CN109990805A - 旋转编码器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种旋转编码器，包括磁栅尺装置、磁栅尺读数头及信号处理模块；磁栅尺读数头设置在固定支架上，不随被测机械旋转而旋转，磁栅尺读数头分别与磁栅尺装置、信号处理模块相连。磁栅尺装置包括弯曲为环形的磁栅尺，通过联轴器与被测机械转轴相连，且磁栅尺装置的轴线与被测机械的轴线重合；磁栅尺读数头用于采集磁栅尺装置在随着被测机械转动过程中产生的磁信号，并转化为相应电信号进行输出；信号处理模块用于根据接收到的电信号计算被测机械的转动角度。本申请的旋转编码器不受限于工作环境，抗干扰性能好，不仅可实现在恶劣工作环境中准确测量旋转设备的旋转角度，还可降低编码器的生产成本。

Description

旋转编码器

技术领域

本发明实施例涉及角度位置测量技术领域，特别是涉及一种旋转编码器。

背景技术

随着工控脚步的跨越式前进，机械手臂、大行程位移测控装置等相应的工厂设备对旋转设备的要求更加苛刻，旋转设备的角度位置测量在整个工控领域中非常重要，编码器作为伺服驱动***位置测量传感器的应用越来越广泛。

编码器分为增量式和绝对式两种，相关技术中的增量式旋转编码器技术利用光学特性，通过摩尔条纹原理，对旋转角度进行测量。这种增量式编码传感器往往需要在比较洁净的工作环境使用，而在粉尘较多或者油污较多的使用环境下，会干扰到编码器检测的精准度，测量误差较大，此外，增量式旋转编码器若为了实现高精密级的测量，往往对于光源、码盘的要求很高，增加编码器的生产成本。

发明内容

本公开实施例提供了一种旋转编码器，不受限于工作环境，抗干扰性能好，不仅可实现在恶劣工作环境中准确测量被测机械的旋转角度，还可降低编码器的生产成本。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例提供了一种旋转编码器，包括磁栅尺装置、设置在固定支架上的磁栅尺读数头及信号处理模块；所述磁栅尺读数头分别与所述磁栅尺装置、所述信号处理模块相连；

其中，所述磁栅尺装置包括弯曲为环形的磁栅尺，通过联轴器与被测机械转轴相连，且所述磁栅尺装置的轴线与所述被测机械的轴线重合；

所述磁栅尺读数头用于采集所述磁栅尺装置在随着所述被测机械转动过程中产生的磁信号，并转化为相应电信号进行输出；所述信号处理模块用于根据接收到的电信号计算所述被测机械的转动角度。

可选的，所述磁栅尺装置包括磁栅尺和滚筒；

所述磁栅尺贴合于所述滚筒的外侧壁，并沿所述滚筒圆周方向形成磁栅尺环，所述磁栅尺的长度值与所述滚筒的周长值相等；

所述滚筒通过所述联轴器与所示被测机械转轴相连，且所述滚筒轴线与所述被测机械的轴线重合。

可选的，所述信号处理模块用于根据接收到的电信号计算所述被测机械的转动角度包括：

根据所述待测机械在第N圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量，计算所述被测机械的第N圈的转动角度值，并根据所述第N圈的转动角度值计算第N圈缺失角度值；

获取所述待测机械在从初始参考零位信号处开始转动到第N圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的总时间；

根据所述第N圈缺失角度值、所述总时间、所述被测机械旋转一周的平均时间和实际角速度计算得到所述被测机械第N+1圈的缺失角度值；

根据所述待测机械在第N+1圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量计算得到所述被测机械的第N+1圈角度值，作为所述被测机械第N+1圈的初始角度值；

根据所述初始角度值和所述第N+1圈的缺失角度值计算得到所述被测机械第N+1圈的转动角度值；

其中，所述初始参考零位信号为预先设定，且与所述被测机械旋转方向相对应。

可选的，根据下述公式计算所述被测机械第N+1圈的缺失角度值Δα_N+1：

Δα_N+1＝ω*(T_N-t_N)；

式中，t_N为所述总时间，T_N为所述被测机械第N圈旋转一周所需时间，ω为所述被测机械的实际角速度，为所述被测机械旋转一周的平均时间。

可选的，根据下述公式计算第N圈缺失角度值Δα_N：

Δα_N＝360°-α_N；

式中，α_N为所述被测机械第N圈的转动角度值。

可选的，所述被测机械旋转方向为逆时针方向，所述初始参考零位信号位置为在所述磁栅尺环的缺口左侧；所述被测机械旋转方向为顺时针方向，所述初始参考零位信号位置为在所述磁栅尺环的缺口右侧。

