CN208075882U - 反射式绝对位置时栅角度位移编码器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供的一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；所述定子设置有多个结构相同的精激励发射片和四个结构相同的粗激励发射片，所述精激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，所述粗激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个精激励发射片组成一组，同一组的四个精激励发射片输入不同相位的激励信号，四个粗激励发射片输入不同相位的激励信号；能够在简化结构的同时，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种位移编码器，尤其涉及一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器。
背景技术
反射式绝对位置时栅角度位移编码器又称为精密角位移传感器，用于检测旋转体的位置与速度的传感器，广泛应用于现代工业中，比如工业机器人、数控机床、医疗设备以及航天航空领域。
目前，市场上主要采用光栅、磁栅以及容栅等栅式编码器，其中，光栅编码器由于技术成熟且精度较高，应用十分广泛，但是，光栅式编码器对于工作环境要求极高，尤其是对粉尘环境、油污环境等敏感，抗震能力差，使得其应用范围窄。
反射式绝对位置时栅角度位移编码器分为次尝试编码器和电场式编码器，现有的磁场式编码器采用设置线圈的方式实现，这种结构的编码器，一方面其体积难以控制，适应性差，而现有的电场式编码器的结构复杂，并且适用性差，难以通用化，而且，其精度难以保证。
因此，为了解决上述技术问题，亟需提出一种新的角度位移编码器。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型的目的是提供一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器，能够在简化结构的同时，满足多种场合的需求，从而能够有效增强适应性，而且能够有效保证最终的测量精度。
本实用新型提供的一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；
所述定子设置有多个结构相同的精激励发射片和四个结构相同的粗激励发射片，所述精激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，所述粗激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个精激励发射片组成一组，同一组的四个精激励发射片输入不同相位的激励信号，四个粗激励发射片输入不同相位的激励信号；
所述转子设置有多个结构相同的精激励感应片和两个结构相同的粗激励感应片，所述精激励感应片绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个精激励感应片与四个精激励发射片对应；
所述定子设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；
所述转子设置有两个信号反射区，相邻的两个精激励发射片分别与两个信号反射区连接，两个粗激励感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置。
进一步，一个精激励感应片与四个精激励发射片的对应结构为：
所述精激励感应片为四边形结构，且精激励感应片的每一边为曲边，精激励感应片沿转子周向的两个对边相对于转子的径向倾斜设置形成斜边；
所述精激励感应片沿转子周向的跨度等于四个精激励发射片绕定子周向的跨度，所述精激励感应片的倾斜边绕转子周向的跨度小于四个精激励发射片绕定子周向的跨度。
进一步，所述定子的两个信号接收区分别为第一接收环和第二接收环，第一接收环和第二接收环的同轴设置；
所述转子的两个信号反射区分别为第一反射环和第二反射环，第一反射环和第二反射环与转子同轴设置，第一反射环和第二反射环分别与第一接收环和第二接收环一一正对设置。
进一步，所述第一接收环和第二接收环位于定子的环状布置的粗激励发射片的径向内侧，所述定子环状布置的粗激励发射片径向内侧还设置有用于将第一接收环和第二接收环与精激励发射片和粗激励发射片隔离开的隔离环。
进一步，两个粗激励感应片均为开口环状结构；
粗激励感应片由中部到开口的两端端部的宽度逐渐减小；
两个粗激励感应片的两端端部部分重叠并交错设置。
