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CN102538838A - 一种多圈旋转编码器 - Google Patents

一种多圈旋转编码器 Download PDF

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CN102538838A
CN102538838A CN2012100372325A CN201210037232A CN102538838A CN 102538838 A CN102538838 A CN 102538838A CN 2012100372325 A CN2012100372325 A CN 2012100372325A CN 201210037232 A CN201210037232 A CN 201210037232A CN 102538838 A CN102538838 A CN 102538838A
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CN
China
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magnet
sensing element
rotating shaft
magnetic field
rotary encoders
Prior art date
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Pending
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CN2012100372325A
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Inventor
袁卫忠
廖传伟
王汉其
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Sany Heavy Industry Co Ltd
Original Assignee
Sany Heavy Industry Co Ltd
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Publication date
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Publication of CN102538838A publication Critical patent/CN102538838A/zh
Priority to PCT/CN2012/086057 priority patent/WO2013120374A1/zh
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Abstract

本发明公开了一种多圈旋转编码器，其转轴(1)端面的中心处设有第一磁铁(2)，第一磁铁(2)的外侧还设有第二磁铁(3)；还包括位置固定的第一感应元件(4)和第二感应元件(5)，所述第一感应元件(4)设于所述第一磁铁(2)的磁场范围内，在所述转轴(1)旋转一周的时间内，所述第二感应元件(5)交替地处于所述第二磁铁(3)的磁场范围内或处于所述第二磁铁(3)的磁场范围外；还包括与所述第一感应元件(4)、所述第二感应元件(5)连接的控制器(0)，用于对所述第一感应元件(4)、所述第二感应元件(5)的输出信号进行分析处理并获得检测结果。该多圈旋转编码器能实现转轴的多圈旋转角度的测量，且具有结构简单的特点。

Description

一种多圈旋转编码器
技术领域
本发明涉及旋转编码器技术领域，尤其涉及一种多圈旋转编码器。
背景技术
旋转编码器是用来测量转速的装置，主要通过光电转换或者电磁转换将输出轴的角位移、角速度等机械量转换成相应的电脉冲并以数字量输出。根据旋转编码器检测角度的范围，可以将旋转编码器分为单圈旋转编码器和多圈旋转编码器。
