CN110470322A - 一种涡流式绝对编码器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种涡流式绝对编码器，包括一个环形的编码盘和一个环形的读数盘，相对同心布置，互相平行，设有间距。编码盘布置多个反射导体，分布于两个同心的环形码道之上，两个码道的反射体数量不同。读数盘设有四组平面线圈，分布于两个同心的环形码道之上，每组内的两个平面线圈之间间隔为1/2测量波长的偶数倍，两组平面线圈的之间间隔为1/4测量波长的奇数倍。平面线圈与测量电路形成一体化组件。通过计算两个码道的相位差来获得角度值。同时提供了一种涡流式绝对编码器的工作方法。本发明不仅可以实现绝对角度测量，而且具有成本低、抗震动、温度范围宽、对磁性目标与磁场变化不敏感的特性，可以应用于多种复杂和强干扰的环境中。

Description

一种涡流式绝对编码器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种非接触式编码器。具体地，是一种涡流式绝对编码器及其工作方法。

背景技术

编码器是一种把角位置或者角位移按照一定的规则转换成电信号并输出的传感器，在各种回转机构中使用广泛，是一种常用的角度和角位置传感器。

按照读出方式的不同，编码器可以分为接触式和非接触式两种。接触式编码器由于存在磨损，工作寿命短、不可靠，已经淘汰，并由非接触式编码器取而代之。非接触式编码器具有速度高、寿命长、工作可靠，因而成为当今编码器领域的首选。

按照编码方式的不同，编码器可分为增量式和绝对式两类：增量式编码器是将旋转的角位移转换成周期性的电脉冲信号输出，利用脉冲的个数表示角位移的大小。绝对式编码器是将每个角位置(即角度)转换成唯一一个与之对应的数码，因此它的示值只与测量时的角位置有关，而与测量之前的过程无关。

按照工作原理的不同，非接触式编码器目前主要有光电式编码器和磁编码器两种形式。光电式编码器精度高、速度快，是编码器领域的主流。但是，光电编码器对环境要求高、抗震性较差、温度范围较窄。磁电编码器是一种新型的角度或者角位移测量传感器，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对旋转的磁性元件的角度或者角位移值进行测量，它具有成本低、抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，可应用于传统的光电编码器不能适应的工业领域。

但是，磁编码器是基于磁感应原理工作的，磁信号是测量媒介。因此，磁编码器对周围出现的磁性物体或者环境的磁场波动非常敏感，性能下降比较严重，因此在实际使用中受到限制。

发明内容

本发明针对现有的磁编码器存在的对磁性物体和磁场波动敏感的缺陷问题，提出一种基于横向变面积电涡流效应的涡流式绝对编码器及其工作方法，利用线圈在反射导体中产生的电涡流来实现绝对角度和角位置的测量，不仅具有磁编码器的成本低、抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，而且从工作原理上具有对磁性物体和磁场变化不敏感的优良特性，在磁场环境下工作更加稳定和可靠，因而具有更广泛的实用性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供了一种涡流式绝对编码器，包括相对同心且平行布置的一个环形的编码盘和一个环形的读数盘，所述编码盘和读书盘之间设有间距；其中：

所述编码盘的表面设有两个同心的环形码道a，两个环形码道a上分别布置有数量不同的多个反射导体；同一个环形码道a上的多个反射导体具有相同的形状与尺寸，并沿圆周均匀分布，相邻两个反射导体在圆周方向的间隔对应的扇形角称之为该码道的测量波长；由于两个环形码道a上的反射导体数量不同，因此两个环形码道a的测量波长也不同；

所述读数盘的表面设有与编码盘上的两个环形码道a相对应的两个环形码道b，且两个环形码道b与对应的环形码道a的测量波长相同；两个环形码道b上分别布置有四个平面线圈；同一个环形码道b上的四个平面线圈的形状与尺寸相同，四个平面线圈分成两组，每一组中的两个平面线圈在圆周方向的间隔为该码道1/2测量波长的偶数倍，两组平面线圈的圆周方向的间隔为该码道1/4测量波长的奇数倍。

