CN207832207U - 一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于农用机械无人驾驶技术领域，具体公开了一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，包括电机、码盘、反射式编码器芯片模块、微处理器模块和驱动模块；所述码盘连接在电机的转子上；反射式编码器芯片模块设置在码盘的被测位置；反射式编码器芯片模块与微处理器模块数据连接；微处理器模块通过驱动模块与电机连接。本实用新型装置码盘连接在电机的转子上，电机的转子用于与方向盘转轴连接，控制方向盘转轴的转动角度，反射式编码器芯片模块与码盘的配合，使得测量精度更高；本实用新型使用反射式编码器，再将反射式编码器芯片模块与微处理器模块数据连接；微处理器模块与电机连接，使得检测转动角度并调节转动更加准确、快捷。
Description
技术领域
本实用新型属于农用机械无人驾驶技术领域，尤其涉及一种用于方向盘控制的反射式编码器装置。
背景技术
近年来，随着人工智能的飞速发展，无人驾驶技术已经不仅仅是一个梦想，而是未来阶段的大势所趋。而无人驾驶技术在农用机械上的应用，无疑将促使农业生产过程变得更高效、更快捷、更精确。方向盘作为操纵行驶方向的重要装置，通过转向机构控制转向轮改变行驶方向或保持直线行驶。因此，方向盘控制的灵敏性、精确性和可靠性则显得尤为重要。编码器作为方向盘控制器的位置反馈的关键组件，其精度直接决定了方向盘控制器的精确性。方向盘控制器多为伺服电机与驱动器一体式的结构，要求整个控制器结构紧凑，现有的控制器选用磁编码器，但是磁编码器精度低，难以精确调节转动角度。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型提供一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置。
本实用新型是通过以下技术方案来实现：
一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，包括电机、码盘、反射式编码器芯片模块、微处理器模块和驱动模块；所述码盘连接在电机的转子上；反射式编码器芯片模块设置在码盘的被测位置；反射式编码器芯片模块与微处理器模块数据连接；微处理器模块通过驱动模块与电机连接；
电机的转子用于与方向盘转轴连接，控制方向盘转轴的转动角度；
码盘用于测量转子的转动角度；
反射式编码器芯片模块用于检测码盘所转过的脉冲个数，进而得出电机的转子的实时转动角度位置，并将电机的转子的实时转动角度位置信息传输到微处理器模块；
微处理器模块用于接收反射式编码器芯片模块发送的电机的转子的实时转动角度位置信息，并输出信号至驱动模块，通过驱动模块改变电机电源的导通或断开状态，从而控制电机的转子的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
所述电机的转子连接有减速机，使用时转子通过减速机与方向盘转轴连接。
所述反射式编码器芯片模块与微处理器模块之间通过依次设置的第一转换芯片模块和第二转换芯片模块连接；
所述反射式编码器芯片模块用于将电机的转子的实时转动角度位置信息转换成A、B和Z三路信号，并将三路信号发送到第一转换芯片模块；其中A信号与B信号均为码盘每转内的脉冲信号，A信号与B信号相差°电角度，Z信号为码盘转动圈数；
第一转换芯片模块用于接收反射式编码器芯片模块是三路信号，并将A、B和Z三路信号转换成A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号发送到第二转换芯片模块；
第二转换芯片模块用于接收第一转换芯片模块发送的三组差分信号，将A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号转换成A、B和Z三路信号并发送到微处理器模块；
微处理器模块用于接收第二转换芯片模块发送的A、B和Z三路信号，根据三路信号确定电机的转子的实时转动角度位置信息，并控制电机的转子的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
所述电机的转子设置有方向盘转轴安装孔，转子的转动中心轴线与转轴安装孔轴线重合，使用时方向盘转轴安装孔内安装方向盘转轴。
所述反射式编码器芯片模块连接有第Ⅰ电源转换器，第Ⅰ电源转换器用于转换外部输入的电源，并给反射式编码器芯片模块供电。