进一步，所述同一组的四个精激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°；
四个粗激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°。
进一步，还包括用于向精激励发射片和粗激励发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；
所述外设处理电路包括信号处理控制模块、信号发生输出模块以及运算处理器；
所述信号发生输出模块输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并分别交替加载于精激励发射片和粗激励发射片，所述信号接收处理模块的输入端与两个信号接收区连接，信号接收处理模块的输出端与运算处理器的输入端连接，所述信号发生输出模块由运算处理器控制工作且信号发生输出模块还向运算处理器输出基准方波信号。
进一步，所述信号发生输出模块包括信号发生器和切换开关，所述信号发生器的控制输入端与运算处理器连接，信号发生器的四路激励信号输出端通过切换开关与精激励发射片和粗激励发射片连接，所述信号发生器的基准方波信号输出端与运算处理器连接，所述切换开关的控制端与运算处理器连接。
进一步，所述信号接收处理模块包括放大电路、滤波电路和比较器，所述放大电路的输入端与信号接收区连接，放大电路的输出端与滤波电路连接，所述滤波电路的输出端与比较器的输入端连接，比较器的输出端与运算处理器的输入端连接。
本实用新型的有益效果：通过本实用新型的转子和定子结构，由定子既输入激励信号，由输出位置检测信号，使得在任何场合下使用时均不会对布局造成影响，从而能够有效提高编码器的适用范围，利于编码器的通用化；更为重要的是，采用本实用新型的结构，能够有效提高整个编码器的抗干扰性能，而且在测量过程中能够进行误差补偿，从而有效提高传感器的测量精度。
附图说明
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步描述：
图1为本实用新型的转子结构示意图。
图2为本实用新型的定子结构示意图。
图3为本实用新型的精激励发射片和精激励感应片对应结构示意图。
图4为本实用新型的外设处理电路结构示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图对本实用新型做出进一步详细说明，如图所示：
本实用新型提供的一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器，包括转子7和定子2，转子7和定子2同轴设置且转子7和定子2平行；
所述定子2设置有多个结构相同的精激励发射片1和四个结构相同的粗激励发射片3，所述精激励发射片1绕定子2的圆周方向布置形成环状结构，所述粗激励发射片3绕定子2的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个精激励发射片组成一组，同一组的四个精激励发射片1输入不同相位的激励信号，四个粗激励发射片3输入不同相位的激励信号；其中，精激励发射片和粗激励发射片输入的激励信号不同时，即两个发射片交替工作，能够有效避免精激励发射片和粗激励发射片之间相互干扰，从而有效提高测量的准确性；
所述转子7设置有多个结构相同的精激励感应片8和两个结构相同的粗激励感应片9，所述精激励感应片8绕转子7的圆周方向布置形成环状结构，每一个精激励感应片8与四个精激励发射片1对应；一个粗激励感应片与两个粗激励发射片对应；
所述定子2设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；
所述转子7设置有两个信号反射区，相邻的两个精激励发射片1分别与两个信号反射区连接，两个粗激励感应片9分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置，通过上述结构，由定子既输入激励信号，由输出位置检测信号，使得在任何场合下使用时均不会对布局造成影响，从而能够有效提高编码器的适用范围，利于编码器的通用化；更为重要的是，采用本实用新型的结构，能够有效提高整个编码器的抗干扰性能，而且在测量过程中能够进行误差补偿，从而有效提高传感器的测量精度，其中，精激励发射片的个数为4的整数倍。
本实施例中，一个精激励感应片8与四个精激励发射片1的对应结构为：
所述精激励感应片8为四边形结构，且精激励感应片8的每一边为曲边，精激励感应片8沿转子周向的两个对边相对于转子的径向倾斜设置形成斜边；
