一种电感式编码器

技术领域

本发明涉及编码器领域，特别是涉及一种电感式编码器。

背景技术

现有技术中的电感式编码器通常为增量式编码器，增量式编码器中设有增量线圈，且增量线圈的极对数为多个时，能够将电机轴上360度的机械角度进行细分，在电机轴旋转一圈时，增量式编码器能够输出电角度周期的周期数与增量线圈的极对数相等的正弦信号和余弦信号，且通过对各个电角度周期的角度位置数据进行计算，从而能够确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的角度位置数据，然而需要电机在旋转时过零点，才能确定各个电角度周期相对于零点的位置，从而确定电机轴上各个点的绝对机械位置数据，但是，当电机轴未旋转经过零点时，无法确定各个电角度周期相对于零点的位置，也即无法在全量程内对电机轴上各个点的绝对机械位置数据进行确定，只能确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的角度位置数据。

发明内容

本发明的目的是提供一种电感式编码器，能够在确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的具体位置后，再次确定其所在电角度周期的编码，无需电机轴旋转经过零点，即可在全量程内确定电机轴的绝对机械位置数据。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种电感式编码器，包括：

增量编码模块，用于在电机轴每旋转预设角度时输出一个电角度周期的角度位置数据，且所述电机轴每旋转一周时输出的所述角度位置数据的所述电角度周期数与自身所设的增量线圈的极对数相等；

绝对编码模块，用于在所述电机轴每旋转所述预设角度时输出与所述增量编码模块输出的所述角度位置数据的所述电角度周期对应的数字信号；

所述电机轴每旋转一周时所述绝对编码模块输出的多个所述数字信号与所述增量编码模块输出的角度位置数据的各个所述电角度周期一一对应；

第一输入端与所述增量编码模块的输出端连接，第二输入端与所述绝对编码模块的输出端连接的处理器，用于基于所述数字信号对所述增量编码模块输出的所述角度位置数据的各个所述电角度周期进行编码，从而基于编码后的所述电角度周期及其对应的所述角度位置数据确定所述电机轴的绝对机械位置数据。

优选地，还包括：

输出端与所述增量编码模块的电源输入端、所述绝对编码模块的电源输入端连接及所述处理器的电源输入端连接的电源，用于为所述增量编码模块、所述绝对编码模块及所述处理器供电。

优选地，所述电源包括外部电源和电池；

所述外部电源用于在所述电机工作时为所述增量编码模块、所述绝对编码模块及所述处理器供电，并在所述电机停止工作时断电；

所述电池用于在所述外部电源断电时，为其中一个所述霍尔开关芯片及所述处理器供电。

优选地，所述处理器还用于判断当前是否由所述电池供电，在判定由所述电池供电时将且仅将由所述电池供电的所述霍尔开关芯片与自身连接的端口导通，并在接收到所述霍尔开关芯片输出的数字信号跳变时进行计数，从而计算电机轴旋转的圈数。

优选地，所述增量编码模块包括：

通过电容和所述处理器连接的激励线圈，用于和所述电容谐振，以在自身线圈内部形成谐振磁场；

输出端与低通滤波器连接的多极对的所述增量线圈，用于在感应到所述谐振磁场后输出谐振感应电动势；

每一极对的所述增量线圈均包括超前增量线圈和滞后增量线圈，所述滞后增量线圈放置时滞后所述超前增量线圈四分之一个所述电角度周期；

设置于所述电机轴于所述增量线圈之间且与所述电机轴刚性连接的导电金属，用于在跟随所述电机轴旋转，并在经过所述增量线圈时改变所述增量线圈输出的所述谐振感应电动势的幅值，以使各极对的所述增量线圈中的所述滞后增量线圈输出的所述谐振感应电动势的幅值按照正弦曲线的波形进行波动；所述超前增量线圈输出的所述谐振感应电动势的幅值按照余弦曲线的波形进行波动；

