一种机械多圈绝对式时栅编码器
技术领域
本发明是属于精密测量传感器
技术领域
，具体涉及一种机械多圈绝对式时栅编码器。背景技术
目前编码器作为传感器技术的其中一种，主要用于检测机械运动的速度、位置、角度、距离及计数。其中多圈绝对式编码器可在断电并重新上电后立即得到当前位置等信息，不需要进行归零处理。然而，目前市面上的多圈绝对式编码器(比如依赖电池记忆的电池多圈编码器、依赖韦根发电微能量存储的韦根电子多圈编码器等)仍需要依靠外部能量来存储当前位置等信息，并不是真正意义上的断电储存，并且可靠性也不高。相对地，机械多圈绝对式编码器利用多组齿轮传动，能对机械位置进行编码以此获取和储存当前位置等信息，但是齿轮传动级数较多会引起较大的传动误差。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械多圈绝对式时栅编码器，以通过紧凑的结构来减小传动误差，提高测量精度。
本发明所述的机械多圈绝对式时栅编码器，包括第一转轴、第二转轴、第三转轴、第一时栅角度传感单元、第二时栅角度传感单元和信号处理系统。第一转轴具有导磁的第一偏心轴颈，第一转轴上同轴固定有齿数为z1的导磁的第一齿轮，第二转轴上同轴固定有齿数为z2的第二齿轮和齿数为z3的第三齿轮，第三转轴具有导磁的第二偏心轴颈，第三转轴上同轴固定有齿数为z4的导磁的第四齿轮，第一齿轮与第二齿轮啮合，第三齿轮与第四齿轮啮合；其中，令M＝z1*z3，N＝z2*z4，M与N互为质数。第一时栅角度传感单元包括第一扇环形定测头和第一圆环形定测头，第一扇环形定测头同轴旁置在第一齿轮外侧，第一扇环形定测头与第一齿轮之间留有间隙，第一圆环形定测头套在第一偏心轴颈外，第一圆环形定测头与第一偏心轴颈之间留有间隙，第一圆环形定测头的轴线与第一转轴的轴线重合。第二时栅角度传感单元包括第二扇环形定测头和第二圆环形定测头，第二扇环形定测头同轴旁置在第四齿轮外侧，第二扇环形定测头与第四齿轮之间留有间隙，第二圆环形定测头套在第二偏心轴颈外，第二圆环形定测头与第二偏心轴颈之间留有间隙，第二圆环形定测头的轴线与第二转轴的轴线重合；第一扇环形定测头、第一圆环形定测头、第二扇环形定测头和第二圆环形定测头与信号处理系统连接。
信号处理系统产生激励信号作用于第一扇环形定测头上的激励线圈、第一圆环形定测头上的激励线圈、第二扇环形定测头上的激励线圈和第二圆环形定测头上的激励线圈，当第一转轴作为主动轴转动，第二转轴、第三转轴作为从动轴转动时，信号处理系统对第一扇环形定测头上的感应线圈输出的感应信号、第一圆环形定测头上的感应线圈输出的感应信号、第二扇环形定测头上的感应线圈输出的感应信号和第二圆环形定测头上的感应线圈输出的感应信号进行处理，得到第一转轴转动的圈数n1和第一转轴在[0,360°*N)多圈范围内的绝对角度
优选的，所述第一转轴为导磁的齿轮轴，第一齿轮为在第一转轴上直接加工而成的齿轮；所述第二转轴为齿轮轴，第二齿轮和第三齿轮为在第二转轴上直接加工而成的齿轮；所述第三转轴为导磁的齿轮轴，第四齿轮为在第三转轴上直接加工而成的齿轮。
第一转轴作为主动轴时，由于第一齿轮对第四齿轮的传动比(M与N满足互质关系)；因此，当第一齿轮转动N圈(也是第一转轴转动N圈)时，第四齿轮正好转动M圈(也是第三转轴正好转动M圈)，即当第一齿轮与第四齿轮从某一位置开始转动并同时回到相同位置时，两者转动的圈数差正好为N-M圈，称此完成了一个周期运动。当第一齿轮转动1圈时，第一齿轮减第四齿轮的角度差称之为第一周差角K′，
由以上分析可知，第一齿轮每转动1圈，第一齿轮减第四齿轮的角度差就增加1个第一周差角K′，则第一齿轮转动n1圈，第一齿轮减第四齿轮的角度差就为n1*K′；故通过第一时栅角度传感单元、第二时栅角度传感单元分别测量得到第一齿轮、第四齿轮在[0,360°)单圈范围内的绝对角度(也是第一转轴、第三转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度)后，即可求得第一转轴转动的圈数n1和第一转轴在[0,360°*N)多圈范围内的绝对角度
优选的，得到第一转轴转动的圈数n1和第一转轴在[0,360°*N)多圈范围内的绝对角度的具体方式为：
信号处理系统对第一扇环形定测头上的感应线圈输出的多极感应信号和第一圆环形定测头上的感应线圈输出的单极感应信号进行处理，得到第一转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ1。信号处理系统对第二扇环形定测头上的感应线圈输出的多极感应信号和第二圆环形定测头上的感应线圈输出的单极感应信号进行处理，得到第三转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ4。