可选的，所述信号处理模块包括磁栅数显表和FPGA板卡；

其中，所述磁栅数显表与所述磁栅尺读数头相连，所述磁栅数显表与所述FPGA板卡相连；

所述磁栅数显表用于根据所述磁栅尺读数头输出的电信号计算所述待测机械旋转过程中的电信号变化量；

所述FPGA板卡用于根据所述电信号变化量确定磁栅尺相对所述磁栅尺读数头的转动距离，并根据所述转动距离计算所述被测机械的转动角度。

可选的，所述FPGA板卡还用于将计算得到的转动角度发送至所述磁栅数显表，以显示所述被测机械的转动角度。

可选的，所述磁栅数显表利用下述公式计算并显示所述被测机械转动第N圈的转动角度：

式中，α'_N为所述FPGA板卡计算所述被测机械转动第N圈的转动角度值，为缺失角度的平均值，Δα₀为初始缺失角度值。

可选的，还包括与所述信号处理模块相连的角度值反馈模块；

所述角度值反馈模块用于将所述信号处理模块计算得到的转动角度发送至所述被测机械的控制***。

本申请提供的技术方案的优点在于，基于磁栅尺柔性好的特点，将其弯曲成环形尺以实现增量式直线磁栅单尺重构旋转编码器，将该环形尺固定于被测机械上，结合磁栅尺读数头及信号处理模块对测量过程中采集数据的处理，从而实现了在恶劣工作环境中准确、快速测量被测机械的旋转角度，有效克服了传统增量式光电编码器受限工作环境的缺点，提高了增量式编码器的抗干扰性能；此外，该编码旋转器的制造工艺比传统的码盘更为简单，可降低旋转编码器的生产成本。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，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为本发明实施例提供的旋转编码器的一种实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的磁栅尺弯曲为圆形尺的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、***、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的旋转编码器在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

旋转编码器可包括磁栅尺装置1、磁栅尺读数头2及信号处理模块3。

其中，磁栅尺读数头2设置在固定支架上，磁栅尺读数头2不随被测机械转动而转动。磁栅尺读数头2分别与磁栅尺装置1、信号处理模块3相连。磁栅尺读数头2与磁栅尺装置1的距离只需要满足磁栅尺读数头2可完全采集到磁栅尺装置1输出的磁信号即可，本领域技术人员可根据实际应用场景和旋转编码器的布局、体积灵活调整磁栅尺读数头2与磁栅尺装置1的间距。

在本实施例中，磁栅尺装置1可包括弯曲为环形的磁栅尺，其通过联轴器与被测机械转轴相连，且磁栅尺装置1的轴线与被测机械的轴线重合，从而实现被测机械带动磁栅尺装置1转动，因此，磁栅尺装置1的转动角度即为被测机械的转动角度。

在一种实施方式中，磁栅尺装置1可包括磁栅尺11和滚筒10。磁栅尺11贴合于滚筒的外侧壁，并沿滚筒圆周方向形成磁栅尺环，磁栅尺的长度值与滚筒的周长值相等；滚筒10通过联轴器与所示被测机械转轴相连，且滚筒轴线与被测机械的轴线重合。也就是说，滚筒10可作为增量式磁栅尺11的承载物，将增量式磁栅尺11弯曲为圆环紧贴于滚筒10上，滚筒10通过联轴器与被测量机械的转轴相连，即被测量机械带动滚筒10转动，且滚筒10的轴线与被测量机械的轴线重合，因此滚筒10转动的角度就是被测量机械转动的角度。另外，磁栅尺11沿滚筒10转动方向完全贴合于滚筒10外表面，故磁栅尺11的长度可以认为是滚筒10的周长，且磁栅尺11能够绕滚筒10一周，形成磁栅尺环。

