專利名稱：多極復(fù)合式磁編碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及編碼器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多極復(fù)合式磁編碼器。
背景技術(shù)：
隨著運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展，直流電機(jī)向交流電機(jī)的轉(zhuǎn)變以及模擬式控制向數(shù)字式 控制的轉(zhuǎn)變，都離不開編碼器，編碼器技術(shù)水平直接影響到運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能。作為一 種將旋轉(zhuǎn)角位置、角速度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的角位移傳感器，其種類繁多，按輸出電信號(hào)形式來 分，可分為模擬式和數(shù)字式兩大類。模擬式傳感器包括自整角機(jī)、測(cè)速發(fā)電機(jī)等，數(shù)字式傳 感器包括光學(xué)編碼器、磁性編碼器等。目前，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的是數(shù)字式光電編碼器，技術(shù)非常成熟，并且精度和 分辨率比較高。但光電編碼器的光柵盤在繞軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，軸振動(dòng)易使光柵盤破碎；光柵盤的抗 沖擊、抗振動(dòng)性能不高；光器件的使用壽命有限；尤其對(duì)于水、塵埃等惡劣環(huán)境適應(yīng)性差； 結(jié)構(gòu)與定位組裝復(fù)雜，成本較高；光柵刻線寬度有極限，實(shí)現(xiàn)高分辨率就需要直徑很大光柵 盤，難以實(shí)現(xiàn)小型化。然而磁編碼器，根據(jù)磁電原理，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可以高速運(yùn)轉(zhuǎn)、響應(yīng)速度 快、易于小型化、對(duì)環(huán)境的要求不高；在大批量生產(chǎn)時(shí)，磁性編碼器比光學(xué)編碼器更容易降 低成本。所以在未來的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，磁性編碼器的用量將逐漸增多。磁編碼器如要獲得高分辨率，必須增加磁極數(shù)或者采用更小極距的多極復(fù)合式磁 柵。但是由于充磁工藝、使用空間、漏磁分布等原因，提高磁極數(shù)和采用更小極距的多極復(fù) 合式磁柵存在一定的難度。增加極數(shù)將會(huì)增大編碼器磁鋼的尺寸，不利于小型化。采用更 小極距的多極復(fù)合式磁柵，若多極復(fù)合式磁柵做得與光柵一樣大小時(shí)，磁場(chǎng)強(qiáng)度很弱，磁敏 感器很難在非接觸狀態(tài)下檢出這樣微弱的信號(hào)，同時(shí)充磁的均勻性難以保證。所以通常采 用電子細(xì)分的方式來提高分辨率。這樣才能有效解決體積和分辨率之間的矛盾問題。磁編碼器包括采用單極式和多極式磁鋼兩大類。對(duì)于單極式磁編碼器，磁鋼旋轉(zhuǎn) 一周，磁傳感器只輸出一對(duì)正交的類正弦模擬信號(hào)。要獲得高分辨率的位置信號(hào)，必須對(duì)該 信號(hào)進(jìn)行高倍數(shù)的電子細(xì)分。然而進(jìn)行模擬量細(xì)分的時(shí)候需要使用模數(shù)轉(zhuǎn)換，模數(shù)轉(zhuǎn)換的 速度也就決定了可細(xì)分的倍數(shù)。所以模數(shù)轉(zhuǎn)換時(shí)間和位置信號(hào)分辨的精確度是一對(duì)矛盾， 細(xì)分倍數(shù)過高容易出現(xiàn)響應(yīng)和準(zhǔn)確度方面的問題。同時(shí)，由于存在外界干擾和磁傳感器本 身的局限等因素，磁傳感器輸出波形的一致性、完整度有限，細(xì)分倍數(shù)過大，容易把誤差暴 露的更明顯，從而導(dǎo)致新的誤差。所以必須結(jié)合電子細(xì)分和多極式磁鋼才能獲得高速、高 精、小尺寸的磁編碼器。編碼器在交流伺服系統(tǒng)使用中，需要獲得當(dāng)前的絕對(duì)位置信息，電機(jī)才能輸出相 應(yīng)的電磁力矩，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。然而A、B、Z增量式伺服系統(tǒng)在剛上電的時(shí)候，系統(tǒng)是不能獲得 當(dāng)前的絕對(duì)位置，只能獲得相對(duì)位置。它需要電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到第一個(gè)Z信號(hào)出現(xiàn)的位置，通過補(bǔ) 償差值才能獲得電機(jī)當(dāng)前的絕對(duì)位置。