TWI553297B - Magnetic coding device - Google Patents

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TWI553297B TW103144209A TW103144209A TWI553297B TW I553297 B TWI553297 B TW I553297B TW 103144209 A TW103144209 A TW 103144209A TW 103144209 A TW103144209 A TW 103144209A TW I553297 B TWI553297 B TW I553297B
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磁性編碼裝置
本發明係與信號轉換技術有關，特別係指一種將類比磁場訊號轉換為數位編碼之磁性編碼裝置。
編碼器(Encoder)屬於低功率訊號調整裝置，普遍應用在國防、工業、車輛及一般商用訊號調整場合，如武器系統中致動器等伺服機構之命令傳送元件、電視音響喇叭之音量、冷暖氣機之溫度、燈光亮度等。舉凡有關類比或數位控制命令、人體感官之類比訊號，如聲音、亮度、溫度、風量的調整等，均會應用到此類裝置。
目前的編碼器類型大致分為機械式、光學式，以及電磁式等幾類，其中機械式以機械接點產生脈波訊號，每圈的解析度低，使用壽命短。光學式增量型及絕對型編碼器為目前非接觸式編碼器主流，使用量大，技術成熟，且精度及可靠度高，適用於工具機、機器人、機器手臂，以及高端的位置伺服控制系統。但光學編碼器有體積及耗電流大，產品可靠度受環境影響大(如粉塵與潮溼環境等)。
光學編碼器有光柵式與反射式兩種，光柵式係讓轉軸帶動一薄片，此薄片上一定角度間隔蝕刻隙縫，在薄片兩端分置LED或雷射光源。在另一端以感光元件偵測光線是否通過光柵而產生0與1的脈波串。此脈波經專用晶片分析，便可了解轉軸旋轉角度。目前業界普遍利用兩組感光元件產生相位差90度的兩組脈波串，如圖2所示之光學編碼器AB相脈波圖，以產生四倍解析度的效果。以每圈1000格的光柵為例，四倍解析之後，可以4000格分解360度，即解析度可達0.09度。反射式光學編碼器，或稱光學尺則以一組雷射光源對反射面發射雷射光，反射面以蝕刻方式製造成正弦波或三角波外型，雷射光打在不同高度時反射光的相位會有相對應變 化，分析反射光的相位即可了解光點所在位置，進而推算轉軸旋轉角度。反射式光學編碼器在一個波形範圍內又可分割成8位元(256格)或更高，因此，其解析度較光柵式編碼器高，一般可達20位元或更高，若應用在線性光學尺上，解析度可達0.1μm。光柵式光學式編碼器有增量型及絕對型兩種。絕對型編碼器其功能有如電位計或解角器等，可提供轉軸的絕對角度，此型產品價格昂貴，12位元的產品即需要12對光源發射與接收模組。增量型編碼器則必須設定零點(通常由Z相提供)，提供轉軸對零點的相對角度。反射式編碼器則僅有增量型。不論是反射式或光柵式光學編碼器，均需使用光源，接收端為感光元件，受粉塵或濕氣影響較大，元件亦有老化問題。因此光學編碼器讀頭一般均以IP65等級封裝，可防塵防水。但武器系統需考慮長時間處於惡劣環境下，一旦光學編碼器的封裝因老化而降低功能，裝置可能滲入水汽或灰塵，其性能將受影響甚至失效。因此，一般光學編碼器較常用於環境良好之精密加工間等處，使用於武器系統或車輛上的產品則必須為封裝等級相當高之產品。此外光學編碼器的耗電量較一般的感測器高，普遍需要的電流約50-100mA，而一般的感測器耗電量大多在10mA以下。
