CN218481102U - 一种混合式编码器和电机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种混合式编码器以及电机，混合式编码器包括光感检测组件、电感检测组件以及信号处理电路；光感检测组件包括光感应元件和光编码结构，光感应元件根据光编码结构的光信号变化生成相对位置信号；电感检测组件包括激励线圈、接收线圈以及电感编码结构，电感编码结构能够相对于激励线圈和接收线圈运动，并影响接收线圈接收到的感应电压信号，接收线圈根据接收到的感应电压信号生成绝对位置信号；信号处理电路用于根据相对位置信号和绝对位置信号确定出精确位置参数。

Description

一种混合式编码器和电机

技术领域

本实用新型涉及电机领域，尤其涉及一种混合式编码器和电机。

背景技术

在电机控制中，通过编码器来反馈电机的位置或运动状态已经成为了自动化控制中广泛应用的手段。编码器通过将电机的位移转换成电信号，控制器获取编码器的电信号即可对电机的位置进行分析和确定。现有技术中的编码器的各项优质性能往往难以兼得。

因此，如何有效的得到更优质的电机位置反馈是亟需解决的问题。

实用新型内容

鉴于上述相关技术的不足，本申请的目的在于提供一种混合式编码器和电机，旨在解决电机的编码器的各项优质性能往往难以兼得的问题。

一种混合式编码器，应用于电机，包括光感检测组件、电感检测组件以及信号处理电路；

所述光感检测组件包括光感应元件和光编码结构，所述光感应元件根据所述光编码结构的光信号变化生成相对位置信号；

所述电感检测组件包括激励线圈、接收线圈以及电感编码结构，所述电感编码结构能够相对于所述激励线圈和所述接收线圈运动，并影响所述接收线圈接收到的感应电压信号，所述接收线圈根据接收到的所述感应电压信号生成绝对位置信号；

所述信号处理电路用于根据所述相对位置信号和所述绝对位置信号确定出精确位置参数。

上述混合式编码器利用光学编码的方式获取相对位置信号，利用电感编码的方式获取绝对位置信号，同时获取两种位置信息，提供了一定的数据冗余，在一些实施过程中，相较于单个编码信号而言，两个不同类型的位置信号能够相互验证，或是通过计算减小误差，也即冗余的位置数据保证了对电机的位置的测量的精确度。并且还融合了光学编码器和电感编码器的优点。例如在灰尘、油污等污染较大的应用场景中，即使光感检测组件被污染导致光感应元件感应到的光信号不准确，电感检测组件不会被这些污染所影响，仍能够保证准确的绝对位置信息的测量，或是在电感类元件易被影响的应用场景中，则可以基于光感检测组件来保证准确的相对位置信息的测量，只有在两种类型的编码结构均被影响的环境下才会显著的造成精度损失，能够适应更多的环境，不仅环境兼容性好，测量精度也有保证。

可选地，所述光编码结构为码盘；所述码盘能够与所述电机的转轴相连接并随所述转轴同步旋转，以使所述光编码结构相对于所述光感应元件运动从而生成所述相对位置信号；或，

所述光编码结构为栅尺，所述栅尺沿所述电机的动轴运动方向设置；所述光感应元件随所述动轴同步运动，以使所述光感应元件相对于所述光编码结构运动从而生成所述相对位置信号。

可选地，所述电感编码结构包括非完整圆周的金属片或沿所述电机的转轴的圆周设置的金属栅格，所述电感编码结构设置于所述电机的转轴上并随所述转轴同步转动，以使所述金属片或所述金属栅格在所述激励线圈产生的磁场中运动从而影响所述接收线圈接收到的感应电压信号；

或，所述电感编码结构为金属栅格，所述金属栅格沿所述电机的动轴的运动方向设置，所述激励线圈和所述接收线圈能够随所述动轴同步运动，以使所述金属栅格在所述激励线圈产生的磁场中发生相对的运动从而影响所述接收线圈接收到的感应电压信号。