所述精激励感应片8沿转子周向的跨度等于四个精激励发射片1绕定子2周向的跨度，即是说：精激励感应片的两个对角线较长的一个对角线的两个端点的垂直距离等于四个精激励发射片所占的宽度(包括精激励发射片的间距在内)；所述精激励感应片的倾斜边绕转子周向的跨度小于四个精激励发射片绕定子周向的跨度，即是说：倾斜边的两个端点的垂直距离要小于四个精激励发射片所占的宽度(包括精激励发射片的间距在内)；一般来说，精激励发射片和精激励感应片均采用等间距的方式设置，更为优选地，相邻两个精激励发射片的间距等于精激励发射片的宽度，从而能够有效保证在测量过程中精激励发射片电场的均匀性，有效避免信号失真，从而提高最终测量结果的精确性；其中，精激励发射片为四边形结构，精激励发射片的在定子径向相对的边为圆弧线结构，并且该两个相对的边的圆弧线的所在的圆为同心圆，精激励发射片的在定子周向相对边为直线并且其延伸方向均通过圆弧线的圆心，通过上述结构，在转子的转动过程中，由于精激励感应片的不规则形状能够准确感应不同相位的信号，从而使得传输到第一反射环和第二反射环信号幅值相同但是相位正好相差180°的差分信号，从而能够准确得出被测旋转体的角度位置。
本实施例中，所述定子2的两个信号接收区分别为第一接收环5和第二接收环6，第一接收环5和第二接收环6的同轴设置；
所述转子2的两个信号反射区分别为第一反射环10和第二反射环11，第一反射环10和第二反射环11与转子7同轴设置，第一反射环10和第二反射环11分别与第一接收环5和第二接收环6一一正对设置，即是说：第一反射环与第一接收环正对设置，且第一反射环和第二反射环的大小相等，并且两个环的圆心同轴，第二反射环与第二接收环的关系与第一接收环和第一反射环一致，通过这种结构，能够使得所的测的位置信号能够不失真的从第一反射环和第二反射环传输到第一接收环和第二接收环上，从而保证测量精度。
本实施例中，所述第一接收环5和第二接收环6位于定子2的环状布置的粗激励发射片1的径向内侧，所述定子2环状布置的粗激励发射片3径向内侧还设置有用于将第一接收环5和第二接收环6与精激励发射片1和粗激励发射片3隔离开的隔离环4，其中，粗激励发射片位于精激励发射片的径向内侧，通过上述结构，能够有效地防止精激励感应片和粗激励感应片的激励信号对第一反射环和第二反射环构成干扰，从而确保最终的测量精度；上述中的感应片、发射片，接收环、反射环以及隔离环均采用现有的导电技术材料制成，优选铜材料。
本实施例中，两个粗激励感应片9均为开口环状结构；
粗激励感应片9的宽度由粗激励感应片9的中部到两端端部逐渐减小；
两个粗激励感应片9的两端端部部分重叠并交错设置，如图所示，通过上述结构，能够使得粗激励感应片能够准确感应出旋转体的位置信号，从而确保最终测量结果的准确性。
本实施例中，所述同一组的四个精激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°；
四个粗激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°，激励信号可以采用正弦信号或者含有正弦谐波成分的方波、三角波等信号，优选地采用正弦信号，并且信号的频率为20KHz，即：四个正弦信号的表达式分别为：sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)。
本实施例中，还包括用于向精激励发射片和粗激励发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；
所述外设处理电路包括信号处理控制模块、信号发生输出模块以及运算处理器；
所述信号发生输出模块输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并分别交替加载于精激励发射片和粗激励发射片，所述信号接收处理模块的输入端与两个信号接收区连接，信号接收处理模块的输出端与运算处理器的输入端连接，所述信号发生输出模块由运算处理器控制工作且信号发生输出模块还向运算处理器输出基准方波信号。
其中，所述信号发生输出模块包括信号发生器和切换开关，所述信号发生器的控制输入端与运算处理器连接，信号发生器的四路激励信号输出端通过切换开关与精激励发射片和粗激励发射片连接，所述信号发生器的基准方波信号输出端与运算处理器连接，所述切换开关的控制端与运算处理器连接。
所述信号接收处理模块包括放大电路、滤波电路和比较器，所述放大电路的输入端与信号接收区连接，放大电路的输出端与滤波电路连接，所述滤波电路的输出端与比较器的输入端连接，比较器的输出端与运算处理器的输入端连接，所述信号发生器采用现有的既能产生四路正弦信号以及一路方波信号的信号发生器，可外购，运算处理器采用现有的FPGA(可编程逻辑器件)，比较器采用现有的芯片；切换开关动作并对精激励发射片和粗激励发射片进行切换，切换开关可以采用现有的继电器或者晶体管组成的电控切换控制电路；通过上述结构，一方面能够输出准确的激励信号，并能够接收激励信号进行处理得到被测旋转体的角度位置，另一方面能够实现切换开关的准确切换，其中，比较器将两个差分信号合成为一个信号。
