CN102042840A - 一种双路格雷码磁编码装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双路格雷码磁编码装置，包括采集装置一，采集装置二和电源，采集装置一包括磁敏元件一和微处理器一，采集装置二包括磁敏元件二和微处理器二，磁敏元件一与微处理器一相连，微处理器一接收磁敏元件一采集到的磁场变化传感信号，磁敏元件二与微处理器二相连，微处理器二接收磁敏元件二采集到的磁场变化传感信号，电源为磁敏元件和微处理器提供电能。通过应用本发明的方案，磁敏感元件传感和微处理器对检测信号进行处理，形成双路重复误码率非常小的编码数据，双路完全独立数据处理***和供电***有效地避免了干扰，提高了检测的稳定性，克服了光学编码器体积大的技术问题。

Description

一种双路格雷码磁编码装置

技术领域

本发明涉及传感控制技术领域，一种铁路机车使用的司机控制器编码器器件，特别是一种新型双路格雷码磁编码器。

背景技术

在我国引进技术的基础上自行开发的和谐4(DJ4)大功率交流电力机车的司机控制器普遍采用的是进口光电编码器。由于进口光电式编码器进口周期长、安装不方便、双路数据输出重复精度低等缺陷，有必要开发出一种新型的编码器，实现进口机车部件国产化，替代进口光电式编码器。同时改善现有光电式编码器进口周期长、安装不便、输出精度低，同时检测过程易受外界干扰影响的技术问题。在现有技术中，具体公开了光电式的角位置编码器。

2003年10月15日公开，公开号为CN1448774的中国发明专利公开了一种光电角位置编码器，它由光学角位置编码器和光电解码器组成，其中：光学角位置编码器包括光学编码盘及将光学编码盘与待测旋转运动***上的运动部件连接的装置，光学编码盘上设置有按一定规律排列的图案；光电解码器包括发光器件、发光器件驱动电路、带有狭缝光栏的柱面透镜、光电探测器件、探测电路及将光电解码器中上述部件与待测旋转运动***上的固定部件连接的装置。该光电角编码器成本低，适合于低编码精度、高转速的机电控制领域。

2004年3月10日公开，公开号为CN1480712的中国发明专利公开了一种光电式旋转编码器，其中，为了小型化且组装精度提高，使投光元件和受光元件一体化，同时，由一体化而产生的从投光元件向着受光元件的漫射光成份排除到外部。通过折返光学部件将投光元件所产生的光线折返到和光线的投光方向相反的方向上，通过具有检测图案部分的圆板由配设在和投光元件在同一基板上的受光元件接受折返后的光线，根据该受光信号检测圆板的旋转变位，其中，在配设上述投光元件和受光元件的基板前方侧配设来自上述投光元件的光线的漫射光成份通过其侧面部分到达外部的光学元件，用该光学元件覆盖上述基板，将光学元件和基板一体化。

发明内容

本发明提供一种双路格雷码磁编码装置，该发明可以很好地克服现有技术存在的光学编码器进口周期长，安装体积过大，容易受到外界干扰，测量过程不够稳定的技术问题。

本发明提供一种双路格雷码磁编码装置的具体实施方式，一种双路格雷码磁编码装置，包括采集装置一，采集装置二和电源，采集装置一包括磁敏元件一和微处理器一，采集装置二包括磁敏元件二和微处理器二，磁敏元件一与微处理器一相连，微处理器一接收磁敏元件一采集到的磁场变化传感信号，磁敏元件二与微处理器二相连，微处理器二接收磁敏元件二采集到的磁场变化传感信号，电源为磁敏元件和微处理器提供电能。

作为本发明进一步的实施方式，所述的电源包括电源一和电源二，电源一为采集装置一的磁敏元件一和微处理器一提供独立的电源，电源二为采集装置二的磁敏元件二和微处理器二提供独立的电源。