所述微处理器模块连接有第Ⅱ电源转换器，第Ⅱ电源转换器用于转换外部输入的电源，并给微处理器模块供电。
所述驱动模块包括前级驱动芯片和MOS管，微处理器模块发出的信号经过前级驱动芯片转换并驱动MOS管的导通或断开状态，从而改变电机电源的导通或断开状态，实现控制电机的转子的转动。
还包括壳体，壳体的一侧面设置反射式编码器芯片模块，另一侧面设置微处理器模块。
所述壳体一侧设置有凹槽，凹槽内设置有凸台，凸台上固定设置有编码器电路板，反射式编码器芯片模块设置在编码器电路板上。
所述壳体的另一侧设置有控制电路板，控制电路板通过支撑柱与壳体固定连接，微处理器模块设置在控制电路板上。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益的技术效果：
本实用新型编码器装置设置了电机、码盘、反射式编码器芯片模块、驱动模块和微处理器模块，码盘连接在电机的转子上，电机的转子用于与方向盘转轴连接，控制方向盘转轴的转动角度，反射式编码器芯片模块与码盘的配合，使得测量精度更高；本实用新型使用反射式编码器，再将反射式编码器芯片模块与微处理器模块数据连接；微处理器模块与电机连接，使得检测转动角度并调节转动更加准确、快捷。
进一步地，本实用新型的电机的转子连接有减速机，使用时转子通过减速机与方向盘转轴连接，减速机的设置使得电机转子的转动角度调节的更加准确。
进一步地，本实用新型的所述反射式编码器芯片模块与微处理器模块之间通过依次设置的第一转换芯片模块和第二转换芯片模块连接；第一转换芯片模块能够将单端信号转换为差分信号，第二转换芯片模块将差分信号转换为单端信号，使得数据传输更准确。
进一步地，本实用新型的电机的转子设置有方向盘转轴安装孔，使用时方向盘转轴安装孔内安装方向盘转轴。方向盘转轴安装孔的设置使得方向盘转轴与转子的连接安装更稳固。
进一步地，本实用新型的反射式编码器芯片模块连接有第Ⅰ电源转换器，第Ⅰ电源转换器独立给反射式编码器芯片模块供电，供电稳定，可靠。
进一步地，本实用新型的微处理器模块连接有第Ⅱ电源转换器，第Ⅱ电源转换器独立给微处理器模块供电，供电稳定，可靠。
进一步地，本实用新型的驱动模块包括前级驱动芯片和MOS管，前级驱动芯片与MOS管配合使用的使得控制方便；并且MOS管体积小，重量轻，寿命长；输入电阻高，噪声低，热稳定性好，抗干扰能力强，功耗低。
进一步地，本实用新型的壳体，壳体的一侧面设置反射式编码器芯片模块，另一侧面设置微处理器模块。反射式编码器芯片模块与微处理器模块分别连接在壳体两侧，布置合理，相互干扰小。
进一步地，本实用新型的壳体一侧设置有凹槽，凹槽内设置有凸台，凸台上固定设置有编码器电路板，反射式编码器芯片模块设置在编码器电路板上，这样的设置方式使得反射式编码器芯片模块更好安装，工作的更好。
进一步地，本实用新型的壳体的另一侧设置有控制电路板，控制电路板通过支撑柱与壳体固定连接，微处理器模块设置在控制电路板上。这样的设置方式使得微处理器模块更好安装，工作的更好。
附图说明
图1为本实用新型的结构安装示意图；
图2为本实用新型反射式编码器的结构框图；
图3为本实用新型反射式编码器码盘外形图。
图中：1为控制电路板，2为壳体，3为码盘，4为压片，5为转子，6为编码器电路板，7为反射式编码器芯片模块，8为芯片ST26C31B，9为凸台，10为支撑柱，11为第Ⅰ电源转换器，12为第Ⅱ电源转换器，13为微处理器模块，14为芯片AM26LV32AT，15为码盘安装孔，16为码盘码道。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做进一步的详细说明，所述是对本实用新型的解释而不是限定。
参加图1-3；一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，包括电机、码盘3、反射式编码器芯片模块7、驱动模块和微处理器模块13；所述码盘3连接在电机的转子5上；反射式编码器芯片模块7设置在码盘3的被测位置；反射式编码器芯片模块7与微处理器模块13数据连接；微处理器模块13通过驱动模块与电机连接；
电机的转子5用于与方向盘转轴连接，控制方向盘转轴的转动角度；
码盘3用于测量转子5的转动角度；
反射式编码器芯片模块7用于检测码盘3所转过的脉冲个数，进而得出电机的转子5的实时转动角度位置，并将电机的转子5的实时转动角度位置信息传输到微处理器模块13；
