[发明专利]高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器

权利要求书

1.高速高精机床主轴、电主轴磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，包括套装在机床主轴、电主轴上且随机床主轴、电主轴同步旋转的量测齿轮和与量测齿轮配合使用的磁感应读取头；所述量测齿轮设有正余弦正交差分信号输出磁道和参考零点差分信号输出磁道；磁感应读取头内设有磁感应元器件、信号调理电路、参考零点比较器电路及FPGA插补细分电路，磁感应元器件与量测齿轮圆周正相切安装；所述磁感应元器件对量测齿轮进行非接触式扫描所产生的正余弦正交差分信号和参考零点差分信号，经过信号调理电路后，由FPGA插补细分电路对其直流偏置误差、幅值误差和正交相位误差进行实时的修正和补偿，并结合参考零点比较器电路，从而分别生成相对于上电时刻的转轴旋转角度的相对位置值和相对于参考零点信号的转轴旋转角度的绝对位置值；

所述FPGA插补细分电路包括直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、正余弦信号最值模块、存储模块、乘法倍频模块、坐标旋转数字计算模块及转轴旋转角度生成模块，转轴旋转角度生成模块与参考零点比较器电路、坐标旋转数字计算模块连接，直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、乘法倍频模块及坐标旋转数字计算模块依次连接，正余弦信号最值模块分别与直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、存储模块连接，正余弦信号最值模块用于求取正余弦信号的采样最大值和最小值，存储模块用于存储直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块、正余弦信号最值模块的运算结果；

所述量测齿轮的参考零点差分信号输出磁道为一圈仅有一个齿的结构，或者为一圈比正余弦正交差分信号输出磁道仅缺少一个齿的结构。

2.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述乘法倍频模块包括正余弦信号乘法模块、正余弦信号移相模块、调整电路模块，其中正余弦信号乘法模块设有两个，一个正余弦信号乘法模块的输入端与幅值误差补偿模块连接，输出端与调整电路模块连接；另一个正余弦信号乘法模块的输入端通过正余弦信号移相模块与幅值误差补偿模块连接，输出端与调整电路模块连接，调整电路模块与坐标旋转数字计算模块连接。

3.根据权利要求2所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述直流偏置误差补偿模块和幅值误差补偿模块分别推导出正余弦信号的直流偏置误差和幅值误差；然后利用乘法倍频模块通过移相、乘法倍频将正交相位误差转变成直流偏置误差和幅值误差，经调整电路模块去除直流偏置误差及调整幅值后，用二倍频的两路正余弦信号作为原始信号在坐标旋转数字计算模块内再进行插补细分；所述坐标旋转数字计算模块计算反正切，求取相位值，得出转轴旋转角度当前位置值，即相对于上电时刻的转轴旋转角度的相对位置值；

所述信号调理电路对参考零点差分信号放大整形、滤波后生成单端信号，进入参考零点比较器电路，转换成高低电平的数字信号，最后输入转轴旋转角度生成模块，生成相对于参考零点信号的转轴旋转角度的绝对位置值。

4.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述存储模块为位于FPGA片内的FLASH ROM，FPGA插补细分电路调用FLASH ROM所存储的直流偏置误差补偿模块、幅值误差补偿模块运算结果，以实现FPGA程序自动重新校准和对误差的自适应调节。

5.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述磁感应读取头位于量测齿轮外侧上方且和量测齿轮之间的间隙为0.1至0.3mm。

6.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述磁感应读取头的安装侧面与量测齿轮侧面处于同一平面；磁感应读取头的壳体底部设有便于安装的对称突起，对称突起高度一致以实现磁感应元器件和量测齿轮圆周正相切安装，即实现磁感应元器件中心、量测齿轮、机床主轴安装的同心度。

7.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述量测齿轮设有一个用于安装在旋转主轴上的中心孔；所述量测齿轮规格模数为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0或2.0。

8.根据权利要求1所述的磁感应增量型总线式编码器，其特征在于，所述磁感应读取头内还设有连接在信号调理电路与FPGA插补细分电路之间的ADC模数转换电路。