作为本发明进一步的实施方式，所述的磁敏元件一和磁敏元件二封装在一个磁感应元件的芯片中，磁敏元件一和磁敏元件二感知平行于磁感应元件表面的旋转磁极的磁场旋转变化，由此测得旋转角角度。

作为本发明进一步的实施方式，所述的微处理器一和微处理器二包括格雷码编码模块，微处理器一和微处理器二接收到磁敏元件一和磁敏元件二采集来的信号，对采集到的信号进行处理生成二进制数据，格雷码编码模块将二进制数据转换成格雷码数据，并采用并口输出格雷码数据。

作为本发明进一步的实施方式，所述的磁敏元件一和微处理器一之间通过SPI(Serial Peripheral Interface，串行外设接口)总线进行连接，磁敏元件二和微处理器二之间通过SPI总线进行连接。

作为本发明进一步的实施方式，所述的双路格雷码磁编码装置包括缓冲放大电路，缓冲放大电路与微处理器一和微处理器二相连，将来自微处理器一和微处理器二的输出数据进行缓冲放大，并通过并口输出。

作为本发明进一步的实施方式，所述的磁感应元件包括磁感应片和DSP(Digital SignalProcessing，数字信号处理器)，所述的磁感应片每转一圈可形成4096个脉冲信号，磁感应片与DSP相连，DSP处理来自磁感应片的输出脉冲信号。

通过应用本发明实施方式所描述的一种双路格雷码磁编码装置，具有以下技术效果：

(1)结构一体化，将两个编码器安装在一根轴上，确保了两路数据输出的重复精度，其重复精度±1LBS，两路独立的测量和供电***提高了测量过程的稳定性；

(2)磁极与磁敏感元件非接触信号感应，无触点，无磨损，无接触电噪声，使用寿命极长；

(3)磁信号感应频响高于光电器件、频响可达10^-9秒，反应迅速准确；

(4)光电器件易受粉尘影响，经长期使用，灵敏度会降低；而磁编码器不受水、油、汽、粉尘等多种恶劣环境影响，具有灵敏度高，分辨率高，可靠性高；

(5)抗振动与抗冲击性强，可达30～50G。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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获得其他的附图。

图1为本发明一种双路格雷码磁编码装置的结构框图一；

图2为本发明一种双路格雷码磁编码装置的结构框图二；

图3为本发明一种双路格雷码磁编码装置磁敏元件的功能结构框图；

图4为本发明一种双路格雷码磁编码装置双路微处理器采集处理电路的结构框图；

图5为本发明一种双路格雷码磁编码装置的工作原理示意图；

图6为本发明一种双路格雷码磁编码装置的电路原理图；

图7为本发明一种双路格雷码磁编码装置的程序流程图；

其中，1-磁感应元件，2-磁敏元件一，3-磁敏元件二，4-微处理器一，5-微处理器二，6-电源一，7-电源二，8-旋转磁极，9-缓冲放大电路，10-磁感应片，11-DSP。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

作为本发明一种双路格雷码磁编码装置的具体实施方式，它主要应用了智能化磁敏传感器检测技术、格雷码编码技术、双路微处理器控制及数据处理***，以及双路一体化结构。如图1和图2所示，一种新型机车用双路格雷码磁编码器包括：采集装置一，采集装置二和电源，采集装置一包括磁敏元件一2和微处理器一4，采集装置二包括磁敏元件二3和微处理器二5，磁敏元件一2与微处理器一4相连，微处理器一4接收磁敏元件一2采集到的磁场变化传感信号，磁敏元件二3与微处理器二5相连，微处理器二5接收磁敏元件二3采集到的磁场变化传感信号，电源为磁敏元件和微处理器提供电能。微处理器一4和微处理器二5对传感信号进行智能化处理，消除角度误差。微处理器一和微处理器二还包括格雷码编码模块，微处理器一和微处理器二接收到磁敏元件一和磁敏元件二采集来的信号，对采集到的信号进行处理生成二进制数据，格雷码编码模块将二进制数据转换成格雷码数据，并按照机车使用要求采用并口输出格雷码数据。电源包括电源一6和电源二7，电源一6为采集装置一的磁敏元件一2和微处理器一4提供独立的电源，电源二7为采集装置二的磁敏元件二3和微处理器二5提供独立的电源。通过采用两路完全独立的电源对独立的两路采集***进行独立供电，以确保其中任何一路的故障不会影响另外一路正常工作。

