CN115940519A - 一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于编码器制造领域，一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，该装置由单对极磁钢、轴承、编码器信号解算板、霍尔元件、单片机、电机主轴组成，工作时首先解算单对极角度值θ1与单对极角度值θ2，将得到的两组数据做算术平均值，得到数据θ3，将θ3作为输出值，采用θerr作为编码器信号解算板的自检***，当θerr的数值在ε区间内时，说明编码器在正常运行，当θerr的数值不在ε区间内时，发出报警***，用差分公式Δ(i)＝θ(i)‑θ(i‑1)来判断是哪一侧的编码器信号解算板出现了问题，确定某一个编码器信号解算板发生故障时，将立刻停止收集此编码器信号解算板解算的角度值，暂时采用另一个编码器信号解算板解算的角度值作为输出值。
Description
技术领域：
本发明涉及一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，属于编码器制造领域。
背景技术：
磁电编码器是用于测量电机转角以及位移的装置，根据其工作方式可分为绝对式磁电编码器和增量式磁电编码器，其工作原理是利用磁场信号测量角度和位移。磁电编码器通常由磁钢、霍尔元件、编码器信号解算板等组成，因为磁场信号不易受外界环境的干扰，所以磁电编码器很适用于高精密、工作环境恶劣的场合。相比较其他编码器，磁电编码器可广泛适用于雷达、航空航天、工业控制、军工等领域。
传统的单对极磁电编码器更多的是以双霍尔磁电编码器为代表，磁钢固定在旋转轴上，在定子圆周方向以相位相差90°的位置安装磁敏感元件A、B感应永磁体磁场。然而，随着技术的发展，航空、航天、航海及各种控制***，如雷达定向导航、坐标变换、火炮控制、机床控制、编码器电机主轴等，都对轴角位移测控***提出了越来越高的要求。
但是，目前传统的磁电编码器存在着故障率较高、在复杂的工作环境下适应能力不足等问题，而且其结构相对复杂，安装过程也比较繁琐，倘若单个磁电编码器发生故障后无法及时判断，将会对工作进程产生很大影响，这些问题对于磁电编码器的发展都存在着一定程度的制约。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，目的是为了使整体的装配结构所使用的空间更加节省、质量更加轻便、结构更加紧凑，而且在实际工作中，采用两个磁电编码器与轴承一体化集成装置共同工作，将两个装置测得的数据进行求和再求平均，可以增加有效数据量信息的输出，两个装置之间还有相互冗余的关系，当编码器信号解算板出现故障时，可以及时引发报警***，且及时确定是哪一侧的编码器信号解算板发生了故障，故障确定后，可以依靠另一个好的编码器信号解算板暂时解算转过的圈数，可以明显的提高了控制***的可靠性。
本发明公布了一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，包括以下步骤：
步骤一：将单对极磁钢a与轴承内圈c4采用胶接的方式连接在一起，将左编码器信号解算板相对于轴承内圈c4而言悬空式放置在左轴承左侧，并且左编码器信号解算板与轴承外圈c1用胶接的方式连接，在左编码器信号解算板上焊锡焊接单对极霍尔a1、单对极霍尔a2和单片机a3，单对极霍尔a1与单对极霍尔a2在同一圆周上呈90°角放置，且位置正对于单对极磁钢a，与单对极磁钢a距离很近但不相碰；
将单对极磁钢b与轴承内圈d4采用胶接的方式连接在一起，将右编码器信号解算板相对于轴承内圈d4而言悬空式放置在右轴承右侧，并且右编码器信号解算板与轴承外圈d1用胶接的方式连接，在右编码器信号解算板上焊锡焊接单对极霍尔b1、单对极霍尔b2和单片机b3，单对极霍尔b1与单对极霍尔b2在同一圆周上呈90°角放置，且位置正对于单对极磁钢b，与单对极磁钢b距离很近但不相碰；
