CN111811546A - 一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法 - Google Patents

Abstract

一种通电线圈产磁式磁电编码器***及其解算方法，它涉及磁电编码器制造领域。本发明包括主要磁电编码器、汇流环、电机。本发明通过安装在霍尔解算板上的电源给线圈供电，产生轴向磁场，进而安装在霍尔板上三路相隔为120°绕组就感应到磁场的变化并转化为电压的值，通过数模转化解算出通电线圈转过的角度，并且将其投影到垂直二维坐标轴，就可以精确的计算出电机主轴转过的角度。通过此结构设计出的编码器，用通电的铜线圈替代霍尔元件，能减小温漂的影响，工作更加稳定。

Description

一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法

技术领域

本发明涉及一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，属于磁电编码器制造领域。

背景技术

磁电编码器是一种测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件等传感器对磁性材料的角度或者位移进行测量，磁性材料的角度或者位移的变化会引起电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，从而达到测量的目的。磁电编码器具有抗振动、抗腐蚀、抗污染、抗干扰和宽温度的特性，因此，可广泛应用于工业控制、机械制造、船舶、纺织、印刷、航空、航天、雷达、通讯、军工等领域。

常用的测量角度的传统磁电编码器一般包括定子、转子、永久磁铁、霍尔传感器和信号处理板。永久磁铁粘接在转子上，霍尔传感器固定在信号处理板上。在单对极磁钢的作用下，编码器信号解算板上的2个霍尔元件上产生相位相差90°的电压信号，通过模数转换就可以转换为标准的数字量，最后进行角度的正切值计算便可以得到当前的角度值。

然而，在实际工作环境中，因为环境振动或温度过高等问题常出现磁编码器信号解算板毁坏现象，而且霍尔板上的霍尔元件多数都是集成芯片，磁敏感系数会随着温度的变化的而变化，产生温漂现象，最终导致编码器无法正常工作。针对该问题本发明提出了一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，选用通电线圈等代替磁钢产生轴向磁场，编码器信号解算板上的绕组会代替集成的霍尔元件感应相应的磁场变化，消除了由于温漂现象带来的解算不准确的情况而且产生的轴向磁场更加稳定，提高了控制***的可靠性。

发明专利内容

针对上述问题，本发明提出了一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，本发明解决其技术问题的解决方案为：

一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，本方法应用于通电线圈产磁式磁电编码器；

一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一、解算角度值：

编码器信号解算板上的供电电源供电后，供电电源正极、供电电源负极与汇流环的外圈电源正极和外圈电源负极导线连接，汇流环的外圈导电环a1、外圈导电环b1与汇流环的内圈导电环c1接触，汇流环的外圈导电环a2、外圈导电环b2与汇流环的内圈导电环c2接触，内圈导电环c1、内圈导电环c2带电，内圈导电环c1、内圈导电环c2与线圈导线连接，因此线圈通电，电机转轴转动，线圈与电机转轴胶接，从而线圈转动，线圈产生轴向磁场，线圈与汇流环的内圈胶接，汇流环内圈转动，汇流环外圈导电环a1、外圈导电环b1与内圈导电环c1间隙配合，汇流环外圈导电环a2、外圈导电环b2与内圈导电环c2间隙配合，因此汇流环的外圈a、外圈b静止，编码器信号解算板与汇流环的外圈a、外圈b胶接，因此编码器信号解算板静止，而绕组a、绕组b、绕组c与编码器信号解算板焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM与编码器信号解算板焊锡焊接，绕组a、绕组b、绕组c会产生三相相位相差120°的电压信号，将三相电压信号VA、VB、VC投影到直角坐标轴，投影公式如式(1)所示：

进而得到两个角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算式如式(2)所示：

将单对极角度值θ₁存储在外部存储芯片EEPROM内；

步骤二、角度值的输出判断：

当编码器转子随电机转轴转动时，线圈同步转动，线圈内导线通入电流，产生空间旋转磁场，磁场与三相绕组a、绕组b、绕组c切割，产生感应电压，当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对运动时，会产生三相电压信号，此时VA、VB、VC不等于0，直接使用计算得到的单对极角度值θ₁作为角度值输出；

当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对静止时，不会产生三相电压信号，此时三相电压信号VA、VB、VC等于0，此时直接读取外部存储芯片EEPROM内的单对极角度值θ₁作为角度值输出。