低分辨率的霍爾式U、V、W編碼器是一種上電就能獲 得絕對(duì)位置信息的碼盤，價(jià)格低廉，分辨率低，一對(duì)磁極只能獲得6個(gè)絕對(duì)位置信息。所以 伺服系統(tǒng)通常配合使用增量式和霍爾式編碼器，先用U、V、W編碼器來拖動(dòng)電機(jī)，直到獲得第一個(gè)ζ信號(hào)，然后再切換到高精度的A、B、Z編碼器模式。對(duì)增量式光電編碼器的光柵盤來說，其具備很大的空間來刻蝕U、V、W信號(hào)光柵。 同時(shí)，在工藝上也非常容易實(shí)現(xiàn)，所以很容易就獲得A、B、Z和U、V、W兩種信號(hào)的復(fù)合式編 碼器。但對(duì)復(fù)合式磁編碼器來說，由于充磁工藝和尺寸方面的制約，分別設(shè)置兩個(gè)獨(dú)立的部 分來獲得兩種信號(hào)。由于兩個(gè)獨(dú)立部分的磁環(huán)不在同一個(gè)平面上，磁編碼器的軸向尺寸將 增大，不利于小型化。或者有的把霍爾式U、V、W編碼器放置在電機(jī)本體里面，通過檢測(cè)電機(jī) 內(nèi)部的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)來獲得U、V、W信號(hào)。這種情況，組裝麻煩，不利于維修，通用性不好。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的是提供一種高速、小型、高分辨率的多極復(fù)合式 磁編碼器。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案如下多極復(fù)合式磁編碼器，包括殼體，還包括設(shè)置于殼體中用于隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)的 多極復(fù)合式磁柵，該多極復(fù)合式磁柵上分別產(chǎn)生三個(gè)不同的磁場(chǎng)；以及設(shè)置于殼體中的信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器將多極復(fù)合式磁柵上產(chǎn)生的磁場(chǎng) 信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)后，轉(zhuǎn)換為高分辨率的增量式A、B、Z電信號(hào)和低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信 號(hào)輸出。采用了上述方案，本發(fā)明采用可與電機(jī)輸出軸裝配為一體的多極復(fù)合式磁柵，其 能在惡劣的環(huán)境中使用，并且能產(chǎn)生多種不同的磁場(chǎng)，以達(dá)到檢測(cè)所需。通過信號(hào)處理器完 成對(duì)其采集的正余弦模擬信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，并且以細(xì)分?jǐn)?shù)和磁極對(duì)數(shù)的乘積倍數(shù)輸出正交的 數(shù)字量信號(hào)。同時(shí)由于該信號(hào)處理器具備檢測(cè)磁場(chǎng)的功能，方便多極復(fù)合式磁柵和信號(hào)處 理器的安裝和磁場(chǎng)強(qiáng)弱的檢測(cè)。信號(hào)處理器為一智能集成式的片上系統(tǒng)，具備固定的細(xì)分 倍數(shù)，能在惡劣環(huán)境中使用、對(duì)外部干擾磁場(chǎng)不敏感、具有磁場(chǎng)強(qiáng)度感應(yīng)能力和丟失磁場(chǎng)報(bào) 警功能等等。本發(fā)明的編碼器與電機(jī)為一體式安裝結(jié)構(gòu)，具備厚度薄、部件少、安裝簡(jiǎn)單可靠等 特點(diǎn)。由于采用的是磁電轉(zhuǎn)換原理，相對(duì)光電原理的光電編碼器具備更高的可靠性、造價(jià) 低、抗干擾能力強(qiáng)、不易受環(huán)境影響，同時(shí)其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可高速運(yùn)轉(zhuǎn)、體積便于小型化， 分辨率高，配置簡(jiǎn)單，成本更低。綜上所述，本發(fā)明的編碼器是通過采用低分辨率的多極復(fù)合式磁柵產(chǎn)生三個(gè)不同 強(qiáng)度的磁場(chǎng)，和使用信號(hào)處理器對(duì)檢測(cè)的各磁場(chǎng)進(jìn)行電子細(xì)分的方式，達(dá)到既縮小編碼器 的徑向尺寸目的，同時(shí)又保證高分辨率。