CN114858192A - 一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及于一种基于双轮结构的双霍尔磁电编码器及其角度解算方法，包括：一种新型编码器结构，用转子上的凸轮、特型齿轮结构和与定子保持静止的磁场发生器替代传统编码器的永磁体转子结构。对凸轮、特型齿轮霍尔传感器对角度值信号进行测量，模数转换器对霍尔信号进行模数转换，通过凸轮角度计算模块和齿轮角度计算模块获得凸轮角度值和特型齿轮角度值；利用凸轮角度值获取转子得绝对角度位置θA，利用特型齿轮角度值θB与θA对应关系进行角度细分，得到细分后角度值θ2seg输出，本发明能够有效解决由于磁电编码器因永磁体材料特征和形状特征引起的设备不可靠问题和精度无法保证问题，并在改进结构的基础上提出了一种角度解算方法。

Description

一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法
技术领域：
本发明涉及一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度结算方法，属于磁电编码器制造技术领域。
背景技术：
编码器是将信号或数据进行编制，转换为可用以通讯，传输和存储的信号形式的设备，在高新技术领域如：机械、军工、精密光学仪器、航天航空等都有很重要的作用。当前市场上的最常见的编码器时光电编码器和磁电编码器。相对于光电编码器，磁电编码器可以在更加恶劣的环境中工作，但是磁电编码器分辨率难以提高。传统的磁电编码器主要由永磁体和组成常用的磁电编码器结构通常包括定子、转子和磁敏元件，转子上固定有永磁体，形成磁路***。永磁体随着转子旋转，在旋转过程中形成旋转的磁场信号，磁电编码器信号检测板相对于电机定子处于静止状态，通过信号检测板上的磁敏元件对变化的磁场信号进行采集，通过信号处理解算得到当前转子角度位置，磁敏元件能够通过霍尔效应或磁阻效应感应由永磁体旋转运动造成的空间磁场变化，由磁敏元件采集空间内磁场变化信号得到电压变化信号，通过数模转换得到数字信号。在此基础上，传统磁电编码器为了提高磁电编码器角度值分辨率，还会采用单对极磁钢与多对极磁钢组合的方式提高角度值分辨率，多对极磁钢旋转一周产生多周期信号磁场，单对极磁钢旋转一周产生单周期磁场。通过单周期磁场确定当前角度值的绝对位置，多对极产生的角度值信号对单对极信号解算得到的角度值进行角度细分，从而提高角度值分辨率。
而传统的磁电编码器有些不足和问题，传统磁电编码器转子通常采用的永磁体的是由稀土材料烧制和粘接而成，在运行过程中易碎，掉落的碎片有粘在转子上的可能，结构不可靠。且由于转子的旋转产生的高温，贴于转子表面的永磁体易出现退磁的现象。同时，在制造技术上传统的磁电编码器转子上有多块的永磁体，无法保证每块永磁体充磁成都相同，造成了磁场发生源不唯一，从而导致磁电编码器的测量误差。
针对上述问题，本发明提出了一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法。
发明内容
针对上述问题，本发明要解决的技术问题是提供一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法及其角度解算方法，旨在解决由于磁电编码器永磁体特性造成的编码器不可靠问题和制造精度不好控制的问题。通过设计一种新结构来提高磁电编码器精度，并提出基于此结构的磁电编码器角度解算方法。
上述目的主要通过以下方案实现：
本发明公布了一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法及其角度解算方法。
包括：
1.一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法整体结构
