CN219416223U - 一种电涡流感应式高精度无磁编码器 - Google Patents

Abstract

本方案公开了一种电涡流感应式高精度无磁编码器，通过在定子上设置发射线圈和感应线圈，在转子上设置和定子配合的金属片，在旋转过程中能够利用转子表面形成的电涡流引起感应线圈的电压变化，从而实现绝对值角度信号的捕捉，相对于一般的编码器，该方案具有转换精度高，结构简单，体积小，且不受杂散磁场干扰等优点；此外，本方案定子上设置内外两圈线圈，两圈线圈互不影响，并配合内外两圈不同铜箔数量的转子，实现粗精同步感应，最后进行粗精结合，增加最终的感应精度，而且外圈通过外环铜箔的设计具有十六个周期，使编码器具有更高的精度和分辨率，从而实现高精度的电涡流式无磁编码器。

Description

一种电涡流感应式高精度无磁编码器

技术领域

本实用新型属于编码器技术领域，尤其涉及一种电涡流感应式高精度无磁编码器。

背景技术

编码器(encoder)是将信号(如比特流)或数据进行编制、转换为可用以通讯、传输和存储的信号形式的设备。编码器包括绝对式编码器和增量式编码器，增量式编码器在每次上电时需要重新规定零点，而绝对式则不需要。绝对式编码器与增量式编码器相对应，指的是对应一圈，每个基准的角度发出一个唯一与该角度对应的数值，通过外部记圈器件可以进行多个位置的记录和测量。

绝对式编码器中有光电编码器、机电编码器和感应式编码器，光电编码器转换精度高，占据编码器主要市场，但结构复杂、体积大、价格高、抗恶劣环境能力差，不适应恶劣环境系统。机电编码器转换精度较高，抗恶劣环境能力强，广泛应用于军事领域及恶劣环境领域，但是，由于采用旋转变压器作为位置传感器，存在体积大、重量重的缺陷，难以满足用户对轻量化、小型化的要求。感应式编码器普遍体积小，抗恶劣环境能力强，但是存在信号易受金属导线，电子元器件干扰，以及电机本体漏磁等杂散磁场干扰，而这些干扰影响着编码器的转换分辨率和精度。

为了解决上述技术问题，人们进行了长期研究，提出了电涡流感应式编码器，并一代代地更新和优化着电涡流感应式编码器，如中国专利公开的电磁感应式旋转编码器(申请号：201710132202.5)，该方案对现有的电磁感应式编码器提出改进，对接收线圈的布线方式进行改进，能够降低电路板布线本身对接收信号造成的影响，但是仍然存在一些缺陷，如上述结构的传感器仍然存在精度不够高的问题，在精度和分辨率上还有待改善。为此，本方案针对此类传感器的精度问题提出解决方案以实现高精度的电涡流式无磁编码器。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对上述问题，提供一种电涡流感应式高精度无磁编码器。

为达到上述目的，本实用新型采用了下列技术方案：

一种电涡流感应式高精度无磁编码器，包括转子、定子和处理电路，其特征在于，所述的定子包括内组环形发射线圈、外组环形发射线圈、内组感应线圈和外组感应线圈；

所述的处理电路包括振荡信号发生电路、整流滤波接收电路和处理转换电路；

所述的振荡信号发生电路连接于所述的内组环形发射线圈和外组环形发射线圈以使发射线圈能够在振荡信号激励下产生交变电磁场；

所述的转子包括用于在旋转过程中对发射线圈交变电磁场强度产生不同程度影响的金属结构；

所述的整流滤波接收电路连接于所述的内组感应线圈和外组感应线圈以用于接收内组感应线圈和外组感应线圈在金属结构影响下感应到的不同程度的交变感应电动势；

所述的处理转换电路用于根据接收到的两路交变感应电动势输出当前转子位置对应的编码信号。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，所述的金属结构包括与内组感应线圈正投影同心且位置相对的内环铜箔，和与外组感应线圈正投影同心且位置相对的外环铜箔，且内环铜箔与外环铜箔的铜箔构成数量不同，以使内组感应线圈和外组感应线圈在转子旋转过程中输出不同周期的两路交变感应电动势。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，所述内环铜箔的构成数量为一片，外环铜箔的构成数量为16片，以使内组感应线圈和外组感应线圈分别输出1周期和16周期的两路交变感应电动势。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，内组感应线圈由两组相互之间存在特定角度相位差的内感应线圈构成，两组内感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路1周期的交变感应电动势；