磁敏元件一2和磁敏元件二3封装在一个磁感应元件1的芯片中，磁敏元件一2和磁敏元件二3感知平行于磁感应元件表面的旋转磁极8的磁场旋转变化，由此测得旋转角角度，如图5所示。在一个塑封装内，由两个独立的磁敏感元件构成，其电源完全独立，两个通道互不受影响。在电路板上有双路微处理器，微处理器为基于SPI Master的新型电路，双路独立的微处理器负责对两个独立的磁敏感元件进行检测，每个磁敏感检测元件的输入端口分别与微处理器一和微处理器二相连。通过微处理器对检测信号进行处理，完成数据的修正与放大、格雷码转换等功能，在电路上采用双路数据处理与输出完全独立技术，确保了产品的可靠性与耐用性。双路完全独立数据处理***，每路敏感元件的信号采集由两个互不连接的处理器采集处理，虽然这两个敏感元件集成于一个封装内，但内部的电源等完全独立，互不连接，为确保其微处理器***也是独立，在电路设计中采用两路独立的微处理器对各自的数据进行处理，确保其中任何一路采集出现故障而不会影响另外一路采集***的正常工作。以满足机车可靠性双备份技术要求。

格雷码编码模块将二进制数据转换成格雷码数据，并按照格雷码编码方式进行数据输出，具有高可靠性、数据稳定性。由于数字***中只能识别0和1，各种数据要转换为二进制代码才能进行处理，而格雷码是一种无权码，采用绝对编码方式，典型格雷码是一种具有反射特性和循环特性的单步自补码，它的循环、单步特性消除了随机取数时出现重大误差的可能，它的反射、自补特性使得求反非常方便。格雷码属于可靠性编码，是一种错误最小化的编码，特别适合运用于机车控制检测***。

如图4所示，本发明双路格雷码磁编码装置双路一体化的结构设计，将两个编码器集成在一个机壳内，解决了双路输出数据重复精度低的缺陷，便于该编码器的安装与调试，有效地改变了两个光学编码器连在一起安装困难、重复精度差的缺陷。由于机车的关键部件需要采用双备份技术，此结构的采用为机车安全运行，提供了可靠的技术保证。由于机车的关键部件需要采用双备份技术，此结构的采用为机车安全运行，提供了可靠的技术保证。其中，作为一种典型的实施方式，如图3所示，磁感应元件1包括磁感应片10和DSP 11，磁感应片10每转一圈可形成4096个脉冲信号，磁感应片10与DSP 11相连，DSP 11处理来自磁感应片10的输出脉冲信号。磁感应元件1的芯片采用先进的智能检测芯片对表面磁场变化进行检测，并对采集信号进行处理，修正、补偿，以得到可靠的数据。磁感应元件1的检测精度在一圈360°范围内提供分辨率达0.0879°的精确角度测量，每转一圈可形成4096个脉冲信号，足以满足铁路机车控制需求。该芯片的采用很好的满足机车安全使用的技术要求，有利于产品结构体积缩小，便于产品的安装与调试。

微处理器(Micro-computer)采用以DSP处理为特征的智能化磁敏传感器对采集的角度数据进行精确的处理。通过程序对信号数据进行处理，转换成格雷码格式，并将串行数据转换成并行数据。其中两路采集处理***采用两路完全独立的电源作支撑，用两个互不连接的处理器对数据进行处理，但内部的电源等完全独立，互不连接。

