本實(shí)用新型涉及直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直線電機(jī)磁軌編碼器及直線電機(jī)。

背景技術(shù)：

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運(yùn)動(dòng)機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)裝置。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，直線電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的各種設(shè)備，其中必不可少的位置反饋裝置一直是該領(lǐng)域研究的重點(diǎn)課題。目前常見(jiàn)的位置反饋裝置大多采用光柵尺或磁柵尺和相應(yīng)的讀數(shù)頭檢測(cè)方案。

采用光柵尺和光柵讀數(shù)頭的方案，主要的缺點(diǎn)有：（1）光柵尺1和光柵讀數(shù)頭2的安裝間隙公差很小，安裝困難，如圖1所示，光柵尺1的表面和光柵讀數(shù)頭2表面之間的安裝間隙公差a為0.8±0.1mm；（2）光柵尺1的厚度b本身已經(jīng)很薄，僅為0.2mm，其表面極易受油垢和灰塵的污染，導(dǎo)致計(jì)數(shù)錯(cuò)誤；（3）光柵尺目前主要由國(guó)際三大品牌HEIDENHAIN，RENISHAW，MICROE所壟斷，成本很高。而采用磁柵尺和磁柵讀數(shù)頭的方案同樣存在許多缺點(diǎn)，如磁柵尺由于安裝位置離直線電機(jī)磁軌較近，安裝時(shí)容易被磁軌或其它磁性部件磁化而損壞；重復(fù)定位精度比光柵尺低，且運(yùn)行時(shí)的噪音比較大等等。

因而現(xiàn)有技術(shù)還有待改進(jìn)和提高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本實(shí)用新型的目的在于提供一種直線電機(jī)磁軌編碼器及直線電機(jī)，通過(guò)霍爾采樣電路采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)細(xì)分和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測(cè)的媒介，無(wú)需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取了以下技術(shù)方案：

一種直線電機(jī)磁軌編碼器，包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路依次連接。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述霍爾采樣電路包括用于將所述磁場(chǎng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)和余弦電壓信號(hào)的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場(chǎng)周期，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器均連接細(xì)分電路。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述PCB板上還設(shè)置有用于指示編碼器工作狀態(tài)的LED指示燈。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述殼體內(nèi)還設(shè)置有用于固定所述PCB板的固定件。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述殼體為用于電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路采用型號(hào)為AM26LS31的集成電路。

一種直線電機(jī)，包括定子磁軌和相對(duì)所述定子磁軌運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子，其還包括上所述的直線電機(jī)磁軌編碼器，所述直線電機(jī)磁軌編碼器固定于動(dòng)子的一側(cè)。

所述的直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器的底面與定子磁軌的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器及直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路依次連接，通過(guò)霍爾采樣電路采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)細(xì)分和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測(cè)的媒介，無(wú)需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

附圖說(shuō)明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光柵尺和光柵讀數(shù)頭的安裝示意圖。

圖2為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)的端面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中PCB板正面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器的PCB板背面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中PCB板上設(shè)置的電路的結(jié)構(gòu)框圖。

圖8為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓信號(hào)的關(guān)系圖。

圖9為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中將磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)的原理圖。

圖10為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中兩路相位差為90°的電壓信號(hào)的示意圖。

圖11為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)的示意圖。

圖12為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中根據(jù)兩路正交編碼器信號(hào)判斷運(yùn)動(dòng)方向的時(shí)序圖。

圖13為實(shí)用新型提供的直線電機(jī)的位置檢測(cè)方法的流程圖。

具體實(shí)施方式

本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器及直線電機(jī)，通過(guò)霍爾采樣電路采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)細(xì)分和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測(cè)的媒介，無(wú)需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