外组感应线圈由两组相互之间存在特定角度相位差的外感应线圈构成，两组外感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路16周期的交变感应电动势。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，两组外感应线圈具有相同的几何形状，且均由沿着圆周方向依次绕制的N个类正弦闭合金属导线构成，N＞2；

两组内感应线圈具有相同的几何形状，且分别由两个绕制的类正弦闭合金属导线构成。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，两组外感应线圈均由沿着圆周方向依次绕制的32个类正弦闭合金属导线构成。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，两组内感应线圈之间的角度相位差为90度；两组外感应线圈之间的角度相位差为90度。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，所述的定子自靠近转子一侧至远离转子一侧依次具有第一层板和第二层板，且所述的内组环形发射线圈、外组环形发射线圈被设置在第二层板上，内组感应线圈和外组感应线圈被设置在第一层板和第二层板上。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，所述的定子还包括第三层板和第四层板，且所述的处理电路被设置在所述的第四层板上，所述的第三层板为由非导电材料制成的隔离层，第三层板上具有用于连通第一层板、第二层板线圈和第四层板处理电路之间的导电通孔。

在上述的电涡流感应式高精度无磁编码器中，所述转子与定子的安装距离小于或等于4mm；

所述的振荡信号发生电路用于向所述内组环形发射线圈、外组环形发射线圈传输大于或等于2.5MHz的高频正弦信号以使发射线圈在振荡信号激励下产生交变电磁场。

本实用新型的优点在于：

本方案通过在定子上设置发射线圈和感应线圈，在转子上设置和定子配合的金属片，在旋转过程中能够利用转子表面形成的电涡流引起感应线圈的电压变化，从而实现绝对值角度信号的捕捉，相对于一般的编码器，该方案具有转换精度高，结构简单，体积小，且不受杂散磁场干扰等优点；

本方案定子上设置内外两圈线圈，两圈线圈互不影响，并配合内外两圈不同铜箔数量的转子，实现粗精同步感应，最后进行粗精结合，增加最终的感应精度，而且外圈通过外环铜箔的设计具有十六个周期，使编码器具有更高的精度和分辨率，从而实现高精度的电涡流式无磁编码器；

本方案在设置线圈的两层和设置处理电路的一层中间增加了一层隔离层，能够降低电路板对线圈的影响。

附图说明

图1为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器的转子定子构成示意图；

图2为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器的转子定子构成的正视图；

图3为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器中定子的第一层板截面示意图；

图4为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器中定子的第二层板截面示意图

图5为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器中定子的第三层板截面示意图

图6为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器中定子的第四层板截面示意图

图7为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器中转子表面的铜箔布置示意图；

图8为本实用新型电涡流感应式高精度无磁编码器的电路结构图。

附图标记：定子1；内组环形发射线圈11；外组环形发射线圈12；内组感应线圈13；外组感应线圈14；导电通孔15；转子2；内环铜箔21；外环铜箔22；处理电路3；振荡信号发生电路31；整流滤波接收电路32；处理转换电路33；转轴4。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型做进一步详细的说明。

如图1和图2所示，本方案提供了一种电涡流感应式高精度无磁编码器，与普通编码器一样包括转轴4、转子2、定子1和处理电路4，其余与本方案无关的部分不在此赘述。与一般设计一样，转子2安装在转轴4上，转轴4转动带动转子2转动，定子1和转子2组成电涡流位移传感器，把机械位置信号转换成电信号，再通过处理电路3把电信号转换成数字信号输出。

本实施例中，定子1和转子2均采用PCB设计的平面结构，在定子1上设置定子图案，定子图案包括内组环形发射线圈11、外组环形发射线圈12、内组感应线圈13和外组感应线圈14，四组线圈优选正投影同心。正投影同心是指两个圆在正投影上能够构成同心圆，这里使各圆圆心均位于转轴4的轴线上。

