[发明专利]一种耐高温高精度霍尔编码器

说明书

技术领域

本发明属于电动伺服结构技术领域，具体涉及一种耐高温高精度霍尔编 码器。

背景技术

目前编码器已经在国内外广泛应用于工业控制系统中，随着航天伺服技 术的不断地发展，传统的电位计已经不能满足电动伺服技术的发展的要求了， 电动伺服技术的发展和成熟，对编码器的技术的需求不断地增大，航天伺服 产品必须抗恶劣的工作环境，同时对编码器的精度要求高，耐高温时首要的 技术指标要求，目前国内外的编码器大部分是工业级别，环境工作温度一般 在-40～85度之间，不能满足航天电动伺服作动器要求，为了满足电动伺服技 术发展的要求，本发明从结构设计上，设计一种新颖的霍尔编码器结构来提 高编码器耐高温的性能，满足伺服系统-40～150度的环境工作温度指标要求， 利用霍尔芯片AS5045和耐高温的旋转双极磁铁，实现精确测量整个360度 范围内的角度，这种绝对角度测量方式可以即时指示磁铁的角度位置，其分 辨率达到0.0879度相当于每一圈4096个位置，能够以串联数据输出和PWM 信号模式输出。

本发明提出一种耐高温高精度的霍尔编码器，从结构设计方面实现了霍尔编 码器耐高温150度的技术指标的要求，利用AS5045霍尔芯片和双极性磁铁 实现12位绝对精度输出。应用于电动伺服机构电机转角和活塞杆的测量与反 馈。

如图1所示，在金属或半导体薄片中通以控制电流I，并在薄片的垂直方 向上施加磁感应强度为B的磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上会产生电 动势(霍尔电势)。这种现象称为霍尔效应。若将通有电流的导体置于磁场B 之中，磁场B(沿z轴)垂直于电流IH(沿x轴)的方向，如图所示，则 在导体中垂直于B和IH的方向上出现一个横向电位差UH。

如图2所示，AS5045是一个无接触磁编码器芯片,能够用于360度全角 度精确定位,内部集成了霍尔元件、模拟前端和DSP。在芯片上部固定一个 可产生正弦磁场的两极磁钢,使其围绕芯片中心旋转以测量角度。绝对角度 测量分辨率可达12位,通过连续的字符串和PWM信号来表示。此外,还可 以设置可编程增量输出,使采用AS5045设计的磁编码器能够取代光电编码 器。AS5045的内部模块图如图2所示。集成的霍尔元件分布在芯片内部的 中心周围,在外部磁场的作用下输出相差90电角度的正余弦电压信号,电压 信号能够表示Ic表面的磁场强弱。通过∑-Δ模/数转换和数字信号处理运算 法则,可得到高精度绝对角位置信息。MagINCn和MagDECn输出能够指示 磁场与芯片距离的数字信息。

如图3所示，磁旋转编码器的结构设计典型情况下，磁铁的直径应当为 6mm，厚度应当≥2.5mm。磁铁材料建议采用稀土AlNiCo、SmCo5或NdFeB。 应当采用高斯计来核实磁铁垂直于芯片表面方向的磁场强度。在给定间距下 沿半径为1.1mm(R1)的同心圆上，磁场Bv应当在±45mT～±75mT范围之内。 (参见图3)。磁铁的中心轴线应当对准IC的规定中心处半径Rd为0.25mm的 范围之内，基准线为引脚1的外部边沿(参见图3)。此半径包括了芯片在 SSOP-16封装内的放置误差(±0.235mm)。以芯片中心为基准，放置半径Rd 为0.485mm。垂直间距应当选择为能够使芯片表面的磁场处于规定的范围之 内(参见图2)。采用推荐的磁铁(6mmx2.5mm)时，磁铁与封装表面的典 型间距”z”为0.5mm至1.8mm。只要所要求的磁场强度能够保持在规定的范围 内，也可以采用更大的间隙。磁场超出规定范围以外时，仍然可能得到有用 的结果，超出范围的状况将由MagINCn(引脚)和MagDECn(引脚)指示 出来。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种来测量电 动伺服系统的配套使用，要求霍尔编码器能够在-40～150度环境温度范围内工 作，霍尔编码器的输出实现360度内12位绝对精度输出的耐高温高精度的霍 尔编码器。

本发明所采用的技术方案是：

一种耐高温高精度霍尔编码器，包括壳体、金属轴、尼龙轴、轴承、双 极性磁铁、隔热层、霍尔芯片、及上盖；其中，金属轴设于壳体底部中心位 置，尼龙轴设于金属轴上，尼龙轴外侧和壳体之间设有轴承，尼龙轴上端设 有双极性磁铁，壳体上部设有上盖，壳体和上盖所组成的内部腔体内设有隔 热层，所述隔热层扣在尼龙轴和双极性磁铁的外侧，隔热层的上端内侧设有 霍尔芯片。