CN218765334U - 一种小体积增量式磁栅编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种小体积增量式磁栅编码器，涉及非接触式测量领域，该小体积增量式磁栅编码器包括：供电模块，用于供给5V直流电压；内置磁栅尺，设于磁阻传感器模块一侧，用于和磁阻相对移动产生角度信息或者长度信息；磁阻传感器模块，用于将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号；插补细分模块，用于进行非线性的A/D转换；与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过监测将磁场信息先转换为正弦余弦模拟信号，再将模拟信号转换为数字信号，通过数字信号驱动，以此获取增量脉冲输出，通过增量脉冲来确定角度或位移的偏移量，精度高，且使用器件少，体积小。

Description

一种小体积增量式磁栅编码器

技术领域

本实用新型涉及非接触式测量领域，具体是一种小体积增量式磁栅编码器。

背景技术

磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。同霍尔效应一样，磁阻效应也是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力而产生的。在达到稳态时，某—速度的载流子所受到的电场力与洛伦兹力相等，载流子在两端聚集产生霍尔电场，比该速度慢的载流子将向电场力方向偏转，比该速度快的载流子则向洛伦兹力方向偏转。这种偏转导致载流子的漂移路径增加。或者说，沿外加电场方向运动的载流子数减少，从而使电阻增加。这种现象称为磁阻效应。

有些材料中磁阻的变化，与磁场和电流间夹角有关，称为异向性磁阻效应。此原因是与材料中s轨域电子与d轨域电子散射的各向异性有关。由于异向磁阻的特性，可用来精确测量磁场，增量式编码器就是采用磁阻效应的原理采样信号，也是非接触式测量的测量技术。

目前市场上的增量式编码器体积较大，需要改进。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种小体积增量式磁栅编码器，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种小体积增量式磁栅编码器，包括：

供电模块，用于供给5V直流电压；

内置磁栅尺，设于磁阻传感器模块一侧，用于和磁阻相对移动产生角度信息或者长度信息；

磁阻传感器模块，用于将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号；

插补细分模块，用于进行非线性的A/D转换，将正弦/余弦信号转换为转角阶跃，输出给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于根据输入信号驱动完成增量脉冲输出；

供电模块连接磁阻传感器模块、插补细分模块、驱动输出模块，磁阻传感器模块连接插补细分模块，插补细分模块连接驱动输出模块。

作为本实用新型再进一步的方案：供电模块包括电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C1的一端连接二极管串D9的第一端、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C21的另一端接地，二极管串D9的第二端接地，电容C6的另一端接地，电容C5的另一端接地，电容C8的另一端接地，电容C9的另一端接地，电容C21的另一端接地，电容C16的另一端接地，电容C7的另一端接地，电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7的非地公共接点处电压为5V，二极管串D9由两个二极管负极相连接所构成。

作为本实用新型再进一步的方案：磁阻传感器模块包括集成电路U1，集成电路U1型号为KMXP2000，集成电路U1的1号引脚连接集成电路U1的5号引脚、供电模块，集成电路U1的2号引脚通过电容C13接地，集成电路U1的3号引脚通过电容C10接地，集成电路U1的6号引脚通过电容C11接地，集成电路U1的7号引脚通过电容C12接地。

作为本实用新型再进一步的方案：插补细分模块包括集成电路U5，集成电路U5的型号为IC-TW8，集成电路U5的42号引脚连接集成电路U1的2号引脚，集成电路U5的40号引脚连接集成电路U1的3号引脚，集成电路U5的39号引脚连接集成电路U1的6号引脚，集成电路U5的41号引脚连接集成电路U1的7号引脚，集成电路U5的5号引脚通过电阻R7连接供电模块。

作为本实用新型再进一步的方案：驱动输出模块包括集成电路U2，集成电路U2的型号为ST26C31，集成电路U2的1号引脚连接集成电路U5的16号引脚，集成电路U2的15号引脚连接集成电路U5的17号引脚，集成电路U2的9号引脚连接集成电路U5的18号引脚。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型通过监测将磁场信息先转换为正弦余弦模拟信号，再将模拟信号转换为数字信号，通过数字信号驱动，以此获取增量脉冲输出，通过增量脉冲来确定角度或位移的偏移量，精度高，且使用器件少，体积小。

附图说明

图1为一种小体积增量式磁栅编码器的原理图。

图2为一种小体积增量式磁栅编码器的电路图。

图3为磁阻与磁栅尺相对位置示意图。

图4为磁阻变化值与角度变化关系图。

图5为ARM磁阻传感器等效电路图。

图6为插补细分模块工作原理图。

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。

请参阅图1，一种小体积增量式磁栅编码器，包括：

供电模块，用于供给5V直流电压；

内置磁栅尺，设于磁阻传感器模块一侧，用于和磁阻相对移动产生角度信息或者长度信息；

磁阻传感器模块，用于将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号；

插补细分模块，用于进行非线性的A/D转换，将正弦/余弦信号转换为转角阶跃，输出给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于根据输入信号驱动完成增量脉冲输出；