微处理器模块13用于接收反射式编码器芯片模块7发送的电机的转子5的实时转动角度位置信息，并输出信号至驱动模块，通过驱动模块改变电机电源的导通或断开状态，从而控制电机的转子5的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
所述电机的转子5连接有减速机，使用时转子5通过减速机与方向盘转轴连接。
所述反射式编码器芯片模块7与微处理器模块13之间通过依次设置的第一转换芯片模块8和第二转换芯片模块14连接；
所述反射式编码器芯片模块7用于将电机的转子5的实时转动角度位置信息转换成A、B和Z三路信号，并将三路信号发送到第一转换芯片模块8；其中A信号与B信号均为码盘3每转内的脉冲信号，A信号与B信号相差90°电角度，Z信号为码盘3转动圈数；
第一转换芯片模块8用于接收反射式编码器芯片模块7是三路信号，并将A、B和Z三路信号转换成A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号发送到第二转换芯片模块14；
第二转换芯片模块14用于接收第一转换芯片模块8发送的三组差分信号，将A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号转换成A、B和Z三路信号并发送到微处理器模块13；
微处理器模块13用于接收第二转换芯片模块14发送的A、B和Z三路信号，根据三路信号确定电机的转子5的实时转动角度位置信息，并控制电机的转子5的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
所述电机的转子5设置有方向盘转轴安装孔，转子5的转动中心轴线与转轴安装孔轴线重合，使用时方向盘转轴安装孔内安装方向盘转轴。
所述反射式编码器芯片模块7连接有第Ⅰ电源转换器11，第Ⅰ电源转换器11用于转换外部输入的电源，并给反射式编码器芯片模块7供电。
所述微处理器模块13连接有第Ⅱ电源转换器12，第Ⅱ电源转换器12用于转换外部输入的电源，并给微处理器模块13供电。
所述驱动模块包括前级驱动芯片和MOS管，微处理器模块13发出的信号经过前级驱动芯片转换并驱动MOS管的导通或断开状态，从而改变电机电源的导通或断开状态，实现控制电机的转子5的转动。
还包括壳体2，壳体2的一侧面设置反射式编码器芯片模块7，另一侧面设置微处理器模块13。
所述壳体2一侧设置有凹槽，凹槽内设置有凸台9，凸台9上固定设置有编码器电路板6，反射式编码器芯片模块7设置在编码器电路板6上。
所述壳体2的另一侧设置有控制电路板1，控制电路板1通过支撑柱10与壳体2固定连接，微处理器模块13设置在控制电路板1上。
所述码盘3通过压片4固定连接在转子5上。
所述编码器电路板6通过螺钉固定于壳体背部的凹槽处凸台上；所述控制电路板1通过螺钉固定于壳体正面的支撑柱10上；所述码盘3通过压片固定，用螺钉安装于伺服电机转子上。
所述前级驱动芯片选用IR2101芯片，微处理器发出电平为+3.3V的PWM信号，经过前级驱动芯片转换为+15V的PWM信号，驱动六路MOS管的导通与关断，从而控制电机转动。
作为优选的，本实用新型反射式编码器码盘选用铝基材料定制，厚度仅为0.51mm，4130线，价格便宜，重量轻；码盘采用压片固定螺钉安装的方式，较胶粘方式更为牢固可靠。
所述反射式编码器芯片模块7的位置信号输出端和微处理器模块13的位置信号输入端电连接，所述反射式编码器芯片模块7的转动圈数信号输出端和微处理器模块13的转动圈数信号输入端电连接。
作为优选的，本实用新型反射式编码器芯片模块7选用的是AEDR-8500，尺寸为：3.95×3.40×0.956mm，其安装方式为直接安装于印制板。
所述反射式编码器芯片模块7输出A、B、Z三个通道的信号给驱动器，驱动器以此来监控伺服电机的转速及运动轨迹。
所述反射式编码器芯片模块7可选择是否倍频，倍频可选择2倍频或4倍频，即可进一步提高控制器精度。本实用新型的一个实例选择了2倍频。
所述反射式编码器芯片模块7安装要求距离码盘为(0.5～1.25)mm，最好为1.0mm。
所述反射式编码器芯片模块7要求码盘的Line Density(行密度)在(11.575～11.969)lines/mm之间，并且最好接近下限值进行设计，所以码盘的直径一旦确定，码盘线数也就基本确定了。具体计算公式如下：
式中：LPmm：行密度，单位按照mm计算；
CPR：码盘线数；
