一種多圈絕對磁編碼器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種多圈絕對磁編碼器，包括第一至第M+1計數(shù)單元，單圈信號處理單元和多圈信號處理單元。每一計數(shù)單元包括其上固定有永磁體的碼盤，和隧道磁阻角位移傳感器，隧道磁阻角位移傳感器位于所述永磁體的檢測面內(nèi)距離永磁體柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，使得永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面內(nèi)的分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角呈線性變化關(guān)系。單圈信號處理單元基于所述第一計數(shù)單元的感測信號計算并輸出表征輸入轉(zhuǎn)軸在一轉(zhuǎn)內(nèi)絕對位置的代碼，多圈信號處理單元基于來自所述第二至第M+1計數(shù)單元的感測信號計算并輸出所述輸入轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。
【專利說明】—種多圈絕對磁編碼器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種測量【技術(shù)領(lǐng)域】的磁器件，具體是指一種用于測量輸入轉(zhuǎn)軸絕對位置和轉(zhuǎn)動圈數(shù)的多圈絕對磁編碼器。
【背景技術(shù)】
[0002]編碼器技術(shù)在電機轉(zhuǎn)速測量、機器人位置控制以及精密儀器的控制等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，在這些領(lǐng)域，轉(zhuǎn)軸的絕對位置和轉(zhuǎn)動圈數(shù)都是很重要的控制參數(shù)，因此需要實現(xiàn)對其精確測量，而多圈編碼技術(shù)由于可以同時實現(xiàn)絕對位置和旋轉(zhuǎn)圈數(shù)的測量因此得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]目前兩種類型的編碼器技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，即光電編碼技術(shù)以及磁絕對編碼技術(shù)。但光電編碼技術(shù)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(shù)相比，磁絕對編碼技術(shù)則不受這些因素的影響，而且其分辨率更高，穩(wěn)定性好，可以完全根除光電技術(shù)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(shù)。
[0004]齒輪基的多圈編碼技術(shù)因其結(jié)構(gòu)簡單直觀而得到了廣泛的應(yīng)用，在齒輪基的多圈編碼器中，輸入軸經(jīng)減速齒輪組與輸出軸連接，其轉(zhuǎn)速變化與減速齒輪組的轉(zhuǎn)速傳動比有關(guān)，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(shù)。假定減速齒輪組的轉(zhuǎn)速傳動比為10:1，則輸入軸旋轉(zhuǎn)10圈，輸出軸旋轉(zhuǎn)I圈，如將碼盤沿圓周分成10等分，每一等分對應(yīng)輸出軸I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(zhuǎn)圈數(shù)。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(zhuǎn)速，假定增加齒輪組的轉(zhuǎn)速傳動比仍為10:1，則當輸入軸旋轉(zhuǎn)100圈時，第一齒輪組輸出軸轉(zhuǎn)動10圈，增加的第二齒輪組輸出軸轉(zhuǎn)動I圈，則依靠對第二齒輪組輸出軸上碼盤絕對位置的讀數(shù)，以及第一齒輪組輸出軸上碼盤絕對位置的讀數(shù)，就可以計算出輸入軸的總轉(zhuǎn)數(shù)。因此，齒輪組的數(shù)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(zhuǎn)軸的最大圈數(shù)。
[0005]另一方面，磁絕對編碼技術(shù)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(zhuǎn)磁場和兩種隧道磁阻傳感器敏感軸之間夾角Φ的關(guān)系如下:
[0006]OUTl=COS ( Φ )
[0007]0UT2=SIN ( Φ )
[0008]利用反正切函數(shù)，就能根據(jù)OUTl和0UT2計算出Φ角度:
[0009]φ =ATAN (0UT2/0UT1)