以下对本实用新型的工作原理做出进一步详细说明：
由信号发生器产生四路相位相差90度的频率为20KHz的正弦信号sin(wt)，sin(wt+90°)，sin(wt+180°)，sin(wt+270°)，并分别加载到精激励发射片和粗激励发射片，这四路信号分别依次加载到图3中所示的A、B、C和D四个同组的精激励发射片，或者四个粗激励发射片上，并且由运算处理器控制切换开关动作，使得精激励发射片和粗激励发射片的工作进行切换，从而避免组激励发射片和精激励发射片的信号相互干扰，提高了最终的测量精度，图1中a、b、c和d分别表示四个粗激励发射片，A、B、C和D四个精激励发射片的激励信号依次相差90°，a、b、c和d四个粗激励发射片的激励信号依次相差90度；
转子上的精激励感应片与第一反射环和第二反射环的连接举例如下：在顺时针方向上，精激励感应片E与第一反射环连接，那么与精激励感应片E相邻的精激励感应片F就与第二反射环连接，那么与精激励感应片F相邻的精激励感应片G就与第一反射环连接，以此类推；
由于精激励感应片的结构以及与精激励发射片的对应结构，使得转子的精激励感应片在转子的旋转过程中感应得到含有被测旋转体的角度位置信息的感应信号，感应信号传输到第一反射环和第二反射环，然后由第二反射环和第一反射环将感应信号分别再次反射到第二接收环和第一接收环，而粗激励感应片接收到的位置感应信号同样通过第一反射环和第二反射环反馈到第一接收环和第二接收环，从而使得整个转子与外部之间没有任何接线结构，从而使得整个传感器利于布置，适应性范围更广，第一接收环所得到的感应信号和第二接收环所得到的感应信号的相位差为180°；
对于粗激励感应片来说，粗激励感应片为开口环结构，两个粗激励感应片的布置关系为：其中一个粗激励感应片与转子同轴设置后，将该粗激励感应片绕其圆心旋转180°后即为另一个粗激励感应片的设置位置，并且两个粗激励感应片的两端端部部分重叠并交错设置，并且，其中一个粗激励感应片与第一反射环连接，另一个粗激励感应片与第二反射环连接，粗激励信号通过粗激励发射片通过电场感应传输到粗激励感应片，然后通过第一反射环和第二反射环将感应信号再反射到定子的第一接收环和第二接收环，由于第一反射环与第一接收环和第二反射环与第二接收环都是均匀的圆环，并且第一反射环与第一接收环的结构相同，第二反射环与第二接收环的结构相同，因此，无论转子如何旋转，第一接收环和第二接收环所接收到的信号都能够准确反映出旋转体的位置信息；
粗激励发射片工作而精激励发射片不工作时，输出的位置信号为V1＝A1sin(wt+x1)；当精激励发射片工作和粗激励发射片不工作时，输出的位置信号为V2＝A2sin(wt+nx2)，其中，A1和A2分别表示两个信号的幅值，x1为粗激励发射片工作时粗激励感应信号中所包含的位置信息，x2为精激励发射片工作时所精激励感应信号中所包含的位置信息，n表示精激励感应片的对极数，比如，精激励感应片为64个，那么对极数就为32，粗激励感应片的对极数为1，这两个对极数互质，从而能够保证得到最终的绝对位置信息；信号发生器用于产生一个相位为wt的基准方波信号并传输到运算处理器中，比较器用于对精激励时两个差分位置感应信号进行合成形成精极信号，以及对粗激励时对两个差分位置信号进行合成形成粗极信号，精极信号和粗极信号输入到运算处理器中，运算处理器将基准方波信号与精极信号V1和粗极信号V2进行比较处理，得到粗激励时的位置x1和精极位置x2，并且通过对粗极位置x1和精极位置x2进行处理得到最终的被测旋转体的绝对位置x，原理如下：
转子从0°匀速转到360°过程中，粗极位置值x1与粗极位置x2的变化规律，因精激励感应片为多对极结构，对极数为n时相当于把角度细分了n份，而粗激励感应片为单对极结构，对级数为1，在理想情况下精激励的精度相对于粗激励提高了n倍，但对于精极位置x2其最大值为360°/n，如需在精激励的精度上实现绝对位置需要结合粗激励的位置进行计算，计算公式如下：
其中，x1为粗极位置，x2为精极位置，n为精激励感应片的对极数，pole_n在运算中取整数，表示精极位置和粗极位置之间的关系，x为最终计算得到的绝对位置值。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
Claims (9)
