[發明專利]一種多圈絕對磁編碼器

有效

• 申請號: 201310011438.5
• 申請日: 2013-01-11
• 公開（公告）號: CN103925933A
• 公開（公告）日: 2014-07-16
• 發明（設計）人: 詹姆斯·G·迪克;周志敏
• 申請（專利權）人: 江蘇多維科技有限公司
• 主分類號: G01D5/12
• 分類號: G01D5/12;G01B7/00
• 代理公司: 北京正理專利代理有限公司 11257
• 代理人: 張雪梅

技術領域

本發明涉及的是一種測量技術領域的磁器件，具體是指一種用于測量輸入轉軸絕對位置和轉動圈數的多圈絕對磁編碼器。

背景技術

編碼器技術在電機轉速測量、機器人位置控制以及精密儀器的控制等領域有廣泛的應用，在這些領域，轉軸的絕對位置和轉動圈數都是很重要的控制參數，因此需要實現對其精確測量，而多圈編碼技術由于可以同時實現絕對位置和旋轉圈數的測量因此得到了廣泛的應用。

目前兩種類型的編碼器技術得到了廣泛的應用，即光電編碼技術以及磁絕對編碼技術。但光電編碼技術普遍存在對氣泡、強光、污垢、滲漏等因素的抗干擾能力差的缺點，影響測量的精度。與光電編碼技術相比，磁絕對編碼技術則不受這些因素的影響，而且其分辨率更高，穩定性好，可以完全根除光電技術引起的各種不良故障，成為一種可替代光電編碼的編碼技術。

齒輪基的多圈編碼技術因其結構簡單直觀而得到了廣泛的應用，在齒輪基的多圈編碼器中，輸入軸經減速齒輪組與輸出軸連接，其轉速變化與減速齒輪組的轉速傳動比有關，碼盤與輸出軸相連，其絕對位置通過磁傳感器進行測量，然后換算成輸入軸的圈數。假定減速齒輪組的轉速傳動比為10:1，則輸入軸旋轉10圈，輸出軸旋轉1圈，如將碼盤沿圓周分成10等分，每一等分對應輸出軸1圈，因此通過對其絕對位置的測量可以直接得到輸入軸的旋轉圈數。同樣的，增加齒輪組將前一齒輪組的輸出軸作為輸入軸，在其自身輸出軸得到進一步減少的轉速，假定增加齒輪組的轉速傳動比仍為10:1，則當輸入軸旋轉100圈時，第一齒輪組輸出軸轉動10圈，增加的第二齒輪組輸出軸轉動1圈，則依靠對第二齒輪組輸出軸上碼盤絕對位置的讀數，以及第一齒輪組輸出軸上碼盤絕對位置的讀數，就可以計算出輸入軸的總轉數。因此，齒輪組的數量以及齒輪組的傳動比直接決定著多圈編碼器所能測量的輸入轉軸的最大圈數。

另一方面，磁絕對編碼技術的絕對位置測量精度取決于磁阻角位移傳感器和永磁體碼盤兩個組成部分的性能特征。與霍爾傳感器相比，磁阻角位移傳感器如隧道磁阻角位移傳感器具有更高的磁場靈敏度，其功耗和尺寸也可大大降低。磁阻角位移傳感器包含兩種相互正交的單軸隧道磁阻傳感器，工作時形成的兩個正余弦輸出與永磁體旋轉磁場和兩種隧道磁阻傳感器敏感軸之間夾角φ的關系如下：

OUT1=COS（φ）

OUT2=SIN（φ）

利用反正切函數，就能根據OUT1和OUT2計算出φ角度：

φ=ATAN（OUT2/OUT1）

永磁體碼盤在旋轉過程中其旋轉相位角α，可以定義為永磁體碼盤上在旋轉過程中依次經過隧道磁阻傳感器的位置矢量點r的相位角，其磁場對隧道磁阻傳感器產生感應。只有當永磁體旋轉相位角α和旋轉磁場相位角φ之間形成線性關系，滿足在0~360°范圍內一一對應時，就可以將磁阻角位移傳感器所探測旋轉磁場角度φ和永磁體碼盤的旋轉相位角α位置關系對應起來，從而測量出轉軸在一圈過程中的絕對位置。

因此，隧道磁阻磁絕對編碼器技術在應用于多圈絕對磁編碼器時對于永磁體碼盤的設計性能將具有特殊的要求，而現有的多圈絕對磁編碼器中的永磁體碼盤具有如下缺點：

（1）現有磁絕對編碼器技術采用霍爾傳感器作為磁場角度測量器件，功耗高，而且分辨率較低。

（2）現有的磁絕對編碼器大都采用霍爾傳感器作為角度傳感器，其對應的敏感磁場為垂直于檢測面的磁場分量，而隧道磁阻傳感器對應的敏感磁場為平行于檢測面的磁場分量，因此現有磁性編碼器的永磁體碼盤不能滿足于隧道磁阻傳感器磁場角度測量的要求。

（3）現有的磁絕對編碼器永磁體一般采用的是實心圓柱設計，直接安裝于轉軸的端部，增加了空間，而圓環形則可以直接安裝在轉輪上。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術中存在的上述缺點，提供一種采用隧道磁阻角傳感器、特殊設計的永磁體碼盤、并采用多級齒輪減速組的多圈絕對磁編碼器，使之能夠同時測量輸入轉軸在轉動一圈過程中的絕對位置和轉動圈數。

根據發明，提供一種多圈絕對磁編碼器，包括：

第一至第M+1計數單元，M為大于等于1的整數，

單圈信號處理單元，和

多圈信號處理單元，其特征在于，

每一計數單元包括：

同軸地固定有永磁體的碼盤，和

隧道磁阻角位移傳感器，位于所述永磁體檢測面上用于感測所述永磁體產生的磁場在該檢測面內的分量并輸出感測信號，

所述永磁體具有柱狀圓環結構，并包含第一永磁單元和第二永磁單元，所述第一永磁單元和第二永磁單元相對于直徑截面幾何對稱，