CN218822420U - 一种编码器、电机和自动化系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种编码器、电机和自动化系统，编码器包括承载盘、磁传感单元、信号处理器、设置在承载盘上的单极磁钢以及至少两个N/S极数量不同的环形磁码道，环形磁码道位于单极磁钢的外侧；磁传感单元用于感应单极磁钢的磁场变化以产生第一编码信号；磁传感单元还用于感应每个环形磁码道的磁场变化以产生对应的第二编码信号；信号处理器用于接收第一编码信号和第二编码信号并处理。在一些实施方式中能够更准确的反馈位置信息，且整体成本和后续处理过程中所需的运算量都较低。

Description

一种编码器、电机和自动化系统

技术领域

本实用新型涉及电机编码器领域，尤其涉及一种编码器、电机和自动化系统。

背景技术

在磁电式绝对值编码器技术中，通过单极磁钢和AMR(Anisotropy ofmagnetoresistance，异向磁阻)、TMR(Tunnel Magneto Resistance，隧穿磁阻)和GMR(Giant Magneto Resistive，巨磁阻)磁阻或者霍尔传感器实现电机单圈位置的解码，也可以通过专用集成式的磁编码器芯片实现电机单圈位置的解码，磁电式编码器具有良好的抗油污、抗粉尘和抗振动特点，但是磁电式编码器的定位精度较差，通常只能应用在一些低端的场合。

因此，如何提高磁电式编码器的定位精度是亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述相关技术的不足，本申请的目的在于提供一种编码器、电机和自动化系统，旨在解决磁电式编码器的定位精度较差的问题。

一种编码器，包括：承载盘、磁传感单元、信号处理器、设置在所述承载盘上的单极磁钢以及至少两个N/S极数量不同的环形磁码道，所述环形磁码道位于所述单极磁钢的外侧；

所述磁传感单元用于感应所述单极磁钢的磁场变化以产生第一编码信号；

所述磁传感单元还用于感应每个所述环形磁码道的磁场变化以产生对应的第二编码信号；

所述信号处理器用于接收所述第一编码信号和所述第二编码信号并处理。

上述编码器能够根据环形磁码道的磁场产生的至少两个周期数不同的第二编码信号，第二编码信号能够确定出精度较高的第二位置，并且能够结合根据单极磁钢的磁场产生的第一编码信号所反映的第一位置来确定转子的绝对位置，有效减少了信号的系统误差，从而进一步提升了位置检测的精度，且由于产生了两种编码信号，若其中一组编码信号出现异常，另一编码信号仍然能够反映出转子的位置，不至于完全丢失转子的位置信息，能够提高系统的稳定性和可靠性。

可选地，所述编码器包括两个所述环形磁码道，并且外侧的所述环形磁码道的N/S极数量大于内侧的所述环形磁码道的N/S极数量。

内侧的环形磁码道可布置的空间相对较小，将N/S极的数量更少的环形磁码道设于内侧也更易于环形磁码道的布置。

可选地，外侧的所述环形磁码道的N/S极数量比内侧的所述环形磁码道的N/S极数量多一个。

可选地，所述磁传感单元包括第一磁传感器以及第二磁传感器，所述第一磁传感器正对所述单极磁钢设置，所述第二磁传感器正对所述环形磁码道设置。

第一磁传感器以及第二磁传感器能够更好的针对其正对的磁性单元的磁场进行感应，使得第一编码信号和第二编码信号更为清晰且相互之间的干扰较小。

可选地，各所述环形磁码道设置在所述承载盘的同一底面上。

环形磁码道更易维护且能够同时靠近磁传感单元设置，各环形磁码道都能够被较好的感应。

可选地，所述编码器还包括磁鼓，所述磁鼓设置在所述承载盘的侧面上，所述磁传感单元还用于感应所述磁鼓的磁场变化以产生第三编码信号，所述信号处理器还接收所述第三编码信号。

磁鼓的使用不会占用较大的空间，在第一编码信号和第二编码信号之外进一步引入第三种编码信号，能够进一步提高位置检测的精度，且数量更多的编码信号使得电机位置丢失的情况进一步减少，能够更进一步的提高系统的稳定性和可靠性。

可选地，所述第一编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，所述承载盘旋转一周产生的所述第一编码信号的周期数为一个；所述第二编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，所述承载盘旋转一周产生的所述第二编码信号的周期数与对应的所述环形磁码道的N/S极的数量相等。

