CN213072495U - 一种省线式单圈绝对值磁编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种省线式单圈绝对值磁编码器，所述磁编码器包括主控芯片及磁感应角度芯片；磁感应角度芯片用于在电机校准阶段获取电机转子在一固定位置的角度，还用于在运行阶段，在启动的T时间内获取电机转子的实时角度并发送至主控芯片，还用于在运行阶段，在T时间后获取电机转子的实时角度并通过A、B两路信号发送至驱动板；主控芯片用于在电机校准阶段存储电机转子的初始角度，还用于在运行阶段，在启动的T时间内用电机转子的实时角度与初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置，并通过A、B两路信号发送至驱动板。本实用新型使得磁编码器既省线，又能在上电时就能获取电机转子的初始单圈绝对值位置。

Description

一种省线式单圈绝对值磁编码器

技术领域

本实用新型涉及编码器技术领域，尤其涉及一种应用于电机闭环控制的省线式单圈绝对值磁编码器。

背景技术

将角位移或者直线位移进行转换的设备叫做编码器，按照读出信号方式可以分为接触式编码器和非接触式编码器，按照类型来分，可以分为光电编码器、磁编码器，根据刻度方法，可分为增量式、绝对式以及混合式三种。

磁编码器近年来逐渐开始发展起来，磁编码器一般都是输出绝对位置，而输出绝对位置需要获得电机启动时的初始位置及电机运行过程中的实时位置。为了满足初始位置和实时位置获取功能，目前市场上的用于步进电机、伺服电机控制的磁编码器绝大多数都是具有A、B、Z、U、V、W六路信号及电源VCC线、GND线，且大多采用RS485通信方式传输,其中A、B、Z、U、V、W六路信号分别引出A+、A-、B+、B-、Z+、Z-、U+、U-、V+、V-、W+、W-，12根线接入驱动板，与电源VCC线、GND线一共导致现有的磁编码器有14根线。A、B两路信号线用于电机运行过程中的实时位置确定，U、V、W三路信号线即霍尔信号线用于在电机启动时初始位置的粗略确定，Z路信号线用于电机每转一圈对电机位置清0，减小电机运行过程中的累计误差。

国内外关于绝对值编码器的研究比较多。申请号为CN201710678148.4的实用新型专利申请公开了一种多圈绝对值编码器，通过采用1个单圈绝对值编码器用于正常供电时的位置检测并由正常供电时的1块单片机记录数据位置数据，1个普通编码器用于掉电时的位置检测，并在掉电后由另外1块单片机继续记录位置数据，该专利虽然能够获取电机初始位置的绝对值，但是结构复杂，且成本太高。申请号为CN201810694360.4的实用新型专利申请公开了一种利用单圈绝对值编码器实现断点位置，该专利使用了一个主控器、一个单圈绝对值编码器和一个备用电源，虽然实现了断点储存绝对位置的功能，但是还是没有实现既能省线又能让驱动板在上电时就能获取电机的绝对位置。

因此，现有技术还有待发展。

实用新型内容

鉴于上述现有技术的不足之处，本实用新型的目的在于提出一种省线式绝对值磁编码器，旨在使得磁编码器既省线，又能在上电时就能获取电机转子的初始单圈绝对值位置。

为实现上述目的，本实用新型采取了以下技术方案：

一种省线式单圈绝对值磁编码器，其中，包括主控芯片及与主控芯片连接的磁感应角度芯片，所述磁编码器设置有A、B两路信号输出用于与驱动板连接；

所述磁感应角度芯片用于在电机校准阶段获取电机转子固定在一个位置的角度并发送至主控芯片，还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内获取电机转子的实时角度并发送至主控芯片，还用于在电机运行阶段，在所述T时间后获取电机转子的实时角度并通过A、B两路信号发送至驱动板；

所述主控芯片用于在电机校准阶段存储磁感应角度芯片发送的电机转子固定在一个位置的角度作为电机转子的初始角度，还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内用电机转子的实时角度与初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置，并通过A、B两路信号发送至驱动板。

其中，还包括差分通信芯片；

所述差分通信芯片的输入端连接所述A、B两路信号，所述差分通信芯片的输出端设置有A+，A-，B+，B-四根输出线用于与驱动板连接；

所述差分通信芯片在电机运行阶段，在启动的T时间内将主控芯片计算得到的电机转子的初始单圈绝对位置经过转换后以脉冲的方式通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板；

