CN212543593U - 一种用于直线电机的编码器和直线电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于直线电机的编码器、直线电机，其中编码器其特征在于：包括至少一个磁阻传感器；距离为S×(2×n+1)/4的第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器，分别产生两个相位相差90°正交脉冲信号；信号采集处理单元，用于将磁阻传感器采集的两组电压信号进行处理，得到随着初级位置变化的角度值；运算单元，磁阻传感器的输出端与信号采集处理单元的输入端连接。与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过设置磁阻传感器与两个霍尔开关传感器，来获得初级的绝对位置信息，磁阻传感器和霍尔开关传感器对安装环境及对次级磁钢本身磁场精度要求不高、因此其推广应用范围较广。

Description

一种用于直线电机的编码器和直线电机

技术领域

本实用新型涉及一种编码器，尤其是涉及一种用于直线电机的编码器，以及使用该编码器的直线电机。

背景技术

目前应用于直线电机的编码器主要有光学直线编码器和磁感应直线编码两种类型。光学直线编码器需要在电机本体上安装直线光栅，然后通过编码器的读头读取光学信号并转换为位置信息输出；磁编码器则需要在电机本体上安装直线磁栅，然后通过编码器的读头读取磁信号并转换为位置信息输出。不管何种类型的编码器均需要在电机本体上额外安装栅尺(光栅或者磁栅)，存在成本高、而且安装复杂、误差的大小不易控制等缺点。

另外，光栅容易受到油污、尘埃等环境影响，不适合在恶劣工况下应用。磁栅的抗污能力比较好，但是磁栅容易被外部磁场磁化，特别是对于小型直线电机，磁珊尺安装的位置需要远离电机内部次级上的磁钢，不然会被磁化导致编码器失效。

还有，一般直线光栅或者磁栅均为增量式刻线，无法提供绝对位置，因此应用于直线电机时无法提供电机中初级的相位信息，直线电机初次上电在寻找相位的时候会出现初级较大幅度的位置移动，这在很多应用场合是不允许的，为了克服这个缺点，有些电机额外安装了一个霍尔相位传感器来感应电机初级的相位，不仅增加了接线的复杂性也增加了成本。

为了解决直线编码器存在安装复杂、成本高、易受污染、磁场影响的缺陷，公布号为CN 106849520 A的中国专利公开了一种直线电机磁轨编码器，其包括壳体，在壳体内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有用于采集初级在运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的霍尔采样电路；用于将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的细分电路；用于将所述两路正交编码器信号转换为差分信号的差分信号转换电路，通过霍尔采样电路采集磁场信号并转换为电压信号，经过后续细分和差分信号转换处理后可以得到精确的位置数据。该结构中，霍尔采样电路采用能将磁场信号分别转换为正弦电压信号和余弦电压信号的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，第一霍尔传感器和第二霍尔传感器必须采用线性的霍尔传感器，才能在后续处理过程中得到初级的位置数据；然而，线性霍尔传感器要工作在线性区间内，对磁场强度范围有比较严格的要求，因此，该编码器的使用环境是有一定限制的，同时为了避免受到影响，必须配备一个屏蔽外壳，另外编码器安装后，对次级中排列的多个磁钢的磁场一致性要求也较高，否则其精度将受到极大影响；然而很多情况下，由于电机次级磁钢本身磁场充磁精度往往会存在一定的物理偏差，同时磁钢安装时也会存在较大一些物理误差，这些情况，会大大降低该编码器的绝对定位精度。而在一些对精度要求较高的场合(印刷、机床、半导体行业等)，需要对电机编码器进行全行程精度补偿，上述编码器无法满足要求。并且上述编码器中，没有将霍尔传感器获得的相位信息输出，使用该编码器的直线电机初次上电在寻找相位的时候依然会出现初级较大幅度的位置移动，这在很多应用场合是不允许的。因此现有的编码器均有待于进一步改进。

实用新型内容

本实用新型所要解决的第一个技术问题是针对上述现有技术现状提供一种对安装环境及对次级磁钢本身磁场精度要求不高、又能精确获得初级的绝对位置信息的用于直线电机的编码器。