具体地，如图3-6所示，本实施例中，定子1包括有第一层板、第二层板、第三层板和第四层板。

第四层板为由导电材料构成的屏蔽层，处理电路3设置在该层中，且处理电路3包括振荡信号发生电路31、整流滤波接收电路32、处理转换电路33。

第三层板为由非导电材料制成的隔离层，用于增加第一层、第二层和第四层之间的距离以及屏蔽来自处理电路3的电子元件、电机控制模块、其他杂散磁场的干扰。第三层板上设置有导电通孔，用于连通第一层板、第二层板的线圈与第四层板的处理电路3。

如图4，内组环形发射线圈11、外组环形发射线圈12被设置在第二层板上的内圈和外圈，每组各4匝金属导线，通过第二层板、第三层板上的导电通孔连接至第四层板的振荡信号发生电路31。

如图3和图4，内组感应线圈13和外组感应线圈14被设置在第一层板和第二层板的内圈和外圈，每组各一匝金属线圈，第一层板上具有导电通孔，第一层板和第二层板对应的感应线圈通过第一层板的导电通孔相连接，并通过第二层板和第三层板的导电通孔连接至第四层板的整流滤波接收电路32。

进一步地，外组感应线圈14由两组相互之间存在特定角度相位差的外感应线圈构成，如45度、60度等，本实施例为90度相位差，两组外感应线圈具有相同的几何形状，且均由沿着圆周方向依次绕制的32个类正弦闭合金属导线构成。

内组感应线圈13与外组感应线圈14类似，由两组相互之间存在特定角度相位差的内感应线圈构成，如45度、60度、90度等相位差，内感应线圈只绕制有2个类正弦闭合金属导线。

如图7所示，转子2上设置有转子图案，转子图案采用铜箔设计，包括内环铜箔21、外环铜箔22，内环铜箔21由1片铜箔构成，外环铜箔22由16片铜箔构成，如此，两组内感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路1周期的交变感应电动势；两组外感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路16周期的交变感应电动势。当然，此处仅为示例，在投入使用时，也可以为其他组成结构，如内环铜箔21由1片铜箔构成，外环铜箔22由8片铜箔构成，内环铜箔21由2片铜箔构成，外环铜箔22由8片铜箔构成等，具体不在此限制。

定子图案与转子图像位置相对应且保持同心，定子1与转子2之间的安装距离小于4mm，如3.5mm等。具体为，内组感应线圈13与内环铜箔21正投影同心且位置相对，外组感应线圈14与外环铜箔22正投影同心且位置相对。位置相对可以理解为感应线圈所在的圆与铜箔所在的圆正投影重合。

如图8所示，下面对本方案提供的编码器工作原理进行说明：

通电以后，振荡信号发生电路31向内组环形发射线圈11、外组环形发射线圈12传输2.5MHz以上的高频正弦信号，流过发射线圈的高频正弦信号将在其周边区域内形成交变电磁场，交变电磁场使内组感应线圈13、外组感应线圈14两组感应线圈产生频率相同的交变感应电动势。转轴4旋转时，带动转子2转动，发射线圈上的交变电磁场使得转子2上的铜箔产生涡流场，进而削弱发射线圈的交变电磁场，并导致感应线圈的感应电动势发生变化。具体为，内环铜箔21削弱内组环形发射线圈11的交变电磁场，导致内组感应线圈13的感应电动势发生变化，外环铜箔22削弱外组环形发射线圈12的交变电磁场，导致外组感应线圈14的感应电动势发生变化。当转子2旋转一圈后，外组感应线圈14的两组外感应线圈分别产生16个周期的两路接收信号，内组感应线圈13的两组内感应线圈分别产生1个周期的两路接收信号，信号波形为：振荡频率和发射信号相同，包络为分别为正弦和余弦波(相位相差90度)的电压波形。整流滤波接收电路32接收到四路信号后，对四路信号进行整流滤波和放大等处理得到八路信号，分别是16个周期和1个周期的正弦信号和余弦信号，以及对应的的反相信号。处理转换电路33通过1个周期的四路信号得到转子粗略的当前绝对位置以及转动方向，通过16个z周期的四路信号得到高分辨率的增量位置，最后将两个位置结合得到当前的绝对位置。然后可将得到的绝对位置以数字信号的形式传输给上位机等外接设备。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管本文较多地使用了定子1；内组环形发射线圈11；外组环形发射线圈12；内组感应线圈13；外组感应线圈14；导电通孔15；转子2；内环铜箔21；外环铜箔22；处理电路3；振荡信号发生电路31；整流滤波接收电路32；处理转换电路33；转轴4等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本实用新型的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本实用新型精神相违背的。