在电机运行阶段，在所述T时间后将磁感应角度芯片获取的电机转子的实时角度经过转换后以脉冲的方式通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板。

其中，所述主控芯片型号为STM32031F4P6。

其中，所述磁感应角度芯片为AK7451。

其中，所述差分通信芯片型号为YD3082E。

本实用新型的省线式单圈绝对值磁编码器，通过设置主控芯片及磁感应角度芯片,将电机校准后的电机转子初始角度预先存储在主控芯片的Flash中,运行时，在启动的T时间内，获取电机转子的实时角度与预先存储的初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置并通过A、B两路信号发送至驱动板，在启动T时间后，将获取的取电机转子的实时角度直接通过A、B两路信号发送至驱动板，这样，本实用新型的省线式单圈绝对值磁编码器不再需要设置U、V、W三路信号线来获取电机启动时的转子初始位置，而是在磁编码器上电T时间内，驱动板直接接收磁编码器上发送来的电机转子的初始单圈绝对位置，这样可以省掉与U、V、W三路信号相关的U+、U-、V+、V-、W+、W-连接线。并且Z路信号也可以用软件方式实现，从而省掉Z+、Z-连接线，这样相对于现有技术中的14根接线的磁编码器，本实用新型的磁编码器可以省掉8根线。同时，由于本实用新型的磁编码器直接存储有电机转子的初始角度，故上电启动后可快速得到电机转子的初始单圈绝对值位置，无需先获取U、V、W信号，再经过转换计算后才得到初始角度，提高了定位效率。同时该初始角度掉电后也不会丢失，无需重新校准获取。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型省线式单圈绝对值磁编码器第一实施例的电路原理示意图；

图2为本实用新型省线式单圈绝对值磁编码器第二实施例的电路原理示意图；

图3为本实用新型磁编码器中主控芯片的电路连接示意图；

图4为本实用新型磁编码器中磁感应角度芯片的电路连接示意图；

图5为本实用新型磁编码器中差分通信芯片的电路连接示意图；

图6为本实用新型磁编码器中低压差稳压电路连接示意图；

图7为本实用新型电机转子绝对位置获取方法第一实施例的流程示意图；

图8为本实用新型电机校准的流程示意图；

图9为本实用新型电机运行时磁编码器上电后处理流程示意图。

附图标记说明

100-磁编码器，10-主控芯片，20-磁感应角度芯片,30-差分通信芯片，200-驱动板。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，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作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。

参考图1，本实用新型提出一种省线式单圈绝对值磁编码器100，包括主控芯片10与主控芯片10连接的磁感应角度芯片20。所述磁编码器100设置有A、B两路信号输出用于与驱动板200连接。磁编码器100还包括机械结构部分如磁石、壳体等。使用时省线式单圈绝对值磁编码器100安装在电机上，且磁石随电机转子转动。本实用新型的省线式单圈绝对值磁编码器100设置有电源连接线VCC及接地连接GND。

所述磁感应角度芯片20用于在电机校准阶段获取电机转子固定在一个位置的角度并发送至主控芯片10，还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内获取电机转子的实时角度并发送至主控芯片10，还用于在电机运行阶段，在所述T时间后获取电机转子的实时角度并通过A、B两路信号发送至驱动板200。

本实用新型的磁感应角度芯片20先在校准阶段获取电机转子固定在一个位置的角度作为电机转子的初始角度，有初始角度则在后续的运行阶段可计算出初始单圈绝对位置。

本实用新型的主控芯片10用于在电机校准阶段存储磁感应角度芯片20发送的电机转子固定在一个位置的角度作为电机转子的初始角度，初始角度的存储可以使用主控芯片10的Flash或ROM。主控芯片10还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内用电机转子的实时角度与初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置，并通过A、B两路信号发送至驱动板200。

即在运行时，启动后先在T时间内，主控芯片10将磁感应角度芯片20发送的电机转子的实时角度与预先存储在主控芯片10内的电机转子的初始角度进行比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置，并通过磁编码器100的A、B两路信号输出端输出至驱动板200，这样驱动板200在上电时就获得了电子转子的初始单圈绝对位置，然后在启动T时间后，磁感应角度芯片20将获得到的电机转子的实时角度直接通过磁编码器100的A、B两路信号输出至驱动板200，由于驱动板200在先已经获取了该电机转子的初始单圈绝对位置，因此根据后续电机转子的实时角度就能得到电机转子的单圈绝对位置。