在本实施例中，磁栅尺读数头2用于采集磁栅尺装置1在随着被测机械转动过程中产生的磁信号，并转化为相应电信号进行输出。安装磁栅尺读数头2的固定支架是不随滚筒或被测量机械转轴转动，且磁栅尺读数头2在工作过程中也不随滚筒或被测量机械转轴转动。磁栅尺读数头2与磁栅尺环11存在一定的距离，此处对该距离不进行具体的限定，只要能够检测到目标区域对应的磁栅尺的磁信号即可。

本申请中，信号处理模块3用于根据接收到的电信号计算被测机械的转动角度。磁栅尺读数头2将采集的磁信号转化为电信号后发送至信号处理模块3中，由于磁栅尺装置1随被测量机械转轴转动，目标区域内的磁栅尺11的磁信号就会发生变化，磁信号的变化就会带来电信号的变化，故可以通过电信号的变化量来确定磁栅尺相对于磁栅尺读数头1转动的距离，而通过转动的距离可以换算出转动的角度。而磁栅尺读数头2仅仅是读取目标区域的磁信号并将磁信号转换为电信号的装置，故信号处理模块3可包括用于计算电信号变化量的磁栅数显表31。

为了提高数据处理运算速度，简化信号处理电路的复杂程度，信号处理模块3还可包括采用支持并行计算的FPGA板卡32，FPGA板卡32与磁栅数显表31连接。FPGA板卡32将电信号的变化量转换为转动角度，进而得到被测量机械转轴的转动角度。

综上所述，信号处理模块3可包括磁栅数显表31和FPGA板卡32。磁栅数显表31与磁栅尺读数头2相连，磁栅数显表31与FPGA板卡23相连。磁栅数显表31用于根据磁栅尺读数头2输出的电信号计算待测机械旋转过程中的电信号变化量；FPGA板卡32用于根据电信号变化量确定磁栅尺相对磁栅尺读数头的转动距离，并根据转动距离计算被测机械的转动角度。

此外，考虑到磁栅数显表31还可实时显示数值，FPGA板卡32还可将计算得到的转动角度发送至磁栅数显表31，以实时显示被测机械的转动角度。

在本发明实施例提供的技术方案中，基于磁栅尺柔性好的特点，将其弯曲成环形尺以实现增量式直线磁栅单尺重构旋转编码器，将该环形尺固定于被测机械上，结合磁栅尺读数头及信号处理模块对测量过程中采集数据的处理，从而实现了在恶劣工作环境中准确、快速测量被测机械的旋转角度，有效克服了传统增量式光电编码器受限工作环境的缺点，提高了增量式编码器的抗干扰性能；此外，该编码旋转器的制造工艺比传统的码盘更为简单，可降低旋转编码器的生产成本。

由于增量式磁栅尺贴合于所述滚筒的外侧壁时是无法实现无缝对接，理论上是必定存在一个对接缺口△d，也就是说，将直线磁栅尺重构为圆尺后，在接口处不可避免的存在磁栅缺失部分，如图2中的缺口△d，而缺口的存在会导致读数的缺失，造成读数的不精准。为了提高被测机械的转动角度计算精度，可进一步进行角度补偿。

下面通过一个更为具体的实施例说明本方案预设增量式磁栅单尺读取规则，已解决上述问题，并且消除被测物体由于被测环境的温度发生变化后，产生的磁栅环膨胀或者收缩变形造成的影响。

可以理解的是，增量式磁栅尺经过读数头的输出信号一般为周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示位移的大小。输出信号的波形图由3项组成，其中有2项可实现倍频及辨向，另外一项为脉冲信号，可作为参考机械零位。再把增量式磁栅尺重构成圆尺，同样可以利用磁栅尺的读数特性进行角度测量。

本实例按照如图1所示结构测量时，旋转方向假定为逆时针方向，由于增量式磁栅尺的特性，需要机械回零。可设置初始参考零位信号为缺口△d左侧，以这里开始读数，每次开始测量均需从此位开始测量。并且每次开始测量，都需让沿滚筒10转动方向完全贴合于滚筒10外表面的磁栅尺环11转动测量一周，再恢复到初始位置，这时FPGA板卡32会记录下缺口△d的缺失的初始角度值Δα₀，初始化步骤完成。