磁帶型磁性編碼器類似光學尺，只是光學尺以雷射光產生訊號，磁帶型磁性編碼器則以磁條產生訊號，藉由磁感測技術解調出位置或角度訊號。藉由讀取磁場強度變化，1對NS磁極之間尚可切割為數十至上百等分，因此，此類產品位置解析度亦可達μm等級，唯讀取頭相當精密，供應量少，價格昂貴，民生產業較少使用，切入技術門檻相當高。
多磁極型磁性編碼器的轉軸則帶動一多磁極的磁塊，使用2組霍爾開關(Hall switch)輸出一對相位差90度的脈波。多磁極型磁性編碼器產品在音響音量調整場合，或是需要長期使用的控制訊號調整旋鈕(如武器系統地面裝備之控制旋鈕)特別適用，其特性與增量式光學編碼器相同，無旋轉角度限制，無接觸，無磨耗，長期使用不會因灰塵或毛屑受靜電吸引附著於電刷上而產生雜音，對環境的耐受性較光學及可變電阻式的電位計優。多磁極型磁性編碼器無旋轉角度限制，內部無發光與感光元件，僅使用磁塊與霍爾開關，幾無元件老化問題，在使用壽命、可靠度，以及對使 用環境的耐受性上均較光學編碼器及電位計優良，且價格較光學編碼器低廉。然而現有多磁極型磁性編碼器於製造上有幾點困難：多磁極磁塊之充磁技術門檻高，特別是用於較小型裝置的縮裝化工程，目前市面上僅有少數廠商掌握關鍵技術；多磁極磁塊對於霍爾開關之安裝精度要求高，以圖1為例，圖1為現有典型之多磁極型磁性編碼器結構圖，若其具有4對磁極，每對磁極分配90度機械角(360度磁極角)，每個磁極分配45度機械角(180度磁極角)，兩顆霍爾開關若要輸出90度的磁極相位差，則安裝的機械角度差為360/8/2=22.5度機械角，或1度機械角相當於4度磁極角，若是12對磁極，則90度的磁極角相當於360/24/2=7.5度的機械角，或每1度的機械角相當於12度的磁極角，亦即安裝時若兩組磁場感測器的相對位置誤差1度，則在AB相的相位差上就出現12度的誤差，以一顆外徑16mm、12對磁極的磁性編碼器來計算，1度的機械角換算的弧長為0.140mm，在組裝的要求上相當嚴格，加工技術門檻高、不易普及化推廣應用。
鑒於傳統技術之缺點，本發明係提供一種磁性編碼裝置，係使用單對磁極磁塊，結合霍爾元件與微控制器組成一磁性編碼裝置，本發明之構造簡單可靠、製造成本與難度均較傳統技術低。
本發明係提供一種磁性編碼裝置，係包括：一圓形磁塊，係為單對磁極磁塊；複數霍爾元件，係設置於該圓形磁塊之圓周側邊，該霍爾元件係以該圓形磁塊圓心為基點，彼此相隔90度角設置；一微控制器，係連接該霍爾元件，係將該霍爾元件感測之磁場變化量轉變成數位編碼輸出，該微控制器係可模擬遲滯切換，使該磁性編碼裝置可穩定輸出2狀態編碼；其中該圓形磁塊係以該圓形磁塊圓心為旋轉軸旋轉；該圓形磁塊亦可為具有複數對磁極之磁塊；該圓形磁塊係為徑向充磁磁塊；該霍爾元件係可為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)，或其他可根據磁場變化而輸出類比電壓之裝置。
以上之概述與接下來的詳細說明及附圖，皆是為了能進一步說明本發明達到預定目的所採取的方式、手段及功效。而有關本發明的其他目的及優點，將在後續的說明及圖示中加以闡述。
11‧‧‧圓形磁塊
12‧‧‧霍爾元件
13‧‧‧微控制器
圖1係為現有典型之多磁極型磁性編碼器結構圖。
圖2係為光學編碼器之AB相脈波圖。
圖3係為本發明之磁性編碼裝置結構圖。
圖4係為本發明之磁性編碼裝置之霍爾元件輸出波形圖。
圖5係為本發明之磁性編碼裝置之霍爾元件相對關係圖。
圖6係為本發明之磁性編碼裝置未經軟體處理之一個脈波周期的AB相波形圖。
圖7係為本發明之磁性編碼裝置未經軟體處理之360度的AB相輸出波形。
圖8係為霍爾數位開關之輸出特性曲線圖。
圖9係為本發明之以4狀態編碼與傳統2狀態編碼A相波形對照圖。
圖10係為本發明之以4狀態編碼與傳統2狀態編碼B相波形對照圖。