本实用新型在电机运行阶段，磁编码器100的磁感应角度芯片20在上电后T内获取电机转子实时角度并发送给磁编码器100的主控芯片10，磁编码器100的磁感应角度芯片20上电T后，获取电机实时角度并通过A、B两路信号将实时角度发送至驱动板200。磁编码器100的主控芯片10只在上电后T时间内将电机转子单圈绝对位置通过A、B两路信号发送至驱动板200。

由于本实用新型的电机转子初始角度预先通过校准后存储在主控芯片10内，运行时可直接调用。本实用新型的磁编码器100，上电后直接从磁编码器100中读取获取电机转子的单圈绝对位置，无需通过U、V、W信号获取，通过控制，可在上电后T时间内得到电机转子的初始单圈绝对位置并发送至驱动板200，使得驱动板200能快速反应对电机进行控制，提高了定位控制效率。

优选地，本实用新型在电机运行阶段，启动的T时间设置为80ms，即本实用新型可以上电后80ms内获取电机转子的初始单圈绝对位置并发送至驱动板200，能大大地提高驱动板200的定位控制效率。

即电机上电后初始位置的获取由现有技术的通过U、V、W信号获得被本实用新型磁编码器上电80ms内，磁编码器主控芯片获取磁感应角度芯片寄存器中电机转子实时位置后与其Flash中的初始角度进行做差计算转换后获得，这样就可以省掉了现有磁编码器中与U、V、W信号相关的U+、U-、V+、V-、W+、W-连接线，达到了省线目的。同时，由于本实用新型的磁编码器100直接存储了电机转子的初始角度，在掉电后也不会丢失，掉电后无需重新校准。

进一步地，本实用新型的磁编码器100对电机转子的单圈清零信号Z由软件实现。如，本实用新型磁编码器100的单圈清零可在软件中用定时器更新中断的方式，在中断服务函数中将电机转子运行一圈后的角度值清零，达到消除累计误差的效果，这样可以进一步地省掉与Z路信号相关的Z+、Z-连接线，这样本实用新型的磁编码器100一共可以省掉U+、U-、V+、V-、W+、W-、Z+、Z-，9根线，相对于现有技术中的14线磁编码器，大大节省了连接线，便于安装。

如图2所示，优选地，本实用新型的磁编码器100还包括差分通信芯片30。

所述差分通信芯片30的输入端连接所述A、B两路信号，所述差分通信芯片30的输出端设置有A+，A-，B+，B-四根输出线用于与驱动板200连接。

所述差分通信芯片30在电机运行阶段，在启动的T时间内将主控芯片10计算得到的电机转子的初始单圈绝对位置经过转换后以脉冲的方式(即高低电平)通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板200。

差分通信芯片30在电机运行阶段，在所述T时间后将磁感应角度芯片20获取的电机转子的实时角度经过转换后以脉冲的方式通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板200。

差分通信芯片30使得主控芯片10及磁感应角度芯片20以RS485的通信方式与驱动板200进行数据传输，差分通信芯片30将主控芯片10或磁感应角度芯片20发送的A、B两路信号经过差分处理后通过A+，A-，B+，B-发送至驱动板200，减小了信号传输过程中的干扰，提高信号传输的稳定性，以保证驱动板200对电机控制的精准度。同时，差分通信芯片30设置A+，A-，B+，B-四根输出线作为本实用新型磁编码器100的信号连接线，加上电源VCC线、GND线，本实用新型实施例磁编码器100一共6根线，相对于现有技术中14根线的磁编码器，其接线大大减少。