图1为专利文献US6542088公开的一种多圈旋转编码器结构示意图；下面简要介绍这种多圈旋转编码器的工作原理及其存在的缺陷。
如图1所示，该多圈旋转编码器包括提供原动力的转轴，还包括单圈检测单元和圈数检测单元。单圈检测单元包括与转轴2′一体连接的码盘1′，码盘1′上设有光学元件3′，码盘1′下方设有光电探头4′，转轴2′转动时带动码盘1′、码盘1′上的光学元件3′随之转动，通过光电探头4′探测到光学元件3′产生的光的变化实现单圈旋转绝对角度的精确测量。
多圈检测单元包括与转轴2′啮合连接的第一减速齿轮6′，与第一减速齿轮6′输出轴连接的第一磁铁5.1、固定不动的第一感应元件7.1，还包括与第一减速齿轮6′输出轴啮合连接的第二减速齿轮11′，与第二减速齿轮11′输出轴连接的第二磁铁5.2、固定不动的第二感应元件7.2。转轴2′转动时，经第一减速齿轮6′减速后，带动第一磁铁5.1以第一转速旋转，第一感应元件7.1检测第一磁铁5.1的磁场变化，从而输出第一角度值变化；与此同时，经第二减速齿轮11′减速后，第二磁铁5.2以第二转速旋转，第二感应元件7.2检测第二磁铁5.2的磁场变化，从而输出第二角度值变化。控制器接收到第一角度值变化和第二角度值变化后，通过对二者的角度进行排列组合等计算，能够实现对转轴2′旋转圈数的测量。
由此可见，上述结构的多圈旋转编码器能够通过光电式方式和磁感应式方式实现多转轴2′多圈旋转角度的检测。然而，上述结构的多圈旋转编码器包括光电码盘1′和两极磁铁多圈元件等组成，其结构复杂、安装精度要求较高；并且，单圈角度测量通过光电式方式实现，在强冲击、振动情况下码盘1′容易受到损坏，工作稳定性不高。
有鉴于此，亟待针对上述技术问题，另辟蹊径设计一种新的多圈旋转编码器，使其通过简单的结构实现多圈旋转角度的精确测量，且能够避免码盘在强冲击、振动情况下受到损坏，提高多圈旋转编码器的工作稳定性。
发明内容
本发明要解决的技术问题为提供一种多圈旋转编码器，通过简单的结构实现多圈旋转角度的精确测量，且能够避免码盘在强冲击、振动的情况下受到损坏，提高多圈旋转编码器的工作稳定性。
为解决上述技术问题，本发明提供一种多圈旋转编码器，包括转轴；所述转轴端面的中心处设有第一磁铁，所述端面在所述第一磁铁的外侧还设有第二磁铁；
所述多圈旋转编码器还包括位置固定的第一感应元件和第一感应元件，所述第一感应元件设于所述第一磁铁的磁场范围内，在所述转轴旋转一周的时间内，所述第二感应元件交替地处于所述第二磁铁的磁场范围内或处于所述第二磁铁的磁场范围外；
还包括与所述第一感应元件、所述第二感应元件连接的控制器，用于对所述第一感应元件、所述第二感应元件的输出信号进行分析处理并获得检测结果。
优选地，所述第一感应元件设于所述第一磁铁的正上方，所述第二感应元件设于所述第二磁铁的正上方；
且在所述转轴旋转一周的过程中，所述第二感应元件在一段连续时间内处于所述第二磁铁的磁场范围内，在其余连续时间内处于所述第二磁铁的磁场范围外。
根据权利要求所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述转轴的端部设有转盘，所述转轴的端面为所述转盘的端面，所述转盘的横截面大于所述转轴的横截面；所述第一磁铁设于所述转盘的中心处，所述第二磁铁设于所述转盘的边缘处。
优选地，所述转盘与所述第一磁铁、所述转盘与第二磁铁之间安装有非导磁的连接件，用于对所述转轴与第一磁铁、第二磁铁进行磁场隔离。
优选地，所述第一磁铁与所述第二磁铁的距离大于二者发生磁场耦合的最大距离。
优选地，还包括电路板，所述电路板上设有AD转换电路和整形电路；所述第一感应元件通过所述AD转换电路与所述控制器连接，所述第二感应元件通过所述整形电路与所述控制器连接。
优选地，所述第一感应元件、所述第二感应元件均设于所述电路板上；所述转轴外部还设有支撑盘，所述支撑盘一所述转轴转动连接；且所述支撑盘与所述电路板连接。
优选地，所述转轴通过并排设置的第一轴承、第二轴承与所述转轴转动连接。