供电模块连接磁阻传感器模块、插补细分模块、驱动输出模块，磁阻传感器模块连接插补细分模块，插补细分模块连接驱动输出模块。

作为本实用新型再进一步的方案：供电模块包括电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C1的一端连接二极管串D9的第一端、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C21的另一端接地，二极管串D9的第二端接地，电容C6的另一端接地，电容C5的另一端接地，电容C8的另一端接地，电容C9的另一端接地，电容C21的另一端接地，电容C16的另一端接地，电容C7的另一端接地，电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7的非地公共接点处电压为5V，二极管串D9由两个二极管负极相连接所构成。

二极管串D9由两个二极管反向串联，可对与之并联的电路可起过压保护作用，当电路过压时，二极管首先击穿短路，进而接地保护并联电路，保证供电模块的供电电路安全。多个电容接地保证滤波效果，防止5V电压波动。

在本实施例中：请参阅图1、图2、图3、图4和图5，磁阻传感器模块包括集成电路U1，集成电路U1型号为KMXP2000，集成电路U1的1号引脚连接集成电路U1的5号引脚、供电模块，集成电路U1的2号引脚通过电容C13接地，集成电路U1的3号引脚通过电容C10接地，集成电路U1的6号引脚通过电容C11接地，集成电路U1的7号引脚通过电容C12接地。

某些金属或半导体在遇到外加磁场时，其电阻值会随着外加磁场的大小发生变化，这种现象叫做磁阻效应，磁阻传感器利用磁阻效应制成。对于有各向异性特性的强磁性金属,磁阻的变化是与磁场和电流间夹角有关的。我们常见的这类金属有铁、钴、镍及其合金等。当外部磁场与磁体内建磁场方向成零度角时,电阻是不会随着外加磁场变化而发生改变的；但当外部磁场与磁体的内建磁场有一定角度的时候,磁体内部磁化矢量会偏移，薄膜电阻降低,我们对这种特性称为各向异性磁电阻效应(Anisotropic MagnetoresistiveSensor,简称AMR)。

请参阅图4，薄膜合金的电阻R就会因角度变化而变化，电阻与磁场特性是非线性的，且每一个电阻并不与唯一的外加磁场值成对应关系。当电流方向与磁化方向平行时，传感器最敏感，在电流方向和磁化方向成45度角度时，一般磁阻工作于图中线性区附近，这样可以实现输出的线性特性。

请参阅图5，AMR磁阻传感器的基本结构由四个磁阻组成了惠斯通电桥。其中供电电源为Vb，电流流经电阻。当施加一个偏置磁场H在电桥上时，两个相对放置的电阻的磁化方向就会朝着电流方向转动，这两个电阻的阻值会增加；而另外两个相对放置的电阻的磁化方向会朝与电流相反的方向转动，该两个电阻的阻值则减少。通过测试电桥的两输出端输出差电压信号，可以得到外界磁场值。

请参阅图3，集成电路U1通过磁阻与磁栅配合使用，当其沿着磁栅长度方向移动时。集成电路U1将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号，并进行sin/cos模拟放大，确保角度信息和长度信息转换的正弦或者余弦信号强度，输出给插补细分模块。

在本实施例中：请参阅图1、图2和图6，插补细分模块包括集成电路U5，集成电路U5的型号为IC-TW8，集成电路U5的42号引脚连接集成电路U1的2号引脚，集成电路U5的40号引脚连接集成电路U1的3号引脚，集成电路U5的39号引脚连接集成电路U1的6号引脚，集成电路U5的41号引脚连接集成电路U1的7号引脚，集成电路U5的5号引脚通过电阻R7连接供电模块。

在模拟信号路径中，IC-TW8仅具有粗放大和粗偏移调节器，以便使输入信号处于A/D转换器的最佳工作范围中。相应的，仅有数字信号进行校正计算。可以通过一个精密的漂移监控器对出厂校准进行评估偏差，用于设置警报。角度位置通过CORDIC算法(坐标旋转数字计算法)进行计算,信号的关键特征有：可调的放大因子(6到45dB,3dB每步)；可调的模拟偏移校正(100mV每步)；数字偏移以及偏移漂移校正(244μV每步)；对幅度差的数字补偿(0.02％每步)；数字相位校正(0.056°每步)；频率，振幅和配置错误监视。

当电源接通后，当系统处于停止状态时，模拟信号路径已校正稳定，因为传感器供电在校准时已调到最佳信号状态。在信号路径上没有额外的延迟时间，因此可以很快地获得细分结果。对于初始化出厂校准，可能需要配备自动的测量设备。数字校正利用现有的运动，通过最初定义的最合适的静态适应，在应用中对其动态漂移进行长期不断的补偿。校准的测试设备不是必须的，且可以通过自动方式或按动按钮进行现场重新校准。这有利于由客户自行安装的模块化系统。保证系统的精确性。