当电机主轴转动时，轴承内圈c4与电机主轴采用基孔制过渡配合，从而单对极磁钢a转动，单对极磁钢a会产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2采集单对极角度值信号A+、A-，左编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-，再通过单片机a3中内置的反正切算法进行解算，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，解算公式为(1)：
与之相对称的部分，当电机主轴转动时，轴承内圈d4与电机主轴采用基孔制过渡配合，从而单对极磁钢b转动，单对极磁钢b会产生轴向磁场，单对极霍尔b1、单对极霍尔b2采集单对极角度值信号B+、B-，右编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HB+、HB-，再通过单片机b3中内置的反正切算法进行解算，对得到的单对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到单对极角度值θ2，解算公式为(2)：
步骤二：将上述解出的两组单对极角度值θ1、θ2进行求和，再将求和的结果平均得到角度值θ3，θ3定义为角度平均值，将θ3作为最终的角度输出，解算公式为(3)：
步骤三：将所得的角度值θ3分别与θ1、θ2进行作差得到角度偏差量θeer1、θeer2，将作差得到的角度值偏差量θeer1、θeer2与设定的范围ε值作对比，若θeer1∈ε与θeer2∈ε都满足，则说明两个编码器都在正常的运行；否则，则说明编码器信号解算板出现了故障，将上传故障报警***，偏差量的计算公式为(4)、(5)：
θerr1＝θ3-θ1 (4)
θerr2＝θ3-θ2 (5)
步骤四：当报警***启动后，立即对左编码器信号解算板和右编码器信号解算板进行校验，对单对极角度值θ1和单对极角度值θ2同时进行差分计算，差分计算的解算公式为(6)、(7)：
Δ1(i)＝θ1(i)-θ1(i-1) (6)
Δ2(i)＝θ2(i)-θ2(i-1) (7)
其中Δ1为差分计算后的数列，θ1(i)为当前的单对极角度值，θ1(i-1)为上一个的单对极角度值，Δ2为差分计算后的数列，θ2(i)为当前的单对极角度值，θ2(i-1)为上一个的单对极角度值，i为数据采样点的个数。
对左编码器信号解算板校验时：若Δ1中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板a解算出的单对极角度值θ1，暂时将采用单对极角度值θ2作为输出值。对右编码器信号解算板校验时：若Δ2中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板b解算出的单对极角度值θ2，暂时将采用单对极角度值θ1作为输出值。
本发明的有益效果为：
1.本发明公布的磁电编码器与轴承一体化集成装置，可以使装配结构使用的空间更加节省、质量更加轻便、结构更加紧凑，非常适用于航空航天工业领域中。
2.本发明将两块编码器信号解算板上得到的两组数据相加再求平均，作为最终的输出值，可以增加有效数据量信息的输出，进而提高角度值输出的精度。
3.本发明将最终得到的数据值，与两块编码器信号解算板上得到的两组数据值进行对比，对比后的结果可以作为自检***，用来检测编码器信号解算板是否出现故障。
4.本发明所采用两个磁电编码器与轴承一体化集成装置，提高了控制***的可靠性和稳定性，两个装置之间相互冗余，当一侧的编码器信号解算板发生故障时，可以依靠另一个编码器信号解算板继续维持工作，该种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。
附图说明
图1为本发明的整体示意图；
图2为本发明的整体结构示意图；
图3为本发明的左侧局部结构示意图；
图4为本发明的右侧局部结构示意图；
图5为本发明编码器解算板示意图；
图6为本发明所述的两组单对极角度值信号图；
图7为本发明所述的角度平均值信号图；
图8为本发明所述的角度值偏差量信号图；
图中，1、左编码器信号解算板，1-1、单对极霍尔a1，1-2、单对极霍尔a2，1-3、单片机a3，2、单对极磁钢a，3、左轴承，3-1、轴承外圈c1，3-2、保持架c2，3-3、滚动体c3，3-4、轴承内圈c4，4、电机主轴，5、右轴承，5-1、轴承外圈d1，5-2、保持架d2，5-3、滚动体d3，5-4、轴承内圈d4，6、单对极磁钢b，7、右编码器信号解算板，7-1、单对极霍尔b1，7-2、单对极霍尔b2，7-3、单片机b3。