本发明的有益效果是：

1.采用三个角度值相差120°的绕组代替集成霍尔元件，解决了霍尔器件易受温度影响的问题，提高了编码器的可靠性和稳定性，消除了由于温度变化造成的磁敏感系数波动的情况，该种编码器可靠的工作性能使其十分适用于工作环境复杂的军民航天工业领域中。

2.采用通电线圈代替磁钢，降低了由于电机长时间运行后，温度升高产生的热障冷缩使永磁体炸裂的现象，消除了磁钢由于温度过高造成退磁导致磁电编码器失效的隐患。

3.忽略传统磁电编码器永磁体与霍尔表面气隙距离的影响，铜线圈产生的电流是可以控制的，使得磁电编码器的结构设计更加灵活，通电线圈式永磁体更加可靠。

附图说明

为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。

附图1：本发明的整体结构示意图；

附图2：本发明的整体结构拆分示意图；

附图3：本发明的霍尔板部分示意图；

附图4：本发明的汇流环结构拆分示意图；

附图5：三相电压信号VA、VB、VC的波形图；

附图6：三相电压信号投影到直角坐标系的波形图；

附图7：单对极角度值波形图；

图中：1、磁电编码器；2、汇流环；3、电机；1-1、编码器信号解算板；1-2、绕组a；1-3、绕组b；1-4、绕组c；1-5、供电电源正极；1-6、供电电源负极；1-7、线圈；2-1、外圈a；2-2、外圈b；2-3、内圈；2-4、内圈电源正极；2-5、内圈电源负极；2-6、钢柱；2-7、外圈电源正极；2-8、外圈电源负极；2-9、外圈导电环a1；2-10、外圈导电环a2；2-11、外圈导电环b1；2-12、外圈导电环b2；2-13、内圈导电环c1；2-14、内圈导电环c2；3-1、转轴；3-2、电机主体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。

如图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7所示，本具体实施方式采用以下技术方案：

所述的通电线圈产磁式磁电编码器，由磁电编码器1、汇流环2、电机3三部分组成，所述的磁电编码器1的编码器信号解算板1-1与汇流环2的外圈a 2-1和外圈b 2-2胶接，磁电编码器1的供电电源正极1-5与汇流环2的外圈电源正极2-7导线连接，磁电编码器1的供电电源负极1-6与汇流环2的外圈电源负极2-8导线连接，磁电编码器1的线圈1-7与电机3的转轴3-1胶接，汇流环2的内圈电源正极2-4、内圈电源负极2-5与磁电编码器1的线圈1-8导线连接；所述的磁电编码器1包括：编码器信号解算板1-1、绕组a 1-2、绕组b 1-3、绕组c 1-4、供电电源正极1-5、供电电源负极1-6、外部存储芯片EEPROM 1-7、线圈1-8，其中绕组a 1-2、绕组b 1-3、绕组c 1-4与编码器信号解算板1-1焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM 1-7与编码器信号解算板1-1焊锡焊接，供电电源正极1-5、供电电源负极1-6与编码器信号解算板1-1焊锡焊接；所述的汇流环2包括：外圈a 2-1、外圈b 2-2、内圈2-3、内圈电源正极2-4、内圈电源负极2-5、钢柱2-6、外圈电源正极2-7、外圈电源负极2-8、外圈导电环a12-9、外圈导电环a22-10、外圈导电环b1 2-11、外圈导电环b2 2-12、内圈导电环c1 2-13、内圈导电环c22-14，其中外圈a 2-1、外圈b 2-2与钢柱2-6铰制孔连接，外圈a 2-1与外圈b 2-2间隙配合组成汇流环外圈，内圈电源正极2-4、内圈电源负极2-5与内圈2-3焊接，外圈电源正极2-7与外圈a 2-1焊接、外圈电源负极2-8与外圈b 2-2焊接，外圈导电环a1 2-9、外圈导电环b1 2-11与内圈导电环c1 2-13间隙配合，外圈导电环a2 2-10、外圈导电环b22-12与内圈导电环c2 2-14间隙配合；所述的电机3包括：转轴3-1、电机主体3-2，其中电机主体3-2与转轴3-1轴承连接；