[0010]永磁體碼盤在旋轉(zhuǎn)過程中其旋轉(zhuǎn)相位角α，可以定義為永磁體碼盤上在旋轉(zhuǎn)過程中依次經(jīng)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(chǎn)生感應(yīng)。只有當永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α和旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ之間形成線性關(guān)系，滿足在0-360°范圍內(nèi)對應(yīng)時，就可以將磁阻角位移傳感器所探測旋轉(zhuǎn)磁場角度Φ和永磁體碼盤的旋轉(zhuǎn)相位角α位置關(guān)系對應(yīng)起來，從而測量出轉(zhuǎn)軸在一圈過程中的絕對位置。
[0011]因此，隧道磁阻磁絕對編碼器技術(shù)在應(yīng)用于多圈絕對磁編碼器時對于永磁體碼盤的設(shè)計性能將具有特殊的要求，而現(xiàn)有的多圈絕對磁編碼器中的永磁體碼盤具有如下缺點。[0012](1)現(xiàn)有磁絕對編碼器技術(shù)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。
[0013](2)現(xiàn)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(yīng)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(yīng)的敏感磁場為平行于檢測面的磁場分量，因此現(xiàn)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。
[0014](3)現(xiàn)有的磁絕對編碼器永磁體一般采用的是實心圓柱設(shè)計，直接安裝于轉(zhuǎn)軸的端部，增加了空間，而圓環(huán)形則可以直接安裝在轉(zhuǎn)輪上。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0015]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)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(shè)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(zhuǎn)軸在轉(zhuǎn)動一圈過程中的絕對位置和轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
[0016]根據(jù)發(fā)明，提供一種多圈絕對磁編碼器，包括:
[0017]第一至第Μ+1計數(shù)單元，M為大于等于I的整數(shù)，
[0018]單圈信號處理單元，和
[0019]多圈信號處理單元，其特征在于，
[0020]每一計數(shù)單元包括:
[0021]同軸地固定有永磁體的碼盤，和
[0022]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(chǎn)生的磁場在該檢測面內(nèi)的分量并輸出感測信號，
[0023]所述永磁體具有柱狀圓環(huán)結(jié)構(gòu)，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，
[0024]所述第一永磁單元的磁化強度和第二永磁單元的磁化強度平行于柱狀圓環(huán)的軸向，且方向相反，或
[0025]所述第一永磁單元的磁化強度和第二永磁單元的磁化強度垂直于所述直徑截面，且方向平行一致，
[0026]每一計數(shù)單元內(nèi)，所述隧道磁阻角位移傳感器位于所述永磁體的檢測面內(nèi)距離永磁體柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，在該特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，所述永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面內(nèi)的分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角呈線性變化關(guān)系，并且
[0027]所述單圈信號處理單元基于所述第一計數(shù)單元的感測信號計算并輸出表征輸入轉(zhuǎn)軸在一轉(zhuǎn)內(nèi)絕對位置的代碼，
[0028]所述多圈信號處理單元基于來自所述第二至第Μ+1計數(shù)單元的感測信號計算并輸出所述輸入轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。
[0029]優(yōu)選地，第一計數(shù)單元的碼盤直接固定在輸入轉(zhuǎn)軸上。
[0030]優(yōu)選地，第二至第M計數(shù)單元中，
[0031]每一計數(shù)單元包括減速齒輪組，每一減速齒輪組的輸出軸作為下一減速齒輪組的輸入軸，且碼盤固定在輸出軸上，
[0032]多圈信號處理單元根據(jù)每一計數(shù)單元隧道磁阻角位移傳感器的感測信號計算并輸出該計數(shù)單元減速齒輪組輸入軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。
[0033]優(yōu)選地，所述M為1-10。