它包括编码器主体(1)，磁感应传感器(2)两部分，所述的编码器主体(1)与磁感应传感器(2)通过可拆卸插拔连接，所述的编码器主体(1)，它包括端盖(1-1)，壳身(1-2)，转轴(1-3)，凸轮(1-4)，轴承a(1-5)，轴承b(1-6)，特型齿轮(1-7)，其中，壳身(1-1)与端盖(1-2)螺钉连接，凸轮(1-4)与特型齿轮(1-7)，所述的磁感应传感器(2)，它包括磁感应传感器传感器外壳(2-1)，磁场接收器a(2-2)，隔磁板a(2-3)，电磁体(2-4)，隔磁板b(2-5)，磁场接收器b(2-6)，导线(2-7)，其中，磁场接收器a(2-2)由相同结构组成,它包括线性霍尔传感器a(2-2-1)，编码器信号解算板a(2-2-2)，解算板支架a(2-2-3)组成，磁场接收器b(2-6)由线性霍尔元件b(2-6-1)，单片机(2-6-2)，编码器信号解算板b(2-6-3)，LDO电源芯片(2-6-4)，解算板支架b(2-6-5)组成，线性霍尔元件a(2-2-1)由锡焊接在编码器信号解算板a(2-2-1)，编码器信号解算板a(2-2-2)与解算板支架(2-2-3)胶接、线性霍尔元件b(2-6-1)和单片机(2-6-2)，LDO电源芯片(2-6-4)由锡焊接在编码器信号解算板b(2-6-3)上，编码器信号解算板b(2-6-3)与解算板支架(2-6-5)胶接。所述凸轮(1-4)的外轮廓线型圆心半径逐渐线性增加从r1线性增加到rn的外轮廓，所述特型齿轮(1-7)齿数为16，每个轮齿上的圆弧圆心在齿根圆上半径从r1线性增加到rn。
2.一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法的角度解算方法：
步骤一：采集信号霍尔数字信号，具体过程如下：
电磁线圈(2-4)作为磁场发生源通电产生垂直于电磁线圈方向的磁场，凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)选用了导磁性铁作为材料，编码器轴会随电机轴转动带动磁化后的凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)转动，转动过程中两轮的轮齿与线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)之间的距离会发生变化，线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场密度也会发生变化，进而线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场强度发生变化，当两者间的间距减小时，磁场强度变强，当两者间的间距增大时，磁场强度变弱，从而使两个线性霍尔元件检测到磁场场强发生变化，由于两轮外轮廓半径是逐渐增加且采用的霍尔类型采用线性霍尔器件，因此两者间的磁场强度也是线性变化的，在齿轮在转动过程中霍尔输出线性变化的电压信号，采集线性霍尔元件a(2-2-1)角度数值信号A用于确定绝对位置，线性霍尔元件b(2-6-1)角度数值信号B用于进行位置细分提高分辨率；采样获取两个霍尔电压模拟信号VA和VB；电压模拟信号VA和VB经过编码器信号处理板上单片机的模数转换模块得到两霍尔数字信号DA和DB；
步骤二：计算绝对位置和特型齿轮(1-7)细分前角度数值
对凸轮(1-4)进行过零点位置标定，电压最大值点的数字信号为DAMAX，对应的角度数值为KMAX，电压最小值点为DAMIN，对应的角度数值为0，对特型齿轮(1-7)进行过零点位置进行标定，电压最大值点的数字信号为DBMAX，对应的角度数值为，电压最小值点为DBMIN，对应的角度数值为0，利用线性插值解算凸轮(1-4)当前绝对角度数值为θA，特型齿轮(1-7)细分前角度数值θB
Figure BDA0003550765950000041
Figure BDA0003550765950000042
步骤三：对特型齿轮(1-7)角度数值θB进行角度细分
根据步骤二得到的绝对位置，即凸轮(1-4)角度数值θA，和特型齿轮(1-7)角度数值θB的绝对映射关系并进行角度细分，具体过程如下：