编码器信号解算板1-1上的供电电源供电后，供电电源正极1-5、供电电源负极1-6与汇流环2的外圈电源正极2-7和外圈电源负极2-8导线连接，汇流环2的外圈导电环a1 2-9、外圈导电环b1 2-11与汇流环2的内圈导电环c1 2-13接触，汇流环2的外圈导电环a2 2-10、外圈导电环b2 2-12与内圈导电环c2 2-14接触，内圈导电环c1 2-13、内圈导电环c2 2-14带电，内圈导电环c1 2-13、内圈导电环c2 2-14与线圈1-8导线连接，因此线圈1-7通电，电机转轴3-1转动，线圈1-8与电机转轴3-1胶接，从而线圈1-8转动，线圈1-7产生轴向磁场，线圈1-8与汇流环的内圈2-3胶接，汇流环2内圈2-3转动，汇流环2外圈导电环a1 2-9、外圈导电环b1 2-11与内圈导电环c1 2-13间隙配合，汇流环2外圈导电环a2 2-10、外圈导电环b22-12与内圈导电环c2 2-14间隙配合，因此汇流环2的外圈a 2-1、外圈b 2-2静止，编码器信号解算板1-1与汇流环2的外圈a 2-1、外圈b 2-2胶接，因此汇流环2静止，而绕组a 1-2、绕组b 1-3、绕组c 1-4与编码器信号解算板1-1焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM与编码器信号解算板焊锡焊接，绕组a 1-2、绕组b 1-3、绕组c 1-4会产生三相相位相差120°的电压信号，将三相电压信号投影到垂直的坐标轴，进而得到两个角度值信号A+、A-，编码器信号解算板1-1对角度值模拟信号进行模数转换，得到角度值数字信号；

综上，实现通电式磁电编码器的解算。

一种通电线圈式磁电编码器及其解算方法，本方法应用于一种通电线圈式磁电编码器；

一种通电线圈式磁电编码器及其解算方法，所述方法的具体实现过程为：

步骤一、解算角度值：

编码器信号解算板1-1上的供电电源供电后，供电电源正极、供电电源负极与汇流环的外圈电源正极和外圈电源负极导线连接，汇流环的外圈导电环a1、外圈导电环b1与汇流环的内圈导电环c1接触，汇流环的外圈导电环a2、外圈导电环b2与汇流环的内圈导电环c2接触，内圈导电环c1、内圈导电环c2带电，内圈导电环c1、内圈导电环c2与线圈导线连接，因此线圈通电，电机转轴转动，线圈与电机转轴胶接，从而线圈转动，线圈产生轴向磁场，线圈与汇流环的内圈胶接，汇流环内圈转动，汇流环外圈导电环a1、外圈导电环b1与内圈导电环c1间隙配合，汇流环外圈导电环a2、外圈导电环b2与内圈导电环c2间隙配合，因此汇流环的外圈a、外圈b静止，编码器信号解算板与汇流环的外圈a、外圈b胶接，因此编码器信号解算板静止，而绕组a、绕组b、绕组c与编码器信号解算板焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM与编码器信号解算板焊锡焊接，绕组a、绕组b、绕组c会产生三相相位相差120°的电压信号，如图5所示，将三相电压信号VA、VB、VC投影到直角坐标轴，投影公式如式(1)所示：

进而得到两个角度值信号A+、A-，如图6所示，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，如图7所示，解算式如式(2)所示：

将单对极角度值θ₁存储在外部存储芯片EEPROM内；

步骤二、角度值的输出判断：

当编码器转子随电机转轴转动时，线圈同步转动，线圈内导线通入电流，产生空间旋转磁场，磁场与三相绕组a、绕组b、绕组c切割，产生感应电压，当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对运动时，会产生三相电压信号，此时VA、VB、VC不等于0，直接使用计算得到的单对极角度值θ₁作为角度值输出；