[0034]優(yōu)選地，第m計數(shù)單元的碼盤與第m+1計數(shù)單元的碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)比為N: 1，m為1~M中的整數(shù)，N為大于I的整數(shù)。
[0035]優(yōu)選地，第m計數(shù)單元的碼盤與第m+1計數(shù)單元的碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)比為10:1。
[0036]優(yōu)選地,所述永磁體柱狀圓環(huán)結(jié)構(gòu)的外徑為3-200mm,內(nèi)徑為1-1OOmm,高度為l-50mmo
[0037]優(yōu)選地，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。
[0038]優(yōu)選地，所述永磁體所對應(yīng)的檢測面位于柱狀圓環(huán)端面前方且平行于端面。
[0039]優(yōu)選地，所述隧道磁阻角位移傳感器所在檢測面與所述永磁體的柱狀圓環(huán)端面之間的距離為l_5mm。
[0040]優(yōu)選地，所述第一永磁單元的磁化強度和第二永磁單元的磁化強度大小相同。
[0041 ] 優(yōu)選地，永磁體(100，300)的組成材料為選自RECo5,其中RE=Sm和/或Pr ;RE2TM17，其中 RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co，Zr 和 / 或 Hf ;RE2TM14B，其中 RE=Nd, Pr 和 / 或 Dy, TM=Fe和/或Co ；FeCrCo合金；NbFeB合金中的一種或多種，或永磁體(100，300)為所述永磁體組成材料的粉末和塑料，橡膠或樹脂形成的復合體。
[0042]本發(fā)明具有如下有益效果:
[0043]I)本發(fā)明采用減速齒輪組來降低輸入轉(zhuǎn)速，并將轉(zhuǎn)速的測量轉(zhuǎn)變成碼盤絕對位置的測量，精度高，簡單直觀。
[0044]2)本發(fā)明可以同時測量輸入轉(zhuǎn)軸的絕對位置和轉(zhuǎn)動圈數(shù)。
[0045]3)本發(fā)明采用的為隧道磁阻角位移傳感器，使得靈敏度大為提高，而功耗大為降低，尺寸位置也相對減少，不受環(huán)境塵埃、油污等的影響。
[0046]4)本發(fā)明采用的柱狀圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的永磁體，結(jié)構(gòu)簡單，能夠直接鑲嵌在輸入軸和減速齒輪輸出軸上，減小安裝空間的要求；
[0047]5)本發(fā)明采用的柱狀圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的永磁體，檢測面特定區(qū)域內(nèi)的檢測磁場分量和傳感器敏感軸夾角和永磁體旋轉(zhuǎn)角相位之間具有良好線性關(guān)系，滿足隧道磁阻傳感器的實用要求。
[0048]6)本發(fā)明采用的柱狀圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)的永磁體，磁場探測區(qū)域在三維空間內(nèi)變化范圍較大，使得磁阻傳感器的安裝空間較為靈活。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0049]圖1為多圈絕對磁編碼器示意圖。[0050]圖2為多圈絕對磁編碼器碼盤結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]圖3為垂直向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體的頂視圖。
[0052]圖4為垂直向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體的側(cè)視圖
[0053]圖5為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體的頂視圖
[0054]圖6為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體的側(cè)視圖
[0055]圖7為柱狀圓環(huán)永磁體相對于隧道磁阻角傳感器安裝位置頂視圖。
[0056]圖8為柱狀圓環(huán)永磁體相對于隧道磁阻角傳感器安裝位置側(cè)視圖。
[0057]圖9為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體在檢測面上的三維磁場矢量分布圖。
[0058]圖10為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體在檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的典型線性關(guān)系圖。
[0059]圖11為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體在檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的非線性關(guān)系曲線圖。