优选地，所述读数盘上还设置有测量电路，所述测量电路与平面线圈形成一体化组件，用于为所有平面线圈提供激励信号，同时获取平面线圈的变化参数并输出相应的电信号，所述电信号用于得出被测角位置。

优选地，所述测量电路采用激励器为平面线圈提供激励信号并直接输出模拟信号；所述激励器的数量与平面线圈的数量相同，其中每个平面线圈分别对应一个激励器，从而可以保证处理过程的高速度。

优选地，所述读数盘上还设置有接口插座，所述接口插座用于外部供电电源的接入和测量结果的输出。

优选地，所述反射导体为金属材质，采用PCB制作方法制备得到或采用机械加工方法制备得到。

优选地，所述平面线圈采用多层PCB制作方法制备得到。

优选地，所述编码盘和读数盘之间的间距为0.5mm。

优选地，所述编码盘和读数盘的外径与内径分别相同或者相近。

根据本发明的另一个方面，提供了一种上述任一项所述的涡流式绝对编码器的工作方法，包括如下步骤：

S1，差动处理：将读数盘上每一组平面线圈中的两个平面线圈激励后输出的模拟信号进行差动处理(即相减)，得到四路差动信号；

S2，计算正切：针对差动处理后得到的四路差动信号，将同一个环形码道b上的两路差动信号进行比值处理，从而分别获得两个环形码道b的正切值；

S3，计算相位：将计算正切后得到的两个正切值分别进行反正切计算，从而得到两个环形码道b的相位值；

S4，计算相位差：将计算相位后得到的两个相位值进行差动计算(即相减)，从而得到两个环形码道b的相位差；

S5，计算角度：将计算相位差后得到的两个环形码道b的相位差乘以固定的常数，得到最终的被测角度值；该常数与两个环形码道b的测量波长之积成正比，与两个环形码道b的测量波长之差成反比，比例系数为1/(2π)。

根据权利要求9所述的涡流式绝对编码器的工作方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S6，通讯输出：将计算角度后得到的被测角度值通过读数盘上设置的接口插座输出到上位机。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明所提供的涡流式绝对编码器及其工作方法，不仅可以实现绝对角度测量，而且具有成本低、抗震动、温度范围宽、对磁性目标与磁场变化不敏感的特性，可以应用于多种复杂和强干扰的环境之中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明实施例中所提供的涡流式绝对编码器组成结构示意图；

图2是本发明实施例中所提供的编码盘组成结构示意图；

图3是本发明实施例中所提供的读数盘组成结构示意图；

图4是本发明实施例中所提供的读数盘与编码盘对应关系示意图；

图5是本发明实施例中所提供的涡流式绝对编码器工作方法总体流程示意图。

图中，1为编码盘，2为读数盘，3-1和3-2为分别为编码盘上的两个环形码道，4 为反射导体，5为平面线圈，6为测量电路，7为接口插座。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

本发明实施例提供了一种涡流式绝对编码器，该涡流式绝对编码器包括一个环形的编码盘和一个环形的读数盘；其中：

所述编码盘和读数盘的外径与内径相同或者接近，相对同心布置，互相平行，相距一个较小的距离，该距离以0.5mm左右为佳；

所述编码盘的表面布置多个反射导体，分布于两个同心的环形码道a之上；同一个环形码道a上的反射导体具有相同的形状与尺寸，沿圆周均匀分布，相邻两个反射导体在圆周方向的间隔对应的扇形角可称之为该码道的测量波长；两个环形码道a的反射导体数量不同，因此两个码道的测量波长也不同；

所述读数盘共设计有八个平面线圈，并分成两组，分布于与编码盘对应的两个同心的环形码道b之上，每个环形码道b上分别布置四个平面线圈；同一个码道上的四个平面线圈的形状与尺寸相同，并且可与编码盘上对应码道的反射导体的形状与尺寸相同，也可以不同；同一个环形码道b上的四个平面线圈又分成两组，每组的两个平面线圈在圆周方向的间隔为该码道1/2测量波长的奇数倍，两组平面线圈的圆周方向的间隔为该码道1/4测量波长的奇数倍。