信号处理系统利用公式：计算所述第一转轴转动的圈数n1；其中，Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分，Δθ′表示第一角度差，Δθ′＝θ1-θ4，K′表示第一周差角，信号处理系统利用公式： 计算所述第一转轴在[0,360°*N)多圈范围内的绝对角度
由于第一齿轮具有周期性的齿槽结构，当其相对于第一扇环形定测头发生相对转动时，第一扇环形定测头上的感应线圈会产生随位置变化的周期性的感应信号(此为多极感应信号)。由于第一偏心轴颈的轴线与第一圆环形定测头的轴线平行，第一偏心轴颈与第一圆环形定测头之间的间隙不均匀，第一偏心轴颈在一周360°范围内转动时会产生规律性的气隙长度变化，故当第一偏心轴颈相对于第一圆环形定测头发生相对转动时，第一圆环形定测头上的感应线圈会产生随位置变化的周期性的感应信号(此为单极感应信号)。
信号处理系统对第一扇环形定测头上的感应线圈输出的多极感应信号进行处理，得到第一转轴转到某个位置(也是第一齿轮转到某个位置)时的精测角度测量值β′。信号处理系统对第一圆环形定测头上的感应线圈输出的单极感应信号进行处理，得到第一转轴转到某个位置时的粗测角度测量值β′0。其中，β′0的取值范围已由信号处理系统预先设定为[0,360°)，β′的取值范围已由微处理器预先设定为同时设定第一转轴位于绝对零位时，β′0＝β′＝0；当第一转轴由绝对零位开始相对于第一时栅角度传感单元旋转一圈时，粗测角度测量值β′0在[0,360°)变化1次，精测角度测量值β′在变化1次。信号处理系统利用公式：计算所述第一转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ1。Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分。
由于第三齿轮具有周期性的齿槽结构，当其相对于第二扇环形定测头发生相对转动时，第二扇环形定测头上的感应线圈会产生随位置变化的周期性的感应信号(此为多极感应信号)。由于第二偏心轴颈的轴线与第二圆环形定测头的轴线平行，第二偏心轴颈与第二圆环形定测头之间的间隙不均匀，第二偏心轴颈在一周360°范围内转动时会产生规律性的气隙长度变化，故当第二偏心轴颈相对于第二圆环形定测头发生相对转动时，第二圆环形定测头上的感应线圈会产生随位置变化的周期性的感应信号(此为单极感应信号)。
信号处理系统对第二扇环形定测头上的感应线圈输出的多极感应信号进行处理，得到第三转轴转到某个位置(也是第四齿轮转到某个位置)时的精测角度测量值β″。信号处理系统对第二圆环形定测头上的感应线圈输出的单极感应信号进行处理，得到第三转轴转到某个位置时的粗测角度测量值β″0。其中，β″0的取值范围已由信号处理系统预先设定为[0,360°)，β″的取值范围已由微处理器预先设定为同时设定第三转轴位于绝对零位时，β″0＝β″＝0；当第三转轴由绝对零位开始相对于第二时栅角度传感单元旋转一圈时，粗测角度测量值β″0在[0,360°)变化1次，精测角度测量值β″在变化1次。信号处理系统利用公式：计算所述第三转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ4。Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分。
本发明具有如下效果：
(1)与现有的机械多圈绝对式编码器相比，将多级齿轮传动减小为两级齿轮传动，利用第一时栅角度传感单元配合第一齿轮、第一偏心轴颈，测量第一转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度，利用第二时栅角度传感单元配合第四齿轮、第二偏心轴颈，测量第三转轴在[0,360°)单圈范围内的绝对角度，进而测得第一转轴转动的圈数n1和第一转轴在[0,360°*N)多圈范围内的绝对角度结构更紧凑，传动误差也更小，从而提高了测量精度。
(2)与依靠电池等设备进行内部记忆的绝对式编码器相比，是真正意义上的依靠自身断电储存的绝对式编码器，不存在电池等设备掉电后无法工作的情况。
(3)由于检测元件为第一、第二时栅角度传感单元，因此对工作环境要求较低，可以实现在如高温/低温环境、强震动、冲击等极端环境下的工作。
附图说明