Claims (10)

1.一种电涡流感应式高精度无磁编码器，包括转子(2)、定子(1)和处理电路(3)，其特征在于，所述的定子(1)包括内组环形发射线圈(11)、外组环形发射线圈(12)、内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)；

所述的处理电路(3)包括振荡信号发生电路(31)、整流滤波接收电路(32)和处理转换电路(33)；

所述的振荡信号发生电路(31)连接于所述的内组环形发射线圈(11)和外组环形发射线圈(12)以使发射线圈能够在振荡信号激励下产生交变电磁场；

所述的转子(2)包括用于在旋转过程中对发射线圈交变电磁场强度产生不同程度影响的金属结构；

所述的整流滤波接收电路(32)连接于所述的内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)以用于接收内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)在金属结构影响下感应到的不同程度的交变感应电动势；

所述的处理转换电路(33)用于根据接收到的两路交变感应电动势输出当前转子位置对应的编码信号。

2.根据权利要求1所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，所述的金属结构包括与内组感应线圈(13)正投影同心且位置相对的内环铜箔(21)，和与外组感应线圈(14)正投影同心且位置相对的外环铜箔(22)，且内环铜箔(21)与外环铜箔(22)的铜箔构成数量不同，以使内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)在转子(2)旋转过程中输出不同周期的两路交变感应电动势。

3.根据权利要求2所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，所述内环铜箔(21)的构成数量为一片，外环铜箔(22)的构成数量为16片，以使内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)分别输出1周期和16周期的两路交变感应电动势。

4.根据权利要求1所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，内组感应线圈(13)由两组相互之间存在特定角度相位差的内感应线圈构成，两组内感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路交变感应电动势；

外组感应线圈(14)由两组相互之间存在特定角度相位差的外感应线圈构成，两组外感应线圈在交变电磁场的作用下分别产生两路交变感应电动势。

5.根据权利要求4所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，两组外感应线圈具有相同的几何形状，且均由沿着圆周方向依次绕制的N个类正弦闭合金属导线构成，N＞2；

两组内感应线圈具有相同的几何形状，且分别由两个绕制的类正弦闭合金属导线构成。

6.根据权利要求5所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，两组外感应线圈均由沿着圆周方向依次绕制的32个类正弦闭合金属导线构成。

7.根据权利要求4所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，两组内感应线圈之间的角度相位差为90度；两组外感应线圈之间的角度相位差为90度。

8.根据权利要求1所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，所述的定子(1)自靠近转子(2)一侧至远离转子(2)一侧依次具有第一层板和第二层板，且所述的内组环形发射线圈(11)、外组环形发射线圈(12)被设置在第二层板上，内组感应线圈(13)和外组感应线圈(14)被设置在第一层板和第二层板上。

9.根据权利要求8所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，所述的定子(1)还包括第三层板和第四层板，且所述的处理电路(3)被设置在所述的第四层板上，所述的第三层板为由非导电材料制成的隔离层，第三层板上具有用于连通第一层板、第二层板线圈和第四层板处理电路(3)之间的导电通孔(15)。

10.根据权利要求1所述的电涡流感应式高精度无磁编码器，其特征在于，所述转子(2)与定子(1)的安装距离小于或等于4mm；

所述的振荡信号发生电路(31)用于向所述内组环形发射线圈(11)、外组环形发射线圈(12)传输大于或等于2.5MHz的高频正弦信号以使发射线圈在振荡信号激励下产生交变电磁场。