依次连接的所述低通滤波器、模数转换器及细分单元，所述低通滤波器的输出端与所述处理器连接；

所述低通滤波器用于将所述增量线圈输出的幅值按照正弦曲线的波形进行波动的所述谐振感应电动势以及幅值按照余弦曲线的波形进行波动的所述谐振感应电动势进行解调滤波处理；

所述模数转换器用于将解调滤波后的所述谐振感应电动势转换成相应的数字量的正弦信号和余弦信号；

所述细分单元用于将所述数字量的正弦信号和余弦信号进行细分解码，以在所述电机轴每旋转预设角度时输出一个电角度周期的角度位置数据，且所述电机轴每旋转一周时输出的电角度周期的周期数与自身所设的增量线圈的极对数相等。

优选地，所述导电金属为扇形且内径小于外径；

所述绝对编码模块包括：

设置于所述导电金属的圆心，且外径小于所述导电金属的内径并与所述电机轴刚性连接的磁铁，用于跟随所述电机轴转动；

和所述增量线圈对应设置的多个霍尔开关芯片，用于在所述磁铁跟随所述电机轴每旋转所述预设角度时基于通过自身的磁通输出与所述增量编码模块输出的角度位置数据的所述电角度周期对应的数字信号；

所述电机轴每旋转一周时所述霍尔开关芯片输出的多个所述数字信号与所述增量编码模块输出的角度位置数据的各个电角度周期一一对应。

优选地，所述霍尔开关芯片包括：

和所述增量线圈对应设置的霍尔传感器，用于在所述磁铁跟随所述电机轴每旋转所述预设角度时基于通过自身的磁通输出正弦电压信号；

输入端与所述霍尔传感器连接，输出端与所述处理器连接的比较器，用于将所述正弦电压信号转换为方波信号；

所述正弦电压信号在一个周期内于0-π的范围内时，所述方波信号为第一电平；所述正弦电压信号在一个周期内于π-2π的范围内时，所述方波信号为第二电平；

多个所述霍尔开关芯片在同一时间输出的电平构成所述数字信号，在所述磁铁跟随所述电机轴每旋转一周时所述霍尔开关芯片输出的多个所述数字信号与所述增量编码模块输出的所述角度位置数据的各个所述电角度周期一一对应。

本申请提供了一种电感式编码器，包括增量编码模块、绝对编码模块和处理器，处理器基于绝对编码模块输出的数字信号对增量编码模块输出的电角度周期进行编码，从而能够在确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的具体位置后，再次确定其所在电角度周期的编码，无需电机轴旋转经过零点，即可在全量程内确定电机轴的绝对机械位置数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对现有技术和实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种电感式编码器的结构示意图；

图2为本发明提供的一种单周期电感编码器结构示意图；

图3为本发明提供的一种多周期电感编码器结构示意图；

图4为本发明提供的一种增量线圈输出的信号波形的示意图；

图5为本发明提供的滤波后的信号波形的示意图；

图6为本发明提供的一种电感式编码器的具体的结构示意图；

图7为本发明提供的一种一个霍尔传感器与磁铁的对应设置关系示意图。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种电感式编码器，能够在确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的具体位置后，再次确定其所在电角度周期的编码，无需电机轴旋转经过零点，即可在全量程内确定电机轴的绝对机械位置数据。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参照图1，图1为本发明提供的一种电感式编码器的结构示意图，该电感式编码器包括：

增量编码模块1，用于在电机轴每旋转预设角度时输出一个电角度周期的角度位置数据，且电机轴每旋转一周时输出的角度位置数据的电角度周期数与自身所设的增量线圈的极对数相等；

绝对编码模块2，用于在电机轴每旋转预设角度时输出与增量编码模块1输出的角度位置数据的电角度周期对应的数字信号；

电机轴每旋转一周时绝对编码模块2输出的多个数字信号与增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期一一对应；