图1为本实施例的结构示意图。
图2为本实施例中第一转轴的结构示意图。
图3为本实施例中第二转轴的结构示意图。
图4为本实施例中第三转轴的结构示意图。
图5为本实施例中的信号处理原理框图。
具体实施方式
为使本发明之上述结构、特征、优点等能更明显易懂，下文特举出具体示例，并配合附图作详细说明。
如图1至图5所示的机械多圈绝对式时栅编码器，包括第一转轴1、第二转轴2、第三转轴3、第一时栅角度传感单元4、第二时栅角度传感单元5和信号处理系统。
如图2所示，第一转轴1为导磁的齿轮轴，第一转轴1上加工有第一齿轮11和第一偏心轴颈12(相应的第一齿轮11和第一偏心轴颈12也是导磁的)。第一齿轮11的轴线与第一转轴1的轴线重合，第一齿轮11的模数为0.7、齿数为65(即z1＝65)；第一偏心轴颈12为在第一齿轮一侧突出10mm的圆柱体(即第一偏心轴颈12的轴向长度为10mm)，第一偏心轴颈12的轴线与第一转轴1的轴线平行且沿着径向偏移了1mm，第一偏心轴颈12的直径为20mm，第一偏心轴颈12的直径小于第一齿轮11的齿根圆直径与偏移距离(即1mm)的差值。第一齿轮11优选为标准直齿轮。
如图3所示，第二转轴2为齿轮轴(可导磁也可不导磁)，第二转轴2上同轴间隔加工有第二齿轮21和第三齿轮22，第二齿轮21的轴线和第三齿轮22的轴线都与第二转轴2的轴线重合。第二齿轮21的模数为0.7、齿数为64(即z2＝64)，第三齿轮22的模数为0.7、齿数为63(即z3＝63)。第二齿轮21和第三齿轮22优选为标准直齿轮。
如图4所示，第三转轴3为导磁的齿轮轴，第三转轴3上加工有第四齿轮31和第二偏心轴颈32(相应的第四齿轮31和第二偏心轴颈32也是导磁的)。第四齿轮31的轴线与第三转轴3的轴线重合，第四齿轮31的模数为0.7、齿数为64(即z4＝64)；第二偏心轴颈32为在第四齿轮一侧突出11mm的圆柱体(即第二偏心轴颈32的轴向长度为11mm)，第二偏心轴颈32的轴线与第三转轴3的轴线平行且沿着径向偏移了1mm，第二偏心轴颈32的直径为20mm，第二偏心轴颈32的直径小于第四齿轮31的齿根圆直径与偏移距离(即1mm)的差值。第四齿轮31优选为标准直齿轮。
如图1所示，第一齿轮11与第二齿轮21啮合，并按其中心面重合、标准中心距安装。第三齿轮22与第四齿轮31啮合，并按其中心面重合、标准中心距安装。M＝z1*z3＝4095，N＝z2*z4＝4096，4095与4096满足互质关系。
如图1、图5所示，第一时栅角度传感单元4包括第一扇环形定测头41和第一圆环形定测头42，第一扇环形定测头41具有若干数量的绕有激励线圈与感应线圈的齿，第一圆环形定测头42具有若干数量的绕有激励线圈与感应线圈的齿。第一扇环形定测头41同轴旁置在第一齿轮11外侧，第一扇环形定测头41与第一齿轮11之间留有间隙，第一扇环形定测头41的中心面与第一齿轮11的中心面位于同一平面。第一圆环形定测头42套在第一偏心轴颈12外，第一圆环形定测头42与第一偏心轴颈12之间留有间隙，第一圆环形定测头42的中心面与第一偏心轴颈12的中心面位于同一平面，第一圆环形定测头42的轴线与第一转轴1的轴线重合。第二时栅角度传感单元5包括第二扇环形定测头51和第二圆环形定测头52，第二扇环形定测头51具有若干数量的绕有激励线圈与感应线圈的齿，第二圆环形定测头52具有若干数量的绕有激励线圈与感应线圈的齿。第二扇环形定测头51同轴旁置在第四齿轮31外侧，第二扇环形定测头51与第四齿轮31之间留有间隙，第二扇环形定测头51的中心面与第四齿轮31的中心面位于同一平面。第二圆环形定测头52套在第二偏心轴颈32外，第二圆环形定测头52与第二偏心轴颈32之间留有间隙，第二圆环形定测头52的中心面与第二偏心轴颈32的中心面位于同一平面，第二圆环形定测头52的轴线与第二转轴2的轴线重合。
信号处理系统包括模拟滤波电路、第一放大滤波电路、第二放大滤波电路、第三放大滤波电路、第四放大滤波电路和微处理器，微处理器产生激励信号经模拟滤波电路后作用于第一扇环形定测头41上的激励线圈、第一圆环形定测头42上的激励线圈、第二扇环形定测头51上的激励线圈和第二圆环形定测头52上的激励线圈。当第一转轴1作为主动轴转动，第二转轴2、第三转轴3作为从动轴转动时，即当第一转轴1作为主动轴转动，第一偏心轴颈12转动，第一齿轮11转动带动第二齿轮21转动，第二齿轮21转动带动第二转轴2转动，第二转轴2转动带动第三齿轮22转动，第三齿轮22转动带动第四齿轮31转动，第四齿轮31转动带动第三转轴3和第二偏心轴颈32转动时，第一扇环形定测头41上的感应线圈输出周期性变化的多极感应信号，经第一放大滤波电路放大、滤波后输入微处理器；第一圆环形定测头42上的感应线圈输出周期性变化的单极感应信号，经第二放大滤波电路放大、滤波后输入微处理器；第二扇环形定测头51上的感应线圈输出周期性变化的多极感应信号，经第三放大滤波电路放大、滤波后输入微处理器；第二圆环形定测头52上的感应线圈输出周期性变化的单极感应信号，经第四放大滤波电路放大、滤波后输入微处理器。