[0060]圖12為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體在檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的介于線性和非線性之間的關(guān)系圖。
[0061]圖13為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量磁場幅度Bx-y和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角度α關(guān)系圖。
[0062]圖14為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α關(guān)系的直線擬合參數(shù)R2與隧道磁阻角傳感器距離軸心相對位置r/Ro關(guān)系圖。
[0063]圖15為垂直向充磁柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量正則磁場幅度B正則與隧道磁阻角傳感器距離軸心相對位置r/Ro關(guān)系圖。
[0064]圖16為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體在檢測面內(nèi)的三維磁場矢量分布圖。
[0065]圖17為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和柱狀圓環(huán)永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的典型線性關(guān)系圖。
[0066]圖18為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的非線性關(guān)系圖。
[0067]圖19為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的介于線性和非線性之間的關(guān)系圖。
[0068]圖20為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)檢測磁場分量的磁場幅度Bx-y與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角度α關(guān)系圖。
[0069]圖21為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)，檢測磁場分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的直線擬合參數(shù)R2與隧道磁阻傳感器距離軸心相對位置r/Ro的關(guān)系圖。
[0070]圖22為平行向充磁的柱狀圓環(huán)永磁體檢測面內(nèi)，檢測磁場分量的正則磁場幅度B正則與隧道磁阻傳感器距離軸心相對位置r/Ro關(guān)系圖。
[0071]圖23為隧道磁阻角傳感器探測到安裝有永磁體的碼盤在轉(zhuǎn)動過程中的角度和傳感器信號的關(guān)系。
【具體實施方式】[0072]下面將參照附圖來描述本發(fā)明以下幾個優(yōu)選實施例。
[0073]實施例1
[0074]圖1是本發(fā)明多圈絕對磁編碼器結(jié)構(gòu)示意圖，包含單圈單元I和多圈單元2，3為輸入轉(zhuǎn)軸，其旋轉(zhuǎn)過程的絕對位置和圈數(shù)為待測參數(shù)。單圈單元I包含固定有永磁體的碼盤4 (也稱為永磁體碼盤)、隧道磁阻角位移傳感器5以及單圈信號處理單元6，碼盤4直接安裝在輸入轉(zhuǎn)軸3上，隧道磁阻角傳感器5用于通過測量碼盤上永磁體的旋轉(zhuǎn)相位角來測量碼盤4轉(zhuǎn)動一圈過程中的絕對位置，所測結(jié)果即為輸入轉(zhuǎn)軸3的絕對位置。
[0075]多圈單元2包括M級減速齒輪組7用于對輸入轉(zhuǎn)軸減速，M為大于等于I的整數(shù)。每級減速齒輪組對應(yīng)有輸入軸8，輸出軸9以及同軸地固定有永磁體的碼盤10、隧道磁阻角位移傳感器11。多圈單元2進一步包括與多圈單元中每一隧道磁阻角位移傳感器連接的多圈信號處理單元12，用于基于來自多圈單元中每一隧道磁阻角位移傳感器的感測信號輸出輸入轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。每級齒輪組將其輸入軸8的速度按一定的傳動比N:1減速，并在輸出軸9上輸出，也即第M級齒輪組上的碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)與第M+1級齒輪組上碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)比為N: 1，N為大于I的整數(shù)。優(yōu)選地，N等于10。每級減速齒輪組以上一級減速齒輪組的輸出軸作為輸入軸。在每一輸出軸9上安裝有一個永磁體碼盤10隨輸出軸一起轉(zhuǎn)動。隧道磁阻角傳感器11測量永磁體碼盤10的轉(zhuǎn)動一圈過程中的絕對位置，并將感測信號輸送到多圈信號處理單元12。多圈信號處理單元將各傳感器所測量的其對應(yīng)碼盤的絕對旋轉(zhuǎn)位置轉(zhuǎn)變成輸入軸的對應(yīng)圈數(shù)。