进一步地，所述反射导体为金属材质，既可以采用PCB工艺制作，也可以采用机械加工工艺制作。

进一步地，所述反射导体的形状可为任意规则形状和尺寸。

进一步地，所述平面线圈采用多层PCB工艺制作。

进一步地，所述平面线圈可为任意规则形状。

进一步地，所述读数盘上还设置有测量电路，与平面线圈形成一体化组件，为所有平面线圈提供激励信号，同时获取平面线圈的变化参数并输出相应的电信号，经过处理与计算得出待测的角度和角位置。

进一步地，所述测量电路采用激励器为平面线圈提供激励信号并直接输出模拟信号；激励器的数量与平面线圈的数量相同，每个平面线圈对应一个激励器，从而可以保证处理过程的高速度。

进一步地，所述读数盘上还设置有接口，用于外部供电电源的接入和测量结果的输出。

本发明实施例同时提供了一种上述涡流式绝对编码器的工作方法，其工作过程包括差动处理、计算正切、计算相位、计算相位差、计算角度以及通讯输出过程。

具体过程如下：

(1)差动处理：

对于读数盘上每一组中的两个平面线圈激励后输出的模拟信号进行差动处理(即相减)，得到四路差动信号，每个码道两路差频信号，可以有效抑制空间点磁场的干扰、改善信号质量、提高测量精度和抗干扰能力。

(2)计算正切：

针对差动处理后得到的四路差动信号，将同一个码道上的两路差动信号进行比值处理，获得该码道的正切信号，即可获得两个码道的两路正切值。

(3)计算相位：

将计算正切后得到的两路正切值分别进行反正切计算，得到两个码道的相位值。

(4)计算相位差：

将计算相位后得到的两个码道的相位值进行差动计算(相减)，从而得到两个码道的相位差。

(5)计算角度：

将计算相位差后得到的两个码道的相位差乘以固定的常数，可以得到最终的被测角度值；该常数与两个码道的测量波长之积成正比，与两个码道的测量波长之差成反比，比例系数为1/(2π)。

(6)通讯输出：

将计算角度后得到的角度值通过接口插座输出到上位机。

下面结合附图对本发明上述实施例作详细说明。

本发明上述实施例中所提供的涡流式绝对编码器，包括一个环形的编码盘1和一个环形的读数盘2组成，如图1所示，其中：

所述的编码盘1和读数盘2的外径与内径相同或者接近，例如外径60mm、内径25mm；编码盘和读数盘相对同心布置，互相平行；编码盘和读数盘相距一个较小的距离，以 0.5mm左右为佳；

所述的编码盘1如图2所示，表面布置多个反射导体4，分布于两个同心的环形码道3-1和3-2之上；同一个环形码道3-1或3-2上的反射导体4具有相同的形状与尺寸，沿圆周均匀分布，相邻两个反射导体4在圆周方向的间隔对应的扇形角称之为测量波长；两个环形码道3-1和3-2上的反射导体数量不同，因此测量波长也不同；例如，假设两个环形码道3-1和3-2的反射导体数量分别为36和35，则两个码道的测量波长分别为λ₁＝10°和λ₂＝10.286°；

所述的读数盘2如图3所示，共设计有八个平面线圈5-1Sp、5-1Sn、5-1Cp、5-1Cn、5-2Sp、5-2Sn、5-2Cp、5-2Cn，并且与编码盘1上的环形码道3-1与3-2相对应地分成两组，每个环形码道3上分别布置四个平面线圈5，其中，5-1Sp、5-1Sn、5-1Cp、5-1Cn 分布于环形码道3-1上，5-2Sp、5-2Sn、5-2Cp、5-2Cn分布于环形码道3-2上；同一个环形码道3上的四个平面线圈5的形状与尺寸相同，并且可与编码盘1上对应码道3的反射导体3的形状与尺寸相同，也可以不同；同一个码道3上的四个线圈5又分成两组，每组的两个相邻平面线圈5在圆周方向的间隔为该环形码道1/2测量波长的奇数倍，两组平面线圈5在圆周方向的间隔为该码道1/4测量波长的奇数倍。例如，平面线圈5-1Sp与5-1Sn、 5-1Cp与5-1Cn在圆周方向的间隔为1/2测量波长λ₁的奇数倍(即为λ₁/2、3λ₁/2、5λ₁/2等)，平面线圈5-2Sp与5-2Sn、5-2Cp与5-2Cn在圆周方向的间隔为1/2测量波长λ₂的奇数倍(例如为λ₂/2、3λ₂/2、5λ₂/2等)；两组平面线圈5-1Sp与5-1Sn、5-1Cp与5-1Cn在圆周方向的间隔为1/4测量波长λ₁的奇数倍(例如λ₁/4、3λ₁/4、5λ₁/4等)，两组平面线圈5-2Sp和5-2Sn、 5-2Cp和5-2Cn在圆周方向的间隔为1/4测量波长λ₂的奇数倍(例如λ₂/4、3λ₂/4、5λ₂/4等)。