可选地，所述光编码结构为码盘，所述金属栅格或所述金属片设于所述码盘上，所述码盘与电机的转轴相连接并随所述转轴发生平面转动；

或，所述光编码结构为码盘，所述金属栅格或所述金属片与所述码盘不位于同一平面，所述码盘以及所述电感编码结构与电机的转轴相连接并随所述转轴发生平面转动；

或，所述光编码结构为栅尺，所述金属栅格设于所述栅尺上，所述栅尺沿直线电机的动轴运动方向设置。

可选地，还包括至少一个线路板，所述激励线圈、所述接收线圈、所述光感应元件以及所述信号处理电路设于同一所述线路板上。

可选地，所述电感检测组件包括N个所述接收线圈，N为大于等于2的正整数，每个所述接收线圈分别产生一个位置信号，所述位置信号至少包括绝对位置数据和圈数值中的一个，所述信号处理单元根据至少一个所述位置信号确定出绝对位置信息。

可选地，所述电感检测组件包括至少两个所述激励线圈，各所述激励线圈半径不同并同心设置；

和/或，各所述接收线圈平行设置于至少两层，且各所述接收线圈交错设置。

可选地，还包括朝所述光编码结构发射光线的光源；

所述光源形成为独立的元件，或，

所述光源与所述光感应元件集成于同一器件中。

可选地，所述相对位置信号为：X个周期的正弦信号和X个周期的余弦信号，X大于等于1，或，两个正交的方波信号；

所述绝对位置信号为：Y个周期的正弦信号和Y个周期的余弦信号，Y大于等于1，或，至少一个周期的数字信号，或，脉冲宽度调制信号，或，两个正交的方波信号，或，相位角为60度或120度的三相换向信号，或，线性模拟信号。

基于同样的构思，本申请还提供一种电机，所述电机包括上述的混合式编码器。

上述电机采用前述架构的混合式编码器，能够适应更多的环境，不仅环境兼容性好，测量精度也有保证。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的混合式编码器的结构框图；

图2为本实用新型实施例提供的码盘的一种结构示意图；

图3为本实用新型实施例提供的设有金属栅的圆盘的结构示意图；

图4为本实用新型实施例提供的栅尺的结构示意图一；

图5为本实用新型实施例提供的栅尺的结构示意图二；

图6为本实用新型实施例提供的激励线圈的示意图；

图7为本实用新型实施例提供的感应线圈的示意图；

附图标记说明：

1-环形容置槽；2-金属片；3-圆盘；4-金属栅；5-轴孔；6-光栅；7-栅尺；8-激励线圈；9-接收线圈；10-光感检测组件；20-电感检测组件；30-信号处理电路板；100-混合式编码器。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的较佳实施方式。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本申请的公开内容理解的更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。

电机中所安装的编码器可能难以兼具多种优质的性能。

基于此，本申请希望提供一种能够解决上述技术问题的方案，其详细内容将在后续实施例中得以阐述。

实施例：

本实施例提供一种混合式编码器，应用于电机，如图1，混合式编码器100包括光感检测组件10、电感检测组件20以及信号处理电路30。光感检测组件10包括光感应元件和光编码结构，光感应元件根据光编码结构的光信号变化生成相对位置信号；电感检测组件20包括激励线圈、接收线圈以及电感编码结构，电感编码结构能够相对于激励线圈和接收线圈运动，并影响接收线圈接收到的感应电压信号，接收线圈根据接收到的感应电压信号生成绝对位置信号；信号处理电路30用于根据相对位置信号和绝对位置信号确定出精确位置参数。可以理解的是，信号处理电路30直接或间接的与光感检测组件10和电感检测组件20连接，示例性的可以连接光感应元件以及接收线圈或接收线圈设置的电感芯片，获取相对位置信号和绝对位置信号。