根據(jù)傳動比，輸出軸9轉(zhuǎn)動I圈對應(yīng)于輸入軸8轉(zhuǎn)動了 N圈，則圈數(shù)與絕對位置的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Tl= α /360*Ν。當?shù)贛級輸入轉(zhuǎn)軸8轉(zhuǎn)動N圈之后，位于輸出軸9上的永磁體碼盤10已經(jīng)滿足不了圈數(shù)的記錄要求，需要增加一級減速齒輪組，依靠類似的減速方法來實現(xiàn)更高圈數(shù)的記錄要求。這種方式類似于數(shù)字的進位，當?shù)贛個減速齒輪組轉(zhuǎn)動N圈后，向第Μ+1個齒輪組進位，第Μ+1個齒輪組轉(zhuǎn)動N圈后，再向第Μ+2個齒輪組進位。多圈單元所能記錄的最大圈數(shù)與齒輪組的數(shù)量和傳動比相關(guān)，傳動比N即N進制，而減速齒輪組數(shù)量M代表所能記錄圈數(shù)的數(shù)字位數(shù)，第M組齒輪表示記錄圈數(shù)的第M位。因此，將多圈單元中的每一隧道磁阻角傳感器測量的絕對位置信號按照N進制M位數(shù)轉(zhuǎn)變成10進制數(shù)字，即可以得到記錄輸入轉(zhuǎn)軸3的實際圈數(shù)。例如，N為10時，當多圈單元中第一減速齒輪組上的碼盤對應(yīng)的絕對位置為3，第二減速齒輪上的碼盤對應(yīng)的絕對位置為2，則輸入轉(zhuǎn)軸3的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為23圈。
[0076]實施例2
[0077]圖2為碼盤4和10的結(jié)構(gòu)示意圖。碼盤為柱狀圓環(huán)結(jié)構(gòu)，其中柱狀圓環(huán)永磁體14安裝在非磁性轉(zhuǎn)盤13上隨碼盤4，10 一同旋轉(zhuǎn)。柱狀圓環(huán)永磁體14可能有兩種充磁方式永磁體100和300。下面將參照圖3和圖4示出的永磁體100以及圖5和圖6時示出的永磁體300進行具體描述。
[0078]圖3和圖4示意性示出根據(jù)本發(fā)明的永磁體100的示意圖。永磁體100為柱狀圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)，包含永磁單元101和永磁單元102，永磁單元101和永磁單元102以直徑截面110幾何對稱。永磁單元101的磁化強度103和永磁單元102的磁化強度104沿軸心方向反平行。優(yōu)選的，所述永磁體101的磁化強度103和永磁單元102的磁化強度104大小相同。
[0079]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要設(shè)計永磁體100的尺寸。優(yōu)選的，永磁體100的內(nèi)徑為1-lOOmm,外徑為3-200mm,高度為l_50mm。
[0080]永磁體100對應(yīng)的檢測面120位于柱狀圓環(huán)端面前方且平行于端面。優(yōu)選的，該檢測面120與柱狀圓環(huán)端面之間的距離為l_5mm。本文中，永磁體100所對應(yīng)的檢測磁場分量121為永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面120內(nèi)的分量。檢測面120內(nèi)所對應(yīng)的特定檢測區(qū)域122位于距離柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，在該特定檢測區(qū)域內(nèi)，檢測磁場分量121的旋轉(zhuǎn)相位角和永磁體100旋轉(zhuǎn)相位角具有線性變化特征，這將在下文具體描述。
[0081]優(yōu)選的，永磁體100的組成材料為Alnico。可替換地，永磁體100的組成材料為鐵氧體陶瓷材料M0.6Fe203，M為Ba，Sr或者兩者的組合?？商鎿Q地，永磁體100的組成材料為 RECo5, RE=Sm 和 / 或 Pr ；RE2TM17, RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co，Zr 和 / 或 Hf 以及 RE2TM14B,RE=Nd, Pr和/或Dy，TM=Fe和/或Co?？商鎿Q地，所述永磁體100的組成材料為FeCrCo合金或NbFeB合金。優(yōu)選的,所述永磁體100為上述永磁體材料的粉末和塑料、橡膠或樹脂等形成的復合體。
[0082]圖5和圖6示意性示出根據(jù)本發(fā)明的永磁體300的示意圖。永磁體300為柱狀圓環(huán)幾何結(jié)構(gòu)，包含永磁單元301和永磁單元302，永磁單元301和永磁單元302以直徑截面310幾何對稱。永磁單元301的磁化強度303和永磁單元302的磁化強度304沿垂直于直徑截面方向平行一致。優(yōu)選的，所述永磁單元301的磁化強度303和永磁單元302的磁化強度304大小相同。
[0083]本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要設(shè)計永磁體300的尺寸。優(yōu)選的，永磁體300的內(nèi)徑為1-1OOmm,外徑為3-200mm,高度為l_50mm。