优选地，所述支撑盘与所述电路板通过螺栓组件连接。
优选地，所述第一感应元件和所述第二感应元件均为霍尔元件。
本发明提供一种多圈旋转编码器，其转轴端面的中心处设有第一磁铁，端面在第一磁铁的外侧还设有第二磁铁；多圈旋转编码器还包括位置固定的第一感应元件和第二感应元件，第一感应元件设于第一磁铁的磁场范围内，在转轴旋转一周的时间内，第二感应元件交替地处于第二磁铁的磁场范围内或处于第二磁铁的磁场范围外；还包括与第一感应元件、第二感应元件连接的控制器，用于对第一感应元件、第二感应元件的输出信号进行分析处理并获得检测结果。
采用这种结构，当转轴转动时，设于转轴端面中心处的第一磁铁随之转动，因此第一磁铁的磁场随其N极、S极的位置不同而发生磁场变化，由于位置固定的第一感应元件设于第一磁铁的磁场范围内，其能在转轴旋转一周过程中时刻感应到第一磁铁的磁场随转轴角度不同而发生的磁场强弱变化。转轴旋转一周的过程中，第一感应元件的输出信号曲线上，每一点均对应转轴所处的特定位置，从而精确检测第一磁铁的单圈旋转角度。
与此同时，当转轴转动时，第二磁铁随之转动，其旋转轨迹为以转轴中心为圆心的圆形，当第二感应元件处于第二磁铁的磁场范围内时，第二感应元件实时感应第二磁铁的磁场变化，并输出相应的电信号；当感应元件处于第二磁铁的磁场范围外时，第二感应元件感应不到第二磁铁的磁场变化，其输出信号为0值。因此，第二感应元件的输出信号在转轴过程中呈周期变化，通过对第二感应元件输出的0值进行计数，就能够精确地得出转轴旋转的圈数。
由上述工作过程可以看出，采用这种结构的多圈旋转编码器，利用对应设置的第一磁铁和第一感应元件实现对转轴单圈旋转角度的精确测量，通过对应设置的第二磁铁和第二感应元件实现对转轴旋转圈数的精确测量。与现有技术中的多圈旋转编码器相比，本发明所提供的多圈旋转编码器具有测量直接、累计误差小的特点，与现有技术中采用的光电码盘和光电元件相比，本发明所采用的感应元件、转轴等部件具有更强的耐冲击、振动能力，在严酷的冲击和振动的情况下也不易损坏，大大提高了多圈旋转编码器的工作可靠性与稳定性。
附图说明
图1为现有技术中的一种多圈旋转编码器结构示意图；
图2为本发明所提供多圈旋转编码器的一种具体实施方式的结构示意图；
图3为图2中的第一感应元件输出的信号随时间变化的曲线图；
图4为图2中的第二感应元件输出的信号的一种具体实施方式随时间变化的曲线图；
图5为图2中的第二感应元件输出的信号的另一种具体实施方式的随时间变化的曲线图；
图6图2中的支撑盘的俯视图。
其中，图1中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：
码盘1′；转轴2′；光学元件3′；光电探头4′；第一磁铁5.1；第二磁铁5.2；第一感应元件7.1；第二感应元件7.2；第一减速齿轮6′；第二减速齿轮11′；
图2至图6中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：转轴1；转盘11；连接件12；第一磁铁2；第二磁铁3；第一感应元件4；第二感应元件5；电路板6；支撑盘7；螺栓组件71；第一轴承8；第二轴承9；控制器0。
具体实施方式
本发明的核心为提供一种多圈旋转编码器，其能够实现多圈旋转角度的精确测量，且具有结构简单、操作方便的特点，还能够避免码盘在强冲击、强振动的情况下受到损坏，大大提高了多圈旋转编码器的工作稳定性。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
参考图2至图4，图2为本发明所提供多圈旋转编码器的一种具体实施方式的结构示意图；图3为图2中的第一感应元件输出的信号随时间变化的曲线图；图4为图2中的第二感应元件输出的信号随时间变化的曲线图。
在一种具体实施方式中，如图2所示，本发明所提供的一种多圈旋转编码器，包括转轴1，转轴1端面的中心处设有第一磁铁2，端面在第一磁铁2的外侧还设有第二磁铁3；多圈旋转编码器还包括位置固定的第一感应元件4和第一感应元件5，第一感应元件4设于第一磁铁2的磁场范围内，在转轴1旋转一周的时间内，第二感应元件5交替地处于第二磁铁3的磁场范围内或处于第二磁铁3的磁场范围外；该多圈旋转编码器还包括与第一感应元件4、第二感应元件5连接的控制器0，用于对第一感应元件4、第二感应元件5的输出信号进行分析处理并获得检测结果。