其中，直线磁栅尺数值转为为角度值的过程可为：磁栅尺11的长度为L，利用360°对磁栅尺L进行细分，此时的精度以磁栅尺读数头读取的数值精度为基准，即α＝(360°/L)*α'，α'为磁栅尺读数头2读出的数值。然后每个缺失口△d，磁栅尺读数头2从零开始读数，并记录磁栅尺11转过的圈数N，则转化被测机械的转动角度为α+N*360°。初始角度值Δα₀为360°-α+N*360°。

具体来说，测量过程中，可根据待测机械在第N圈旋转过程中磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量，计算被测机械的第N圈的转动角度值，并根据第N圈的转动角度值计算第N圈缺失角度值，并记录待测机械在从初始参考零位信号处开始转动到第N圈旋转过程中磁栅尺读数头无数据传输时的总时间；根据第N圈缺失角度值、总时间、被测机械旋转一周的平均时间和实际角速度计算得到被测机械第N+1圈的缺失角度值；根据待测机械在第N+1圈旋转过程中磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量计算得到被测机械的第N+1圈角度值，作为被测机械第N+1圈的初始角度值；根据初始角度值和第N+1圈的缺失角度值计算得到被测机械第N+1圈的转动角度值。

磁栅尺环11在滚筒10带动下进行高速的旋转，磁栅尺读数头2进行高速信号读取，并反馈给FPGA板卡32，旋转第N圈时，在到达裂口Δd时，磁栅读数头2无数据传输，此时FPGA板卡32记录下磁栅尺读数头2读取并转换出来的角度值α_N，并记录初始参考零位信号到此时的时间t_N以及圈数值N(N＝1、2、3…)。而经过了裂口Δd之后磁栅读数头2又读取到初始参考零位信号，所以FPGA板卡32以每次读取到初始参考零位信号时，记为旋转一周完成，FPGA板卡32进行计算并通过其中的时钟模块记录下此时旋转一周的时间T_N，可根据公式Δα_N＝360°-α_N计算计算第N圈缺失角度值Δα_N，α_N为被测机械第N圈的转动角度值。利用公式计算旋转一周的平均时间然后利用公式计算转轴的实际角速度ω，最后根据下述公式计算被测机械第N+1圈的缺失角度值Δα_N+1，从而得到精准的旋转角度。

Δα_N+1＝ω*(T_N-t_N)；

式中，t_N为总时间，T_N为被测机械第N圈旋转一周所需时间，ω为被测机械的实际角速度，为被测机械旋转一周的平均时间。

由上可知，当温度发生改变时，磁栅尺环11发生收缩或者膨胀，导致Δd发生变化，通过这种增量式直线磁栅尺重构旋转编码器装置能实时的读取Δα的变化情况，并且读取的值可以通过均分的方式来进行抵消缺口对读数的影响，从而实现精确测量。

在另外一种实施方式中，FPGA板卡32在计算得到每圈的缺失角度发送至磁栅数显表31，磁栅数显表31可利用下述公式计算并显示被测机械转动第N圈的转动角度：

式中，α'_N为FPGA板卡计算被测机械转动第N圈的转动角度值，为缺失角度的平均值，Δα₀为初始缺失角度值。

需要说的是，初始参考零位信号为预先设定，且与被测机械旋转方向相对应。被测机械旋转方向为逆时针方向，初始参考零位信号位置为在磁栅尺环的缺口左侧；被测机械旋转方向为顺时针方向，初始参考零位信号位置为在磁栅尺环的缺口右侧。上述过程阐述了初始参考零位信号位置为在磁栅尺环的缺口左侧的缺失角度值的计算过程，初始参考零位信号位置为在磁栅尺环的缺口右侧时的缺失角度值的计算过程同上述过程相同，此处，便不再赘述。

由上可知，采用多步反馈均分的方法进行读数测量，使磁栅尺弯曲后的缺口缺失部分影响消除，提升了旋转编码器的角度测量精度。

在一种具体实施方式中，旋转编码器还可包括与信号处理模块3相连的角度值反馈模块。角度值反馈模块用于将信号处理模块3计算得到的转动角度发送至被测机械的控制***。也就是说，信号处理模块3在计算得到被测机械转轴转动的角度后，还可以将转轴的实际角度位置输出到被测量电机的控制***进行反馈处理，实现精确控制转轴转动位置与速度。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种旋转编码器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。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，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种旋转编码器，其特征在于，包括磁栅尺装置、设置在固定支架上的磁栅尺读数头及信号处理模块；所述磁栅尺读数头分别与所述磁栅尺装置、所述信号处理模块相连；

