一種直線電機磁軌編碼器及直線電機的製作方法

2023-05-03 07:13:26

本實用新型涉及直線電機技術領域，特別涉及一種直線電機磁軌編碼器及直線電機。

背景技術：

直線電機是一種將電能直接轉換成直線運動機械能，而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置。隨著科學技術不斷的發展，直線電機已經廣泛應用在工業控制領域的各種設備，其中必不可少的位置反饋裝置一直是該領域研究的重點課題。目前常見的位置反饋裝置大多採用光柵尺或磁柵尺和相應的讀數頭檢測方案。

採用光柵尺和光柵讀數頭的方案，主要的缺點有：（1）光柵尺1和光柵讀數頭2的安裝間隙公差很小，安裝困難，如圖1所示，光柵尺1的表面和光柵讀數頭2表面之間的安裝間隙公差a為0.8±0.1mm；（2）光柵尺1的厚度b本身已經很薄，僅為0.2mm，其表面極易受油垢和灰塵的汙染，導致計數錯誤；（3）光柵尺目前主要由國際三大品牌HEIDENHAIN，RENISHAW，MICROE所壟斷，成本很高。而採用磁柵尺和磁柵讀數頭的方案同樣存在許多缺點，如磁柵尺由於安裝位置離直線電機磁軌較近，安裝時容易被磁軌或其它磁性部件磁化而損壞；重複定位精度比光柵尺低，且運行時的噪音比較大等等。

因而現有技術還有待改進和提高。

技術實現要素：

鑑於上述現有技術的不足之處，本實用新型的目的在於提供一種直線電機磁軌編碼器及直線電機，通過霍爾採樣電路採集動子在運動過程中的磁場信號並轉換為電壓信號，經過後續細分和差分信號轉換處理後可以得到精確的位置數據，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節約了成本。

為了達到上述目的，本實用新型採取了以下技術方案：

一種直線電機磁軌編碼器，包括殼體，在殼體內設置有PCB板，其中，所述PCB板上設置有用於採集動子在運動過程中產生的磁場信號，並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾採樣電路；用於將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號的細分電路；用於將所述兩路正交編碼器信號轉換為差分信號的差分信號轉換電路；所述霍爾採樣電路、細分電路和差分信號轉換電路依次連接。

所述的直線電機磁軌編碼器中，所述霍爾採樣電路包括用於將所述磁場信號分別轉換為正弦電壓信號和餘弦電壓信號的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場周期，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器均連接細分電路。

所述的直線電機磁軌編碼器中，所述PCB板上還設置有用於指示編碼器工作狀態的LED指示燈。

所述的直線電機磁軌編碼器中，所述殼體內還設置有用於固定所述PCB板的固定件。

所述的直線電機磁軌編碼器中，所述殼體為用於電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼。

所述的直線電機磁軌編碼器中，所述差分信號轉換電路採用型號為AM26LS31的集成電路。

一種直線電機，包括定子磁軌和相對所述定子磁軌運動的動子，其還包括上所述的直線電機磁軌編碼器，所述直線電機磁軌編碼器固定於動子的一側。

所述的直線電機中，所述直線電機磁軌編碼器的底面與定子磁軌的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm。

相較於現有技術，本實用新型提供的直線電機磁軌編碼器及直線電機中，所述直線電機磁軌編碼器包括殼體，在殼體內設置有PCB板，其中，所述PCB板上設置有用於採集動子在運動過程中產生的磁場信號，並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾採樣電路；用於將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號的細分電路；用於將所述兩路正交編碼器信號轉換為差分信號的差分信號轉換電路；所述霍爾採樣電路、細分電路和差分信號轉換電路依次連接，通過霍爾採樣電路採集動子在運動過程中的磁場信號並轉換為電壓信號，經過後續細分和差分信號轉換處理後可以得到精確的位置數據，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節約了成本。