采用这种结构，当转轴1转动时，设于转轴1端面中心处的第一磁铁2随之转动，因此第一磁铁2的磁场强度随其N极、S极的位置不同而变化，由于位置固定的第一感应元件4设于第一磁铁2的磁场范围内，其能在转轴1旋转一周过程中时刻感应到第一磁铁2的磁场强度随转轴1角度不同而发生变化。如图3所示，该图为第一感应元件的输出信号随时间变化的曲线图；转轴1旋转一周的过程中，第一感应元件4的输出信号曲线上，每一点均对应转轴1所处的特定位置，从而精确检测第一磁铁2的单圈旋转角度。
与此同时，当转轴1转动时，第二磁铁3随之转动，其旋转轨迹为以转轴1中心为圆心的圆形，当第二感应元件处于第二磁铁的磁场范围内时，第二感应元件5实时感应第二磁铁3的磁场变化，并输出相应的电信号；当感应元件5处于第二磁铁3的磁场范围外时，第二感应元件5感应不到第二磁铁的磁场变化，其输出信号为0值。因此，如图4所示，该图为通过对第二感应元件5的输出信号的一种具体实施方式随时间变化的曲线图；第二感应元件5的输出信号曲线图在转轴过程中呈周期变化，通过对第二感应元件5输出的0值进行计数，就能够精确地得出转轴1旋转的圈数。
由上述工作过程可以看出，采用这种结构的多圈旋转编码器，利用对应设置的第一磁铁2和第一感应元件4实现对转轴1单圈旋转角度的精确测量，通过对应设置的第二磁铁3和第二感应元件5实现对转轴1旋转圈数的精确测量。与现有技术中的多圈旋转编码器相比，本发明所提供的多圈旋转编码器具有测量直接、累计误差小的特点，与现有技术中采用的光电码盘和光电元件相比，本发明所采用的感应元件、转轴等部件具有更强的耐冲击、振动能力，在严酷的冲击和振动的情况下也不易损坏，大大提高了多圈旋转编码器的工作可靠性与稳定性。
需要说明的是，上述具体实施方式中并未限定感应元件相对磁铁的具体位置，也并未限定第二感应元件5在转轴1转动一周的过程中交替处于第二磁铁3的磁场内或此场外的次数，凡是采用第一感应元件检测自转的第一磁铁的单圈旋转角度，并采用第二感应元件检测公转的第二磁铁的多圈旋转角度，从而得出输入轴的多圈旋转角度的多圈旋转编码器均应当属于本发明的保护范围内。
还可以进一步设置上述第一感应元件4和第二感应元件5的具体安装位置。
在进一步的方案中，第一感应元件4设于第一磁铁2的正上方，第二感应元件5设于第二磁铁3的正上方；且在转轴1旋转一周的过程中，第二感应元件5在一段连续时间内处于第二磁铁3的磁场范围内，在其余连续时间内处于第二磁铁3的磁场范围外，即第二感应元件5在转轴1旋转一周的过程中只进行一次交替。
采用这种结构，转轴1转动时，设于第一磁铁2正上方的第一感应元件4能够更方便、准确地感应第一磁铁2的磁场变化；同样地，由于第二感应元件5设于第二磁铁3转动形成的环形轨迹上一点的正上方，使其能够更加准确地感应第二磁铁3的磁场变化，从而更加精确地计量转轴1旋转的圈数。
由于第二感应元件5在转轴1旋转一周的过程中处于第二磁铁3的磁场范围内、磁场范围外的交替次数为1，因此如图4所示，转轴1旋转一周过程中，即在第二感应元件5输出信号的一个周期内，第二感应元件5仅输出一次值为0的电信号，这样，通过对0值信号的简单累加、计数就能容易得出准确的旋转圈数。
当然，上述转轴1旋转一周的过程中，第二感应元件5处于第二磁铁3的磁场范围内、磁场范围外的交替次数可以为其他数目，例如在转轴1的旋转周期内，第二感应元件5可以在第一连续时间段处于第二磁铁3的磁场范围内，第二连续时间段处于该磁场范围外，第三连续时间段再处于该磁场范围内，其余连续时间段再处于该磁场范围外。这样，第二感应元件5输出信号如图5所示，该图中每两次0值信号的输出表示转轴1转动一圈，由此可见，通过对0值电信号的输出次数进行累计、计数同样能够实现对转轴圈数的精确测量。以此类推，上述第二感应元件5还可以采用其他交替次数进行旋转圈数的测量。