可以理解的是，编码器中的绝对式编码以及相对位置编码均是基于编码器中的编码结构的具体结构而实现的。也就是说，光编码结构以及电感编码结构的具体结构将影响编码器所获取的信息所反映的位置是相对位置还是绝对位置。以相对位置编码为例，相对位置可以理解为相对于前一次或相对于电机的初始位置的位置。本实施例的混合式编码器中通过光感应元件和光编码结构获得相对位置信号，也就是说，本实施例中的光编码结构按照相对位置编码方式进行设计。作为一种更具体的示例，光编码结构中的码道按照固定均匀的间隔进行设置，码道传输光线值光感应元件，在电机运动过程中，光感应元件每接收到一次光信号，则代表电机旋转了固定的角度或位移了固定的距离，通过对接收到的光信号的次数统计，则能够确定出电机相对于上一次的相对位置改变。而以绝对位置编码为例，无需寻找参考点即可知道电机当前所处的绝对位置。本实施例中的混合式编码器通过电感检测组件生成绝对位置信号，也就是说，本实施例中的电感编码结构按照绝对位置编码方式进行设置。作为一种更具体的示例，电感编码结构在电机的一个周期内，例如电机旋转的一周或电机移动的整个行程中，每个位置均对应有唯一的结构，电感编码结构上的导电物(例如金属栅)的设置间隔并非一定是均匀的，示例性的这些导电物的设置具有连续的变化或一定的编码规律，电机在每个不同的位置间移动所生成的绝对位置信号均是不同的，根据该绝对位置信号即可知道电机当前的位置。

传统编码器中，通常固定为相对式编码器或绝对式编码器，也即只反馈电机相对位置或绝对位置中的一种。而本实施例的混合式编码器，利用光学编码的方式获取相对位置信号，利用电感编码的方式获取绝对位置信号，同时获取两种位置信息，提供了一定的数据冗余，在一些实施过程中，相较于单个编码信号而言，两个不同类型的位置信号能够相互验证，或是通过计算减小误差，也即冗余的位置数据保证了对电机的位置的测量的精确度。本实施例的混合式编码器还融合了光学编码器和电感编码器的优点。例如在灰尘、油污等污染较大的应用场景中，即使光感检测组件被污染导致光感应元件感应到的光信号不准确，电感检测组件不会被这些污染所影响，仍能够保证准确的绝对位置信息的测量，或是在电感类元件易被影响的应用场景中，则可以基于光感检测组件来保证准确的相对位置信息的测量，只有在两种类型的编码结构均被影响的环境下才会显著的造成精度损失，可见本实施例中的混合式编码器能够适应更多的环境，不仅环境兼容性好，测量精度也有保证。

一些实施方式中，光编码信号为码盘，码盘能够与电机的转轴相连接并随电机的转轴同步旋转，以使光编码结构相对于光感应元件运动从而生成相对位置信号。电机具体可以是旋转电机，实际应用中，码盘所连接的转轴通常为电机的后轴。在码盘转动时，光感应元件相对于电机是固定设置的，也即电机不带动光感应元件的运动。

还在一些实施方式中，电机具体可以是直线电机，光编码结构为栅尺，栅尺沿电机的动轴运动方向设置；光感应元件随动轴同步运动，以使光感应元件相对于光编码结构运动从而生成相对位置信号。电机的动轴也即动子，直线电机包括定子和动子，其中，直线电机运动时相对于外界不动的部分为定子，而其中运动的部分则是动子，直线电机的动子通常沿导轨进行直线运动。混合式编码器应用于直线电机时，光感应元件以及激励线圈、接收线圈可以设置在动子上，光编码结构以及电感编码结构可以设置在栅尺上，栅尺与定子一样，不随动子运动。

对应于旋转电机和直线电机，电感编码结构也有相应的结构。当电机为旋转电机时，电感编码结构可以包括非完整圆周的金属片或沿电机的转轴的圆周设置的金属栅格，电感编码结构设置于电机的转轴上并随转轴同步转动，以使金属片或金属栅格在激励线圈产生的磁场中运动从而影响接收线圈接收到的感应电压信号

