CN207515803U - 一种宽温度范围的多圈磁电编码器 - Google Patents

Abstract

一种宽温度范围的多圈磁电编码器，包括转轴、外壳、轴承、磁编码盘、电路板、后盖、焊接在电路板上的贴片开关型霍尔传感器和两个直插开关型霍尔传感器。转轴与轴承内圈固定连接，外壳套在转轴和轴承外侧，轴承外圈固定在外壳内，磁编码盘固定在转轴的底部，转轴与外部驱动机构连接。贴片开关型霍尔传感器布置在过电路板中心一侧的同一条直线上，第i个贴片开关型霍尔传感器位于磁编码盘第i个磁圈在电路板上的投影处，电路板固定在外壳上，后盖用于密封外壳的底部开口。本实用新型通过霍尔传感器实现多圈测量，获得转轴的旋转角度、旋转方向，且精度不受温度影响，有较宽的工作温度范围，可靠性高，结构简单。

Description

一种宽温度范围的多圈磁电编码器

技术领域

本实用新型涉及了一种宽温度范围的多圈磁电编码器，应用于角度测量、位移测量、伺服驱动、工业控制、国防、航空航天、军工等各个领域的精密测量和控制系统。

背景技术

编码器是一个用来测量位置的精密传感器，它可以测量转轴转动的角度或直线位移，并且以数字量的形式传送到上位机。磁电编码器的工作原理是利用磁敏器件或磁敏电阻对磁铁随转轴运动的磁场进行实时采集，空间中任一点的磁场强度发生的周期性变化会引起霍尔元件输出的电压信号或磁敏电阻阻抗发生同样规律的周期性变化，这些电子信号通过微处理器转化为数字量并上传到上位机，进而得到测量数据。

与传统的光电编码器和旋转变压器式编码器相比，磁电编码器具有抗振动、抗腐蚀、抗干扰的特性，不易受尘埃和水雾影响，因此可以应用于传统的光电编码器和旋转变压器式编码器不能适应的领域，同时其组成部件少，结构简单紧凑，体积大幅度减小，且成本更低。

现有的磁电编码器，主要以线性霍尔器件作为磁场采集器件，但是线性霍尔器件具有较大的温度漂移，导致编码器的精度受温度变化影响较大。同时，多圈磁电编码器相比单圈磁电编码器，其测量范围加大，多圈编码器的技术方法种类较多，主要以齿轮结构为主。由于带有齿轮结构，增加了编码器自身重量和体积的同时，计数的精确度也取决于齿轮加工精度，且现有的霍尔式磁电编码器测量精度受永磁体与磁传感器的安装精度影响较大。

实用新型内容

本实用新型的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种宽温度范围的多圈磁电编码器，精度不受温度变化影响，降低了重量和体积，器件安装精度对测量精度影响不大。

本实用新型的技术解决方案是：一种宽温度范围的多圈磁电编码器，包括转轴、外壳、轴承、磁编码盘、电路板、后盖、焊接在电路板上的N个贴片开关型霍尔传感器和两个直插开关型霍尔传感器，贴片开关型霍尔传感器的个数与磁编码盘的磁圈个数相等；

外壳底部开口，顶部开有与转轴相匹配的孔；转轴穿过轴承内圈，且与轴承内圈固定连接，外壳套在转轴和轴承外侧，且转轴从外壳顶部开孔伸出，轴承外圈固定在外壳内，磁编码盘固定在转轴的底部，轴承内圈和磁编码盘能够随转轴同轴旋转，转轴伸出外壳的部分与外部驱动机构连接；

N个贴片开关型霍尔传感器布置在过电路板中心的一条直线上，且均位于电路板中心的一侧，第i个贴片开关型霍尔传感器位于磁编码盘第i个磁圈在电路板上的投影处；两个直插开关型霍尔传感器靠近磁编码盘的内圆面；

电路板固定在外壳上，后盖用于密封外壳的底部开口。

两个直插开关型霍尔传感器以电路板中心为圆心，间隔β度角分布，其中0°<β<180°。

磁编码盘第i个磁圈的磁极个数为2ⁱ个，且N极和S极沿磁编码盘中心均匀的间隔排列。

每个直插开关型霍尔传感器的感应面正对着磁编码盘，且与磁编码盘内圆面的距离为0-2cm。

每个贴片开关型霍尔传感器的感应面正对着磁编码盘，且与磁编码盘的下表面距离为0-2cm。

本实用新型具有以下优点：

(1)传统的磁电编码器，通过电压表示感应到的磁场，同样的磁场，温度不同时霍尔传感器电压也会有所不同，导致编码器的精度受温度变化影响；而本实用新型利用贴片开关型霍尔传感器检测磁编码盘转动的磁场，不再以电压表示磁场，而是以高低电平表示N、S极磁场，使得磁电编码器精度不受温度变化影响，具有较宽的温度范围，可靠性高。