為使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。

請(qǐng)參閱圖2、圖3和圖4，本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)包括定子磁軌10和相對(duì)所述定子磁軌10運(yùn)動(dòng)的動(dòng)子11，動(dòng)子11通電是與定子磁軌10相互作用產(chǎn)生電磁推力，使動(dòng)子11在定子磁軌10上作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，其中所述直線電機(jī)還包括用于反饋位置信號(hào)的直線電機(jī)磁軌編碼器20，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20固定于動(dòng)子11的一側(cè)，具體實(shí)施時(shí)可通過(guò)直線電機(jī)磁軌編碼器20上設(shè)置的螺絲孔201安裝固定螺絲，將所述直線電機(jī)磁軌編碼器20固定于動(dòng)子11上，使得直線電機(jī)磁軌編碼器20與動(dòng)子11整合在一起，簡(jiǎn)化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20的底面與定子磁軌10的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm，即所述直線電機(jī)磁軌編碼器20的安裝公差為6±0.5mm，相比光柵尺或磁柵尺要寬松很多，更加方便安裝，提高安裝效率。

具體地，請(qǐng)一并參閱圖5、圖6和圖7，本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20包括殼體21，在殼體21內(nèi)設(shè)置有PCB板22和用于固定所述PCB板22的固定件27，例如固定螺絲等等，所述PCB板22上設(shè)置有用于采集動(dòng)子11在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)的霍爾采樣電路23；用于將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)的細(xì)分電路24；用于將所述兩路正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路25；所述霍爾采樣電路23、細(xì)分電路24和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路25依次連接。本實(shí)施例中，所述差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路25采用型號(hào)為AM26LS31的集成電路，當(dāng)然也可采用其他具有相同功能的集成電路，本實(shí)用新型對(duì)此不作限定。

本實(shí)用新型通過(guò)將直線電機(jī)磁軌編碼器20與動(dòng)子11整合在一起，隨著動(dòng)子11一起作直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，在此過(guò)程中，霍爾采樣電路23采集運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)；之后將這兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分得到標(biāo)準(zhǔn)的位置反饋信號(hào)，即兩路正交編碼器A，B信號(hào)，為了進(jìn)一步提高信號(hào)的抗干擾能力，便于伺服驅(qū)動(dòng)器接收位置反饋信號(hào)，本實(shí)用新型還將所述正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)輸出，確保位置反饋信號(hào)的抗干擾性和準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步地，所述霍爾采樣電路23包括用于將所述磁場(chǎng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)和余弦電壓信號(hào)的第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距為四分之一磁場(chǎng)周期，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232均連接細(xì)分電路24，即本實(shí)用新型通過(guò)采用兩個(gè)霍爾傳感器，且二者的安裝間距為四分之一磁場(chǎng)周期，例如磁場(chǎng)周期即定子磁軌10的磁極間距為24mm，則第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距即為6mm，保證第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232輸出的電壓信號(hào)之間的相位差為90°，以便后續(xù)得到標(biāo)準(zhǔn)的正交編碼器A，B信號(hào)。

優(yōu)選地，所述PCB板22上還設(shè)置有用于指示編碼器工作狀態(tài)的LED指示燈26，例如LED指示燈26亮表示直線電機(jī)磁軌編碼器20正在工作，而熄滅是表示不在工作，閃爍時(shí)表示此時(shí)存在故障等等，使用戶清晰的知道當(dāng)前直線電機(jī)磁軌編碼器20的工作狀態(tài)。

為了進(jìn)一步保障位置檢測(cè)的抗干擾性，所述殼體21優(yōu)選為用于電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼，提高直線電機(jī)磁軌編碼器20的抗電磁干擾性。

以下結(jié)合圖8至圖12，對(duì)本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)中直線電機(jī)磁軌編碼器20的檢測(cè)反饋過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明：

本實(shí)用新型通過(guò)兩個(gè)線性霍爾傳感器，即第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232將運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，磁場(chǎng)強(qiáng)度與輸出電壓信號(hào)成正比關(guān)系，如圖8所示；當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20在磁軌定子上方運(yùn)動(dòng)時(shí)，動(dòng)子11及直線電機(jī)磁軌編碼器20和定子磁軌10之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生按正余弦規(guī)律變化的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)，如圖9中的（a）、（b）所示，由于霍爾傳感器的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，因此通過(guò)第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232可得到按正余弦規(guī)律變化的電壓波形圖，如圖9中的（c）。

