CN111982164B - 多磁道扇区定位离轴绝对值编码器 - Google Patents
多磁道扇区定位离轴绝对值编码器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，包括外环主磁道和内环辅助磁道，外环主磁道配置多个正弦规律充磁的磁极对及磁阻传感器；多个霍尔开关配置在内环辅助磁道，一个霍尔开关对应一个辅磁道磁极宽度，内环辅助磁道采取方波充磁；霍尔开关与磁阻传感器的相对位置固定，并绕编码器圆心做圆周运动。本发明提供的绝对值编码器通过改进辅助磁道的充磁规律如采取方波充磁技术和磁极数量如辅助磁道磁极数量是主磁道磁极数量的一半，降低了充磁工艺的难度。同时辅助磁道由于采取方波充磁，辅助磁道传感器可以采用抗干扰能力极强的单级数字霍尔传感器，因此大大降低了外界强电磁场的干扰。
Description
技术领域
本发明编码器技术领域，具体涉及一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器。
背景技术
目前离轴绝对值磁编码器有精密条纹磁极宽度疏密不一的单磁道模式和磁极宽度统一的多磁道两种方案。
精密条纹磁极宽度疏密不一的单磁道编码器由于磁极过于精密，造成充磁困难，传感器结构复杂，且成本较高。
磁极宽度统一的多磁道(一般以两个磁道或三个磁道为主)编码器采用的是主磁道比辅助磁道多一个磁极对，且均采用正弦规律充磁的原理，因此主辅磁道的传感器采集出来的信号值在整个圆周内的任意位置都具有唯一的相位差值，从而达到绝对位置编码的目的。该原理由于主辅磁道传感器都采用模拟传感器，信号幅值低，很容易受外界强电磁场的影响，造成相位差计算错误，无法准确真实的反应出具体的绝对位置值，且对机械***加工精度要求高，编码器在实际应用机械***中要严格校准以及绝对固定，但是实际情况中机械***不能完成这几个要求，因此限制了多磁道编码器的应用。
发明内容
本发明提供一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，针对传统的多磁道编码器采用主辅磁道的周期信号相位差来计算绝对位置，传感器识别的磁场是模拟信号，幅值误差非常敏感，传统方法特别不稳定的问题，在传统多磁道编码器的基础上通过设计具有特定数字编码规律的辅磁道结构用来表征主磁道各个磁极对的扇区号，结合磁阻传感器在主磁道上采集并计算得到的相对位置值，即可得到圆周内的绝对位置值数据来准备真实反应出具体的绝对位置值，提高多磁道编码器的应用。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，包括外环主磁道和内环辅助磁道，外环主磁道配置多个正弦规律充磁的磁极对及磁阻传感器；多个霍尔开关配置在内环辅助磁道，一个霍尔开关对应一个辅磁道磁极宽度，内环辅助磁道采取方波充磁；霍尔开关与磁阻传感器的相对位置固定，并绕编码器圆心做圆周运动。
进一步的，辅磁道磁极数是主磁道磁极数的一半，主磁道磁极数范围为2N-1到2N,N为霍尔开关的数量，N取值为正整数，常用数为4、5或6，如N取5时主磁道磁极数量值可以在16到32中取，包括边界值。
磁阻传感器将主磁道表面的磁场强度转换为同频率同幅值正交关系的SIN和COS两个电信号，两个电信号通过三角反正切求得当前信号在单位圆中的角度值，SIN和COS信号周期性的出现，在每一个主磁道磁极对中，由SIN和COS信号得到的角度值范围就构成了一个单位圆，MCU处理主磁道的信号值得到当前磁阻传感器所在磁极对中的相对位置值记为S(度)，如果设法知道当前主磁极对是第几对磁极对，那么就能得到圆周内的绝对位置；
将主磁道的一对磁极对定义为一个扇区,扇区号记为F，并设计辅助磁道一个磁极角度就等于一个主磁道磁极对角度；检测辅助磁道的多个霍尔开关时时检测其对应的辅磁道磁极级性，并传输给MCU，MCU根据辅磁道的编码规则，计算出当前主磁道磁极对的扇区号，进而得到圆周内的当前绝对位置值，当前绝对位置值P＝(磁阻传感器采集到的相对位置值S(度)+主磁道磁极对数的位置分辨率D*扇区号F)/辅磁道磁级数，相对位置值
位置分辨率D＝360度。
由于辅磁道磁极阵列设计的编码格式保证了磁阻传感器没跨越到下一个扇区时都有唯一的一个霍尔开关阵列编码对应，通过查表计算，因此实现了360度圆周的绝对位置编码。
本发明的有益效果：
本发明采用上述技术方案，设计具有特定数字编码规律的新型辅磁道结构用来表征主磁道各个磁极对的扇区号，结合磁阻传感器在主磁道上采集并计算得到的相对位置值和分辨率，得到圆周内的绝对位置值数据，降低了辅助磁道磁极数量，增大磁极宽度，同时由于辅助磁道采用数字霍尔开关，因此大大降低了外界磁场对绝对位置启动定位干扰，确保了绝对位置值的准确性和真实性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案以及本发明的有益效果，下面将对实施方式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方式，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示出的结构获得其他的结构。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明编码器码盘示意图之一。