[0084]永磁體300對應(yīng)的檢測面320位于柱狀圓環(huán)端面前方且平行于端面。優(yōu)選的，該檢測面320與柱狀圓環(huán)端面之間的距離為l_5mm。本文中，永磁體300所對應(yīng)的檢測磁場分量321為永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面320內(nèi)的分量。檢測面320內(nèi)所對應(yīng)的特定檢測區(qū)域322位于距離柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，在該特定檢測區(qū)域內(nèi)，檢測磁場分量321的旋轉(zhuǎn)相位角和永磁體300旋轉(zhuǎn)相位角具有線性變化特征，這將在下文具體描述。
[0085]優(yōu)選的，永磁體300的組成材料為Alnico?？商鎿Q地，永磁體300的組成材料為鐵氧體陶瓷材料M0.6Fe203，M為Ba，Sr或者兩者的組合。可替換地，永磁體300的組成材料為 RECo5, RE=Sm, Pr，或 RE2TM17, RE=Sm, TM=Fe, Cu, Co, Zr, Hf 以及 RE2TM14B, RE=Nd, Pr, Dy,TM=Fe, Co。可替換地，所述永磁體300的組成材料為FeCrCo合金或NbFeB合金。優(yōu)選的，所述永磁體300永磁體合金材料粉末和塑料、橡膠或樹脂等形成的復合體。
[0086]實施例3
[0087]實施例3為碼盤中永磁體100，300與隧道磁阻角位移傳感器5，11的相對位置關(guān)系的實例。隧道磁阻角位移傳感器位于永磁體檢測面上，用于感測所述永磁體產(chǎn)生的磁場在該檢測面內(nèi)的分量并輸出感測信號。隧道磁阻角位移傳感器被布置在永磁體的檢測面內(nèi)距離永磁體柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，在該特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，所述永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面內(nèi)的分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α呈線性變化關(guān)系。
[0088]圖7和8分別為柱狀圓環(huán)永磁體14和隧道磁阻角傳感器5，11相對安裝位置頂視圖和側(cè)視圖，檢測面距離永磁體端面距離為d。以永磁體軸心為原點在檢測面內(nèi)建立X-Y坐標系統(tǒng)，如圖5所示。假定永磁體14的柱狀圓環(huán)內(nèi)半徑為Ri，外半徑為Ro，厚度為t，隧道磁阻角位移傳感器5.11在檢測面內(nèi)的位置矢量為r(x，y)，其相對于X軸的方位角為α。假定r處的檢測磁場分量Bx-y (Bx，By)方位角度為β。角度α和角度β的計算關(guān)系如下:
[0089]a = atan(-| (χ>ο)，
W，
[0090]ff = atan ?—) + n (χ〈ο, y>o),
\χ/ ，
[0091]α = atan (y/x) - π , (χ<0, y<0),
[0092]β =s at.^ (Βχ>0)，
[0093]β = ataH十 π (Βχ〈0, By>ο),
[0094]β = atan (By/Bx) - π , (Βχ〈0，By〈0)，
[0095]α 和 β 在(-180。, 180° )之間變化。
[0096]隧道磁阻角傳感器5或11所測量的為檢測磁場分量Bx-y與其敏感軸的夾角Φ = β - α。
[0097]當角度磁編碼器工作時，隧道磁阻角傳感器5，11保持固定，而柱狀圓環(huán)永磁體14圍繞軸心旋轉(zhuǎn)，則檢測面以原點為圓心，r為半徑的圓上各點依次經(jīng)過隧道磁阻角傳感器5，11，并產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，其相位和幅度被隧道磁阻角傳感器5，11所測量。這等效于柱狀圓環(huán)永磁體14保持固定，隧道磁阻角傳感器5，11依次平移到圓周上不同位置點并測量檢測磁場。則此時，永磁體旋轉(zhuǎn)相位角為ct，而旋轉(zhuǎn)磁場相位角為φ。
[0098]實施例4
[0099]圖9為垂直充磁的柱狀圓環(huán)永磁體100在檢測面120上的三維磁場矢量圖，通過對檢測面120內(nèi)檢測磁場分量Bx-y分布特征進行計算，得到r在(0，Ro)范圍內(nèi)變化時旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α的關(guān)系，其關(guān)系可以是線性關(guān)系，非線性關(guān)系或介于線性和非線性之間的關(guān)系特征。例如，圖10所示曲線23為典型的線性關(guān)系，圖11所示曲線24為典型非線性關(guān)系，圖12所示曲線25為介于線性和非線性之間關(guān)系特征。圖13為檢測磁場分量Bx-y和旋轉(zhuǎn)角度α關(guān)系圖，由曲線26看出，旋轉(zhuǎn)磁場幅度是周期W形變化，其對應(yīng)的最大值和最小值為Bh，對于隧道磁阻角位移傳感器而言，希望永磁體在旋轉(zhuǎn)過程中磁場幅度的波動盡可能小，以保證傳感器信號不受影響。