ROPmm：光半径，即编码器检测点的半径，单位按照mm计算。
本实用新型的码盘的行密度设计值为11.578lines/mm。
作为优选的，本实用新型反射式编码器微处理器模块13选用的是TMS320F28035_PAG，通过软件实现编码器A、B信号的4倍频，进一步提高了控制器精度。具体计算如下：
360/(4130×2×4)≈0.01°
即本实用新型反射式编码器实例的控制器精度可达0.01°。
所述编码器电路板6上设置有通过码盘3的码盘码道16变化而感应电机转子5位置及转动圈数的反射式编码器芯片模块7(型号为AEDR-8500)和将反射式编码器芯片模块7发出的单端信号转换为差分信号的芯片8(型号为ST26C31B)；所述控制电路板上上设置有微处理器模块13(型号为TMS320F28035_PAG)和差分信号转换为单端信号的芯片14(型号为AM26LV32AT)，以及第Ⅰ电源转换器11(型号为78M05)和第Ⅱ电源转换器12(型号为SPX1117)；所述码盘上设置有码道16和数个用于安装的通孔15。
如图1所示，编码器电路板6通过螺钉固定于壳体2背部的凹槽处凸台9上；所述控制电路板1通过螺钉固定于壳体2正面的支撑柱10上；所述码盘3通过压片4固定，用螺钉安装于伺服电机转子5上。
如图2所示，第Ⅰ电源转换器11将外部输入的+12V电源转换成+5V电源，用于给反射式编码器芯片模块7和芯片8提供电源。
如图2所示，第Ⅱ电源转换器12将外部输入的+12V电源转换成+3.3V电源，用于给微处理器13和芯片14提供电源。
在以上实施实例中，反射式编码器芯片模块7，用于检测码盘3所转过的脉冲个数，从而确定电机转子5的实时位置，并将电机转子5的实时位置信号转换成A、B、Z三路信号输出给芯片8；芯片8将A、B、Z三路信号转换为A+、A-、B+、B-、Z+、Z-三组差分信号进行传输，以避免传输过程中信号受到干扰；芯片14将接收到的A+、A-、B+、B-、Z+、Z-三组差分信号再转换为A、B、Z三路单端信号，输出给微处理器模块13；微处理器模块13根据A、B、Z三路信号解析出的电机转子5的位置来控制电机精准的运行，从而控制方向盘的精确定位。
在以上实施实例中，A、B信号每转各4130个脉冲，且A和B信号相差90°电角度；电机每转一圈Z信号输出一个脉冲做为单圈绝对位置，对正交计数器进行脉冲校正；反射式编码器芯片模块7选择的2倍频模式，而微处理器模块13再对A、B信号进行4倍频处理，解析出转子位置，根据接收到的上位机位置指令，调整电机精准运行至上位机所要求位置，从而达到控制方向盘的精确定位的目的。
以上内容是结合一种具体实例对本实用新型所作的进一步详细说明。显然，在不脱离本实用新型实施思路的前提下，本实用新型所属技术领域的技术人员可以对本实用新型进行改动和演变。那么，如果本实用新型的一些改动和演变属于本实用新型权利要求及其同等技术范畴之内，则本实用新型也意图包含这些改动和演变在内。
Claims (10)
1.一种用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，包括电机、码盘(3)、反射式编码器芯片模块(7)、微处理器模块(13)和驱动模块；所述码盘(3)连接在电机的转子(5)上；反射式编码器芯片模块(7)设置在码盘(3)的被测位置；反射式编码器芯片模块(7)与微处理器模块(13)数据连接；微处理器模块(13)通过驱动模块与电机连接；
电机的转子(5)用于与方向盘转轴连接，控制方向盘转轴的转动角度；
码盘(3)用于测量转子(5)的转动角度；
反射式编码器芯片模块(7)用于检测码盘(3)所转过的脉冲个数，进而得出电机的转子(5)的实时转动角度位置，并将电机的转子(5)的实时转动角度位置信息传输到微处理器模块(13)；
微处理器模块(13)用于接收反射式编码器芯片模块(7)发送的电机的转子(5)的实时转动角度位置信息，并输出信号至驱动模块，通过驱动模块改变电机电源的导通或断开状态，从而控制电机的转子(5)的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
2.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述电机的转子(5)连接有减速机，使用时转子(5)通过减速机与方向盘转轴连接。