(2)本实用新型根据两个直插开关型霍尔传感器9的输出脉冲信号和脉冲个数得到磁电编码器的旋转圈数，实现多圈测量，取消了齿轮结构，结构简单，可以根据设计精度需要，增加或减少磁编码盘的磁圈数目，有效降低了编码器的自身重量和体积。

(3)传统的磁电编码器，通过电压表示感应到的磁场，同样的磁场，永磁体与磁传感器的安装精度会直接影响电压，进而影响编码器的精度；而本实用新型利用贴片开关型霍尔传感器检测磁编码盘转动的磁场，以高低电平表示N、S极磁场，极大地降低了对器件安装精度的依赖。

(4)本实用新型通过限制直插开关型霍尔传感器9以及贴片开关型霍尔传感器7与磁编码盘4的距离以及位置关系，保证霍尔传感器在磁编码盘4转动过程中始终不脱离磁编码盘4形成的磁场，从而保证了本实用新型的测量精度。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为电路板上贴片开关型霍尔传感器和直插开关型霍尔传感器的布局示意图；

图3为圆形磁编码盘的极性结构示意图，其中，黑色部分为磁场N极，白色部分为S极。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐述本实用新型的内容。

如图1所示，本实用新型提出的一种宽温度范围的多圈磁电编码器，包括转轴1、外壳2、轴承3、磁编码盘4、电路板5、后盖6、焊接在电路板5上的N个贴片开关型霍尔传感器7和两个直插开关型霍尔传感器9、固定螺母8。贴片开关型霍尔传感器7的个数与磁编码盘4的磁圈个数相等。

外壳2底部开口，顶部开有与转轴1相匹配的孔；转轴1穿过轴承3内圈，且与轴承3内圈固定连接，外壳2套在转轴1和轴承3外侧，且转轴1从外壳2顶部开孔伸出，轴承3外圈固定在外壳2内，磁编码盘4固定在转轴1的底部，轴承3内圈和磁编码盘4能够随转轴1同轴旋转，转轴1伸出外壳2的部分与外部驱动机构连接。

N个贴片开关型霍尔传感器7布置在过电路板5中心的一条直线上，且均位于电路板中心的一侧，第i个贴片开关型霍尔传感器7位于磁编码盘4第i个磁圈在电路板5上的投影处；两个直插开关型霍尔传感器9靠近磁编码盘4的内圆面，0<i<N。两个直插开关型霍尔传感器9以电路板5中心为圆心，间隔β度角分布，其中0°<β<180°。为了保证霍尔传感器在磁编码盘4转动过程中，始终不脱离磁编码盘4形成的磁场，每个直插开关型霍尔传感器9的感应面正对着磁编码盘4，且与磁编码盘4内圆面的距离为0-2cm。贴片开关型霍尔传感器7的感应面正对着磁编码盘4，且与磁编码盘4的下表面距离为0-2cm。

本实用新型中，霍尔传感器的感应面也可以不正对磁编码盘4，但要保证霍尔传感器表面感应到的有效磁场不能为0。

以N＝8为例，贴片开关型霍尔传感器7共有八个，分别和磁编码盘4上的八个磁圈相对应，从而可以检测每一个磁圈的磁场变化，两个开关型霍尔传感器9间隔90°分布，此时布局如图2所示。

电路板5通过固定螺母8固定在外壳2上。

后盖6和外壳2的底部开口紧密连接在一起，以防止外界的尘埃和水汽进入编码器内部，造成磁电编码器的损坏。

如图3所示为带有八个磁圈的磁编码盘极性结构示意图，磁编码盘4上黑色部分为磁场的N极，白色部分为磁场的S极。第i个磁圈的磁极个数为2ⁱ个，且N极和S极沿磁编码盘4中心均匀的间隔排列。