需要说明的是，本文中出现的方位词“外”指的是在转轴1的端面上，由其圆心向外扩散的方向，“内”则指相反的方向；另外，方位词“正上方”是指附图2中由下至上的方向，这些方位词的出现是以附图为基准而设立的，应当理解，它们的出现不应当影响本发明的保护范围。
进一步的方案中，上述第一感应元件4和第二感应元件5均可以采用霍尔元件。霍尔元件是一种常用的磁敏元件，具有灵敏度高、测量精确的效果。当然，上述多圈旋转编码器的感应元件还可以采用其他种类的电磁感应元件。
还可以进一步设置上述多圈旋转编码器中第一磁铁2、第二磁铁3的具体安装方式。
在具体的方案中，上述转轴1的端部设有转盘11，转盘11的横截面大于转轴1的横截面，转轴1的端面为转盘11的端面；第一磁铁2设于转盘11的中心处，第二磁铁3设于转盘11的边缘处。
采用这种结构，通过在转轴1设置转盘11能够实现第一磁铁2、第二磁铁3和转轴1的连接，并且由于转盘的横截面大于转轴1的横截面，能够为第一磁铁2、第二磁铁3的安装提供更大的空间。相比将第一磁铁2、第二磁铁3直接安装在转轴1的端面来说，这种结构允许将转轴1的直径设置的较小，仅仅提供直径较大的转盘11即可方便地安装第一磁铁2和第二磁铁3，使得多圈旋转编码器的生产成本较低。
更具体的方案中，上述转盘11与第一磁铁2、上述转盘11与第二磁铁3之间安装有非导磁的连接件12。这样，使得转轴1与第一磁铁2、转轴1与第二磁铁3处于磁场隔离的状态，避免转轴1与第一磁铁2、转轴1与第二磁铁3之间产生磁力而对多圈旋转角度测量造成干扰，保证了上述多圈旋转编码器的测量准确性。更具体地，该非导磁连接件12可以为不锈钢非导磁材料(例如成分为1Cr18Ni9Ti的非导磁材料)的连接件12，当然，还可以为其他材料的非导磁连接件12。
在另一种具体实施方式中，上述第一磁铁2与第二磁铁3的距离大于二者发生磁场耦合的最大距离。采用这种结构，能够确保第一磁铁2的磁场与第二磁铁3的磁场不发生磁场耦合，避免由于两个磁场耦合对多圈旋转角度测量造成干扰，进一步保证了多圈旋转编码器的测量准确性。
还可以进一步设置上述多圈旋转编码器的第一感应元件4、第二感应元件5的具体安装方式。
在另一种具体实施方式中，上述多圈旋转编码器还可以包括电路板6，电路板6上设有AD转换电路和整形电路；第一感应元件4通过AD转换电路与控制器0连接，第二感应元件5通过整形电路与控制器0连接。
采用这种结构，第一感应元件4输出的模拟电压信号经AD转换电路转换为数字电压信号后再输入控制器0中，第二感应元件5输出的脉冲信号经过整形电路的滤波、整形后再输入控制器0中，使得控制器0对第一感应元件4、第二感应元件5输出的电信号进行更加精确的分析、计算，提高了多圈旋转编码器的测量准确性。
具体的方案中，上述第一感应元件4、第二感应元件5均设于电路板6上，且转轴1外部还可以设有支撑盘7，支撑盘7与转轴1转动连接；且支撑盘7与电路板6连接。
采用这种结构，由于支撑盘7与转轴1转动连接，使得当转轴1旋转时支撑盘7保持位置不动；又由于支撑盘7与电路板6连接，二者保持相对位置固定，即实现了转轴1旋转时电路板6始终保持位置不动，进一步实现设于转轴1上的两个磁铁旋转时，设于电路板6上的感应元件的位置保持固定不变，能够感应与其对应的磁铁的磁场变化，实现多圈旋转角度的测量。
更具体地，上述支撑盘7可以通过并排设置的第一轴承8、第二轴承9与转轴1转动连接。这样，能够降低支撑盘7与转轴1的偏心率，进一步提高多圈旋转编码器的测量精确度和抗冲击水平。
当然，本发明所提供的多圈旋转编码器并非限定采用支撑盘7设定转轴1和电路板6的位置，还可以采用其他的结构形式。上述转轴1与支撑盘7的转动方式也并不仅限于双排轴承连接的方式，还可以通过单个轴承、回转支承等其他方式转动连接。
更进一步的方案中，上述支撑盘7与电路板6通过螺栓组件71连接。采用螺栓连接使得支撑盘7与电路板6的安装和拆卸过程简单方便，且螺栓具有加工制作方便的优点。具体地，如图6所示，图6为图2中的支撑盘的俯视图，上述支撑盘7的螺栓组件71可以包括三个螺栓，三个螺栓均匀分布于轴承支撑盘7上。这样能够保证在转轴1旋转的过程中，支撑盘7所受到的冲击、振动等均匀分布，进一步保证多圈旋转角度测量的准确性。