当电机为直线电机时，电感编码结构可以为金属栅格，金属栅格沿电机的动轴的运动方向设置，激励线圈和接收线圈能够随动轴同步运动，以使金属栅格在激励线圈产生的磁场中发生相对的运动从而影响接收线圈接收到的感应电压信号。

在一些实施方式中，电机为旋转电机，光编码结构为码盘，电感编码结构可以与光编码结构设于同一码盘上。示例性的，码盘上除了码道外，还设有金属栅格或金属片等导电结构，码盘与电机的转轴相连接并随转轴发生平面转动，码道和金属栅格或金属片一起随码盘转动。单个码盘即可集成光编码结构和电感编码结构，这使得混合式编码器在增加编码结构的同时无需占用额外的空间或需要的额外空间较少。作为一种示例，光编码结构上可以包括环形容置槽，金属栅格或金属片等导电结构设于环形容置槽内，如图2所示，环形容置槽1中间隔的设置有多个金属片2，金属片2可以低于或高出环形容置槽1，或表面也可以与环形容置槽1齐平，对此并不限制。

当然，一些示例中的光编码结构和电感编码结构分开设置。光编码结构为码盘，电感编码结构为金属栅格或金属片，电感编码结构和光编码结构不位于同一平面上，码盘以及电感编码结构分别与电机的转轴相连接并随转轴发生平面转动。例如图3的示例，电感编码结构同样可以设置在圆盘3中，设有金属栅4或金属片的圆盘3可通过中心的轴孔5与码盘相独立的与电机的转轴连接，随转轴同步的转动。

对于直线电机而言，电感编码结构也可以与光编码结构设于同一载体上，示例性，光编码结构为栅尺，电感编码结构为金属栅格，金属栅格设于栅尺上，栅尺沿直线电机的动轴运动方向设置。示例性的，栅尺上可以包括至少一个光栅和至少一个金属栅，光栅和金属栅可以相互连续设置或平行设置。如图4所示，光栅6和金属栅4设置在同一个栅尺7上，栅尺7的左半段(以图示方向为参考)设置光栅6，右半段设置金属栅4，光栅6和金属栅4之间是连续排列的，也即光栅6和金属栅4在同一直线上，也即直线电机的半程运动通过光感检测组件进行测量，另外半程运动则通过电感检测组件进行测量。而还如图5所示，光栅6和金属栅4可以平行设置，光栅6和金属栅4分为两行并列的设置在同一栅尺7的上下两个区域。光栅6和金属栅4的并列设置，使得电机运动时，能够同时产生两种不同的编码信号，这两种编码信号所反映的电机运动理论上应当是一致的，实际应用中可以相互验证，或者根据实际的环境影响选择更为准确一个来确定出电机的位置。上述示例中至少存在一个栅尺7上同时设有光栅6和金属栅4，因此可以仅采用一个栅尺7实现两种不同的编码方式，这也使得混合式编码器为直线电机时，不因编码结构的增多而占用额外的空间或需要的额外空间较少。

混合式编码器还包括至少一个线路板，激励线圈、接收线圈、光感应元件以及信号处理电路设于同一线路板上。本实施例的混合式编码器将主要的感应元件和信号处理电路设置在一起，集成度高，结构紧凑。

一些实施方式中，电感检测组件包括N个接收线圈，N为大于等于2的正整数，每个接收线圈分别产生一个位置信号，位置信号至少包括绝对位置数据和圈数值中的一个，信号处理单元根据至少一个位置信号确定出绝对位置信息。每一个接收线圈之间是相互绝缘的，各个接收线圈均能够基于激励线圈和电感编码结构的相对移动配合形成位置信号，根据本实施例的电感编码结构，本实施例的接收线圈所产生的位置信号至少能够反映电机的绝对位置和电机转动的圈数中的一种位置情况。本实施例可以设置至少两个接收线圈，进而产生至少两个的位置信号，接收线圈的形状或布置方式可以相同也可以不同，这些位置信号反映的电机运动情况理论上应当是相同的，但具体的信号波形上可以存在差异。多个位置信号之间形成一定的数据冗余，可以进行相互验证、消除误差，在一些实施过程中有利于数据的准确性。