其中，所述磁栅尺装置包括弯曲为环形的磁栅尺，通过联轴器与被测机械转轴相连，且所述磁栅尺装置的轴线与所述被测机械的轴线重合；

所述磁栅尺读数头用于采集所述磁栅尺装置在随着所述被测机械转动过程中产生的磁信号，并转化为相应电信号进行输出；所述信号处理模块用于根据接收到的电信号计算所述被测机械的转动角度。

2.根据权利要求1所述的旋转编码器，其特征在于，所述磁栅尺装置包括磁栅尺和滚筒；

所述磁栅尺贴合于所述滚筒的外侧壁，并沿所述滚筒圆周方向形成磁栅尺环，所述磁栅尺的长度值与所述滚筒的周长值相等；

所述滚筒通过所述联轴器与所示被测机械转轴相连，且所述滚筒轴线与所述被测机械的轴线重合。

3.根据权利要求2所述的旋转编码器，其特征在于，所述信号处理模块用于根据接收到的电信号计算所述被测机械的转动角度包括：

根据所述待测机械在第N圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量，计算所述被测机械的第N圈的转动角度值，并根据所述第N圈的转动角度值计算第N圈缺失角度值；

获取所述待测机械在从初始参考零位信号处开始转动到第N圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的总时间；

根据所述第N圈缺失角度值、所述总时间、所述被测机械旋转一周的平均时间和实际角速度计算得到所述被测机械第N+1圈的缺失角度值；

根据所述待测机械在第N+1圈旋转过程中所述磁栅尺读数头无数据传输时的电信号变化量计算得到所述被测机械的第N+1圈角度值，作为所述被测机械第N+1圈的初始角度值；

根据所述初始角度值和所述第N+1圈的缺失角度值计算得到所述被测机械第N+1圈的转动角度值；

其中，所述初始参考零位信号为预先设定，且与所述被测机械旋转方向相对应。

4.根据权利要求3所述的旋转编码器，其特征在于，所述信号处理模块根据下述公式计算所述被测机械第N+1圈的缺失角度值Δα_N+1：

Δα_N+1＝ω*(T_N-t_N)；

式中，t_N为所述总时间，T_N为所述被测机械第N圈旋转一周所需时间，ω为所述被测机械的实际角速度，为所述被测机械旋转一周的平均时间。

5.根据权利要求4所述的旋转编码器，其特征在于，根据下述公式计算第N圈缺失角度值Δα_N：

Δα_N＝360°-α_N；

式中，α_N为所述被测机械第N圈的转动角度值。

6.根据权利要求3所述的旋转编码器，其特征在于，所述被测机械旋转方向为逆时针方向，所述初始参考零位信号位置为在所述磁栅尺环的缺口左侧；所述被测机械旋转方向为顺时针方向，所述初始参考零位信号位置为在所述磁栅尺环的缺口右侧。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的旋转编码器，其特征在于，所述信号处理模块包括磁栅数显表和FPGA板卡；

其中，所述磁栅数显表与所述磁栅尺读数头相连，所述磁栅数显表与所述FPGA板卡相连；

所述磁栅数显表用于根据所述磁栅尺读数头输出的电信号计算所述待测机械旋转过程中的电信号变化量；

所述FPGA板卡用于根据所述电信号变化量确定磁栅尺相对所述磁栅尺读数头的转动距离，并根据所述转动距离计算所述被测机械的转动角度。

8.根据权利要求7所述的旋转编码器，其特征在于，所述FPGA板卡还用于将计算得到的转动角度发送至所述磁栅数显表，以显示所述被测机械的转动角度。

9.根据权利要求8所述的旋转编码器，其特征在于，所述磁栅数显表利用下述公式计算并显示所述被测机械转动第N圈的转动角度：

式中，α'_N为所述FPGA板卡计算所述被测机械转动第N圈的转动角度值，为缺失角度的平均值，Δα₀为初始缺失角度值。

10.根据权利要求9所述的旋转编码器，其特征在于，还包括与所述信号处理模块相连的角度值反馈模块；

所述角度值反馈模块用于将所述信号处理模块计算得到的转动角度发送至所述被测机械的控制***。