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1為本發(fā)明的編碼器的裝配結(jié)構(gòu)圖；圖2為圖1中外殼的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為圖1中多極復(fù)合式磁柵的分解示意圖；圖4為圖1中信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為第二處理器的電路方框圖6為A、B、Z信號(hào)細(xì)分圖；圖7為U、V、W信號(hào)發(fā)生圖；圖8為磁場(chǎng)強(qiáng)弱檢測(cè)圖； 附圖中，1為端蓋，2為外殼，3為多極復(fù)合式磁柵，4為信號(hào)處理器，5為磁體，6為 磁體，7為磁體，8為環(huán)形槽，9為孔，10為智能集成霍爾傳感器，11為開關(guān)霍爾，12、13、14均 為鎖定開關(guān)型霍爾，15為臺(tái)階，16為凸塊，17為圓柱凸塊，18為安裝孔，19為引出線止口，20 為半凹口，21為凹口，100為檢測(cè)放大模塊，101為信號(hào)處理模塊，102為數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊， 103為自動(dòng)增益控制模塊，104為模擬量輸出模塊，105為增量式接口模塊，106為邏輯與門 器件。
具體實(shí)施例方式參照?qǐng)D1，本發(fā)明的多極復(fù)合式磁編碼器，包括殼體，以及設(shè)置于殼體中用于隨電 機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)的多極復(fù)合式磁柵3，該多極復(fù)合式磁柵上分別產(chǎn)生三個(gè)不同的磁場(chǎng)。以及設(shè) 置于殼體中的信號(hào)處理器4，該信號(hào)處理器將多極復(fù)合式磁柵上產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè) 后，轉(zhuǎn)換為高分辨率的增量式A、B、Z電信號(hào)和低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信號(hào)輸出。參照?qǐng)D1和圖2，其中圖2反映了殼體的結(jié)構(gòu)，殼體用于保護(hù)安裝在其內(nèi)部的多極 復(fù)合式磁柵3和信號(hào)處理器4。該殼體由端蓋1和外殼2組成。根據(jù)信號(hào)處理器的尺寸， 設(shè)計(jì)端蓋1和外殼2的尺寸。外殼2大致呈一個(gè)圓筒的形狀，外殼2整體采用ABS塑料制 造而成。使用螺釘通過在該外殼底部設(shè)置的安裝孔18把其固定在電機(jī)軸的端蓋上，并且保 證外殼的中心軸與電機(jī)軸同心。在外殼2底部的中心設(shè)有供電機(jī)軸穿過的通孔。在外殼2 的內(nèi)壁面上設(shè)有一個(gè)臺(tái)階15以及3個(gè)互相相差120°的半圓柱凸塊16，通過臺(tái)階15和凸 塊16將信號(hào)處量器4進(jìn)行定位。在高于臺(tái)階15的2mm上設(shè)置引出線止口 19，用于將信號(hào) 處量器4上連接的電纜引出與外部的控制器連接。在與端蓋接合處使用4個(gè)上圓柱凸塊17 固定外端蓋1。端蓋1也呈圓柱形，端蓋1的圓周面上設(shè)有4個(gè)凹口 21，這些凹口為上半部 分大、下半部分小，用于和外殼2上的上圓柱凸塊17配合，凹口 21和凸塊17結(jié)合后，能把 端蓋1扣死在外殼2上。端蓋上還有另外3個(gè)互相相差120°的半凹口 20，用于配合外殼 2下圓柱凸塊。本發(fā)明的部件在組裝方面，先把外殼2固定在電機(jī)上，把多極復(fù)合式磁柵3套在電 機(jī)的轉(zhuǎn)子軸上面，把信號(hào)處理器4安裝在外殼里面。通過觀察智能集成霍爾傳感器10的輸 出\0大小(參照?qǐng)D8的磁場(chǎng)強(qiáng)弱檢測(cè)曲線圖)，來調(diào)整多極復(fù)合式磁柵3和信號(hào)處理器4 的距離，蓋上端蓋1就可以得到整個(gè)編碼器。通過從驅(qū)動(dòng)器上引入5V電源，可以使編碼器 正常工作。參照?qǐng)D1和圖3，在圖1中可以看出，電機(jī)的輸出端穿過外殼2底部的通孔，多極 復(fù)合式磁柵3與電機(jī)輸出軸周向固定連接，這樣，多極復(fù)合式磁柵3可以隨電機(jī)同步旋轉(zhuǎn)。 在圖3中，多極復(fù)合式磁柵3包括磁鋼、第一磁道、第二磁道。磁鋼采用軟塑磁鐵氧體材料 壓制而成，磁鋼上設(shè)有用于連接電機(jī)的中心孔，磁鋼的軸向端面上設(shè)有環(huán)形槽8，該環(huán)形槽 8用于裝配第一磁道。在磁鋼上裝配第一磁道和第二磁道后，組成多極復(fù)合式磁柵3。在多 極復(fù)合式磁柵上存在三個(gè)磁場(chǎng)，這三個(gè)磁場(chǎng)的形成為第一磁道為用于產(chǎn)生U、V、W磁場(chǎng)信號(hào)的磁體5，第一磁道5為環(huán)形狀，將第一磁道5鑲嵌到磁鋼的環(huán)形槽8中后，用膠水進(jìn)行粘結(jié)固定。第一磁道中磁體的極對(duì)數(shù)與被測(cè)電機(jī) 的轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)相同。