本实用新型的工作原理及其工作过程是：当转轴1随着外部驱动机构(外部电机或其他旋转物)旋转时，转轴1上的磁编码盘4和转轴1同步旋转，磁编码盘4形成的固定磁场也会旋转，贴片开关型霍尔传感器7的感应面正对着磁编码盘4，当磁编码盘4旋转到不同位置时，贴片开关型霍尔传感器7感应面垂直方向上的磁场强度是变化的，当贴片开关型霍尔传感器7检测到N极磁场时，会输出高电平信号(或低电平信号)；当贴片开关型霍尔传感器7检测到S极磁场时，会输出低电平信号(或高电平信号)，因此当磁编码盘随着转轴旋转时，八个贴片开关型霍尔传感器7总是会输出八个不同的高低电平值。如果将高电平当作逻辑“1”，将低电平当作逻辑“0”，那么就可以得到一个八位的二进制编码值，将其转化为十进制，可以得到0-255的不同大小的角度值，从而得到转轴的绝对角度值，进而测量外部驱动机构的转动角度。

当磁编码盘4随着转轴旋转时，直插开关型霍尔传感器9会输出脉冲信号，根据两个直插开关型霍尔传感器9的输出脉冲信号的相位的相对位置，可以判断出转轴的旋转方向，而微处理器可以通过对脉冲的个数进行计数，从而得到转轴的旋转圈数，实现多圈测量。通过转轴的旋转方向和旋转圈数可以得到外部驱动机构的旋转方向和旋转圈数。

本实用新型磁电编码器可以根据实际需求，增加或者减少磁编码盘的磁道数量和贴片开关型霍尔传感器的数量，从而可以增加磁电编码器的分辨率，进而提高精度。当磁电编码器的磁圈个数为八时，一圈360°可以被细分为2⁸＝256份。当磁电编码器的磁圈个数为N时，一圈360°可以被细分为2^N份。

本实用新型中贴片开关型霍尔传感器和直插开关型霍尔传感器都可以换成线性霍尔传感器(通过对电压信号进行处理，实现以高低电平表示检测到的磁场)，因为实现原理与传统霍尔器件磁电编码器不一样，所以仍然能够保证测量精度不受温度影响。

本实用新型不仅解决了传统光电编码器抗冲击性能差、安装调试复杂、无法在潮湿、尘埃等恶劣条件下工作的缺点，同时通过具体设计解决了现有磁电编码器精度受温度变化干扰的缺点，具有较宽的温度工作范围，能够实现多圈测量。

本实用新型说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (5)

1.一种宽温度范围的多圈磁电编码器，其特征在于：包括转轴(1)、外壳(2)、轴承(3)、磁编码盘(4)、电路板(5)、后盖(6)、焊接在电路板(5)上的N个贴片开关型霍尔传感器(7)和两个直插开关型霍尔传感器(9)，贴片开关型霍尔传感器(7)的个数与磁编码盘(4)的磁圈个数相等；

外壳(2)底部开口，顶部开有与转轴(1)相匹配的孔；转轴(1)穿过轴承(3)内圈，且与轴承(3)内圈固定连接，外壳(2)套在转轴(1)和轴承(3)外侧，且转轴(1)从外壳(2)顶部开孔伸出，轴承(3)外圈固定在外壳(2)内，磁编码盘(4)固定在转轴(1)的底部，轴承(3)内圈和磁编码盘(4)能够随转轴(1)同轴旋转，转轴(1)伸出外壳(2)的部分与外部驱动机构连接；

N个贴片开关型霍尔传感器(7)布置在过电路板(5)中心的一条直线上，且均位于电路板中心的一侧，第i个贴片开关型霍尔传感器(7)位于磁编码盘(4)第i个磁圈在电路板(5)上的投影处；两个直插开关型霍尔传感器(9)靠近磁编码盘(4)的内圆面；

电路板(5)固定在外壳(2)上，后盖(6)用于密封外壳(2)的底部开口。

2.根据权利要求1所述的一种宽温度范围的多圈磁电编码器，其特征在于：两个直插开关型霍尔传感器(9)以电路板(5)中心为圆心，间隔β度角分布，其中0°<β<180°。

3.根据权利要求1所述的一种宽温度范围的多圈磁电编码器，其特征在于：磁编码盘(4)第i个磁圈的磁极个数为2ⁱ个，且N极和S极沿磁编码盘(4)中心均匀的间隔排列。

4.根据权利要求1所述的一种宽温度范围的多圈磁电编码器，其特征在于：每个直插开关型霍尔传感器(9)的感应面正对着磁编码盘(4)，且与磁编码盘(4)内圆面的距离为0-2cm。

5.根据权利要求1所述的一种宽温度范围的多圈磁电编码器，其特征在于：每个贴片开关型霍尔传感器(7)的感应面正对着磁编码盘(4)，且与磁编码盘(4)的下表面距离为0-2cm。