凸轮(1-4)角度数值θA，特型齿轮(1-7)角度数值θB的范围均为[0,KMAX]，电机轴旋转一周，凸轮(1-4)角度数值从0到KMAX数值变化一次，特型齿轮(1-7)角度数值θB从0到KMAX数值变化16次，将当前时刻凸轮(1-4)角度数值记为θAi，特型齿轮(1-7)角度数值θBi对应记录并存储在单片机内存中；对于特型齿轮(1-7)旋转一周发生16次过零点，因此需要记录16个过零点对应的凸轮(1-4)角度数值，依据凸轮(1-4)角度数值θAi记录数据及判断当前特型齿轮(1-7)角度数值θBi所处的第几个齿位，假设特型齿轮(1-7)处在第i个齿位，此时细分后的特型齿轮(1-7)角度数值θBseg(i)为
θBseg(i)＝θBi+(i-1)×KMAX (3)此时细分后多对极角度数值θ2seg的角度数值变化范围在[0，KMAX*16]，此时角度数值分辨率得到提高，从初始的角度数值变化范围[0，KMAX]变化到[0，KMAX*16]。
本发明的有益效果为：
1、结构安全可靠，运行当中不易碎裂。大大提高了编码器在运行过程中的可靠性，有效避免了传统编码器因转子运行高温导致永磁体表现物质脱落导致的运行不可靠问题。
2、磁场信号发射源唯一，能够保证磁场信号的唯一性及准确性。
2、避免了传统磁电编码器永磁体充磁不均匀导致的信号源不唯一问题，且本发明的信号精度可以通过机械加工精度控制。
3、采用电磁线圈作为磁场发生源，发出的磁场强度大小可以调解，使用时更加灵活，相对于固定位置的永磁体，本发明能够有效解决实际应用中出现的由于磁场强度过大导致的线霍尔原件饱和导致的测量时出现错误问题。
4、采用单周期确定绝对位置，多周期进行角度细分的角度结算方法，提高编码器分辨率。
附图说明：
附图1为一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法整体结构图；
附图2为编码器主体细分结构图；
附图3为磁感应传感器结构图；
附图4为磁场接收器a及磁场接收器b细分结构图；
附图5为本发明所述编码器角度解算原理图；
附图6为凸轮与齿轮角度数值图；
附图7为角度细分后角度数值图；
附图8为凸轮的正视图；
附图9为特型齿轮的正视图；
具体实施方案
下面结合附图详细说明本发明的具体实施方式。
在此记载的具体实施方式/实施例为本发明的特定的具体实施方式，用于说明本发明的构思，均是解释性和示例性的，不应解释为对本发明实施方式及本发明范围的限制。除在此记载的实施例外，本领域技术人员还能够基于本申请权利要求书和说明书所公开的内容采用显而易见的其它技术方案，这些技术方案包括采用对在此记载的实施例的做出任何显而易见的替换和修改的技术方案，都在本发明的保护范围之内。
角度解算方法如图5所示：
步骤一：采集信号霍尔数字信号，具体过程如下：
电磁线圈(2-4)作为磁场发生源通电产生垂直于电磁线圈方向的磁场，凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)选用了导磁性铁作为材料，编码器轴会随电机轴转动带动磁化后的凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)转动，转动过程中两轮的轮齿与线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)之间的距离会发生变化，线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场密度也会发生变化，进而线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场强度发生变化，当两者间的间距减小时，磁场强度变强，当两者间的间距增大时，磁场强度变弱，从而使两个线性霍尔元件检测到磁场场强发生变化，由于两轮外轮廓半径是逐渐增加且采用的霍尔类型采用线性霍尔器件，因此两者间的磁场强度也是线性变化的，在齿轮在转动过程中霍尔输出线性变化的电压信号，采集线性霍尔元件a(2-2-1)角度数值信号A用于确定绝对位置，线性霍尔元件b(2-6-1)角度数值信号B用于进行位置细分提高分辨率；采样获取两个霍尔电压模拟信号VA和VB；电压模拟信号VA和VB经过编码器信号处理板上单片机的模数转换模块得到两霍尔数字信号DA和DB；