采用能够将模拟信号转换为上述数字信号的磁传感单元，利于后续的进一步处理。

可选地，所述单极磁钢设于所述承载盘的底面中心，所述环形磁码道的圆心也处于所述承载盘的底面中心。

承载盘的圆心通常与电机轴连接作为旋转中心，单极磁钢和环形磁码道在旋转的过程中，不会发生位置的偏移，便于传感器在固定的位置进行感应。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种电机，包括上述的编码器。

上述电机搭载有上述的编码器，一些实施方式中能够在运动时输出反映其准确位置的信息。

基于同样的发明构思，本申请还提供一种自动化系统，包括驱动器以及上述的电机；所述驱动器与所述电机以及所述电机上的所述编码器连接。

上述自动化系统采用前述编码器，在一些实施方式中能够得到更准确的位置信息，控制准确度更好。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的承载盘的一种结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的磁传感单元设置的一种示意图；

图3为本实用新型实施例提供的磁鼓设置的一种示意图；

附图标记说明：

10-承载盘；20-单极磁钢；30-环形磁码道；31-内侧的环形磁码道；32-外侧的环形磁码道；41-第一磁传感器；42-第二磁传感器；43-第三磁传感器；50-磁鼓。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

磁电式编码器存在着绝对定位精度和重复定位精度较差的问题。

基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

实施例：

本实施例提供一种编码器，旨在提供更高的磁电编码精度，参见图1至图2，本实施例的编码器包括承载盘10、磁传感单元、信号处理器、设置在承载盘10上的单极磁钢20以及至少两个N/S极数量不同的环形磁码道30，这些环形磁码道30位于单极磁钢20的外侧。

环形磁码道30实际将单极磁钢20所包围，也即单极磁钢20在环形磁码道30的环内。环形磁码道30和单极磁钢20可以设置在承载盘10的表面，也可以一定程度的嵌入承载盘10中。无论是单极磁钢20还是环形磁码道30，都能够随承载盘10发生运动，本实施例的承载盘10可以设置到电机的电机轴上，随电机轴同步的转动，承载盘10的转动在其所在的平面内进行，其上的单极磁钢20以及环形磁码道30同步转动，在转动的过程中，单极磁钢20和环形磁码道30的磁场对应的发生周期性的变化。如图1所示，在一些示例中，单极磁钢20设于承载盘10的底面中心，而环形磁码道30的圆心也处于承载盘10的底面中心，承载盘10的圆心通常与电机轴连接作为旋转中心，单极磁钢20和环形磁码道30在旋转的过程中，不会发生位置的偏移，便于传感器在固定的位置进行感应。

磁传感单元用于感应单极磁钢20的磁场变化以产生第一编码信号，且还用于感应每个所述环形磁码道30的磁场变化以产生对应的第二编码信号，也即本实施例的磁传感单元至少能够感应两种不同的磁场信号，并对应的产生编码信号。可以理解的是，在布置磁传感单元时，应当注意设置在能够感应到单极磁钢20和环形磁码道30的区域，磁传感单元可以包括但不限于AMR、TMR和GMR磁阻或者霍尔传感器等类型的传感器或其他能够将磁信号转换为电信号的器件。

如图2的示例，为了清晰的感应磁场信号，磁传感单元包括两个甚至两个以上的磁传感器，这些磁传感器可以分别对应到不同的磁性单元(单极磁钢20或环形磁码道30等)。在一些实施方式中，磁传感单元包括第一磁传感器41以及第二磁传感器42，第一磁传感器41正对单极磁钢20设置，第二磁传感器42正对环形磁码道30设置，第一磁传感器41以及第二磁传感器42用于分别对单极磁钢20和环形磁码道30的磁场变化进行感应，由于在位置上的布置，第一磁传感器41以及第二磁传感器42能够更好的针对其正对的磁性单元的磁场进行感应，使得第一编码信号和第二编码信号更为清晰且相互之间的干扰较小。

应当说明的是，本实施例中的编码器存在单极磁钢20和环形磁码道30两种不同的磁性单元，编码信号与各自的磁性单元的磁场特性相关联。一些示例中，第一编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，承载盘10旋转一周产生的第一编码信号的周期数为一个，因而根据单极磁钢20的磁场变化所产生的第一编码信号来确定的转子位置的精度较低。环形磁码道30具有多个N/S极，一些示例中，第二编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，承载盘10旋转一周产生的第二编码信号的周期数与对应的环形磁码道30的N/S极的数量相等。因而根据基于环形磁码道30的磁场变化所产生的第二编码信号来确定的转子位置的精度较高。示例性的，至少两个第二编码信号之间可以根据游标算法确定转子位置。也即，本实施例中，通过设置单极磁钢20和环形磁码道30至少两种磁性单元，使得磁传感单元能够产生至少三个编码信号，即一个第一编码信号和至少两个第二编码信号，其中，根据第一编码信号可直接读出转子的第一位置，可以理解的是，该第一位置精度较低，针对至少两个第二编码信号则可以根据游标算法确定转子的第二位置，可以理解的是，该第二位置精度较高，进而根据第一位置和第二位置能够确定转子的绝对位置。示例性的，可通过冗余算法确定转子的绝对位置。