圖11係為本發明之以4狀態編碼之AB相波形圖。
圖12為本發明之遲滯點數4實施例的AB相單脈波周期內4狀態編碼波形圖。
圖13為本發明之遲滯點數1實施例的AB相單脈波周期內4狀態編碼波形圖。
圖14為本發明之B相落後A相54度實施例的單脈波周期4狀態編碼波形圖。
圖15為本發明之B相領先A相45度實施例的單脈波周期4狀態編碼波形圖。
以下係藉由特定的具體實例說明本發明之實施方式，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點與功效。
本發明之磁性編碼裝置結構圖如圖3所示，係包括：一圓形磁塊11，係為單對磁極磁塊，係以該圓形磁塊圓心為旋轉軸旋轉；二霍爾元件12，係設置於該圓形磁塊之圓周側邊，該二霍爾元件係以該圓形磁塊 圓心為基點，彼此相隔90度角設置；一微控制器13，係連接該二霍爾元件，係將該二霍爾元件感測之磁場變化量轉變成數位編碼輸出：其中該微控制器係可模擬遲滯切換，使該磁性編碼裝置可穩定輸出2狀態編碼；該圓形磁塊係為徑向充磁磁塊；該霍爾元件係為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)，或其他可根據磁場變化而輸出類比電壓之裝置。
本發明之磁性編碼裝置工作原理為：當該圓形磁塊旋轉一圈時，兩顆霍爾元件(LHE)的輸出訊號為一對相位差90度的正弦/餘弦波，如圖4(實測訊號)，此二組訊號的相對關係為一圓，如圖5。由於圖4的輸出波形並非先前技術之光學編碼器的AB相脈波形式(如圖錯誤！找不到參照來源。)，因此本發明先利用該微控制器讀取該霍爾元件之訊號，解出該圓形磁塊的旋轉角度後，再根據預先設定之資料表輸出0或1的AB相波形。先設定本發明之磁性編碼裝置每圈具有之脈波格數Nppr(Pulse Per Round,ppr)，將圖5的圓分成Nppr等分，或將圖4中的橫軸(角度)分成Nppr格，以圖4為例，橫軸被分成12格，每格將產生一個脈波，因此每30度為一脈波格。每一脈波格(30度)中，有一對AB相方波，本發明將每一脈波格再細分為Ngpc格(Grid per Cycle,gpc)，此處以每一個脈波格有Ngpc=40格為例，若整圈共有Nppr=12個脈波格，因此每一小格的角度為0.75度，若Ngpc=80，則每小格的角度為0.375度。Nppr與Ngpc的乘積為每一圈的總細格數(girds)，此格數受該微控制器(Micro Control Unit,MCU)的位元數以及訊號雜訊度限制。一般以10位元的微控制器而言，最多能分辨1024個類比電壓，Nppr×Ngpc的上限為1024，因此若Ngpc設定為40，磁性編碼裝置未經軟體處理之每圈的脈波數上限為25.6，每個脈波周期的AB相波形如圖6，一圈360度共要產生Nppr個脈波週期，其中A相在每個脈波周期的前半部為1，後半周期為0；B相與A相相差90度(四分之一週期)。將圖4中每30度一組的脈波格，裡面的40個格子點都設計成如圖6的0與1的資料，理論上，即可讓該磁性編碼裝置輸出每圈Nppr個脈波的編碼，如圖7。但實際上，編碼器的輸出在某些位置(角度)並非固定是0或1，在0切換到1與1切換到0之區間可能會高速切換變化，造成編碼信號錯誤與雜訊產生，若 直接將本發明之微控制器的輸出設計成圖7的波形，將無遲滯特性，使用上會造成問題。一般數位輸出的開關均有遲滯切換功能，以免開關位置在切換點時，輸出在0與1之間高速變化。以霍爾數位開關為例，圖8為霍爾數位開關的輸出特性曲線。以圖8右圖為例，BOP>BRP，二者均為磁通密度。當霍爾數位開關面臨的磁通密度高於BOP時，霍爾開關輸出必然為1，當磁通密度<BRP時，輸出必然為0，但是當磁通密度介於BRP與BOP之間時，霍爾開關的輸出與前一刻的狀態有關。此設計可避免霍爾開關在某個磁通密度時，高速在0與1的狀態間切換，造成信號錯誤。遲滯特性與前一刻的狀態值有關，此外，也與切換點的距離有關，如圖8，BRP與BOP之差距BHYS即為遲滯區間。