步骤二：计算绝对位置和特型齿轮(1-7)细分前角度数值
对凸轮(1-4)进行过零点位置标定，电压最大值点的数字信号为DAMAX，对应的角度数值为KMAX，电压最小值点为DAMIN，对应的角度数值为0，对特型齿轮(1-7)进行过零点位置进行标定，电压最大值点的数字信号为DBMAX，对应的角度数值为，电压最小值点为DBMIN，对应的角度数值为0，利用线性插值解算凸轮(1-4)当前绝对角度数值为θA，特型齿轮(1-7)细分前角度数值θB
Figure BDA0003550765950000071
Figure BDA0003550765950000072
步骤三：对角度数值θB进行角度细分
根据步骤二得到的绝对位置，即凸轮(1-4)角度数值θA，和特型齿轮(1-7)角度数值θB的绝对映射关系并进行角度细分，具体过程如下：
凸轮(1-4)角度数值θA，特型齿轮(1-7)角度数值θB的范围均为[0，KMAX]，电机轴旋转一周，凸轮(1-4)角度数值从0到KMAX数值变化一次，特型齿轮(1-7)角度数值θB从0到KMAX数值变化16次，将当前时刻凸轮(1-4)角度数值记为θAi，特型齿轮(1-7)角度数值θBi对应记录于表1并存储在单片机内存中；如图6所示对于特型齿轮(1-7)旋转一周发生16次过零点，因此需要记录16个过零点对应的凸轮(1-4)角度数值，依据凸轮(1-4)角度数值θAi记录数据及判断当前特型齿轮(1-7)角度数值θBi所处的第几个齿位，假设特型齿轮(1-7)处在第i个齿位，此时细分后的特型齿轮(1-7)角度数值θBseg(i)为
θBseg(i)＝θBi+(i-1)×KMAX (3)
此时细分后多对极角度数值θ2seg的角度数值变化范围在[0，KMAX*16]，此时角度数值分辨率得到提高，从初始的角度数值变化范围[0，KMAX]变化到[0，KMAX*16]。
表1
θ<sub>i</sub> θ<sub>Ai</sub> θ<sub>Bi</sub>
θ<sub>1</sub> θ<sub>A1</sub> θ<sub>B2</sub>
…… …… ……
θ<sub>16</sub> θ<sub>A16</sub> θ<sub>B16</sub>
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 (2)

1.一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度解算方法，包括编码器主体(1)，磁感应传感器(2)两部分，其特征在于所述的编码器主体(1)与磁感应传感器(2)通过可拆卸插拔连接，所述的编码器主体(1)，它包括端盖(1-1)，壳身(1-2)，转轴(1-3)，凸轮(1-4)，轴承a(1-5)，轴承b(1-6)，特型齿轮(1-7)，其中，壳身(1-1)与端盖(1-2)螺钉连接，凸轮(1-4)与特型齿轮(1-7)，所述的凸轮(1-4)与特型齿轮(1-7)的材料为导磁性良好的铁，所述的磁感应传感器(2)，它包括磁感应传感器外壳(2-1)，磁场接收器a(2-2)，隔磁板a(2-3)，电磁线圈(2-4)，隔磁板b(2-5)，磁场接收器b(2-6)，导线(2-7)，其中，磁场接收器a(2-2)由相同结构组成,它包括线性霍尔传感器a(2-2-1)，编码器信号解算板a(2-2-2)，解算板支架a(2-2-3)组成，磁场接收器b(2-6)由线性霍尔元件b(2-6-1)，单片机(2-6-2)，编码器信号解算板b(2-6-3)，LDO电源芯片(2-6-4)，解算板支架b(2-6-5)组成，线性霍尔元件a(2-2-1)由锡焊接在编码器信号解算板a(2-2-1)，编码器信号解算板a(2-2-2)与解算板支架(2-2-3)胶接，线性霍尔元件b(2-6-1)和单片机(2-6-2)，LDO电源芯片(2-6-4)由锡焊接在编码器信号解算板b(2-6-3)上，编码器信号解算板b(2-6-3)与解算板支架(2-6-5)胶接。
