；

中控模块41分别与电机中的电机本体20和磁编码器42电连接；

中控模块41用于驱动电机本体20转动；中控模块41还用于接收磁编码器42输出的绝对位置信号。

进一步地，上述系统还包括机械结构；该机械结构与电机的输出齿轮盘连接。

具体地，该机械结构包括机器人的手臂结构。

本实用新型实施例提供的一种电机系统，传动齿轮在输出齿轮盘的驱动下转动，同时带动磁极同步转动；磁编码芯片将磁极的变化转换为绝对位置信号，并将该绝对位置信号输出；通过该方式，无需使用行程开关等额外的传感器确定坐标零度，对机构进行一次标定零度操作之后，以后开机即可获得当前的绝对位置信息。

同时，上述电机系统具有较高编码精度，从而提高了电机运动控制的精确度。

另外，在本实用新型实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型实施例提供的磁编码器、电机和电机系统，磁极和对应的高精度磁性旋转位置传感器芯片，可以输出绝对位置。通过齿轮传动将机器人关节和传感器磁极按一比一传动比联动，从而实现对机器人关节的绝对位置输出。

所述功能如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本实用新型的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本实用新型各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本实用新型的具体实施方式，用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制，本实用新型的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种磁编码器，其特征在于，包括传动齿轮、传动轴、磁极、磁编码芯片和固定座；

所述传动齿轮与外部的输出齿轮盘啮合连接；所述传动齿轮通过所述传动轴与所述磁极连接；所述磁编码芯片设置于所述固定座上；

所述传动齿轮在所述输出齿轮盘的驱动下转动；所述传动齿轮带动所述磁极同步转动；所述磁编码芯片将所述磁极的变化转换为绝对位置信号，将所述绝对位置信号输出。

2.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁编码器还包括轴承；

所述轴承设置于所述传动齿轮和所述传动轴之间。

3.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述传动齿轮与所述传动轴固定连接。

4.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁编码芯片与所述磁极同轴设置；

所述磁极在所述传动轴的带动下，围绕轴心转动。

5.根据权利要求1所述的磁编码器，其特征在于，所述磁极的形状为圆形；

所述磁极中，N极和S极以直径为界限，并列排列。

6.一种电机，其特征在于，所述电机包括权利要求1-5中任意一项所述的磁编码器，还包括电机本体、输出齿轮盘和基座；

所述磁编码器的固定座与所述电机本体设置于所述基座上；所述输出齿轮盘与所述电机本体连接；

所述电机本体驱动所述输出齿轮盘转动；所述输出齿轮盘带动机械结构运动；

所述输出齿轮盘还带动所述磁编码器的传动齿轮转动，以使所述磁编码器输出绝对位置信号。

7.根据权利要求6所述的电机，其特征在于，所述输出齿轮盘与所述传动齿轮的传动比为1。

8.一种电机系统，其特征在于，所述系统包括权利要求6或7所述的电机；还包括中控模块；

所述中控模块分别与所述电机中的电机本体和磁编码器电连接；

所述中控模块用于驱动所述电机本体转动；所述中控模块还用于接收所述磁编码器输出的绝对位置信号。

9.根据权利要求8所述的电机系统，其特征在于，所述系统还包括机械结构；

所述机械结构与所述电机本体的输出齿轮盘连接。

10.根据权利要求9所述的电机系统，其特征在于，所述机械结构包括机器人的手臂结构。