第一输入端与增量编码模块1的输出端连接，第二输入端与绝对编码模块2的输出端连接的处理器3，用于基于数字信号对增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期进行编码，从而基于编码后的电角度周期及其对应的角度位置数据确定电机轴的绝对机械位置数据。

本实施例中，申请人考虑到现有技术中的增量式编码器只有在旋转经过零点时，才能确定自身输出的各个电角度周期相对于零点的位置，从而基于各个电角度周期的角度位置数据确定电机轴的绝对机械位置数据。若电机轴旋转时未经过零点，增量式编码器便无法确定各个电角度周期和零点的相对位置，也即无法确定电机轴上各个点的绝对机械位置数据，只能确定增量编码模块1中的增量线圈将电机轴进行细分后的每一个部分内的位置数据，也即只能通过在某个细分的部分内输出的一个电角度周期的角度位置数据，从而确定在该电角度周期中的位置数据，但无法确定该电角度周期在电机轴上的具体位置，因此，无法确定电机轴的绝对机械位置数据。

为了解决上述技术问题，本申请中的电感式编码器中设有增量编码模块1和绝对编码模块2，增量编码模块1即在电机轴每旋转预设角度时输出一个电角度周期的角度位置数据，且电机轴每旋转一周时输出的角度位置数据的电角度周期数与自身所设的增量线圈的极对数相等。为了确定增量编码模块1输出的每个电角度周期的角度位置数据对应的电机轴上的绝对机械位置，本申请中的绝对编码模块2即可同步输出与增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期的一一对应的数字信号，处理器3基于数字信号对增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期进行编码，从而能够每个电角度周期的角度位置数据在电机轴上对应的具体位置，也即能够确定电机轴上各个点的绝对机械位置数据。

需要说明的是，本申请中的电机轴旋转时无需过零点，在旋转预设角度时即可对增量编码模块1输出的正弦信号或余弦信号进行编码，确定其对应的电机轴上的具体位置。

此外，例如，当增量编码模块1设有四极对的增量线圈，即可将电机轴细分为四份，电机轴旋转一圈时，增量编码模块1能够输出四个电角度周期的角度位置数据，绝对编码模块2能够输出分别和四个电角度周期一一对应的数字信号，例如，数字信号依次为00、01、11和10，且由于增量线圈的位置固定，第一极对的增量线圈输出的角度位置数据的电角度周期对应00，第二极对的增量线圈输出的角度位置数据的电角度周期对应01，第三极对的增量线圈输出的角度位置数据的电角度周期对应11，第四极对的增量线圈输出的角度位置数据的电角度周期对应10，任何一个极对的增量线圈输出的角度位置数据的电角度周期都可以对应各自的数字信号，即可在全量程内确定电机轴的绝对机械位置数据。

需要说明的是，本申请中的电感式编码器器还具有抗干扰、抗脏污、温漂小、在恶劣的环境下的耐受性较强且性能一致性较高的特点。

综上，本申请中的电感式编码器能够在确定电机轴细分后各个部分在各自所在的电角度周期内的具体位置后，再次确定其所在电角度周期的编码，无需电机轴旋转经过零点，即可在全量程内确定电机轴的绝对机械位置数据。

在上述实施例的基础上：

作为一种优选的实施例，还包括：

输出端与增量编码模块1的电源输入端、绝对编码模块2的电源输入端连接及处理器3的电源输入端连接的电源，用于为增量编码模块1、绝对编码模块2及处理器3供电。

本实施例中的电源能够为增量编码模块1、绝对编码模块2及处理器3供电，从而保证电感编码器的正常工作，当然，本申请中的电源可以但不限定为外部主电源或电池。

作为一种优选的实施例，电源包括外部电源和电池；

外部电源用于在电机工作时为增量编码模块1、绝对编码模块2及处理器3供电，并在电机停止工作时断电；

电池用于在外部电源断电时，为其中一个霍尔开关芯片及处理器3供电。

本实施例中，申请人考虑到电机断电，也即主电源断电时，由于误触碰等原因电机轴可能仍然旋转，但是，此时电感式编码器未上电，无法对电机轴旋转的圈数进行计算，因此，现有技术中通常通过电池为电感式编码器供电，然而电池的电能是有限的，电感式编码器中设有增量编码模块1、绝对编码模块2和处理器3，均需电池为其供电，电池中的电能很快被消耗完，频繁的更换电池增加了用户的工作量。