本实用新型所要解决的第二个技术问题是针对上述现有技术现状提供一种对安装环境及对次级磁钢本身磁场精度要求不高、又能精确获得初级的绝对位置信息的直线电机。

实用新型本实用新型解决上述第一个技术问题所采用的技术方案为：一种用于直线电机的编码器，用于检测直线电机中初级相对次级的位置，其特征在于：包括

至少一个磁阻传感器，该磁阻传感器能在初级相对次级移动时采集次级磁场强度变化信号并输出两组相位相差为90°的电压信号；

第一霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器能在初级相对次级移动时产生第一正交脉冲信号，且在直线电机的次级的一个磁极间距范围内，第一霍尔开关传感器仅输出一个高电平信号；

第二霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器间隔设置，且两者之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；第二霍尔开关传感器也能在初级相对定义移动时产生第二正交脉冲信号，第二正交脉冲信号与第一正交脉冲信号之间的相位相差90°；且在直线电机次级的一个磁极间距范围内，第二霍尔开关传感器也仅输出一个高电平信号；

信号采集处理单元，磁阻传感器的输出端与信号采集处理单元的输入端连接，用于将磁阻传感器采集的两组电压信号进行处理和计算，得到随着初级位置变化的角度值，将该角度值标记为θ_d；

运算单元，第一霍尔开关传感器、第二霍尔开关传感器和信号采集处理单元的输出端均与运算单元连接。运算单元能根据第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号，以及信号采集处理单元得到的角度值，及其内部预设的计算公式计算初级的绝对位置信息。

虽然磁阻传感器也能输出两组相位相差为90°的电压信号，但是由于两组电桥的间距小于次级的磁极间距的1/4，计算得到的角度偏差较大，为了提高信号质量和精度，作为改进，所述磁阻传感器设有两个，两个磁阻传感器间隔设置，且两者之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；两个磁阻传感器中两个电桥输出部分并联连接，电源部分反接。这时得到两组随着磁场的强度而变化的相位相差为90°的两组电压信号，其信号质量和精度能得到有效提高。

再改进，本实用新型提供的编码器还包括能给运算单元、第一霍尔开关传感器以及第二霍尔开关传感器供电的电池。

再改进，本实用新型提供的编码器还包括与运算单元连接的通信单元，用于将运算单元计算得到的初级的绝对位置信息发送给外部设备。

本实用新型解决上述第二个技术问题所采用的技术方案为：一种直线电机，包括次级磁轨和相对所述次级磁轨运动的初级，其特征在于，还包括具有上述结构的编码器，所述编码器固定于初级的一侧。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：通过设置磁阻传感器与两个霍尔开关传感器，得到两个相位相差90°的第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号，以及随着初级位置变化的角度值，获得初级的绝对位置信息，磁阻传感器和霍尔开关传感器对安装环境及对次级磁钢本身磁场精度要求不高、因此其推广应用范围较广。

附图说明

图1为本实用新型实施例中用于直线电机的编码器的内部结构框图。

图2为本实用新型实施例中直线电机次级磁钢、磁场强度、磁阻传感器信号、以及第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号的对应关系图。

图3为本实用新型实施例中第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号的脉冲信号组合示意图。

图4为本实用新型实施例中直线电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本实用新型作进一步详细描述。

如图1所示的用于直线电机的编码器，用于检测直线电机中初级相对次级的位置，其包括

第一磁阻传感器，该磁阻传感器能在初级相对次级移动时采集次级磁场强度变化信号并输出两组相位相差为90°的电压信号；

第二磁阻传感器，该磁阻传感器能在初级相对次级移动时采集次级磁场强度变化信号并输出两组相位相差为90°的电压信号；第二磁阻传感器与第一磁阻传感器间隔设置，且两者之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；本实施例中，n＝0，因此两个磁阻传感器之间的距离为S/4，两个磁阻传感器中两个电桥输出部分并联连接，电源部分反接；

第一霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器能在初级相对次级移动时产生第一正交脉冲信号，且在直线电机的次级的一个磁极间距范围内，第一霍尔开关传感器仅输出一个高电平信号；

第二霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器间隔设置，且两者之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；本实施例中，n＝0，因此两个霍尔开关传感器之间的距离为S/4，第二霍尔开关传感器也能在初级相对定义移动时产生第二正交脉冲信号，第二正交脉冲信号与第一正交脉冲信号之间的相位相差90°；且在直线电机次级的一个磁极间距范围内，第二霍尔开关传感器也仅输出一个高电平信号；第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器均为单极性传感器，其工作环境对磁场强度范围的要求较低，即只有磁场方向为N->S或者是S->N时就会输出信号；

