CN116793400B - 一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，包括磁传感器，编码盘和磁性机构，所述磁传感器至少有两个，所述磁传感器与所述磁性机构相对位置固定；所述磁传感器位于所述编码盘与所述磁性机构之间；所述磁传感器为对称放置，分别放置于对应所述环形码道直径的两端，角度相差180度；本发明提出的绝对式编码器测量***，实现方式简单而精确：直接以同一个编码盘的两部分作磁角度差值推算编码盘的绝对位置；相比于光编码器类似的设计，本发明成本更加低廉，而且左半圈与右半圈分别采用多个感应点采集信号，抗干扰性更强。
Description
技术领域
本发明涉及编码器技术领域，具体地说是一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***。
背景技术
一般的绝对式编码器，通常是采用内外码道相差一个对极的方式来实现。由于这种多对极的编码盘对充磁工艺要求很高，成本高居不下，所以发展成为像轮速齿轮一样的设计：编码盘不采用对极式的永磁材料，改用软磁或半硬磁齿轮类的材料，在轮上雕有通孔或沟槽，内外圈数量相差一个，与背磁共同作用，为磁传感器提供磁场信号。编码盘旋转一周，角度从0度至360度的过程中，外圈与内圈之间的相位差也相差360度，整周范围内，内外圈信号之间的相位差在编码盘旋转至不同角度时都具有唯一性，从而实现绝对位置的测量。这种软磁或半硬磁的编码盘，对内外圈公差要求极为严格，安装稍有偏差，就会造成分辨率与精度的大大降低，对于编码盘制造厂家的技术要求极高，导致现在很少有厂家能完成高精度的目标要求。
所以，人们急需一种高精度、成本低且利于大规模自动化生产的绝对式编码器***。
发明内容
本发明的目的在于提出一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，以解决这种软磁或半硬磁的编码盘，对内外圈公差要求极高，安装稍有偏差，就会造成分辨率与精度的降低，从而导致制造成本高，不利于大规模自动化生产的问题。
为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，包括磁传感器，编码盘和磁性机构，所述磁传感器位于所述编码盘与所述磁性机构之间，所述磁传感器与所述磁性机构相对位置固定，所述磁传感器至少有两个，为对称放置，分别放置于所述编码盘同一直径的两端，空间位置角度相差180度。
所述编码盘为软磁材料或半硬磁材料。
所述编码盘平均分成两个部分：左半圈和右半圈，且左半圈与右半圈同轴。
所述通孔所述沟槽，对于同一个编码盘的左半圈来说，其尺寸、形状皆一致；对于同一个编码盘的右半圈来说，其尺寸、形状皆一致；
所述编码盘上开有周期性的通孔或沟槽，左半圈与右半圈的所述通孔或所述沟槽的数量不同，数量相差一个，所以左半圈与右半圈的通孔或沟槽宽度按比例不同。
所述磁传感器为霍尔传感器、AMR传感器或TMR传感器与CMOS电路高度集成的传感器；也可以是单纯的霍尔传感器或以磁阻效应为基础的AMR传感器或TMR传感器，但是要连接MCU或进行电路处理；
所述磁性机构为永磁材料，充磁方向垂直于编码盘平面。
与现有技术相比，本发明有益效果如下：
本发明提出的绝对式编码器测量***，可以采用霍尔元件或以磁阻效应为基础的AMR、TMR与高精度的CMOS处理电路集成一体，减小误差，实现角位移的高精度测量，同时易于实现小型化与大规模自动化生产。
本发明提出的绝对式编码器测量***，实现方式简单而精确：直接以同一个编码盘的两部分作磁角度差值推算编码盘的绝对位置。
相比于光编码器类似的设计，本发明成本更加低廉，而且左半圈与右半圈分别采用多个感应点采集信号，抗干扰性更强。
附图说明
图1为开设沟槽的编码盘结构示意图；
图2为开设通孔的编码盘结构示意图；
图3为本发明实施例中各元器件的相对位置示意图；
图4为本发明实施例中绝对式磁编码器测量***中各器件的相对位置俯视图；
图5为本发明实施例中编码盘左半圈输出的磁场差分信号；
图6为本发明实施例中编码盘右半圈输出的磁场差分信号；
图7为本发明实施例输出的左、右半圈磁角度与磁角度差值分布曲线；
图8为本发明实施例中的磁传感器感应点分布情况示意图；
图中：1-开设沟槽的编码盘；2-开设通孔的编码盘；02-通孔；01-沟槽；3-磁传感器；4-磁性机构。
具体实施方式
为阐明技术问题、技术方案、实施过程及性能展示，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释。本发明，并不用于限定本发明。以下将参考附图详细说明本公开的各种示例性实施例、特征和方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。
另外，为了更好的说明本公开，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有某些具体细节，本公开同样可以实施。在一些实例中，对于本领域技术人员熟知的方法、手段、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本公开的主旨。
实施例
如图1所示，为本实施例中所采用开设沟槽的编码盘1结构示意图，对于这种编码盘，盘上开有沟槽01，左半圈沟槽01数量比右半圈多一个，如图4所示左半边沟槽01数量比右半边数量多一个，左半圈与右半圈沟槽的宽度也相应的不一致：例如左半圈沟槽数量为18个，沟槽宽度对应的角度为5度，那么右半圈数量少一个，即17个，那么沟槽宽度相对应的角度宽度则为5.3度。在实际应用中，所述编码盘也可以是开有通孔02的，通孔02贯穿通到编码盘底部即可，如图2所示，为开设通孔02的编码盘2结构示意图。本申请中这种软磁或半硬磁编码盘具有比较高的磁导率，利用背磁与编码盘磁场的耦合得到近似正弦或余弦的信号，若是通孔的话，直接贯穿到底部，此处材料由高磁导率变化为空气磁导率，变化较大，会导致得到的信号正弦或余弦性较差，从而计算得到的磁角度线性度也会相应变差。所以相比之下，开设有沟槽有更好的优势。通孔02与沟槽01可以是各种尺寸、形状的，但同一编码盘上，左半圈与右半圈的通孔02或沟槽01的形状与尺寸皆各自分别一致。