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。
本发明的结构组成如图1、图2、图3、图4所示，结合附图进一步说明本发明的具体结构及具体实施方式。
所述的一种磁电编码器与轴承一体化集成装置，它由左编码器信号解算板(1)、单对极磁钢a(2)、左轴承(3)、电机主轴(4)右轴承(5)、单对极磁钢b(6)、右编码器信号解算板(7)组成；所述的左编码器信号解算板(1)，它包括单对极霍尔a1(1-1)、单对极霍尔a2(1-2)、单片机a3(1-3)组成，其中单对极霍尔a1(1-1)、单对极霍尔a2(1-2)、单片机a3(1-3)与左编码器信号解算板(1)焊锡焊接，所述的左轴承(3)为深沟球轴承，它包括轴承外圈c1(3-1)、保持架c2(3-2)、滚动体c3(3-3)、轴承内圈c4(3-4)，其中左编码器信号解算板(1)与轴承外圈c1(3-1)胶接，单对极磁钢a(2)与轴承内圈c4(3-4)胶接，轴承内圈c4(3-4)与电机主轴(4)采用基孔制过渡配合；所述的右编码器信号解算板(7)，它包括单对极霍尔b1(7-1)、单对极霍尔b2(7-2)、单片机b3(7-3)组成，其中单对极霍尔b1(7-1)、单对极霍尔b2(7-2)、单片机b3(7-3)与右编码器信号解算板(7)焊锡焊接，所述的右轴承(5)为深沟球轴承，它包括轴承外圈d1(5-1)、保持架d2(5-2)、滚动体d3(5-3)、轴承内圈d4(5-4)，其中右编码器信号解算板(1)与轴承外圈d1(5-1)胶接，单对极磁钢b(2)与轴承内圈d4(5-4)胶接，轴承内圈d4(5-4)与电机主轴(4)采用基孔制过渡配合；
一种磁电编码器与轴承一体化集成装置，所述结构的具体实现过程为：
步骤一：电机主轴转动，轴承内圈c4与电机主轴采用基孔制过渡配合，轴承内圈c4与单对极磁钢a胶接，从而单对极磁钢a转动，单对极磁钢a会产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2与左编码器信号解算板焊锡焊接，并且单对极霍尔a1与单对极霍尔a2在同一圆周上呈90°角放置，左编码器信号解算板相对于轴承内圈c4悬空放置，并与轴承外圈c1胶接，位于单对极磁钢a的左侧，此时单对极磁钢a转动，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2用于采集单对极磁钢产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极信号A+、A-；
左编码器信号解算板，用于将单对极电压信号A+、A-转换为数字信号，经过模数转换，得到数字信号HA+、HA-；
单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ1，单片机a3通过内置的反正切算法求解出单对极角度值θ1，θ1的取值范围为[0，65535]，解算公式为(1)：
与之相对称的部分，电机主轴转动，轴承内圈d4与电机主轴采用基孔制过渡配合，轴承内圈d4与单对级磁钢b胶接，从而单对极磁钢b转动，单对极磁钢b会产生轴向磁场，单对极霍b1、单对极霍尔b2与右编码器信号解算板焊锡焊接，并且单对极霍尔b1与单对极霍尔b2在同一圆周上呈90°角放置，右编码器信号解算板相对于轴承内圈d4悬空放置，并与轴承外圈d1胶接，位于单对极磁钢b的右侧，此时单对极磁钢b转动，单对极霍尔b1、单对极霍尔b2用于采集单对极磁钢b产生的磁场信号，并将其转换为电压信号，得到单对极信号B+、B-；
右编码器信号解算板，用于将单对极电压信号B+、B-转换为数字信号，经过模数转换，得到数字信号HB+、HB-；
单对极角度计算模块，用于将得到的数字量转换为单对极角度值θ2，单片机b3通过内置的反正切算法求解出单对极角度值θ2，θ2的取值范围为[0，65535]，解算公式为(2)：