信号采集处理单元，磁阻传感器的输出端与信号采集处理单元的输入端连接，用于将磁阻传感器采集的两组电压信号进行处理，得到随着初级位置变化的角度值，将该角度值标记为θ_d；信号采集处理单元采用常规的带有放大、滤波、计算功能的A/D转换器；

运算单元，第一霍尔开关传感器、第二霍尔开关传感器和信号采集处理单元的输出端均与运算单元连接；运算单元能根据第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号，以及信号采集处理单元得到的角度值，及其内部预设的计算公式计算初级的绝对位置信息；

与运算单元连接的通信单元，用于将通信单元计算得到的初级的绝对位置信息发送给外部设备，如伺服驱动器；

以及能给运算单元、第一霍尔开关传感器以及第二霍尔开关传感器供电的电池。

本实施例中，运算单元内预设的计算公式为：

L＝θ_Z×(S/2)

其中L为初级与初级初始位置之间的距离，

int为取整符合；m为根据第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号组合后的脉冲计数值。

当给编码器供电的外部供电电源(如外部伺服驱动器关闭，初级不再移动)断开后，运算单元检测到由电池为其供电时，运算单元将磁阻传感器和信号采集处理单元的电源通路关断，使电池仅为第一霍尔开关传感器以及第二霍尔开关传感器供电。当外部供电电源重新接通后，编码器切换到电源供电模式，此时可通过读取由磁阻传感器输出的电压信号计算得到随着初级位置变化的角度值，结合两个霍尔开关传感器的信号得到的脉冲计数值，来计算当前初级相对次级的精确的绝对位置。

本实施例还提供了一种直线电机，包括次级磁轨和相对所述次级磁轨运动的初级，上述所述编码器固定于初级的一侧。

上述直线电机的位置检测方法，包括如下步骤：

编码器随着初级一起在次级磁轨上方运动，产生变化的动态磁场信号；

由磁阻传感器采集两路相位差为90°的电压信号，再由信号采集处理单元将磁阻传感器采集的两组电压信号进行处理和计算，得到随着初级位置变化的角度值；

同时由第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器采集两个相位相差为90°的第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号；

再由运算单元用于根据第一正交脉冲信号与第二正交脉冲信号，以及信号采集处理单元得到的角度值，计算初级的绝对位置信息，并将初级的绝对位置信息发送给通信单元；

通信单元，将初级的绝对位置信息发送给伺服驱动器。

Claims (5)

1.一种用于直线电机的编码器，用于检测直线电机中初级相对次级的位置，其特征在于：包括

至少一个磁阻传感器，该磁阻传感器能在初级相对次级移动时采集次级磁场强度变化信号并输出两组相位相差为90°的电压信号；

第一霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器能在初级相对次级移动时产生第一正交脉冲信号，且在直线电机的次级的一个磁极间距范围内，第一霍尔开关传感器仅输出一个高电平信号；

第二霍尔开关传感器，第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器间隔设置，且第一霍尔开关传感器和第二霍尔开关传感器之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；第二霍尔开关传感器也能在初级相对定义移动时产生第二正交脉冲信号，第二正交脉冲信号与第一正交脉冲信号之间的相位相差90°；且在直线电机次级的一个磁极间距范围内，第二霍尔开关传感器也仅输出一个高电平信号；

信号采集处理单元，磁阻传感器的输出端与信号采集处理单元的输入端连接，用于将磁阻传感器采集的两组电压信号进行处理，得到随着初级位置变化的角度值，将该角度值标记为θ_d；

运算单元，第一霍尔开关传感器、第二霍尔开关传感器和信号采集处理单元的输出端均与运算单元连接。

2.根据权利要求1所述的编码器，其特征在于：所述磁阻传感器设有两个，两个磁阻传感器间隔设置，两个磁阻传感器之间的距离为S×(2×n+1)/4，其中S为直线电机次级的磁极间距，n＝0或任意自然数；两个磁阻传感器中两个电桥输出部分并联连接，电源部分反接。

3.根据权利要求1或2所述的编码器，其特征在于：还包括能给运算单元、第一霍尔开关传感器以及第二霍尔开关传感器供电的电池。

4.根据权利要求1或2所述的编码器，其特征在于：还包括与运算单元连接的通信单元，用于将通信单元计算得到的初级的绝对位置信息发送给外部设备。

5.一种直线电机，包括次级磁轨和相对所述次级磁轨运动的初级，其特征在于，还包括如权利要求1-2中任意一项所述的编码器，所述编码器固定于初级的一侧。

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