由于本實(shí)用新型中兩個(gè)霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場(chǎng)周期，即當(dāng)磁場(chǎng)周期為24mm時(shí)，兩個(gè)霍爾傳感器的安裝間距為6mm，當(dāng)然本實(shí)用新型并不僅限于24mm的磁場(chǎng)周期，可根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)，磁場(chǎng)周期對(duì)應(yīng)的電角度為360°，所以，兩個(gè)霍爾傳感器輸出相位差為6/24*360=90°的正余弦電壓信號(hào)Vcos(φ)和Vsin(φ)，如圖10所示。

因?yàn)橹本€電機(jī)磁軌編碼器20在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不同的位置感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度不同，即磁場(chǎng)的強(qiáng)弱能夠反映直線電機(jī)磁軌編碼器20的位置信息，由于霍爾傳感器的輸出電壓與磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比關(guān)系，所以電壓信號(hào)的幅度大小代表著直線電機(jī)磁軌編碼器20的實(shí)時(shí)位置，從而實(shí)現(xiàn)了位置的實(shí)時(shí)反饋。

進(jìn)一步地，在采集了電壓信號(hào)之后，通過(guò)細(xì)分電路24將上述兩路正余弦電壓信號(hào)，通過(guò)12位的AD轉(zhuǎn)換，將一個(gè)完整的電壓周期細(xì)分成2的12次方即4096等分，每個(gè)等分代表一個(gè)位置信息，例如一個(gè)周期的位置寬度為24mm，經(jīng)過(guò)4096倍細(xì)分后，可得到分辨率為24mm X 1000÷4096=5.859375um的位置數(shù)據(jù)，位置分辨率高，具體如圖11所示。

在細(xì)分電路24得到的兩路正交編碼器信號(hào)A,B后通過(guò)差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路25將其轉(zhuǎn)換成差分信號(hào)輸出，提高信號(hào)的抗干擾能力，以便伺服驅(qū)動(dòng)器接收。

同時(shí)，本實(shí)用新型也可通過(guò)兩路正余弦電壓信號(hào)的相位超前之后關(guān)系來(lái)判斷直線電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向，如圖12所示，當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20正向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A，B兩路信號(hào)的邏輯狀態(tài)的變化規(guī)律為10-11-01-00[圖11中的（a）]，以此循環(huán)；而當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，A，B兩路信號(hào)的邏輯狀態(tài)的變化規(guī)律為01-11-10-00[圖11中的（b）]，以此循環(huán)。即若當(dāng)A超前B定義為正方向運(yùn)動(dòng)，則A滯后B時(shí)為反方向運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)方向的判斷。

本實(shí)用新型還相應(yīng)提供了一種直線電機(jī)磁軌編碼器，由于上文以對(duì)所述直線電機(jī)磁軌編碼器進(jìn)行了詳細(xì)描述，此處不作詳述。

本實(shí)用新型還相應(yīng)提供了一種直線電機(jī)的位置檢測(cè)方法，如圖13所示，所述直線電機(jī)的位置檢測(cè)方法包括如下步驟：

S100、直線電機(jī)磁軌編碼器隨著動(dòng)子一起在定子磁軌上方運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生變化的動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)信號(hào)；

S200、由霍爾采樣電路采集磁場(chǎng)信號(hào)并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)；

S300、由細(xì)分電路將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)；

S400、由差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路將所述兩路正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)并輸出至伺服驅(qū)動(dòng)器。

具體地，所述步驟S200具體包括：通過(guò)安裝間距為四分之一磁場(chǎng)周期的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器將所述磁場(chǎng)信號(hào)分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號(hào)和余弦電壓信號(hào)。具體請(qǐng)參閱上述裝置對(duì)應(yīng)的實(shí)施例。

綜上所述，本實(shí)用新型提供的直線電機(jī)磁軌編碼器及直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的磁場(chǎng)信號(hào)，并將所述磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號(hào)的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號(hào)進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號(hào)的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號(hào)轉(zhuǎn)換為差分信號(hào)的差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換電路依次連接，通過(guò)霍爾采樣電路采集動(dòng)子在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的磁場(chǎng)信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)細(xì)分和差分信號(hào)轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測(cè)的媒介，無(wú)需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

可以理解的是，對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，可以根據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)方案及其實(shí)用新型構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。