附圖說明

圖1為現有技術中光柵尺和光柵讀數頭的安裝示意圖。

圖2為實用新型提供的直線電機的立體結構示意圖。

圖3為實用新型提供的直線電機的端面結構示意圖。

圖4為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中立體結構示意圖。

圖5為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中PCB板正面結構示意圖。

圖6為發明提供的直線電機磁軌編碼器的PCB板背面結構示意圖。

圖7為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中PCB板上設置的電路的結構框圖。

圖8為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中磁場強度與輸出電壓信號的關係圖。

圖9為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中將磁場信號轉換為電壓信號的原理圖。

圖10為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中兩路相位差為90°的電壓信號的示意圖。

圖11為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號的示意圖。

圖12為實用新型提供的直線電機磁軌編碼器中根據兩路正交編碼器信號判斷運動方向的時序圖。

圖13為實用新型提供的直線電機的位置檢測方法的流程圖。

具體實施方式

本實用新型提供的直線電機磁軌編碼器及直線電機，通過霍爾採樣電路採集動子在運動過程中的磁場信號並轉換為電壓信號，經過後續細分和差分信號轉換處理後可以得到精確的位置數據，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節約了成本。

為使本實用新型的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖並舉實施例對本實用新型進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。

請參閱圖2、圖3和圖4，本實用新型提供的直線電機包括定子磁軌10和相對所述定子磁軌10運動的動子11，動子11通電是與定子磁軌10相互作用產生電磁推力，使動子11在定子磁軌10上作直線往復運動，其中所述直線電機還包括用於反饋位置信號的直線電機磁軌編碼器20，所述直線電機磁軌編碼器20固定於動子11的一側，具體實施時可通過直線電機磁軌編碼器20上設置的螺絲孔201安裝固定螺絲，將所述直線電機磁軌編碼器20固定於動子11上，使得直線電機磁軌編碼器20與動子11整合在一起，簡化了機械結構。

進一步地，所述直線電機磁軌編碼器20的底面與定子磁軌10的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm，即所述直線電機磁軌編碼器20的安裝公差為6±0.5mm，相比光柵尺或磁柵尺要寬鬆很多，更加方便安裝，提高安裝效率。

具體地，請一併參閱圖5、圖6和圖7，本實用新型提供的直線電機中，所述直線電機磁軌編碼器20包括殼體21，在殼體21內設置有PCB板22和用於固定所述PCB板22的固定件27，例如固定螺絲等等，所述PCB板22上設置有用於採集動子11在運動過程中產生的磁場信號，並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾採樣電路23；用於將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號的細分電路24；用於將所述兩路正交編碼器信號轉換為差分信號的差分信號轉換電路25；所述霍爾採樣電路23、細分電路24和差分信號轉換電路25依次連接。本實施例中，所述差分信號轉換電路25採用型號為AM26LS31的集成電路，當然也可採用其他具有相同功能的集成電路，本實用新型對此不作限定。

本實用新型通過將直線電機磁軌編碼器20與動子11整合在一起，隨著動子11一起作直線往復運動，在此過程中，霍爾採樣電路23採集運動過程中產生的磁場信號，並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號；之後將這兩路電壓信號進行預設倍數細分得到標準的位置反饋信號，即兩路正交編碼器A，B信號，為了進一步提高信號的抗幹擾能力，便於伺服驅動器接收位置反饋信號，本實用新型還將所述正交編碼器信號轉換為差分信號輸出，確保位置反饋信號的抗幹擾性和準確性。

進一步地，所述霍爾採樣電路23包括用於將所述磁場信號分別轉換為正弦電壓信號和餘弦電壓信號的第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距為四分之一磁場周期，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232均連接細分電路24，即本實用新型通過採用兩個霍爾傳感器，且二者的安裝間距為四分之一磁場周期，例如磁場周期即定子磁軌10的磁極間距為24mm，則第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距即為6mm，保證第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232輸出的電壓信號之間的相位差為90°，以便後續得到標準的正交編碼器A，B信號。

優選地，所述PCB板22上還設置有用於指示編碼器工作狀態的LED指示燈26，例如LED指示燈26亮表示直線電機磁軌編碼器20正在工作，而熄滅是表示不在工作，閃爍時表示此時存在故障等等，使用戶清晰的知道當前直線電機磁軌編碼器20的工作狀態。

為了進一步保障位置檢測的抗幹擾性，所述殼體21優選為用於電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼，提高直線電機磁軌編碼器20的抗電磁幹擾性。