示例性的，本实施例的混合式编码器还可以包括多个激励线圈，多个激励线圈保证了电感的感应效果，如图6所示，电感检测组件包括至少两个激励线圈8，各激励线圈8半径不同并同心设置。

和/或，参见图7所示，各接收线圈9平行设置于至少两层，且各接收线圈9交错设置。也即接收线圈9并不同心设置，接收线圈9之间相互错开。

混合式编码器还包括朝光编码结构发射光线的光源，本实施例中的光源可以形成为独立的元件，其可以是包括但不限于LED(Light Emitting Diode，发光二极管)光源，激光发射器等等发光器件。在使用反射式光栅的实施方式中，光源也可以与光感应元件集成于同一器件中。光源与光感应元件的集成可以是将两个器件进行简单的共同封装，也可以是更底层将两种器件制作到一起。示例性的，光源可设于线路板靠近光编码结构的一面，且光源正对光编码结构发射光线。光源和光感应元件设于同一线路板的同一面上，光编码结构为反射式码盘，反射式码盘上包括交替设置的反射码道以及不反射光线的区域，反射码道沿码盘周向设置，当反射式码盘中的反射码道移动至预定位置，光源所发射的光线经由反射码道的反射而射向光感应元件，光线间断的通过反射式码盘中反射码道的反射而被光感应元件检测到。在另一示例中，光源和光感应元件可设于不同的线路板上，光源和光感应元件分别设置在相应的线路板靠近码盘的一面，此示例的码盘可以为透射式码盘，光源的发射正对光感应元件，码盘随电机运动时，光线间断的透过透射式码盘中能够透射光线的区域被光感应元件检测到。类似的，直线电机中，光源发出的光线通过栅尺上的光栅传输到光感应元件，光源相对于光栅进行直线的运动。

本实施例中，相对位置信号为N个周期的正弦信号和N个周期的余弦信号，N大于等于1，或，两个正交的方波信号。也就是说，光感应元件基于感应到的光信号生成相同周期数量的正余弦信号或正交的方波信号。相对位置信号的具体类型可以通过选择相应的光感应元件实现，例如光感应元件为输出正余弦信号或方波信号的光感编码芯片。

绝对位置信号为至少一个周期的正余弦信号，或，至少一个周期的数字信号，或，脉冲宽度调制信号，或，两个正交的第三方波信号和第四方波信号，或，相位角为60度或120度的三相换向信号，或，线性模拟信号。应当理解的是，为了形成上述的绝对位置信号，本示例的接收线圈还包括能够对电压感应信号进行处理的电感编码芯片，电感编码芯片与接收线圈的线圈主体连接，并对接收线圈接收到的感应电压信号进行编码处理形成绝对位置信号，绝对位置信号可以通过选择具有对应信号输出模式的电感编码芯片或还配合电感编码结构的结构设计而形成。另外，在一些实施方式中，电感编码芯片、光感编码芯片也可以集成于信号处理电路中。本实施例中的各种硬件、电路等可以被实施为独立的电路模块或器件，也可以集成为单个或多个同时实现两种及以上相应功能的物理模块。

本实施例还提供一种电机，该电机包括本实施例上述的混合式编码器。本实施例的电机可以是直线电机也可以是旋转电机，如前述示例中提到的，根据电机类型的不同，混合式编码中的光感检测组件、电感检测组件也相应的具有与电机类型相适应的结构。本实施例的电机采用前述架构的混合式编码器，能够适应更多的环境，不仅环境兼容性好，测量精度也有保证。

应当理解的是，本实用新型的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种混合式编码器，应用于电机，其特征在于，包括光感检测组件、电感检测组件以及信号处理电路；