IC-TW8其中使用细分器进行非线性的A/D转换，其用于将正弦/余弦信号转换为转角阶跃，输出给驱动输出模块。

在本实施例中：请参阅图1和图2，驱动输出模块包括集成电路U2，集成电路U2的型号为ST26C31，集成电路U2的1号引脚连接集成电路U5的16号引脚，集成电路U2的15号引脚连接集成电路U5的17号引脚，集成电路U2的9号引脚连接集成电路U5的18号引脚。

集成电路U2接收到该信息时，并通过对应输入输出，进而输出信号，集成电路U2的1号引脚输入的信息通过2号引脚、3号引脚输出；15号引脚输入的信息通过14号引脚、13号引脚输出；9号引脚输入的信息通过10号引脚、11号引脚输出；根据输出信号即可确定角度或位移的偏移量。

ST26C31具有四个互补型输出通道，针对5V工业电压的应用，对于阻抗为30～140Ω的信号线，内部的集成适配电路可将阻抗调整为75Ω，使得没有线路负载时出现的振铃效应被降低到最低。用于线路驱动，同时具备低饱和电压的特性(在40mA低负载时饱和电压为200mV)，输出端具有限流、短路保护以及过温关机功能电路。在总线应用中，对输入引脚NEN施加高电平，驱动电路则转换为高阻抗。驱动电路的输入端具备施密特触发器的特性，并兼容CMOS和TTL电平。

本实用新型的工作原理是：供电模块供给5V直流电压，内置磁栅尺磁阻传感器模块一侧，用于和磁阻相对移动产生角度信息或者长度信息，磁阻传感器模块将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号，插补细分模块进行非线性的A/D转换，将正弦/余弦信号转换为转角阶跃，输出给驱动输出模块，驱动输出模块根据输入信号驱动完成增量脉冲输出，根据增量脉冲输出确定角度或位移的偏移量。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种小体积增量式磁栅编码器，其特征在于：

该小体积增量式磁栅编码器包括：

供电模块，用于供给5V直流电压；

内置磁栅尺，设于磁阻传感器模块一侧，用于和磁阻相对移动产生角度信息或者长度信息；

磁阻传感器模块，用于将角度信息或者长度信息以90度角的形式进行编码并转换为正弦或者余弦差分信号；

插补细分模块，用于进行非线性的A/D转换，将正弦/余弦信号转换为转角阶跃，输出给驱动输出模块；

驱动输出模块，用于根据输入信号驱动完成增量脉冲输出；

供电模块连接磁阻传感器模块、插补细分模块、驱动输出模块，磁阻传感器模块连接插补细分模块，插补细分模块连接驱动输出模块。

2.根据权利要求1所述的小体积增量式磁栅编码器，其特征在于，供电模块包括电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C1的一端连接二极管串D9的第一端、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7，电容C21的另一端接地，二极管串D9的第二端接地，电容C6的另一端接地，电容C5的另一端接地，电容C8的另一端接地，电容C9的另一端接地，电容C16的另一端接地，电容C7的另一端接地，电容C1、二极管串D9、电容C6、电容C5、电容C8、电容C9、电容C21、电容C16、电容C7的非地公共接点处电压为5V，二极管串D9由两个二极管负极相连接所构成。

3.根据权利要求1所述的小体积增量式磁栅编码器，其特征在于，磁阻传感器模块包括集成电路U1，集成电路U1型号为KMXP2000，集成电路U1的1号引脚连接集成电路U1的5号引脚、供电模块，集成电路U1的2号引脚通过电容C13接地，集成电路U1的3号引脚通过电容C10接地，集成电路U1的6号引脚通过电容C11接地，集成电路U1的7号引脚通过电容C12接地。

4.根据权利要求3所述的小体积增量式磁栅编码器，其特征在于，插补细分模块包括集成电路U5，集成电路U5的型号为IC-TW8，集成电路U5的42号引脚连接集成电路U1的2号引脚，集成电路U5的40号引脚连接集成电路U1的3号引脚，集成电路U5的39号引脚连接集成电路U1的6号引脚，集成电路U5的41号引脚连接集成电路U1的7号引脚，集成电路U5的5号引脚通过电阻R7连接供电模块。

5.根据权利要求3所述的小体积增量式磁栅编码器，其特征在于，驱动输出模块包括集成电路U2，集成电路U2的型号为ST26C31，集成电路U2的1号引脚连接集成电路U5的16号引脚，集成电路U2的15号引脚连接集成电路U5的17号引脚，集成电路U2的9号引脚连接集成电路U5的18号引脚。

Images