具体地，如图3所示，本实用新型的主控芯片10型号为STM32031F4P6。其A_in’引脚输出A路信号，B_in’引脚输出B路信号，以在电机启动T时间内将电机转子的初始单圈绝对位置发送至驱动板200。本实施例中，A_in’、B_in’引脚先接入差分通信芯片U3和U5，经过差分处理后再发送至驱动板200。主控芯片10的CSQ、SCK、MISO、MOSI引脚与磁感应角度芯片20连接，以在电机启动T时间内获取磁感应角度芯片U2内电机转子的实时角度与主控芯片U4内预先存储的电机转子初始角度进行计算得到电机转子的初始单圈绝对位置。作为一种实施方式，本实用新型的主控芯片STM32031F4P6的Flash用于预先保存对电机校准后获得的电机转子的初始角度。

如图4所示，本实用新型的磁感应角度芯片20为AK7451。其A_in、B_in引脚输出A、B路信号，以将电机转子转动过程的实时角度发送至驱动板200，本实施例中，A_in、B_in引脚先接入差分通信芯片U3和U5，经过差分处理后再发送至驱动板200。由于本实用新型无需U、V、W、Z路信号，故磁感应角度芯片U2的Z、U、V、W引脚无需接入电路。可以理解，为了扩展应该范围，本实用新型的磁编码器100用在无刷电机上时，可以使用磁感应角度芯片U2的Z、U、V、W引脚。

如图5所示，本实用新型的差分通信芯片30型号为YD3082E。本实用新型的差分通信芯片U3和U5将主控芯片U4发送的A、B路信号或磁感应角度芯片U2发送的A、B路信号处理成差分信号后从A_out+、A_out-、B_out+、B_out-发送。优选地，本实用新型设置有P1插头将A_out+、A_out-、B_out+、B_out-与驱动器200连接。

如图6所示，本实用新型的磁编码器100中还设置有低压差稳压电路，用于将输入的5V直流转换成3.3V供给主控芯片U4及差分通信芯片U3和U5使用。本实用新型实施例中，低压差稳压电路包括低压差稳压芯片U1，型号为ME6211A33M3。

如图7所示，本实用新型采用省线式单圈绝对值磁编码器100获取电机转子绝对位置包括如下步骤：

S701，校准阶段：先进行电机校准以获取该电机的转子初始角度并保存在主控芯片的Flash中。

即本实用新型的电机转子绝对位置获取，先使用省线式单圈绝对值磁编码器100对该电机进行校准，来获得该电机的电机转子的初始角度并存储在磁编码器100的主控芯片10的Flash中，而使得下次启动上电时直接使用该初始角度来得到电机转子的初始位置，且存储的初始角度不会因为掉电而丢失。

S702，运行阶段：上电启动，在T时间内，获取电机转子的实时角度，并读取预先保存在主控芯片的Flash中的电机转子初始角度，将电机转子的实时角度与初始角度进行比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置并发送至驱动板，在所述T时间后，获取电机转子的实时角度并直接发送至驱动板。

即本实用新型在对电机进行校准后，在后续运行过程中，启动上电后的T时间内，直接读取磁编码器100的主控芯片10的Flash中预先存储的电机转子初始角度与电机转子的实时角度进行比较计算来获得电机转子的初始单圈绝对位置并发送至驱动板200，然后在启动的T时间后，直接电机转子的实时角度并直接发送至驱动板200，驱动板200将两者进行比较即得到电机转子的实时绝对位置。

这样无需像现有技术中通过U、V、W信号获得电机启动时的初始位置，且现有技术该初始位置在掉电后丢失，这样，本实用新型可以省掉U+、U-、V+、V-、W+、W-连接线。

同时，本实用新型的电机转子绝对位置获取方法中，对电机转子的单圈清零信号Z由软件实现。这样可以进一步地省掉磁编码器100的Z+、Z-连接线。

具体地，如图8所示，作为一种实施方式，本实用新型中校准阶段的电机校准过程包括：

S801，将省线式单圈绝对值磁编码器安装于待校准的电机，并与校准电路板、上位机及驱动板连接。

S802，上电，校准电路板使电机转子转动到一个固定位置并进行锁定。

S803，上位机发送校准指令，磁编码器上的主控芯片接收到了校准指令后，磁感应角度芯片将获取电机转子锁定位置的角度值，并存储于磁感应角度芯片的寄存器中。

S804，主控芯片获取磁感应角度芯片的寄存器中的角度值作为电机转子的初始角度并保存在主控芯片的Flash中。

本实用新型的电机校准使得磁编码器100预先获取并存储了该电机转子的初始角度，以用于后续绝对位置的计算。

如图9所示，本实用新型中，运行阶段的处理过程具体包括：

S901，启动上电，磁编码器的主控芯片先判断是否接收到上位机发送的校准指令。

S902，如果接收到了，则进行校准。

S903，如果没接收到，则默认电机已经校准过了。

S904，如果已经校准了，则在T时间内，磁感应角度芯片将获取的电机转子的实时角度发送至主控芯片，主控芯片读取预先保存在其Flash中的电机转子初始角度，主控芯片将两者进行比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置并通过A、B两路信号发送至驱动板。