所述光感检测组件包括光感应元件和光编码结构，所述光感应元件根据所述光编码结构的光信号变化生成相对位置信号；

所述电感检测组件包括激励线圈、接收线圈以及电感编码结构，所述电感编码结构能够相对于所述激励线圈和所述接收线圈运动，并影响所述接收线圈接收到的感应电压信号，所述接收线圈根据接收到的所述感应电压信号生成绝对位置信号；

所述信号处理电路用于根据所述相对位置信号和所述绝对位置信号确定出精确位置参数。

2.如权利要求1所述的混合式编码器，其特征在于，

所述光编码结构为码盘；所述码盘能够与所述电机的转轴相连接并随所述转轴同步旋转，以使所述光编码结构相对于所述光感应元件运动从而生成所述相对位置信号；或，

所述光编码结构为栅尺，所述栅尺沿所述电机的动轴运动方向设置；所述光感应元件随所述动轴同步运动，以使所述光感应元件相对于所述光编码结构运动从而生成所述相对位置信号。

3.如权利要求1所述的混合式编码器，其特征在于，

所述电感编码结构包括非完整圆周的金属片或沿所述电机的转轴的圆周设置的金属栅格，所述电感编码结构设置于所述电机的转轴上并随所述转轴同步转动，以使所述金属片或所述金属栅格在所述激励线圈产生的磁场中运动从而影响所述接收线圈接收到的感应电压信号；

或，所述电感编码结构为金属栅格，所述金属栅格沿所述电机的动轴的运动方向设置，所述激励线圈和所述接收线圈能够随所述动轴同步运动，以使所述金属栅格在所述激励线圈产生的磁场中发生相对的运动从而影响所述接收线圈接收到的感应电压信号。

4.如权利要求3所述的混合式编码器，其特征在于，

所述光编码结构为码盘，所述金属栅格或所述金属片设于所述码盘上，所述码盘与电机的转轴相连接并随所述转轴发生平面转动；

或，所述光编码结构为码盘，所述金属栅格或所述金属片与所述码盘不位于同一平面，所述码盘以及所述电感编码结构与电机的转轴相连接并随所述转轴发生平面转动；

或，所述光编码结构为栅尺，所述金属栅格设于所述栅尺上，所述栅尺沿直线电机的动轴运动方向设置。

5.如权利要求1所述的混合式编码器，其特征在于，还包括至少一个线路板，所述激励线圈、所述接收线圈、所述光感应元件以及所述信号处理电路设于同一所述线路板上。

6.如权利要求1所述的混合式编码器，其特征在于，所述电感检测组件包括N个所述接收线圈，N为大于等于2的正整数，每个所述接收线圈分别产生一个位置信号，所述位置信号至少包括绝对位置数据和圈数值中的一个，所述信号处理电路根据至少一个所述位置信号确定出绝对位置信息。

7.如权利要求6所述的混合式编码器，其特征在于，所述电感检测组件包括至少两个所述激励线圈，各所述激励线圈半径不同并同心设置；

和/或，各所述接收线圈平行设置于至少两层，且各所述接收线圈交错设置。

8.如权利要求1所述的混合式编码器，其特征在于，还包括朝所述光编码结构发射光线的光源；

所述光源形成为独立的元件，或，

所述光源与所述光感应元件集成于同一器件中。

9.如权利要求1-8任一项所述的混合式编码器，其特征在于，所述相对位置信号为：X个周期的正弦信号和X个周期的余弦信号，X大于等于1，或，两个正交的方波信号；

所述绝对位置信号为：Y个周期的正弦信号和Y个周期的余弦信号，Y大于等于1，或，至少一个周期的数字信号，或，脉冲宽度调制信号，或，两个正交的方波信号，或，相位角为60度或120度的三相换向信号，或，线性模拟信号。

10.一种电机，其特征在于，所述电机包括权利要求1-9任一项所述的混合式编码器。

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