如图3所示，为本实施例中各器件的相对位置示意图，所述磁性机构4紧贴在所述磁传感器3的背面，所述磁传感器3位于所述编码盘与所述磁性机构4之间，接收两者共同作用产生的磁场。
所述磁传感器3与所述编码盘的距离直接影响所述磁传感器3接收到的磁场大小，可根据磁性机构4与编码盘提供的磁场大小进行调整，也可按照客户结构要求在一定公差内，调整磁性机构4的尺寸。
本实施例中所述磁传感器3有两个，相对应的所述磁性机构4也有两个，分别感应左半圈编码盘与所述磁性机构4的磁场信号和右半圈编码盘与所述磁性机构4的磁场信号；所述磁传感器3为AMR与CMOS电路高度集成一体，误差小，精度更高。
如图4所示，为本发明实施例中各器件的相对位置俯视图，可以看出所述磁传感器芯片从旁边***。
作为优选，也可直接用贴片式的磁传感器3焊在PCB板上引线接出，贴片式的更有利于自动化的规模生产。
本发明实施例中所述磁传感器3接收编码盘绕轴心转动引起的磁场的变化信号，以磁角度输出（实施例中的曲线为截取编码盘转动60度角的部分信号），该磁角度分别由左半圈或右半圈的两路差分磁场信号得到：每个磁传感器3分别有四个感应点，感应点即为接收外界磁场信号的感应点，在编码盘绕轴心转动的过程中，该四个感应点分别接收到各自位置处的磁场信号，该磁场信号两两差分（如图8所示，若四个感应点分别顺序标注为61、62、63和64，则两两差分时61减63，62减64）得到两路差分磁场信号，再由两路差分磁场信号得到一个磁角度。两个磁传感器3得到的两个磁角度做差分，该差值即左半圈与右半圈两信号的磁角度差值，该差值在-360至360度之间变化。当编码盘未转动时，定义其磁角度差值为360度，当编码盘转动180度时，两磁传感器磁角度差值为0度，编码盘继续旋转，两磁传感器的磁角度差值变为负值，即原来相位超前的磁传感器变为落后的状态，由0度逐渐减小，当编码盘旋转360度时，两传感器回到起初编码盘未转动时的位置，磁角度差值为-360度。在编码盘旋转至不同角度时磁角度差值都具有唯一性，由此推断出编码器的绝对位置。
作为优选，左半圈与右半圈磁传感器3感应点的个数可以为其他数目，皆可做差分处理，由此得到的差分信号抗干扰性更强。
如图4和图6所示，分别为本发明实施例的编码盘左半圈和右半圈的两路磁场差分信号。
如图7所示，为本发明实施例的左右两个半圈磁角度与磁角度差值分布曲线。分别由图5左半圈两路磁场差分信号得到左半圈圈的磁角度分布曲线，如图7中实线分布；由图6右半圈两路磁场差分信号得到右半圈的磁角度分布，如图7中点线分布；然后两路磁角度差分得到磁角度差值，参考图中长短点线分布，即可看到随编码盘转动角度的改变，磁角度差值呈线性变化，由该曲线可直接推断出编码盘的确切绝对位置。
本发明提出的绝对式编码器测量***，仅用一个编码盘即可实现绝对位置的检测方式简单而精确，成本更加低廉，而且两个半圈（左半圈与右半圈）的磁信号分别采用多个感应点采集，抗干扰性更强。
以上显示和描述了本发明的基本原理、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仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，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 (6)
1.一种高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，包括磁传感器，编码盘和磁性机构，所述磁传感器位于所述编码盘与所述磁性机构之间，所述磁传感器与所述磁性机构相对位置固定，所述磁传感器至少有两个，为对称放置，分别放置于所述编码盘同一直径的两端，空间位置角度相差180度，所述编码盘上开有周期性的通孔或沟槽，左半圈与右半圈的通孔或沟槽的数量不同，数量相差一个，左半圈与右半圈的通孔或沟槽宽度按比例不同。
2.根据权利要求1所述的高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，所述编码盘为软磁材料或半硬磁材料。
3.根据权利要求1所述的高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，所述编码盘平均分成两个部分：左半圈和右半圈，且左半圈与右半圈同轴。
4.根据权利要求1所述的高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，通孔或沟槽，对于同一个编码盘的左半圈来说，其尺寸、形状皆一致；对于同一个编码盘的右半圈来说，其尺寸、形状皆一致。
5.根据权利要求1所述的高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，所述磁传感器为霍尔传感器、AMR传感器或TMR传感器与CMOS电路高度集成的传感器；或采用单纯的霍尔传感器或以磁阻效应为基础的AMR传感器或TMR传感器，但是要连接MCU或进行电路处理。
6.根据权利要求1所述的高精度的单编码盘绝对式磁编码器测量***，其特征在于，所述磁性机构为永磁材料，充磁方向垂直于编码盘平面。
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