第一磁道的磁場(chǎng)由這些磁體5所形成，第一磁道形成第一磁場(chǎng)。第 二磁道包括產(chǎn)生Z磁場(chǎng)信號(hào)的單對(duì)極磁體6鑲嵌到磁鋼軸向端面上設(shè)置的孔9中，用膠水 粘結(jié)固定，磁體6用于產(chǎn)生第二磁場(chǎng)。第二磁道還包含若干對(duì)產(chǎn)生A、B磁場(chǎng)信號(hào)的磁體7， 磁體7形成第三磁場(chǎng)。在若干對(duì)產(chǎn)生A、B磁場(chǎng)信號(hào)的磁體7中，磁體的極距為1. 2mm。磁 體7需要根據(jù)應(yīng)用指標(biāo)來確定所需的磁極對(duì)數(shù)。根據(jù)上述，其中第一磁道和第二磁道均設(shè)置在磁鋼的軸向端面上，且與磁鋼的中心距離依次增大，第一磁道和第二磁道的軸向端面在同一平面上。第一磁道和第二磁道上 的各磁體均采用軸向充磁方式來獲得所需要的磁場(chǎng)，即沿著電機(jī)軸的軸向方向充注磁場(chǎng)， 這樣的磁體在軸向方向上的磁場(chǎng)強(qiáng)度大。參看圖4和圖5，信號(hào)處理器是用于接收多極復(fù)合式磁柵上的各磁道的磁場(chǎng)信號(hào)， 并將這些磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行電子細(xì)分，以獲得所需要的高分辨率的增量式A、B、Z電信號(hào)，以及 低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信號(hào)。信號(hào)處理器包括PCB電路板，以及設(shè)置于該P(yáng)CB電路板 上的第一處理器和第二處理器。第一處理器包括3個(gè)分別用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信 號(hào)的鎖定開關(guān)型霍爾12、13、14，3個(gè)鎖定開關(guān)型霍爾以120度的弧度間隔均布在PCB電路 板的同一圓周上。多極復(fù)合式磁柵3在隨電機(jī)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，通過設(shè)置成相差為120 度機(jī)械角度的鎖定開關(guān)型霍爾12、13、14能對(duì)第一磁道5進(jìn)行檢測(cè)，以得到低分辨率的絕對(duì) 式U、V、W電信號(hào)輸出波形，其波形如圖7所示。該三相波形為相互滯后或超前120°，每相 中在磁場(chǎng)每極的零點(diǎn)處翻轉(zhuǎn)一次電平。第二處理器包括用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生A、B、I電信號(hào)的智能集成霍爾傳感器， 其中A、B電信號(hào)為高分辨率的增量式的電信號(hào)，I信號(hào)經(jīng)過處理后用于高分辨率的增量式 A、B的參考信號(hào)。由于編碼器的多極復(fù)合式磁柵上具有多個(gè)磁體7，多極復(fù)合式磁柵在旋 轉(zhuǎn)時(shí)，每對(duì)磁體(一對(duì)磁體由一個(gè)N極和一個(gè)S極組成)對(duì)應(yīng)輸出1個(gè)I電信號(hào)。當(dāng)多極 復(fù)合式磁柵旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，智能集成霍爾傳感器10會(huì)輸出多個(gè)I信號(hào)，該I電信號(hào)經(jīng)過處理 后可用于高分辨率的增量式A、B的參考信號(hào)，但該參考信號(hào)不能直接作為編碼器的參考信 號(hào)。參看圖5，智能集成霍爾傳感器10包括檢測(cè)放大模塊100，以及與檢測(cè)放大模塊 連接的信號(hào)處理模塊101，以及與信號(hào)處理模塊101連接的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊 102，以及與信號(hào)處理模塊101連接的自動(dòng)增益控制模塊103，以及與該自動(dòng)增益控制模塊 連接的模擬量輸出模塊104。以及與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊102連接的增量式接口 模塊105。檢測(cè)放大模塊100檢測(cè)磁道的空間正弦磁場(chǎng)后，經(jīng)前置放大以獲得兩路正交的正 弦和余弦信號(hào)。檢測(cè)放大模塊100由霍爾傳感器和前級(jí)放大器組成，根據(jù)智能集成霍爾傳 感器10檢測(cè)半徑的大小，把智能集成霍爾傳感器10中霍爾傳感器陣列放置在檢測(cè)半徑處。 