以下結合圖8至圖12，對本實用新型提供的直線電機中直線電機磁軌編碼器20的檢測反饋過程進行說明：

本實用新型通過兩個線性霍爾傳感器，即第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232將運動過程中的磁場信號轉換為電壓信號，磁場強度與輸出電壓信號成正比關係，如圖8所示；當直線電機磁軌編碼器20在磁軌定子上方運動時，動子11及直線電機磁軌編碼器20和定子磁軌10之間的相對運動，會產生按正餘弦規律變化的動態磁場，如圖9中的（a）、（b）所示，由於霍爾傳感器的輸出電壓與磁場強度成正比關係，因此通過第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232可得到按正餘弦規律變化的電壓波形圖，如圖9中的（c）。

由於本實用新型中兩個霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場周期，即當磁場周期為24mm時，兩個霍爾傳感器的安裝間距為6mm，當然本實用新型並不僅限於24mm的磁場周期，可根據實際需要調節，磁場周期對應的電角度為360°，所以，兩個霍爾傳感器輸出相位差為6/24*360=90°的正餘弦電壓信號Vcos(φ)和Vsin(φ)，如圖10所示。

因為直線電機磁軌編碼器20在運動過程中，不同的位置感應到的磁場強度不同，即磁場的強弱能夠反映直線電機磁軌編碼器20的位置信息，由於霍爾傳感器的輸出電壓與磁場強度成正比關係，所以電壓信號的幅度大小代表著直線電機磁軌編碼器20的實時位置，從而實現了位置的實時反饋。

進一步地，在採集了電壓信號之後，通過細分電路24將上述兩路正餘弦電壓信號，通過12位的AD轉換，將一個完整的電壓周期細分成2的12次方即4096等分，每個等分代表一個位置信息，例如一個周期的位置寬度為24mm，經過4096倍細分後，可得到解析度為24mm X 1000÷4096=5.859375um的位置數據，位置解析度高，具體如圖11所示。

在細分電路24得到的兩路正交編碼器信號A,B後通過差分信號轉換電路25將其轉換成差分信號輸出，提高信號的抗幹擾能力，以便伺服驅動器接收。

同時，本實用新型也可通過兩路正餘弦電壓信號的相位超前之後關係來判斷直線電機的運動方向，如圖12所示，當直線電機磁軌編碼器20正向運動時，A，B兩路信號的邏輯狀態的變化規律為10-11-01-00[圖11中的（a）]，以此循環；而當直線電機磁軌編碼器20反向運動時，A，B兩路信號的邏輯狀態的變化規律為01-11-10-00[圖11中的（b）]，以此循環。即若當A超前B定義為正方向運動，則A滯後B時為反方向運動，從而實現了運動方向的判斷。

本實用新型還相應提供了一種直線電機磁軌編碼器，由於上文以對所述直線電機磁軌編碼器進行了詳細描述，此處不作詳述。

本實用新型還相應提供了一種直線電機的位置檢測方法，如圖13所示，所述直線電機的位置檢測方法包括如下步驟：

S100、直線電機磁軌編碼器隨著動子一起在定子磁軌上方運動，產生變化的動態磁場信號；

S200、由霍爾採樣電路採集磁場信號並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號；

S300、由細分電路將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號；

S400、由差分信號轉換電路將所述兩路正交編碼器信號轉換為差分信號並輸出至伺服驅動器。

具體地，所述步驟S200具體包括：通過安裝間距為四分之一磁場周期的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器將所述磁場信號分別轉換為正弦電壓信號和餘弦電壓信號。具體請參閱上述裝置對應的實施例。

綜上所述，本實用新型提供的直線電機磁軌編碼器及直線電機中，所述直線電機磁軌編碼器包括殼體，在殼體內設置有PCB板，其中，所述PCB板上設置有用於採集動子在運動過程中產生的磁場信號，並將所述磁場信號轉換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾採樣電路；用於將兩路電壓信號進行預設倍數細分，得到兩路正交編碼器信號的細分電路；用於將所述兩路正交編碼器信號轉換為差分信號的差分信號轉換電路；所述霍爾採樣電路、細分電路和差分信號轉換電路依次連接，通過霍爾採樣電路採集動子在運動過程中的磁場信號並轉換為電壓信號，經過後續細分和差分信號轉換處理後可以得到精確的位置數據，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節約了成本。

可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據本實用新型的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬於本實用新型所附的權利要求的保護範圍。