本發明係以軟體模擬來達成遲滯切換功能，係由該微控制器將原本脈波輸出之2狀態編碼0、1的兩種狀態，進一步區分為0、1、2、3的四種狀態，因此需找出原本的2狀態編碼中，由1變成0、以及由0變成1的位置(切換點)，如圖9上圖中的第20格(由1變0)，以及第40格(由0變1)。本發明之微控制器模擬遲滯切換之方法步驟實施例係包括：設定脈波切換點位置，若每脈波周期的格數為Ngpc，則切換點位於Ngpc/2，以及Ngpc兩處，如本文前例，Ngpc=40，則切換點分別位於20與40兩處(因一周期脈波中1與0各佔一半，因此Ngpc必須設定為偶數。)；設定遲滯區間長度，遲滯區間長度(遲滯點數)Nhys代表在切換點該處前後Nhys點為遲滯區間；定義該切換點前後遲滯區間之狀態，將切換點前後Nhys點(共2Nhys點)的區間(即設定之遲滯區間)重新定義為0、1以外之狀態，若切換點前Nhys點(含切換點本身)或切換點後Nhys點(不含切換點本身)的狀態為1、則將切換點前Nhys點(含切換點本身)區間的狀態設為2，若切換點前Nhys點(含切換點本身)或切換點後Nhys點(不含切換點本身)的狀態為0、則將切換點前Nhys點(含切換點本身)的狀態設為3；將該切換點前後遲滯區間之狀態分類為2狀態編碼，例如在微控制器中將上述步驟產生之2視為1，將上述步驟產生之3視為0，該磁性編碼裝置即可具有遲滯切換功能，穩定輸出0、1之2狀態編碼。請參閱圖9，上圖為 原來2狀態的A相編碼(圖6上圖)，前一半週期為1、後半週期為0，以本發明之4狀態編碼方法重新編排後，Nhys設定為2，A相4狀態編碼的結果如圖9下圖。若將切換點前後2點原本屬於1的狀態編為2，屬於0的狀態編為3，則將變成圖10上圖B相之2狀態編碼與圖10下圖之4狀態編碼結果，4狀態編碼之AB相波形圖如圖11。本發明係由該微控制器以軟體模擬方式，將上述實施例定義之2分類為1、將3分類為0，即可使本發明之磁性編碼裝置穩定輸出0、1之2狀態編碼，消除輸出脈波在0切換到1與1切換到0之區間會產生高速切換震盪、造成雜訊與信號不佳之狀況，且本發明不需設置額外之數位開關電路，降低生產複雜度與製造成本。
本發明之磁性編碼裝置之圓形磁塊亦可使用軸向充磁磁塊，此種配置中，霍爾元件(LHE)立可直於電路板上，軸向充磁的磁塊面對霍爾元件(LHE)時，霍爾元件(LHE)看見的磁力線最多，另一顆霍爾元件(LHE)的磁力線數最少，但霍爾元件(LHE)的輸出無法如徑向充磁磁塊的配置那樣產生一組正弦/餘弦(sin/cos)波形，在校正程序上需要附加外部角度校正單元以利該微控制器進行編碼排列，該外部角度校正單元係設置於該圓形磁塊之旋轉軸上，並連接該微控制器，該外部角度校正單元係提供該圓形磁塊之旋轉角度給該微控制器，以提高該微控制器之信號精度。本發明之磁性編碼裝置使用徑向充磁磁塊時，亦可附加外部角度校正單元，以符合對角度精度與解析度要求較高之產品需求。該外部角度校正單元係可為光學編碼器、解角器或其他角度量測裝置。
本發明之磁性編碼裝置係可調整遲滯寬度，一般數位開關的遲滯範圍由電路硬體決定，而本發明之磁性編碼裝置可在生產時由該微控制器內建之軟體設定其AB相脈波切換點的遲滯寬度。設定時僅需調整遲滯點數Nhys即可。如圖9與圖10中的遲滯點數為2，因此在切換點左右各2格，共4格的範圍為遲滯範圍。此二圖中每個脈波周期內的格點Ngpc=40，整圈共有Nppr=12個脈波格，因此，每一小格的角度為0.75度，遲滯範圍為3度。圖12為本發明之遲滯點數4實施例的AB相單脈波周期內4狀態編碼波形圖，圖13為本發明之遲滯點數1實施例的AB相單脈波周期內4狀態編碼波形圖。本發明之磁性編碼裝置係可由該微控制器之軟體設定調 整遲滯寬度，而不需變更硬體規格，可增加生產效率、節省加工成本。