步骤二：将上述解出的两组单对极角度值θ1、θ2进行求和，将求和的结果平均得到角度值θ3，θ3定义为角度平均值，将θ3作为最终的角度输出，θ3的取值范围为[0，65535]，解算公式为(3)：
步骤三：将所得的角度值θ3分别与θ1、θ2进行作差得到角度偏差量θeer1、θeer2，将作差得到的角度值偏差量θeer1、θeer2与设定的理想角度偏差范围ε作对比，经大量的实际工作经验以及数据计算处理得，ε的范围在[-1200,1200]。若角度偏差量θeer1、θeer2都在ε的范围内则说明两个编码器都在正常的运行，若θeer1或θeer2不在ε的范围内则说明左编码器信号解算板或者右编码器信号解算板出现了故障，将上传故障报警***，偏差量的解算公式为(4)、(5)：
θerr1＝θ3-θ1 (4)
θerr2＝θ3-θ2 (5)
步骤四：当报警***启动后，立即对左编码器信号解算板和右编码器信号解算板进行校验，对单对极角度值θ1和单对极角度值θ2同时进行差分计算，差分计算的解算公式为(6)、(7)：
Δ1(i)＝θ1(i)-θ1(i-1) (6)
Δ2(i)＝θ2(i)-θ2(i-1) (7)
其中Δ1为差分计算后的数列，θ1(i)为当前的单对极角度值，θ1(i-1)为上一个的单对极角度值，Δ2为差分计算后的数列，θ2(i)为当前的单对极角度值，θ2(i-1)为上一个的单对极角度值，i为数据采样点的个数。
对左编码器信号解算板校验时：若Δ1中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板a解算出的单对极角度值θ1，暂时将采用单对极角度值θ2作为输出值。对右编码器信号解算板校验时：若Δ2中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板b解算出的单对极角度值θ2，暂时将采用单对极角度值θ1作为输出值。
综上，实现了磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，使用两个单对极磁钢与深沟球轴承一体化装置相互冗余，提高了控制***的可靠性和稳定性。
需要说明的是，以上参照附图所描述的各个实施例仅用以说明本发明而非限制本发明的范围，本领域的普通技术人员应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的范围之内。此外，除上下文另有所指外，以单数形式出现的词包括复数形式，反之亦然。另外，除非特别说明，那么任何实施例的全部或一部分可结合任何其它实施例的全部或一部分来使用。
Claims (1)
1.一种磁电编码器与轴承一体化集成装置及其冗余解算方法，该装置由左编码器信号解算板(1)、单对极磁钢a(2)、左轴承(3)、电机主轴(4)、右轴承(5)、单对极磁钢b(6)、右编码器信号解算板(7)组成；所述的左编码器信号解算板(1)，它包括单对极霍尔a1(1-1)、单对极霍尔a2(1-2)、单片机a3(1-3)，其中单对极霍尔a1(1-1)、单对极霍尔a2(1-2)、单片机a3(1-3)与左编码器信号解算板(1)焊锡焊接，所述的左轴承(3)为深沟球轴承，它包括轴承外圈c1(3-1)、保持架c2(3-2)、滚动体c3(3-3)、轴承内圈c4(3-4)，其中左编码器信号解算板(1)与轴承外圈c1(3-1)胶接，单对极磁钢a(2)与轴承内圈c4(3-4)胶接，轴承内圈c4(3-4)与电机主轴(4)采用基孔制过渡配合；所述的右编码器信号解算板(7)，它包括单对极霍尔b1(7-1)、单对极霍尔b2(7-2)、单片机b3(7-3)，其中单对极霍尔b1(7-1)、单对极霍尔b2(7-2)、单片机b3(7-3)与右编码器信号解算板(7)焊锡焊接，所述的右轴承(5)为深沟球轴承，它包括轴承外圈d1(5-1)、保持架d2(5-2)、滚动体d3(5-3)、轴承内圈d4(5-4)，其中右编码器信号解算板(7)与轴承外圈d1(5-1)胶接，单对极磁钢b(2)与轴承内圈d4(5-4)胶接，轴承内圈d4(5-4)与电机主轴(4)采用基孔制过渡配合；
其特征在于，所述方法的具体实施过程为：