在上述实施例中，所述的反射导体4为金属材料，既可以采用PCB工艺制作，利用PCB的覆铜作为反射导体4；也可以采用机械加工工艺制作，利用金属材料通过各种常规机械加工手段形成高低不同的形状。

在上述实施例中，所述的反射导体4的形状可为任意规则形状，例如矩形、扇形、菱形、梯形等，优先考虑扇形形状；所述的反射导体4可为任意尺寸，优先考虑其宽度为该码道测量波长的1/2～3/5为佳。

在上述实施例中，所述的平面线圈5采用多层PCB工艺制作。

在上述实施例中，所述的面线圈5可为任意规则形状，例如矩形、扇形、菱形、梯形等；所述的平面线圈5可为任意尺寸，优先考虑其宽度为该码道测量波长的1/2左右为佳。

在上述实施例中，所述的读数盘2上还设置有测量电路6，用于为所有平面线圈5提供激励信号，同时获取平面线圈5的变化参数、输出相应的电信号。

在上述实施例中，所述的测量电路6采用激励器为平面线圈5提供激励信号并直接输出模拟信号；激励器的数量与平面线圈5的数量相同，每个平面线圈5对应一个激励器，保证处理过程的高速度。

在上述实施例中，所述的读数盘上还设置有接口插座7，用于外部供电电源的接入和测量结果的输出。

本发明上述实施例中所提供的涡流式绝对编码器，其工作方法，包括差动处理、计算正切、计算相位、计算相位差、计算角度以及通讯输出等过程，如图5所示。

具体过程如下：

(1)差动处理：

对于八个平面线圈中的四组平面线圈中的每一组中的两个相邻的平面线圈激励后输出的模拟信号进行差动处理(及直接相减)，得到四路差动信号，每个码道两路差频信号，可以有效抑制空间点磁场的干扰、改善信号质量、提高测量精度和抗干扰能力，即:

ΔW1S＝W1Sp-W1Sn,ΔW1C＝W1Cp-W1Cn

ΔW2S＝W2Sp-W2Sn，ΔW2C＝W2Cp-W2Cn

(2)计算正切：

对差动处理后得到的四路差动信号ΔW1S、ΔW1C、ΔW2S、ΔW2C，将同一个码道上的两路差动信号进行比值处理，从而分别获得两个码道的正切值。即：

Tan1＝ΔW1S/ΔW1C,Tan2＝ΔW2S/ΔW2C

(3)计算相位：

分别将计算正切后得到的两路正切值Tan1和Tan2进行反正切计算，从而分别得到两个码道的相位值。即：

Φ1＝arctan(Tan1)＝arctan(ΔW1S/ΔW1C),

Φ2＝arctan(Tan2)＝arctan(ΔW2S/ΔW2C),

(4)计算相位差：

将计算相位后得到的两路相位值Φ1和Φ2进行差动计算(即直接相减)，从而得到两个码道的相位差。即：

(5)计算角度：

将计算相位差后得到的两个码道的相位差乘以固定的常数k，可以得到最终的被测角度值θ；该常数k与两个码道的测量波长λ1和λ2之积成正比，与两个码道的测量波长λ1和λ2之差成反比，比例系数为1/(2π)。即：

k＝(λ1*λ2)/[2π*(λ1-λ2)]