以上对本发明所提供的一种多圈旋转编码器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多圈旋转编码器，包括转轴(1)；其特征在于，所述转轴(1)端面的中心处设有第一磁铁(2)，所述端面在所述第一磁铁(2)的外侧还设有第二磁铁(3)；
所述多圈旋转编码器还包括位置固定的第一感应元件(4)和第二感应元件(5)，所述第一感应元件(4)设于所述第一磁铁(2)的磁场范围内，在所述转轴(1)旋转一周的时间内，所述第二感应元件(5)交替地处于所述第二磁铁(3)的磁场范围内或处于所述第二磁铁(3)的磁场范围外；
还包括与所述第一感应元件(4)、所述第二感应元件(5)连接的控制器(0)，用于对所述第一感应元件(4)、所述第二感应元件(5)的输出信号进行分析处理并获得检测结果。
2.根据权利要求1所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述第一感应元件(4)设于所述第一磁铁(2)的正上方，所述第二感应元件(5)设于所述第二磁铁(3)的正上方；
且在所述转轴(1)旋转一周的过程中，所述第二感应元件(5)在一段连续时间内处于所述第二磁铁(3)的磁场范围内，在其余连续时间内处于所述第二磁铁(3)的磁场范围外。
3.根据权利要求2所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述转轴(1)的端部设有转盘(11)，所述转轴(1)的端面为所述转盘(11)的端面，所述转盘(11)的横截面大于所述转轴(1)的横截面；所述第一磁铁(2)设于所述转盘(11)的中心处，所述第二磁铁(3)设于所述转盘(11)的边缘处。
4.根据权利要求3所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述转盘(11)与所述第一磁铁(2)、所述转盘(11)与第二磁铁(3)之间安装有非导磁的连接件(12)，用于对所述转轴(1)与第一磁铁(2)、第二磁铁(3)进行磁场隔离。
5.根据权利要求3所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述第一磁铁(2)与所述第二磁铁(3)的距离大于二者发生磁场耦合的最大距离。
6.根据权利要求1-5任一项所述的多圈旋转编码器，其特征在于，还包括电路板(6)，所述电路板(6)上设有AD转换电路和整形电路；所述第一感应元件(4)通过所述AD转换电路与所述控制器(0)连接，所述第二感应元件(5)通过所述整形电路与所述控制器(0)连接。
7.根据权利要求6所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述第一感应元件(4)、所述第二感应元件(5)均设于所述电路板(6)上；所述转轴(1)外部还设有支撑盘(7)，所述支撑盘(7)与所述转轴(1)转动连接；且所述支撑盘(7)与所述电路板(6)连接。
8.根据权利要求7所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述转轴(1)通过并排设置的第一轴承(8)、第二轴承(9)与所述转轴(1)转动连接。
9.根据权利要求8所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述支撑盘(7)与所述电路板(6)通过螺栓组件(71)连接。
10.根据权利要求1-5任一项所述的多圈旋转编码器，其特征在于，所述第一感应元件(4)和所述第二感应元件(5)均为霍尔元件。
CN2012100372325A 2012-02-17 2012-02-17 一种多圈旋转编码器 Pending CN102538838A (zh)

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