3.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述反射式编码器芯片模块(7)与微处理器模块(13)之间通过依次设置的第一转换芯片模块(8)和第二转换芯片模块(14)连接；
所述反射式编码器芯片模块(7)用于将电机的转子(5)的实时转动角度位置信息转换成A、B和Z三路信号，并将三路信号发送到第一转换芯片模块(8)；其中A信号与B信号均为码盘(3)每转内的脉冲信号，A信号与B信号相差(90)°电角度，Z信号为码盘(3)转动圈数；
第一转换芯片模块(8)用于接收反射式编码器芯片模块(7)是三路信号，并将A、B和Z三路信号转换成A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号发送到第二转换芯片模块(14)；
第二转换芯片模块(14)用于接收第一转换芯片模块(8)发送的三组差分信号，将A+和A-、B+和B-、Z+和Z-三组差分信号转换成A、B和Z三路信号并发送到微处理器模块(13)；
微处理器模块(13)用于接收第二转换芯片模块(14)发送的A、B和Z三路信号，根据三路信号确定电机的转子(5)的实时转动角度位置信息，并控制电机的转子(5)的转动，进而调整方向盘转轴的转动角度。
4.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述电机的转子(5)设置有方向盘转轴安装孔，转子(5)的转动中心轴线与转轴安装孔轴线重合，使用时方向盘转轴安装孔内安装方向盘转轴。
5.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述反射式编码器芯片模块(7)连接有第Ⅰ电源转换器(11)，第Ⅰ电源转换器(11)用于转换外部输入的电源，并给反射式编码器芯片模块(7)供电。
6.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述微处理器模块(13)连接有第Ⅱ电源转换器(12)，第Ⅱ电源转换器(12)用于转换外部输入的电源，并给微处理器模块(13)供电。
7.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述驱动模块包括前级驱动芯片和MOS管，微处理器模块(13)发出的信号经过前级驱动芯片转换并驱动MOS管的导通或断开状态，从而改变电机电源的导通或断开状态，实现控制电机的转子(5)的转动。
8.根据权利要求1所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，还包括壳体(2)，壳体(2)的一侧面设置反射式编码器芯片模块(7)，另一侧面设置微处理器模块(13)。
9.根据权利要求8所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述壳体(2)一侧设置有凹槽，凹槽内设置有凸台(9)，凸台(9)上固定设置有编码器电路板(6)，反射式编码器芯片模块(7)设置在编码器电路板(6)上。
10.根据权利要求8所述的用于控制无人驾驶方向盘的编码器装置，其特征在于，所述壳体(2)的另一侧设置有控制电路板(1)，控制电路板(1)通过支撑柱(10)与壳体(2)固定连接，微处理器模块(13)设置在控制电路板(1)上。
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| WO2021253212A1 (zh) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 北京合众思壮科技股份有限公司 | 一种获取车辆转向角的方法、装置、设备及存储介质 |
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| WO2021253212A1 (zh) * | 2020-06-16 | 2021-12-23 | 北京合众思壮科技股份有限公司 | 一种获取车辆转向角的方法、装置、设备及存储介质 |
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| CN115003587B (zh) * | 2020-06-16 | 2023-05-02 | 北京合众思壮科技股份有限公司 | 一种获取车辆转向角的方法、装置、设备及存储介质 |
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