当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对静止时，不会产生三相电压信号，此时三相电压信号VA、VB、VC等于0，此时直接读取外部存储芯片EEPROM内的单对极角度值θ₁作为角度值输出。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种通电线圈产磁式磁电编码器及其解算方法，本方法应用于一种通电线圈产磁式磁电编码器，通电线圈产磁式磁电编码器由磁电编码器(1)、汇流环(2)、电机(3)三部分组成，所述的磁电编码器(1)的编码器信号解算板(1-1)与汇流环(2)的外圈a(2-1)和外圈b(2-2)胶接，磁电编码器(1)的供电电源正极(1-5)与汇流环(2)的外圈电源正极(2-7)导线连接，磁电编码器(1)的供电电源负极(1-6)与汇流环(2)的外圈电源负极(2-8)导线连接，磁电编码器(1)的线圈(1-8)与电机(3)的转轴(3-1)胶接，汇流环(2)的内圈电源正极(2-4)、内圈电源负极(2-5)与磁电编码器(1)的线圈(1-8)导线连接；所述的磁电编码器(1)包括：编码器信号解算板(1-1)、绕组a(1-2)、绕组b(1-3)、绕组c(1-4)、供电电源正极(1-5)、供电电源负极(1-6)、外部存储芯片EEPROM(1-7)、线圈(1-8)、，其中绕组a(1-2)、绕组b(1-3)、绕组c(1-4)与编码器信号解算板(1-1)焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM(1-7)与编码器信号解算板(1-1)焊锡焊接，供电电源正极(1-5)、供电电源负极(1-6)与编码器信号解算板(1-1)焊锡焊接；所述的汇流环(2)包括：外圈a(2-1)、外圈b(2-2)、内圈(2-3)、内圈电源正极(2-4)、内圈电源负极(2-5)、钢柱(2-6)、外圈电源正极(2-7)、外圈电源负极(2-8)、外圈导电环a1(2-9)、外圈导电环a2(2-10)、外圈导电环b1(2-11)、外圈导电环b2(2-12)、内圈导电环c1(2-13)、内圈导电环c2(2-14)，其中外圈a(2-1)、外圈b(2-2)与钢柱(2-6)铰制孔连接，外圈a(2-1)与外圈b(2-2)间隙配合组成汇流环外圈，内圈电源正极(2-4)、内圈电源负极(2-5)与内圈(2-3)焊接，外圈电源正极(2-7)与外圈a(2-1)焊接、外圈电源负极(2-8)与外圈b(2-2)焊接，外圈导电环a1(2-9)、外圈导电环b1(2-11)与内圈导电环c1(2-13)间隙配合，外圈导电环a2(2-10)、外圈导电环b2(2-12)与内圈导电环c2(2-14)间隙配合；所述的电机(3)包括：转轴(3-1)、电机主体(3-2)，其中机主体(2-3)与转轴(2-2)轴承连接；

其特征在于：所述方法的具体实施过程为：

步骤一、解算角度值：

编码器信号解算板1-1上的供电电源供电后，供电电源正极、供电电源负极与汇流环的外圈电源正极和外圈电源负极导线连接，汇流环的外圈导电环a1、外圈导电环b1与汇流环的内圈导电环c1接触，汇流环的外圈导电环a2、外圈导电环b2与汇流环的内圈导电环c2接触，内圈导电环c1、内圈导电环c2带电，内圈导电环c1、内圈导电环c2与线圈导线连接，因此线圈通电，电机转轴转动，线圈与电机转轴胶接，从而线圈转动，线圈产生轴向磁场，线圈与汇流环的内圈胶接，汇流环内圈转动，汇流环外圈导电环a1、外圈导电环b1与内圈导电环c1间隙配合，汇流环外圈导电环a2、外圈导电环b2与内圈导电环c2间隙配合，因此汇流环的外圈a、外圈b静止，编码器信号解算板与汇流环的外圈a、外圈b胶接，因此编码器信号解算板静止，而绕组a、绕组b、绕组c与编码器信号解算板焊锡焊接，外部存储芯片EEPROM与编码器信号解算板焊锡焊接，绕组a、绕组b、绕组c会产生三相相位相差120°的电压信号，将三相电压信号VA、VB、VC投影到直角坐标轴，投影公式如式(1)所示：

进而得到两个角度值信号A+、A-，编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ₁，解算式如式(2)所示：

将单对极角度值θ₁存储在外部存储芯片EEPROM内；

步骤二、角度值的输出判断：

当编码器转子随电机转轴转动时，线圈同步转动，线圈内导线通入电流，产生空间旋转磁场，磁场与三相绕组a、绕组b、绕组c切割，产生感应电压，当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对运动时，会产生三相电压信号，此时VA、VB、VC不等于0，直接使用计算得到的单对极角度值θ₁作为角度值输出；

当线圈与三相绕组a、绕组b、绕组c相对静止时，不会产生三相电压信号，此时三相电压信号VA、VB、VC等于0，此时直接读取外部存储芯片EEPROM内的单对极角度值θ₁作为角度值输出。

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