[0100]采用直線函數(shù)來擬合如圖10，11，12所示的角度Φ和角度α之間關(guān)系，并計算其線性擬合參數(shù)R2，R2越接近I表示線性越好。
[0101]曲線26所示的磁場波動程度可以采用正則磁場關(guān)系式進行表征:
[0102]normalized B = Bpp/BL = (Bh-Bl)/Bl
[0103]normalized B數(shù)值越小,表明磁場波動越小。
[0104]為了確定檢測面120內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α之間線性區(qū)域，非線性區(qū)域的范圍，對r在(0，Ro)之間取不同值時的角度Φ和角度α關(guān)系曲線進行了擬合，并計算磁場波動關(guān)系normalized B與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α關(guān)系曲線。
[0105]圖14為線性擬合參數(shù)R2與r/Ro的關(guān)系圖，從曲線27可以看出，在區(qū)域28內(nèi)，其值接近于1，表明在此區(qū)域內(nèi)角度Φ和角度α接近線性關(guān)系，因此區(qū)域28即為隧道磁阻傳感器在檢測面18內(nèi)所對應(yīng)的特定探測區(qū)域，適合于放置隧道磁阻傳感器5，11，而在區(qū)域29范圍內(nèi)則不適合于隧道磁阻角傳感器5，11的放置。
[0106]圖15為檢測面120內(nèi)，normalized B與隧道磁阻角傳感器5，11相對位置r/Ro的關(guān)系曲線，從曲線30可以看出，在特定探測區(qū)域28內(nèi)磁場變化幅度適合于隧道磁阻傳感器5，11的信號探測。
[0107]實施例5
[0108]圖16為平行充磁的柱狀圓環(huán)永磁體300在檢測面320內(nèi)的三維磁場矢量圖，通過對檢測面320內(nèi)檢測磁場分量Bx-y分布特征進行計算，得到如圖17，18，19所示的檢測面320內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ和永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α之間線性關(guān)系曲線31，非線性關(guān)系曲線32和介于線性非線性之間的關(guān)系曲線33。線性關(guān)系曲線31的存在表明平行充磁的柱狀圓環(huán)永磁體300可以應(yīng)用于磁編碼器。
[0109]圖20為檢測磁場分量Bx-y與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α關(guān)系圖，從曲線34可以看出，檢測磁場分量Bx-y隨旋轉(zhuǎn)相位角α為周期性M形波動關(guān)系。
[0110]同樣，為了確定線性區(qū)域在檢測面22內(nèi)的范圍，對不同相對位置r/Ro數(shù)值的Φ-α關(guān)系曲線進行擬合，得到圖21所示的線性擬合參數(shù)R2曲線，由曲線35可以看出，檢測面22內(nèi)的特定檢測區(qū)域36為適合于隧道磁阻傳感器5，11的工作區(qū)域，而在區(qū)域37內(nèi)則不適合于工作。進一步，由圖22可以看出，normalized B隨隧道磁阻傳感器5,11相對位置r/Ro關(guān)系曲線38在特定檢測區(qū)域36內(nèi)變化幅度相對于非工作區(qū)域37變化較小。
[0111]以上實施例3，4，5可以看出，對于柱狀圓環(huán)永磁體14在其檢測平面內(nèi)，存在著特定檢測區(qū)域28和36，使得隧道磁阻角傳感器在該區(qū)域內(nèi)旋轉(zhuǎn)磁場相位角Φ與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α之間存在線性關(guān)系，并且其磁場波動幅度滿足傳感器的要求。這樣，隧道磁阻傳感器可以將所測量的旋轉(zhuǎn)磁場角度轉(zhuǎn)變化成永磁體旋轉(zhuǎn)角度，從而對包括其所感測的永磁體的碼盤進行編碼。
[0112]實施例6
[0113]隧道磁阻角度傳感器5，11包括兩個正交的單軸隧道磁阻傳感器形成的半橋，或者兩個半橋形成的全橋，其中兩個半橋上的所對應(yīng)的傳感器具有相反相位。當外磁場與其中一個單軸隧道磁阻傳感器敏感軸夾角為Φ時，則與另一個單軸隧道磁阻傳感器敏感軸之間的夾角為n/2-φ。圖23為碼盤4，10旋轉(zhuǎn)I圈過程中，構(gòu)成隧道磁阻角位移傳感器5，11的兩個正交的單軸隧道磁阻傳感器兩端輸出的電壓信號隨碼盤旋轉(zhuǎn)角度α變化的關(guān)系曲線。可以看出兩個信號之間相位差為90，一個為正弦曲線，一個余弦曲線，其磁場角度可以通過反正切函數(shù)得到。因此，以上分析可以看出，隧道磁阻角傳感器5，11在碼盤4，10旋轉(zhuǎn)過程中經(jīng)過傳感器位置上方的磁場和傳感器單軸的夾角Φ，和碼盤中的永磁體旋轉(zhuǎn)相位角α滿足線性的一一對應(yīng)關(guān)系，滿足絕對位置編碼器測量的要求。