图3为本发明编码器码盘示意图之二。
具体实施方式
本发明的具体实施例：
如图1-图3所示，本实施例的一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，包括外环主磁道和内环辅助磁道，外环主磁道配置多个正弦规律充磁的磁极对1及磁阻传感器2；多个霍尔开关3配置在内环辅助磁道，一个霍尔开关对应一个辅磁道磁极宽度，内环辅助磁道采取方波充磁；霍尔开关与磁阻传感器的相对位置固定，并绕编码器圆心做圆周运动。
辅磁道磁极数是主磁道磁极数的一半，主磁道磁极数范围为2N-1到2N,N为霍尔开关的数量，本实施例N取值4、5或6，如N取5时主磁道磁极数值可以在16到32中取，包括边界值。
一种绝对值编码器的绝对位置值的确定方法包括以下步骤：
磁阻传感器将主磁道表面的磁场强度转换为同频率同幅值正交关系的SIN和COS两个电信号，两个电信号通过三角反正切求得当前信号在单位圆中的角度值，SIN和COS信号周期性的出现，在每一个主磁道磁极对中，由SIN和COS信号得到的角度值就构成了一个单位圆，MCU处理主磁道的信号值得到当前磁阻传感器所在磁极对中的相对位置值记为S(度)，如果设法知道当前主磁极对是第几对磁极对，那么就能得到圆周内的绝对位置；
将主磁道的一对磁极对定义为一个扇区,扇区号记为F，并设计辅助磁道一个磁极角度就等于一个主磁道磁极对角度；检测辅助磁道的多个霍尔开关时时检测其对应的辅磁道磁极级性，并传输给MCU，MCU根据辅磁道的编码规则，得出当前主磁道磁极对的扇区号，扇区号根据前述霍尔开关在辅助磁道旋转中采样的电平组合表中定义，扇区号的数量为2的N次方，N为4和N为5的扇区号与电平信号关系分别参见表1和表2，编码格式数据中0和1表示磁极的不同级性，0表示磁极的南极，1就表示磁极的北极，也可以是1表示磁极的南极，那么0就表示磁极的北极，最终当前绝对位置值通过下述公式计算得出，当前绝对位置值P＝(磁阻传感器采集到的相对位置值S(度)+主磁道磁极对数的位置分辨率D*扇区号F)/辅助磁道磁极数(公式一)，其中相对位置值
位置分辨率D＝360度。
表1
表2
由于辅磁道磁极阵列设计的编码格式保证了磁阻传感器每跨越到下一个扇区时都有唯一的一个霍尔开关阵列编码对应，通过查表计算，因此实现了360度圆周的绝对位置编码。
以N＝5为例，如附图1所示磁阻传感器和5霍尔开关霍尔开关为编码器读头的传感器组，它们相对位置固定，并绕编码器圆心做圆周运动，当旋转到附图1中的位置时，霍尔开关对应的辅磁道磁极记为0 0 0 0 0，表征磁阻传感器在第0扇区，因此根据公式一得出当前绝对位置P等于磁阻传感器采集到的相对位置值S；继续旋转，霍尔开关对应的辅磁道磁极为0 0 0 0 1，表征磁阻传感器在第1扇区，根据公式一以及MCU处理主磁道的信号值得到当前磁阻传感器所在磁极对中的相对位置值记为S即可得到绝对位置值。
本发明绝对值编码器通过改进辅助磁道的充磁规律(采取方波充磁技术)和磁极数量(辅助磁道磁极数量是主磁道磁极数量的一半)，降低了充磁工艺的难度。同时辅助磁道由于采取方波充磁，辅助磁道传感器可以采用抗干扰能力极强的单级数字霍尔传感器，因此大大降低了外界强电磁场的干扰；通过精心设计的具有特定数字编码规律的新型辅磁道结构用来表征主磁道各个磁极对的扇区号，结合磁阻传感器在主磁道上采集并计算得到的相对位置值和分辨率，即可得到圆周内的绝对位置值数据，本发明通过扇区定位原理，用于绝对位置定位，确保了绝对位置值的准确性和真实性。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (3)
1.一种多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，其特征在于，包括外环主磁道和内环辅助磁道，外环主磁道配置多个正弦规律充磁的磁极对及磁阻传感器；多个霍尔开关配置在内环辅助磁道，一个霍尔开关对应一个辅磁道磁极宽度，内环辅助磁道采取方波充磁；霍尔开关与磁阻传感器的相对位置固定，并绕编码器圆心做圆周运动，该绝对值编码器的绝对值位置值的计算包括以下步骤：将主磁道的一对磁极对定义为一个扇区,扇区号记为F，并设计辅助磁道一个磁极角度就等于一个主磁道磁极对角度；检测辅助磁道的多个霍尔开关时检测其对应的辅磁道磁极极性，并传输给MCU，MCU根据辅磁道的编码规则，得出当前主磁道磁极对的扇区号，扇区号的数量为2的N次方；绝对位置值P通过下述公式计算得出，绝对位置值P＝(磁阻传感器采集到的相对位置值S(度)+主磁道磁极对数的位置分辨率D*扇区号F)/辅助磁道磁极数，其中相对位置值
(度)，位置分辨率D＝360度,磁阻传感器将主磁道表面的磁场强度转换为同频率同幅值正交关系的SIN和COS两个电信号，两个信号通过三角反正切就可求得当前信号在单位圆中的角度值。
2.根据权利要求1所述的多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，其特征在于，辅磁道磁极数是主磁道磁极数的一半，辅磁道磁极数范围为2N-1到2N，N为霍尔开关的数量，N取值为正整数。
3.根据权利要求2所述的多磁道扇区定位离轴绝对值编码器，其特征在于，N取值为4、5或6。
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