通過霍爾傳感器來檢測(cè)第二磁道所產(chǎn)生的A、B磁場(chǎng)的空間正弦磁場(chǎng)，將該A、B磁場(chǎng)檢測(cè)到 以后，經(jīng)過前級(jí)放大器進(jìn)行放大，可以獲得兩路正交的正弦和余弦信號(hào)，這樣可以使檢測(cè)信 號(hào)的幅度得到增大，便于后面將該信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。信號(hào)處理模塊101用于設(shè)置正弦和 余弦信號(hào)的增益倍數(shù)，并將正弦和余弦兩路信號(hào)進(jìn)行一步放大。信號(hào)處理模塊101由信號(hào)處理器和通道放大器兩部分組成，由于經(jīng)前面的霍爾傳感器采集的正弦和余弦信號(hào)兩路信 號(hào)的幅值不會(huì)相同，將這兩路信號(hào)經(jīng)前面的前級(jí)放大器放大輸出到信號(hào)處理器時(shí)，信號(hào)處 理器會(huì)設(shè)置正弦和余弦信號(hào)的增益倍數(shù)，并將該增益倍數(shù)的調(diào)整信號(hào)輸出到自動(dòng)增益控制 模塊103。由于自動(dòng)增益控制模塊103用于調(diào)整檢測(cè)放大模塊的放大倍數(shù)，因此，自動(dòng)增益 控制模塊103控制檢測(cè)放大模塊100中的前級(jí)放大器將正弦和余弦信號(hào)放大到相同的幅 值。信號(hào)處理器得知正弦和余弦信號(hào)的幅值相同，則將正弦和余弦信號(hào)輸出到通道放大器， 由通道放大器將這兩路信號(hào)作進(jìn)一步放大。對(duì)于數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊102，其中數(shù) 字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊包含信號(hào)采樣器ADC，該數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào)處理模塊101輸出的模 擬信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)輸出。而細(xì)分處理模塊(DSP)用于計(jì)算出當(dāng)前正、余弦兩路信號(hào)包 含的位置信息，即將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào)傳輸?shù)教幚砥鱀SP進(jìn)行位置解 算， 可以得到兩路正交的高分辨率的A、B電信號(hào)，和與每對(duì)磁極對(duì)應(yīng)的I電信號(hào)，這三個(gè)信號(hào)經(jīng) 過增量式接口輸出，這三個(gè)信號(hào)的輸出信號(hào)波形如圖6所示。增量式接口模塊105用于把 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊102細(xì)分得到的磁場(chǎng)位置信息轉(zhuǎn)換成增量式的信號(hào)。智能集成霍爾傳感器10還包括與該自動(dòng)增益控制模塊連接的模擬量輸出模塊 104，由于智能集成霍爾傳感器10具備檢測(cè)磁場(chǎng)的功能，根據(jù)模擬量輸出模塊104輸出的信 號(hào)可以確定磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，因此，在裝配多極復(fù)合式磁柵3和信號(hào)處理器4時(shí)，用于確定多極 復(fù)合式磁柵3和信號(hào)處理器4之間的間距，這樣，便于將多極復(fù)合式磁柵3和信號(hào)處理器的 間距調(diào)整到最佳位置。參照?qǐng)D5，用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生Z電信號(hào)的霍爾裝置，該霍爾裝置與智能集成 霍爾傳感器10電連接?；魻栄b置包括開關(guān)霍爾11和與該開關(guān)霍爾輸出端連接的邏輯與門 器件106，邏輯與門器件106還與智能集成霍爾傳感器的I信號(hào)輸出端連接。由于編碼器 的多極復(fù)合式磁柵上具有多個(gè)磁體7，多極復(fù)合式磁柵在旋轉(zhuǎn)時(shí)，每對(duì)磁體對(duì)應(yīng)輸出1個(gè)I 磁信號(hào)。當(dāng)多極復(fù)合式磁柵旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，智能集成霍爾傳感器10會(huì)輸出多個(gè)I電信號(hào)，該 I電信號(hào)經(jīng)過處理后可用于高分辨率的增量式A、B的參考信號(hào)，但不能直接作為編碼器的 參考信號(hào)。雖然開關(guān)霍爾11每轉(zhuǎn)只輸出一個(gè)數(shù)字信號(hào)，但是該信號(hào)的寬度遠(yuǎn)比細(xì)分處理模 塊細(xì)分后得到的A、B電信號(hào)寬，所以不符合標(biāo)準(zhǔn)增量式信號(hào)的要求。