1.一种反射式绝对位置时栅角度位移编码器，包括转子和定子，转子和定子同轴设置且转子和定子平行；其特征在于：所述定子设置有多个结构相同的精激励发射片和四个结构相同的粗激励发射片，所述精激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，所述粗激励发射片绕定子的圆周方向布置形成环状结构，每相邻的四个精激励发射片组成一组，同一组的四个精激励发射片输入不同相位的激励信号，四个粗激励发射片输入不同相位的激励信号；
所述转子设置有多个结构相同的精激励感应片和两个结构相同的粗激励感应片，所述精激励感应片绕转子的圆周方向布置形成环状结构，每一个精激励感应片与四个精激励发射片对应；
所述定子设置有两个信号接收区，两个信号接收区与外设处理电路连接；
所述转子设置有两个信号反射区，相邻的两个精激励发射片分别与两个信号反射区连接，两个粗激励感应片分别与两个信号反射区连接，且两个信号反射区与两个信号接收区一一对应设置。
2.根据权利要求1所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：一个精激励感应片与四个精激励发射片的对应结构为：
所述精激励感应片为四边形结构，且精激励感应片的每一边为曲边，精激励感应片沿转子周向的两个对边相对于转子的径向倾斜设置形成斜边；
所述精激励感应片沿转子周向的跨度等于四个精激励发射片绕定子周向的跨度，所述精激励感应片的倾斜边绕转子周向的跨度小于四个精激励发射片绕定子周向的跨度。
3.根据权利要求1所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：所述定子的两个信号接收区分别为第一接收环和第二接收环，第一接收环和第二接收环的同轴设置；
所述转子的两个信号反射区分别为第一反射环和第二反射环，第一反射环和第二反射环与转子同轴设置，第一反射环和第二反射环分别与第一接收环和第二接收环一一正对设置。
4.根据权利要求3所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：所述第一接收环和第二接收环位于定子的环状布置的粗激励发射片的径向内侧，所述定子环状布置的粗激励发射片径向内侧还设置有用于将第一接收环和第二接收环与精激励发射片和粗激励发射片隔离开的隔离环。
5.根据权利要求1所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：两个粗激励感应片均为开口环状结构；
粗激励感应片由中部到开口的两端端部的宽度逐渐减小；
两个粗激励感应片的两端端部部分重叠并交错设置。
6.根据权利要求1所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：所述同一组的四个精激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°；
四个粗激励发射片输入的激励信号的相位依次为0°、90°、180°和270°。
7.根据权利要求1所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：还包括用于向精激励发射片和粗激励发射片输入激励信号并接收信号接收区输出的位置信号的外设处理电路；
所述外设处理电路包括信号处理控制模块、信号发生输出模块以及运算处理器；
所述信号发生输出模块输出四路相位分别为0°、90°、180°和270°的激励信号并分别交替加载于精激励发射片和粗激励发射片，所述信号接收处理模块的输入端与两个信号接收区连接，信号接收处理模块的输出端与运算处理器的输入端连接，所述信号发生输出模块由运算处理器控制工作且信号发生输出模块还向运算处理器输出基准方波信号。
8.根据权利要求7所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：所述信号发生输出模块包括信号发生器和切换开关，所述信号发生器的控制输入端与运算处理器连接，信号发生器的四路激励信号输出端通过切换开关与精激励发射片和粗激励发射片连接，所述信号发生器的基准方波信号输出端与运算处理器连接，所述切换开关的控制端与运算处理器连接。
9.根据权利要求8所述反射式绝对位置时栅角度位移编码器，其特征在于：所述信号接收处理模块包括放大电路、滤波电路和比较器，所述放大电路的输入端与信号接收区连接，放大电路的输出端与滤波电路连接，所述滤波电路的输出端与比较器的输入端连接，比较器的输出端与运算处理器的输入端连接。
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| GR01 | Patent grant | ||
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