其特征在于：所述的方法的具体实施过程为：
步骤一：采集信号霍尔数字信号，具体过程如下：
电磁线圈(2-4)作为磁场发生源通电产生垂直于电磁线圈方向的磁场，凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)选用了导磁性铁作为材料，编码器轴会随电机轴转动带动磁化后的凸轮(1-4)和特型齿轮(1-7)转动，转动过程中两轮的轮齿与线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)之间的距离会发生变化，线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场密度也会发生变化，进而线性霍尔元件a(2-2-1)和线性霍尔元件b(2-6-1)周围的磁场强度发生变化，当两者间的间距减小时，磁场强度变强，当两者间的间距增大时，磁场强度变弱，从而使两个线性霍尔元件检测到磁场场强发生变化，由于两轮外轮廓半径是逐渐增加且采用的霍尔类型采用线性霍尔器件，因此两者间的磁场强度也是线性变化的，在齿轮在转动过程中霍尔输出线性变化的电压信号，采集线性霍尔元件a(2-2-1)角度数值信号A用于确定绝对位置，线性霍尔元件b(2-6-1)角度数值信号B用于进行位置细分提高分辨率；采样获取两个霍尔电压模拟信号VA和VB；电压模拟信号VA和VB经过编码器信号处理板上单片机的模数转换模块得到两霍尔数字信号DA和DB；
步骤二：计算绝对位置和特型齿轮(1-7)细分前角度数值
对凸轮(1-4)进行过零点位置标定，电压最大值点的数字信号为DAMAX，对应的角度数值为KMAX，电压最小值点为DAMIN，对应的角度数值为0，对特型齿轮(1-7)进行过零点位置进行标定，电压最大值点的数字信号为DBMAX，对应的角度数值为，电压最小值点为DBMIN，对应的角度数值为0，利用线性插值解算凸轮(1-4)当前绝对角度数值为θA，特型齿轮(1-7)细分前角度数值θB
Figure FDA0003550765940000031
Figure FDA0003550765940000032
步骤三：对特型齿轮(1-7)角度数值θB进行角度细分
根据步骤二得到的绝对位置，即凸轮(1-4)角度数值θA，和特型齿轮(1-7)角度数值θB的绝对映射关系并进行角度细分，具体过程如下：
凸轮(1-4)角度数值θA，特型齿轮(1-7)角度数值θB的范围均为[0,KMAX]，电机轴旋转一周，凸轮(1-4)角度数值从0到KMAX数值变化一次，特型齿轮(1-7)角度数值θB从0到KMAX数值变化16次，将当前时刻凸轮(1-4)角度数值记为θAi，特型齿轮(1-7)角度数值θBi对应记录并存储在单片机内存中；对于特型齿轮(1-7)旋转一周发生16次过零点，因此需要记录16个过零点对应的凸轮(1-4)角度数值，依据凸轮(1-4)角度数值θAi记录数据及判断当前特型齿轮(1-7)角度数值θBi所处的第几个齿位，假设特型齿轮(1-7)处在第i个齿位，此时细分后的特型齿轮(1-7)角度数值θBseg(i)为
θBseg(i)＝θBi+(i-1)×KMAX (3)
此时细分后多对极角度数值θ2seg的角度数值变化范围在[0，KMAX*16]，此时角度数值分辨率得到提高，从初始的角度数值变化范围[0，KMAX]变化到[0，KMAX*16]。
2.根据权利要求1所述一种基于双轮结构双霍尔磁电编码器及其角度结算方法，其特征在于所述凸轮(1-4)的外轮廓线型圆心半径逐渐线性增加从r1线性增加到rn的外轮廓，所述特型齿轮(1-7)齿数为16，轮齿的圆弧圆心在齿根圆上半径从r1线性增加到rn。
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