(6)通讯输出：

将计算角度θ后得到的角度值通过接口插座输出到上位机。

本发明上述实施例提供的涡流式绝对编码器及其工作方法，由一个环形的编码盘和一个环形的读数盘组成，相对同心布置，互相平行，相距一个较小的距离。编码盘表面布置多个反射导体，分布于两个同心的环形码道之上，两个码道的反射体数量不同。读数盘设计有八个平面线圈，分布于两个同心的环形码道之上，每个码道又分成两组，每组内的两个平面线圈间隔为1/2测量波长的偶数倍，两组平面线圈的间隔为1/4 测量波长的奇数倍。平面线圈采用PCB工艺制作，由此可与测量电路形成一体化组件。通过计算两个码道的相位差来获得角度值。本发明上述实施例提供的涡流式绝对编码器及其工作方法，不仅可以实现绝对角度测量，而且具有成本低、抗震动、温度范围宽、对磁性目标与磁场变化不敏感的特性，可以应用于多种复杂和强干扰的环境中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种涡流式绝对编码器，其特征在于：包括相对同心且平行布置的一个环形的编码盘和一个环形的读数盘，所述编码盘和读数盘之间设有间距；其中：

所述编码盘的表面设有两个同心的环形码道a，两个环形码道a上分别布置有数量不同的多个反射导体；同一个环形码道a上的多个反射导体具有相同的形状与尺寸，并沿圆周均匀分布，相邻两个反射导体在圆周方向的间隔对应的扇形角称之为该码道的测量波长；

所述读数盘的表面设有与编码盘上的两个环形码道a相对应的两个环形码道b，且两个环形码道b与对应的环形码道a的测量波长相同；两个环形码道b上分别布置有四个平面线圈；同一个环形码道b上的四个平面线圈的形状与尺寸相同，四个平面线圈分成两组，每一组中的两个平面线圈在圆周方向的间隔为该码道1/2测量波长的偶数倍，两组平面线圈的圆周方向的间隔为该码道1/4测量波长的奇数倍。

2.根据权利要求1所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述读数盘上还设置有测量电路，所述测量电路与平面线圈形成一体化组件，为所有平面线圈提供激励信号，同时获取平面线圈的变化参数并输出相应的电信号，所述电信号用于得出被测角位置。

3.根据权利要求2所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述测量电路采用激励器为平面线圈提供激励信号并直接输出模拟信号；所述激励器的数量与平面线圈的数量相同，其中每个平面线圈分别对应一个激励器。

4.根据权利要求1所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述读数盘上还设置有接口插座，所述接口插座用于外部供电电源的接入和测量结果的输出。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述反射导体为金属材质，采用PCB制作方法制备得到或采用机械加工方法制备得到。

6.根据权利要求1至4中任一项所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述平面线圈采用多层PCB制作方法制备得到。

7.根据权利要求1至4中任一项所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述编码盘和读数盘之间的间距为0.5mm。

8.根据权利要求1至4中任一项所述的涡流式绝对编码器，其特征在于：所述编码盘和读数盘的外径与内径分别相同或者相近。

9.一种权利要求1-8中任一项所述的涡流式绝对编码器的工作方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，差动处理：将读数盘上每一组平面线圈中的两个平面线圈激励后输出的模拟信号进行差动处理，得到四路差动信号；

S2，计算正切：针对差动处理后得到的四路差动信号，将同一个环形码道b上的两路差动信号进行比值处理，从而分别获得两个环形码道b的正切值；

S3，计算相位：将计算正切后得到的两个正切值分别进行反正切计算，从而得到两个环形码道b的相位值；

S4，计算相位差：将计算相位后得到的两个相位值进行差动计算，从而得到两个环形码道b的相位差；

S5，计算角度：将计算相位差后得到的两个环形码道b的相位差乘以固定的常数，得到最终的被测角度值；所述常数与两个环形码道b的测量波长之积成正比，与两个环形码道b的测量波长之差成反比，比例系数为1/(2π)。

10.根据权利要求9所述的涡流式绝对编码器的工作方法，其特征在于：还包括如下步骤：

S6，通讯输出：将计算角度后得到的被测角度值通过读数盘上设置的接口插座输出到上位机。