本实施例的有益效果在于，一方面，根据环形磁码道30的磁场产生的至少两个周期数不同的第二编码信号能够确定出精度较高的第二位置，并且能够结合根据单极磁钢20的磁场产生的第一编码信号而确定的第一位置来确定转子的绝对位置，有效减少了信号的系统误差，从而进一步提升了位置检测的精度；另一方面，由于产生了两种编码信号，即第一编码信号和第二编码信号，若其中一组编码信号出现异常，另一编码信号仍然能够反映出转子的位置，不至于完全丢失转子的位置信息，能够提高系统的稳定性和可靠性。

本实施例中的信号处理器所进行的处理可以是任意现有的处理分析，包括但不限于采用现有的分析算法分析得出转子的位置信息等等，信号处理器可以包括但不限于具有处理运算能力的单片机、DSP处理器(Digital Signal Processor，数字信号处理器)、可编程逻辑芯片等等。

实际应用中，磁传感单元以及信号处理器可以设置在电路板上，磁传感单元可以与信号处理器设于同一电路板，也可以分设在不同的电路板上，对此并不限制。此外，磁传感单元可能包括两个或两个以上的磁传感器，这些磁传感器可以设于同一电路板，或分设在不同的电路板上。

作为一种示例，编码器包括两个环形磁码道30，其中，外侧的环形磁码道32的N/S极的数量大于内侧的环形磁码道31的N/S极的数量。例如，外侧的环形磁码道32的N/S极的数量为M，内侧的环形磁码道31的N/S极的数量为N，那么M>N。内侧的环形磁码道31可布置的空间相对较小，将N/S极的数量更少的环形磁码道30设于内侧也更易于环形磁码道30的布置。本实施例中，M＝N+1，也即外侧的环形磁码道32的N/S极的数量比内侧的环形磁码道31的N/S极数量多一个；在其他实施过程中，内侧和外侧的环形磁码道32的N/S极的数量差也可以为其他数值，例如包括但不限于外侧的环形磁码道32的N/S极的数量比内侧的环形磁码道31的N/S极数量多两个、三个、五个等。

环形磁码道30可以设置在承载盘10的同一底面上，以使得环形磁码道30更易维护且能够同时靠近磁传感单元设置，各环形磁码道30都能够被较好的感应。承载盘10的底面指盘体上相对的两个平面中的任意一面，本实施例中的底面并不限定为其所朝向的方向或其他位置，在承载盘10上，除两个底面外，还包括厚度方向延伸的侧面。

在一些实施方式中，编码器还包括磁鼓50，磁鼓50可以设置在承载盘10的侧面上，磁传感单元还用于感应磁鼓50的磁场变化以产生第三编码信号，而信号处理器则还接收第三编码信号。示例性的，如图3，磁传感单元可以包括第三磁传感器43，第三磁传感器43可以设置在靠近承载盘10的边缘的区域，以更好的感应磁鼓50的磁场变化，或在一些示例中，第三磁传感器43可以设置在电路板上，设置第三磁传感器43的电路板或电路板的一部分垂直于承载盘10的底面设置，第三磁传感器43可以正对并靠近承载盘10的侧面的一处，更好的感应磁鼓50的磁场的变化。磁鼓50的使用不会占用较大的空间，在第一编码信号和第二编码信号之外进一步引入第三种编码信号，能够进一步消除误差，提高位置检测的精度，且数量更多的编码信号使得转子位置丢失的情况进一步减少，能够更进一步的提高系统的稳定性和可靠性。

在一些实施方式中，第一编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，承载盘10旋转一周产生的第一编码信号的周期数为一个；第二编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，承载盘10旋转一周产生的第二编码信号的周期数与对应的环形磁码道30的N/S极的数量相等。可以理解的是，第一编码信号和第二编码信号的形态可由磁传感单元决定，因而可知本实施例中，磁传感单元包括数模转换模块以将模拟信号转换为上述的数字信号，另外，磁传感单元还包括能够产生上述信号形态的信号输出模块。也就是说，本实施例中的磁传感单元可以包括但不限于传感器模块以及相应的对传感器模块采集到的信号进行信号处理的数模转换模块的器件，传感器模块和数模转换模块可以被集成在同一芯片中，也可以是简单的封装在一起或分开设置。本实施例的磁传感单元可以选用能够输出上述信号形态的任意现有磁传感器。示例性的，编码器还包括磁鼓50时，磁传感单元还用于感应磁鼓50的磁场变化以产生第三编码信号，第三编码信号也可以为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号。采用能够将模拟信号转换为上述数字信号的磁传感单元，利于后续的进一步处理。