步骤一：将单对极磁钢a与轴承内圈c4采用胶接的方式连接在一起，将左编码器信号解算板相对于轴承内圈c4而言悬空式放置在左轴承左侧，并且左编码器信号解算板与轴承外圈c1用胶接的方式连接，在左编码器信号解算板上焊锡焊接单对极霍尔a1、单对极霍尔a2和单片机a3，单对极霍尔a1与单对极霍尔a2在同一圆周上呈90°角放置，且位置正对于单对极磁钢a，与单对极磁钢a距离很近但不相碰；
将单对极磁钢b与轴承内圈d4采用胶接的方式连接在一起，将右编码器信号解算板相对于轴承内圈d4而言悬空式放置在右轴承右侧，并且右编码器信号解算板与轴承外圈d1用胶接的方式连接，在右编码器信号解算板上焊锡焊接单对极霍尔b1、单对极霍尔b2和单片机b3，单对极霍尔b1与单对极霍尔b2在同一圆周上呈90°角放置，且位置正对于单对极磁钢b，与单对极磁钢b距离很近但不相碰；
当电机主轴转动时，轴承内圈c4与电机主轴采用基孔制过渡配合，从而单对极磁钢a转动，单对极磁钢a会产生轴向磁场，单对极霍尔a1、单对极霍尔a2采集单对极角度值信号A+、A-，左编码器信号解算板对角度值模拟信号A+、A-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HA+、HA-，再通过单片机a3中内置的反正切算法进行解算，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，解算公式为(1)：
与之相对称的部分，当电机主轴转动时，轴承内圈d4与电机主轴采用基孔制过渡配合，从而单对极磁钢b转动，单对极磁钢b会产生轴向磁场，单对极霍尔b1、单对极霍尔b2采集单对极角度值信号B+、B-，右编码器信号解算板对角度值模拟信号B+、B-进行模数转换，得到单对极角度值数字信号HB+、HB-，再通过单片机b3中内置的反正切算法进行解算，对得到的单对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到单对极角度值θ2，解算公式为(2)：
步骤二：将上述解出的两组单对极角度值θ1、θ2进行求和，再将求和的结果平均得到角度值θ3，θ3定义为角度平均值，将θ3作为最终的角度输出，解算公式为(3)：
步骤三：将所得的角度值θ3分别与θ1、θ2进行作差得到角度偏差量θeer1、θeer2，将作差得到的角度值偏差量θeer1、θeer2与设定的范围ε值作对比，若θeer1∈ε与θeer2∈ε都满足，则说明两个编码器信号解算板都在正常的运行；否则，则说明编码器信号解算板出现了故障，将上传故障报警***，偏差量的计算公式为(4)、(5)：
θerr1＝θ3-θ1 (4)
θerr2＝θ3-θ2 (5)
步骤四：当报警***启动后，立即对左编码器信号解算板和右编码器信号解算板进行校验，对单对极角度值θ1和单对极角度值θ2同时进行差分计算，差分计算的解算公式为(6)(7)：
Δ1(i)＝θ1(i)-θ1(i-1) (6)
Δ2(i)＝θ2(i)-θ2(i-1) (7)
其中Δ1为差分计算后的数列，θ1(i)为当前的单对极角度值，θ1(i-1)为上一个的单对极角度值，Δ2为差分计算后的数列，θ2(i)为当前的单对极角度值，θ2(i-1)为上一个的单对极角度值，i为数据采样点的个数；
对左编码器信号解算板校验时：若Δ1中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板a解算出的单对极角度值θ1，暂时将采用单对极角度值θ2作为输出值；对右编码器信号解算板校验时：若Δ2中的0值数据点持续出现一个旋转周期，则说明该编码器处于损坏状态，确定了该编码器信号解算板出现故障后，将立刻终止收集编码器解算板b解算出的单对极角度值θ2，暂时将采用单对极角度值θ1作为输出值。
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| CN111693073A (zh) * | 2020-06-28 | 2020-09-22 | 哈尔滨理工大学 | 一种双向冗余磁电编码器及其冗余检测方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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