S905，在T时间后，磁感应角度芯片将获取的电机转子的实时角度直接通过A、B两路信号发送至驱动板，用于驱动板控制电机转动。

在该方法中，先对电机是否已经进行过校准进行判断，这样避免了获取不到初始位置而导致驱动板对电机的定位控制失败。

本实用新型实施例提出的省线式单圈绝对值磁编码器100绝对位置获取方法，通过设置主控芯片10及磁感应角度芯片20,将电机校准后的电机转子初始角度预先存储在磁编码器100中,运行时，在启动的T时间内，获取电机转子的实时角度与预先存储的初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置并通过A、B两路信号发送至驱动板200，在启动T时间后，将获取的取电机转子的实时角度直接通过A、B两路信号发送至驱动板200，这样，本实用新型的省线式单圈绝对值磁编码器100不再需要设置U、V、W三路信号线来获取电机启动时的初始位置，而是在磁编码器100上电T时间内，驱动板200直接接收磁编码器100上发送来的电机转子的初始单圈绝对位置，这样可以省掉与U、V、W三路信号相关的U+、U-、V+、V-、W+、W-连接线。并且Z路信号也可以用软件方式实现，从而省掉Z+、Z-连接线，这样相对于现有技术中的14根接线的磁编码器，本实用新型的磁编码器100可以省掉8根线。同时，由于本实用新型的磁编码器100直接存储有电机转子的初始角度，故上电启动后可快速得到电机转子的初始单圈绝对值位置，无需先获取U、V、W信号，再经过转换计算后才得到初始角度，提高了定位效率。同时该初始角度掉电后也不会丢失，无需重新校准获取。

以上所述仅为清楚地说明本实用新型所作的举例，并非因此限制本实用新型的专利范围，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是在本实用新型的构思下，利用本实用新型技术方案中的内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (5)

1.一种省线式单圈绝对值磁编码器，其特征在于，包括主控芯片及与主控芯片连接的磁感应角度芯片，所述磁编码器设置有A、B两路信号输出用于与驱动板连接；

所述磁感应角度芯片用于在电机校准阶段获取电机转子固定在一个位置的角度并发送至主控芯片，还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内获取电机转子的实时角度并发送至主控芯片，还用于在电机运行阶段，在所述T时间后获取电机转子的实时角度并通过A、B两路信号发送至驱动板；

所述主控芯片用于在电机校准阶段存储磁感应角度芯片发送的电机转子固定在一个位置的角度作为电机转子的初始角度，还用于在电机运行阶段，在启动的T时间内用电机转子的实时角度与初始角度比较计算得到电机转子的初始单圈绝对位置，并通过A、B两路信号发送至驱动板。

2.根据权利要求1所述的省线式单圈绝对值磁编码器，其特征在于，还包括差分通信芯片；

所述差分通信芯片的输入端连接所述A、B两路信号，所述差分通信芯片的输出端设置有A+，A-，B+，B-四根输出线用于与驱动板连接；

所述差分通信芯片在电机运行阶段，在启动的T时间内将主控芯片计算得到的电机转子的初始单圈绝对位置经过转换后以脉冲的方式通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板；

在电机运行阶段，在所述T时间后将磁感应角度芯片获取的电机转子的实时角度经过转换后以脉冲的方式通过A+，A-，B+，B-四根输出线传输至驱动板。

3.根据权利要求1所述的省线式单圈绝对值磁编码器，其特征在于，所述主控芯片型号为STM32031F4P6。

4.根据权利要求1所述的省线式单圈绝对值磁编码器，其特征在于，所述磁感应角度芯片为AK7451。

5.根据权利要求2所述的省线式单圈绝对值磁编码器，其特征在于，所述差分通信芯片型号为YD3082E。

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