本实施例的编码器，采用了两种不同的磁性单元以使得磁传感单元感应产生两种编码信号，从而有利于得到的更为准确的位置信息。并且，本实施例选用单极磁钢20作为其中一种磁性单元，结构相对简单，整体成本和后续处理过程中所需的运算量都较低，使得精度性能、运算量以及成本之间能够更好的平衡。

本实施例还提供一种电机，其包括本实施例上述的编码器，编码器可以根据实际的应用情况设计为离轴安装或在轴安装的形式。本实施例的编码器的其余外型结构可以参考现有技术中的各类编码器的设计方式，在不影响本实施例编码器前述示例的主要构成的情况下，可以参照现有技术中编码器的安装形式进行安装。作为示例，编码器的承载盘10可以安装于电机的电机后轴上，电机轴转动时能够带动承载盘10同步发生转动，磁传感单元以及信号处理器可以布置在电路板上，电路板可以安装在电机的后端盖上并正对承载盘10设置，或电路板也可以套入电机轴上但保持不随电机轴转动的状态。当电机轴转动时，电机后轴带动承载盘10相对于磁传感单元运动，从而磁传感单元感应到单极磁钢20和环形磁码道30的磁场变化，产生第一编码信号和第二编码信号，反映出转子的位置。

另外，本实施例还提供一种自动化系统，包括驱动器以及上述电机，驱动器与上述电机和电机上的编码器连接。可以理解的是，驱动器能够控制电机的运动，编码器与驱动器连接从而能够传递信息。示例性的，编码器可将第一编码信号以及第二编码信号发送给驱动器以使得驱动器可以计算出位置信息，或直接将根据第一编码信号以及第二编码信号计算得到的位置信息发送给驱动器。驱动器得到位置信息后，能够基于此对电机进行控制，保证电机的运动的准确。本实施例的自动化系统采用前述编码器，在一些实施方式中能够得到更准确的位置信息，控制准确度更好。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种编码器，其特征在于，包括：承载盘、磁传感单元、信号处理器、设置在所述承载盘上的单极磁钢以及至少两个N/S极数量不同的环形磁码道，所述环形磁码道位于所述单极磁钢的外侧；

所述磁传感单元用于感应所述单极磁钢的磁场变化以产生第一编码信号；

所述磁传感单元还用于感应每个所述环形磁码道的磁场变化以产生对应的第二编码信号；

所述信号处理器用于接收所述第一编码信号和所述第二编码信号并处理。

2.如权利要求1所述的编码器，其特征在于，所述编码器包括两个所述环形磁码道，并且外侧的所述环形磁码道的N/S极数量大于内侧的所述环形磁码道的N/S极数量。

3.如权利要求2所述的编码器，其特征在于，外侧的所述环形磁码道的N/S极数量比内侧的所述环形磁码道的N/S极数量多一个。

4.如权利要求1所述的编码器，其特征在于，所述磁传感单元包括第一磁传感器以及第二磁传感器，所述第一磁传感器正对所述单极磁钢设置，所述第二磁传感器正对所述环形磁码道设置。

5.如权利要求1所述的编码器，其特征在于，各所述环形磁码道设置在所述承载盘的同一底面上。

6.如权利要求5所述的编码器，其特征在于，所述编码器还包括磁鼓，所述磁鼓设置在所述承载盘的侧面上，所述磁传感单元还用于感应所述磁鼓的磁场变化以产生第三编码信号，所述信号处理器还接收所述第三编码信号。

7.如权利要求1-6任一所述的编码器，其特征在于，所述第一编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，所述承载盘旋转一周产生的所述第一编码信号的周期数为一个；所述第二编码信号为正弦信号、余弦信号或脉宽调制信号，所述承载盘旋转一周产生的所述第二编码信号的周期数与对应的所述环形磁码道的N/S极的数量相等。

8.如权利要求1-6任一所述的编码器，其特征在于，

所述单极磁钢设于所述承载盘的底面中心，所述环形磁码道的圆心也处于所述承载盘的底面中心。

9.一种电机，其特征在于，包括如权利要求1-8任一所述的编码器。

10.一种自动化系统，其特征在于，包括驱动器以及如权利要求9所述的电机；所述驱动器与所述电机以及所述电机上的所述编码器连接。

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