[0114]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種多圈絕對磁編碼器，包括: 第一至第M+1計數(shù)單元，M為大于等于I的整數(shù)， 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(shù)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(chǎn)生的磁場在該檢測面內(nèi)的分量并輸出感測信號， 所述永磁體(100，300)具有柱狀圓環(huán)結(jié)構(gòu)，并包含第一永磁單元(101，301)和第二永磁單元(102，302)，所述第一永磁單元(101，301)和第二永磁單元(102，302)相對于直徑截面(110，310)幾何對稱， 所述第一永磁單元(101，301)的磁化強度(103，303)和第二永磁單元(102，302)的磁化強度(104，304)平行于柱狀圓環(huán)的軸向，且方向相反，或 所述第一永磁單元(101，301)的磁化強度(103，303)和第二永磁單元(102，302)的磁化強度(104，304)垂直于所述直徑截面(110，310)，且方向平行一致， 每一計數(shù)單元內(nèi)，所述隧道磁阻角位移傳感器位于所述永磁體的檢測面內(nèi)距離永磁體柱狀圓環(huán)軸心特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，在該特定半徑范圍的區(qū)域內(nèi)，所述永磁體產(chǎn)生的磁場在檢測面內(nèi)的分量的旋轉(zhuǎn)磁場相位角與永磁體旋轉(zhuǎn)相位角呈線性變化關(guān)系，并且 所述單圈信號處理單元基于來自所述第一計數(shù)單元的感測信號計算并輸出表征輸入轉(zhuǎn)軸在一轉(zhuǎn)內(nèi)絕對位置的代碼， 所述多圈信號處理單元基于來自所述第二至第M+1計數(shù)單元的感測信號計算并輸出所述輸入轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，第一計數(shù)單元的碼盤直接固定在輸入轉(zhuǎn)軸上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，第二至第M計數(shù)單元中， 每一計數(shù)單元包括減速齒輪組，每一減速齒輪組的輸出軸作為下一減速齒輪組的輸入軸，且碼盤固定在輸出軸上， 多圈信號處理單元根據(jù)每一計數(shù)單元隧道磁阻角位移傳感器的感測信號計算并輸出該計數(shù)單元減速齒輪組輸入軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述M為1-10。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，第m計數(shù)單元的碼盤與第m+1計數(shù)單元的碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)比為N: 1，m為Il中的整數(shù)，N為大于I的整數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，第m計數(shù)單元的碼盤與第m+1計數(shù)單元的碼盤的轉(zhuǎn)數(shù)比為10:1。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述永磁體(100，300)的外徑為3-200mm,內(nèi)徑為1-1OOmm,高度為l_50mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移傳感器包括兩個彼此正交設(shè)置的單軸旋轉(zhuǎn)傳感器或惠斯通橋相對彼此90度旋轉(zhuǎn)的雙軸旋轉(zhuǎn)傳感器。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述永磁體所對應(yīng)的檢測面位于柱狀圓環(huán)端面前方且平行于端面。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述隧道磁阻角位移傳感器所在檢測面與所述永磁體的柱狀圓環(huán)端面之間的距離為1-5_。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，所述第一永磁單元的磁化強度和第二永磁單元的磁化強度大小相同。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種多圈絕對磁編碼器，其特征在于，永磁體(100，300)的組成材料為選自RECo5，其中RE=Sm和/或Pr ;RE2TM17，其中RE=Sm，TM=Fe, Cu，Co，Zr和/或Hf ;RE2TM14B，其中 RE=Nd, Pr 和 / 或 Dy，TM=Fe 和 / 或 Co ;FeCrCo 合金；NbFeB 合金中的一種或多種，或永磁體(100，300)為所述 永磁體組成材料的粉末和塑料，橡膠或樹脂形成的復合體。
【文檔編號】G01B7/00GK103925933SQ201310011438
【公開日】2014年7月16日 申請日期:2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月11日
【發(fā)明者】詹姆斯·G·迪克, 周志敏 申請人:江蘇多維科技有限公司