微处理器将从第一放大滤波电路输入的信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并换算得到第一转轴1转到某个位置时的精测角度测量值β′。微处理器将从第二放大滤波电路输入的信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并换算得到第一转轴1转到某个位置时的粗测角度测量值β′0；其中，β′0的取值范围已由微处理器预先设定为[0,360°)(即0≤β′0＜360°)，β′的取值范围已由微处理器预先设定为(即)，同时设定第一转轴1位于绝对零位时，β′0＝β′＝0；当第一转轴1由绝对零位开始相对于第一时栅角度传感单元4旋转一圈时，粗测角度测量值β′0在[0,360°)变化1次，精测角度测量值β′在变化1次。微处理器利用公式：计算第一转轴1在[0，360°)单圈范围内的绝对角度θ1；Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分。
微处理器将从第三放大滤波电路输入的信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并换算得到第三转轴3转到某个位置时的精测角度测量值β″；微处理器将从第四放大滤波电路输入的信号与激励信号进行比相，相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，并换算得到第三转轴3转到某个位置时的粗测角度测量值β″0；其中，β″0的取值范围已由微处理器预先设定为[0,360°)(即0≤β″0＜360°)，β″的取值范围已由微处理器预先设定为(即)，同时设定第三转轴3位于绝对零位时，β″0＝β″＝0；当第三转轴3由绝对零位开始相对于第二时栅角度传感单元5旋转一圈时，粗测角度测量值β″0在[0,360°)变化1次，精测角度测量值β″在变化1次。微处理器利用公式：计算第三转轴3在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ4。Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分。
得到第一转轴1在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ1和第三转轴3在[0,360°)单圈范围内的绝对角度θ4后，微处理器利用公式：计算第一转轴1转动的圈数n1；其中，Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分，Δθ′表示第一角度差，Δθ′＝θ1-θ4，K′表示第一周差角，微处理器利用公式：计算第一转轴1在[0,1474560°)多圈范围内的绝对角度微处理器根据后续需求输出第一转轴1转动的圈数n1和/或第一转轴1在[0,1474560°)多圈范围内的绝对角度
同样的，本实施例中，还可以计算第三转轴3转动的圈数n4和第三转轴3在[0,1474200°)(即[0,360°*M))多圈范围内的绝对角度
由于当第一齿轮11转动4096圈(也是第一转轴1转动4096圈)时，第四齿轮31正好转动4095圈(也是第三转轴3正好转动4095圈)，即当第一齿轮11与第四齿轮31从某一位置开始转动并同时回到相同位置时，第四齿轮31与第一齿轮11正好差1圈，称此完成了一个周期运动。
当第四齿轮31转动1圈时，第四齿轮31减第一齿轮11的角度差称之为第二周差角K″，(为负值)。
第四齿轮31每转动1圈，第四齿轮31减第一齿轮11的角度差就增加1个第二周差角K″，则第四齿轮31转动n4圈，第四齿轮31减第一齿轮11的角度差就为n4*K″。
微处理器利用公式：计算第三转轴3转动的圈数n4；其中，Floor()表示向下取整运算，表示向下取的整数部分，Δθ″表示第二角度差，Δθ″＝θ4-θ1(为负值)。微处理器利用公式：计算第三转轴3在[0,1474200°)多圈范围内的绝对角度