如图6的电路原理图所示是双路格雷码磁编码装置的电路原理设计图，它主要描述了数据采集与数据处理功能。其中，电源包括电源一6和电源二7，电源一6为采集装置一的磁敏元件一2和微处理器一4提供独立的电源，电源二7为采集装置二的磁敏元件二3和微处理器二5提供独立的电源。磁敏元件一2和微处理器一4之间通过SPI总线进行连接，磁敏元件二3和微处理器二5之间通过SPI总线进行连接。双路格雷码磁编码装置还包括缓冲放大电路9，缓冲放大电路9与微处理器一4和微处理器二5相连，将来自微处理器一4和微处理器二5的输出数据进行缓冲放大，并通过并口输出。

如图7的程序流程图所示，在程序设计中，主要是考虑好采集数据的补偿与格雷码的转换，从SPI接口采集的角度数据含有杂波与曲线畸变，其采集精度并不符合磁编码器的精度要求，需要用软件对其进行修正。由于采集中的数据在CPU中只能生成自然二进制码，为了满足数据传输要求，在CPU运算时同步转换成格雷码数据，为达到上述要求，开发了数据转换软件。在程序设计中，根据铁路交通轨道机车不同的控制要求，可以设置编码器检测位置范围(角度范围)，确保机车运行不会出现超出控制范围，确保机车安全运行。本发明所采用的实施方式有利于提高机车编码装置的系列化、规范化，能满足轨道机车、内燃机车、城轨列车、地铁机车的控制需求。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：包括采集装置一，采集装置二和电源，采集装置一包括磁敏元件一(2)和微处理器一(4)，采集装置二包括磁敏元件二(3)和微处理器二(5)，磁敏元件一(2)与微处理器一(4)相连，微处理器一(4)接收磁敏元件一(2)采集到的磁场变化传感信号，磁敏元件二(3)与微处理器二(5)相连，微处理器二(5)接收磁敏元件二(3)采集到的磁场变化传感信号，电源为磁敏元件和微处理器提供电能。

2.根据权利要求1所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的电源包括电源一(6)和电源二(7)，电源一(6)为采集装置一的磁敏元件一(2)和微处理器一(4)提供独立的电源，电源二(7)为采集装置二的磁敏元件二(3)和微处理器二(5)提供独立的电源。

3.根据权利要求1或2所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的磁敏元件一(2)和磁敏元件二(3)封装在一个磁感应元件(1)的芯片中，磁敏元件一(2)和磁敏元件二(3)感知平行于磁感应元件表面的旋转磁极(8)的磁场旋转变化，由此测得旋转角角度。

4.根据权利要求3所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的微处理器一(4)和微处理器二(5)包括格雷码编码模块，微处理器一(4)和微处理器二(5)接收到磁敏元件一(2)和磁敏元件二(3)采集来的信号，对采集到的信号进行处理生成二进制数据，格雷码编码模块将二进制数据转换成格雷码数据，并采用并口输出格雷码数据。

5.根据权利要求4所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的磁敏元件一(2)和微处理器一(4)之间通过SPI总线进行连接，磁敏元件二(3)和微处理器二(5)之间通过SPI总线进行连接。

6.根据权利要求5所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的双路格雷码磁编码装置包括缓冲放大电路(9)，缓冲放大电路(9)与微处理器一(4)和微处理器二(5)相连，将来自微处理器一(4)和微处理器二(5)的输出数据进行缓冲放大，并通过并口输出。

7.根据权利要求6所述的一种双路格雷码磁编码装置，其特征在于：所述的磁感应元件(1)包括磁感应片(10)和DSP(11)，所述的磁感应片(10)每转一圈可形成4096个脉冲信号，磁感应片(10)与DSP(11)相连，DSP(11)处理来自磁感应片(10)的输出脉冲信号。

Images