[发明专利]多极复合式磁编码器

说明书

技术领域

本发明涉及编码器技术领域，具体涉及一种多极复合式磁编码器。

背景技术

随着运动控制系统的发展，直流电机向交流电机的转变以及模拟式控制向数字式控制的转变，都离不开编码器，编码器技术水平直接影响到运动控制系统的性能。作为一种将旋转角位置、角速度转换为电信号的角位移传感器，其种类繁多，按输出电信号形式来分，可分为模拟式和数字式两大类。模拟式传感器包括自整角机、测速发电机等，数字式传感器包括光学编码器、磁性编码器等。

目前，在工业生产中广泛应用的是数字式光电编码器，技术非常成熟，并且精度和分辨率比较高。但光电编码器的光栅盘在绕轴旋转时，轴振动易使光栅盘破碎；光栅盘的抗冲击、抗振动性能不高；光器件的使用寿命有限；尤其对于水、尘埃等恶劣环境适应性差；结构与定位组装复杂，成本较高；光栅刻线宽度有极限，实现高分辨率就需要直径很大光栅盘，难以实现小型化。然而磁编码器，根据磁电原理，其结构简单、可以高速运转、响应速度快、易于小型化、对环境的要求不高；在大批量生产时，磁性编码器比光学编码器更容易降低成本。所以在未来的运动控制系统中，磁性编码器的用量将逐渐增多。

磁编码器如要获得高分辨率，必须增加磁极数或者采用更小极距的多极复合式磁栅。但是由于充磁工艺、使用空间、漏磁分布等原因，提高磁极数和采用更小极距的多极复合式磁栅存在一定的难度。增加极数将会增大编码器磁钢的尺寸，不利于小型化。采用更小极距的多极复合式磁栅，若多极复合式磁栅做得与光栅一样大小时，磁场强度很弱，磁敏感器很难在非接触状态下检出这样微弱的信号，同时充磁的均匀性难以保证。所以通常采用电子细分的方式来提高分辨率。这样才能有效解决体积和分辨率之间的矛盾问题。

磁编码器包括采用单极式和多极式磁钢两大类。对于单极式磁编码器，磁钢旋转一周，磁传感器只输出一对正交的类正弦模拟信号。要获得高分辨率的位置信号，必须对该信号进行高倍数的电子细分。然而进行模拟量细分的时候需要使用模数转换，模数转换的速度也就决定了可细分的倍数。所以模数转换时间和位置信号分辨的精确度是一对矛盾，细分倍数过高容易出现响应和准确度方面的问题。同时，由于存在外界干扰和磁传感器本身的局限等因素，磁传感器输出波形的一致性、完整度有限，细分倍数过大，容易把误差暴露的更明显，从而导致新的误差。所以必须结合电子细分和多极式磁钢才能获得高速、高精、小尺寸的磁编码器。

编码器在交流伺服系统使用中，需要获得当前的绝对位置信息，电机才能输出相应的电磁力矩，使转子转动。然而A、B、Z增量式伺服系统在刚上电的时候，系统是不能获得当前的绝对位置，只能获得相对位置。它需要电机转动到第一个Z信号出现的位置，通过补偿差值才能获得电机当前的绝对位置。低分辨率的霍尔式U、V、W编码器是一种上电就能获得绝对位置信息的码盘，价格低廉，分辨率低，一对磁极只能获得6个绝对位置信息。所以伺服系统通常配合使用增量式和霍尔式编码器，先用U、V、W编码器来拖动电机，直到获得第一个Z信号，然后再切换到高精度的A、B、Z编码器模式。

对增量式光电编码器的光栅盘来说，其具备很大的空间来刻蚀U、V、W信号光栅。同时，在工艺上也非常容易实现，所以很容易就获得A、B、Z和U、V、W两种信号的复合式编码器。但对复合式磁编码器来说，由于充磁工艺和尺寸方面的制约，分别设置两个独立的部分来获得两种信号。由于两个独立部分的磁环不在同一个平面上，磁编码器的轴向尺寸将增大，不利于小型化。或者有的把霍尔式U、V、W编码器放置在电机本体里面，通过检测电机内部的旋转磁场来获得U、V、W信号。这种情况，组装麻烦，不利于维修，通用性不好。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种高速、小型、高分辨率的多极复合式磁编码器。

实现本发明目的的技术方案如下：

多极复合式磁编码器，包括壳体，还包括设置于壳体中用于随电机轴同步旋转的多极复合式磁栅，该多极复合式磁栅上分别产生三个不同的磁场；

以及设置于壳体中的信号处理器，该信号处理器将多极复合式磁栅上产生的磁场信号进行检测后，转换为高分辨率的增量式A、B、Z电信号和低分辨率的绝对式U、V、W电信号输出。