一般編碼器AB相的相位差均固定為B相落後A相90度，本發明之磁性編碼裝置可在生產時由該微控制器內建之軟體設定其AB相的相位差，設定時僅需調整相位差數值即可，可調最小刻度為1個格子點的角度。圖14為本發明之B相落後A相54度實施例的單脈波周期4狀態編碼波形圖，圖15為本發明之B相領先A相45度實施例的單脈波周期4狀態編碼波形圖，二者的遲滯格子點數均為2。本發明之磁性編碼裝置係可由該微控制器之軟體設定其AB相的相位差，可適應各種不同用途之編碼器需求，設計彈性大且應用範圍廣泛。
上述之實施例僅為例示性說明本發明之特點及其功效，而非用於限制本發明之實質技術內容的範圍。任何熟習此技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與變化。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
11‧‧‧圓形磁塊
12‧‧‧霍爾元件
13‧‧‧微控制器

Claims (9)

  1. 一種磁性編碼裝置，係包括：一圓形磁塊，係為單對磁極磁塊；複數霍爾元件，係設置於該圓形磁塊之圓周側邊；一微控制器，係連接該霍爾元件，係將該霍爾元件感測之磁場變化量轉變成數位編碼輸出，該微控制器係可模擬遲滯切換，使該磁性編碼裝置可穩定輸出2狀態編碼，該微控制器模擬遲滯切換之方法步驟係包括：設定脈波切換點位置；設定遲滯區間長度；定義該切換點前後遲滯區間之狀態；將該切換點前後遲滯區間之狀態分類為2狀態編碼。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該圓形磁塊係為徑向充磁磁塊。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該圓形磁塊係為軸向充磁磁塊。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該圓形磁塊係以該圓形磁塊圓心為旋轉軸旋轉。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該圓形磁塊係具有複數對磁極。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該霍爾元件係可為線性霍爾效應裝置(Linear Hall-effect device,LHE device)，或其他可根據磁場變化而輸出類比電壓之裝置。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中該霍爾元件係以該圓形磁塊圓心為基點，彼此相隔90度角設置。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之磁性編碼裝置，其中更進一步包括：外部角度校正單元，該外部角度校正單元係連接該微控制器，該外部角度校正單元係提供該圓形磁塊之旋轉角度給該微控制器，以提高該微控制器之信號精度。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之磁性編碼裝置，其中該外部角度校正單元係可為光學編碼器、解角器或其他角度量測裝置。
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