這樣，通過將開關(guān)霍爾 11得到的數(shù)字信號(hào)與I信號(hào)進(jìn)行邏輯與后，可以得到所需的標(biāo)準(zhǔn)的零位參考信號(hào)Z，該標(biāo)準(zhǔn) 參考信號(hào)Z用于消除使用A、B信號(hào)進(jìn)行計(jì)算得到的積累性誤差、作為參考信號(hào)以及精準(zhǔn)定 位等作用。假設(shè)磁體7的極對(duì)數(shù)為P、磁編碼器的A、B信號(hào)的分辨率為N、電機(jī)的最大速度 Hmax、信號(hào)處理器4的檢測(cè)半徑為R。已知信號(hào)處理器的細(xì)分?jǐn)?shù)為40，磁場(chǎng)極距為1. 2mm，細(xì) 分的頻率響應(yīng)為5kHz。則通過以下計(jì)算P = N/40(1)R = 1. 2*2P/(3. 14*2)mm (2)nmx = (5000*60)/P RPM (3)設(shè)計(jì)好了磁體的尺寸后，采用軸向充磁法，根據(jù)P的設(shè)計(jì)值，在檢測(cè)半徑R的內(nèi)外 側(cè)一次性充上P對(duì)磁極。第一磁道5和第二磁道分別根據(jù)要求充磁后，使用膠水把這兩部 分鑲嵌在磁鋼上，從而獲得多極復(fù)合式的多極復(fù)合式磁柵3。實(shí)施例一、假設(shè)應(yīng)用于額定轉(zhuǎn)速為9000rpm，磁編碼器的分辨率為IOOOppr 則可以根據(jù)公式(1)-(3)計(jì)算得出P = 25，nmx = 12000RPM, R = 9. 55mm。從以上數(shù)據(jù)可以看 出信號(hào)處理器的檢測(cè)半徑為9. 55mm，則信號(hào)處理器4的半徑略比9. 55mm大一些，再加上 外殼的尺寸，編碼器的徑向尺寸不會(huì)超過15mm。實(shí)施例二、用在750W通用伺服電機(jī)中，一般指標(biāo)為最大速度5000rpm、要求的分 辨率為 2000ppr。根據(jù)公式(1)-(3)得到P = 50,nmx = 6000RMP,R = 19. 1mm。從以上數(shù) 據(jù)可以看出信號(hào)處理器的檢測(cè)半徑為19. 1mm，則信號(hào)處理器的半徑略比19. Imm大一些， 再加上外殼的尺寸，編碼器的徑向尺寸不會(huì)超過25mm。根據(jù)以上的計(jì)算指標(biāo)可見，本發(fā)明的磁編碼器具有尺寸小、響應(yīng)快、分辨率高的優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
多極復(fù)合式磁編碼器，包括殼體，其特征在于還包括設(shè)置于殼體中用于隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)的多極復(fù)合式磁柵，該多極復(fù)合式磁柵上分別產(chǎn)生三個(gè)不同的磁場(chǎng)；以及設(shè)置于殼體中的信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器將多極復(fù)合式磁柵上產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)后，轉(zhuǎn)換為高分辨率的增量式A、B、Z電信號(hào)和低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信號(hào)輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述多極復(fù)合式磁柵包 括磁鋼、第一磁道、第二磁道，第一磁道和第二磁道均設(shè)置在磁鋼的軸向端面上，且與磁鋼 的中心距離依次增大，第一磁道和第二磁道的軸向端面在同一平面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述第一磁道為用于產(chǎn) 生U、V、W磁場(chǎng)信號(hào)的磁體，該第一磁道中磁體的極對(duì)數(shù)與被測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)子的極對(duì)數(shù)相同。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述第二磁道包括產(chǎn)生Z 磁場(chǎng)信號(hào)的單對(duì)極磁體，以及包含若干對(duì)產(chǎn)生A、B磁場(chǎng)信號(hào)的磁體。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述第二磁道的若干對(duì) 產(chǎn)生A、B磁場(chǎng)信號(hào)的磁體，該磁體的磁場(chǎng)極距為1. 2mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述信號(hào)處理器包括PCB 電路板，以及設(shè)置于該P(yáng)CB電路板上的第一處理器和第二處理器；其中，第一處理器包括3 個(gè)分別用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信號(hào)的鎖定開關(guān)型霍爾，第二 處理器包括用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生A、B、I電信號(hào)的智能集成霍爾傳感器，以及用于檢測(cè) 磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生Z電信號(hào)的霍爾裝置，該霍爾裝置與智能集成霍爾傳感器電連接。所述信號(hào)處理器包括PCB電路板，以及設(shè)置于該P(yáng)CB電路板上的第一處理器和第二處 理器；其中，第一處理器包括3個(gè)分別用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電 信號(hào)的鎖定開關(guān)型霍爾，第二處理器包括用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并產(chǎn)生A、B電信號(hào)的智能集成 霍爾傳感器，以及用于檢測(cè)磁場(chǎng)信號(hào)并用于產(chǎn)生Z電信號(hào)的霍爾裝置，該霍爾裝置與智能 集成霍爾傳感器電連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于3個(gè)鎖定開關(guān)型霍爾以 120度的弧度間隔均布在PCB電路板的同一圓周上。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述智能集成霍爾傳感 器包括檢測(cè)放大模塊，該檢測(cè)放大模塊檢測(cè)磁道的空間正弦磁場(chǎng)后，經(jīng)前置放大以獲得兩 路正交的正弦和余弦信號(hào)；以及與檢測(cè)放大模塊連接的信號(hào)處理模塊，該信號(hào)處理模塊用于設(shè)置正弦和余弦信號(hào) 的增益倍數(shù)，并將正弦和余弦兩路信號(hào)進(jìn)一步放大；以及與信號(hào)處理模塊連接的自動(dòng)增益控制模塊，該自動(dòng)增益控制模塊用于調(diào)整檢測(cè)放 大模塊的放大倍數(shù)；以及與信號(hào)處理模塊連接的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊，數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊將信號(hào) 處理模塊輸出的模擬信號(hào)處理為數(shù)字信號(hào)輸出，細(xì)分處理模塊用于計(jì)算出當(dāng)前正、余弦兩 路信號(hào)包含的位置信息；以及與數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換和細(xì)分處理模塊和自動(dòng)增益控制模塊連接的增量式接口模塊，該 增量式接口模塊把細(xì)分得到的磁場(chǎng)位置信息轉(zhuǎn)換成增量式的信號(hào)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述智能集成霍爾傳感器還包括與該自動(dòng)增益控制模塊連接的模擬量輸出模塊。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的多極復(fù)合式磁編碼器，其特征在于所述霍爾裝置包括開關(guān) 霍爾和與該開關(guān)霍爾輸出端連接的邏輯與門器件，邏輯與門器件還與智能集成霍爾傳感器 的I信號(hào)輸出端連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多極復(fù)合式磁編碼器，包括設(shè)置于殼體中用于隨電機(jī)軸同步旋轉(zhuǎn)的多極復(fù)合式磁柵，該多極復(fù)合式磁柵上分別產(chǎn)生三個(gè)不同的磁場(chǎng)；以及設(shè)置于殼體中的信號(hào)處理器，該信號(hào)處理器將多極復(fù)合式磁柵上產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)后，轉(zhuǎn)換為高分辨率的增量式A、B、Z電信號(hào)和低分辨率的絕對(duì)式U、V、W電信號(hào)輸出。本發(fā)明的多極復(fù)合式磁編碼器具有高速、小型、高分辨率的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01D5/12GK101846531SQ201010185800
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月28日
發(fā)明者吳浩, 徐殿國(guó), 楊明, 貴獻(xiàn)國(guó), 阮正亞 申請(qǐng)人:江蘇斯沃特電氣有限公司