为了解决上述技术问题，本申请中在主电源断电时，由电池为其中一个霍尔开关芯片和处理器3进行供电，从而保证霍尔开关芯片和处理器3能够对电机断电后旋转的圈数进行记录。

作为一种优选的实施例，处理器3还用于判断当前是否由电池供电，在判定由电池供电时将且仅将由电池供电的霍尔开关芯片与自身连接的端口导通，并在接收到霍尔开关芯片输出的数字信号跳变时进行计数，从而计算电机轴旋转的圈数。

本实施例中，当处理器3判定当前为电池供电时，仅将有电池供电的霍尔开关芯片与自身连接的端口导通，并将与其他霍尔开关芯片的输出端连接的端口断开，从而降低功耗。此外，当电池供电时，电池仅为一个霍尔开关芯片进行供电，该霍尔开关芯片在电机轴旋转一圈时输出的数字信号会包括半圈的高电平和半圈的低电平，因此，处理器3可根据霍尔开关芯片输出的数字信号是否跳变，从而确定电机轴旋转的圈数，从而实现多圈计数，并将计算的数值保存。

此外，当霍尔开关芯片输出的数字信号未发生跳变时，处理器3处于低功耗状态，即睡眠状态，从而进一步减小功耗。

作为一种优选的实施例，增量编码模块1包括：

通过电容和处理器3连接的激励线圈12，用于和电容谐振，以在自身线圈内部形成谐振磁场；

输出端与低通滤波器14连接的多极对的增量线圈13，用于在感应到谐振磁场后输出谐振感应电动势；

每一极对的增量线圈13均包括超前增量线圈13和滞后增量线圈13，滞后增量线圈13放置时滞后超前增量线圈13四分之一个电角度周期；

设置于电机轴于增量线圈13之间且与电机轴刚性连接的导电金属11，用于在跟随电机轴旋转，并在经过增量线圈13时改变增量线圈13输出的谐振感应电动势的幅值，以使各极对的增量线圈13中的滞后增量线圈13输出的谐振感应电动势的幅值按照正弦曲线的波形进行波动；超前增量线圈13输出的谐振感应电动势的幅值按照余弦曲线的波形进行波动；

依次连接的低通滤波器14、模数转换器15及细分单元16，低通滤波器14的输出端与处理器连接；

低通滤波器14用于将增量线圈13输出的幅值按照正弦曲线的波形进行波动的谐振感应电动势以及幅值按照余弦曲线的波形进行波动的谐振感应电动势进行解调滤波处理；

模数转换器15用于将解调滤波后的谐振感应电动势转换成相应的数字量的正弦信号和余弦信号；

细分单元16用于将数字量的正弦信号和余弦信号进行细分解码，以在电机轴每旋转预设角度时输出一个电角度周期的角度位置数据，且电机轴每旋转一周时输出的电角度周期的周期数与自身所设的增量线圈13的极对数相等。

本申请中的增量编码模块1中设有激励线圈12、增量线圈13、导电金属11、低通滤波器14、模数转换器15及细分单元16。其中，激励线圈12和电容构成LC谐振网络，在激励线圈12内部形成谐振磁场，增量线圈13感应到谐振磁场后，产生谐振感应电动势。导电金属11设置于电机轴于增量线圈13之间且与电机轴刚性连接，在谐振磁场中产生涡流，形成于谐振磁场的方向完全相反的磁场，从而对增量线圈13感应到的谐振磁场的有效磁场强度产生影响，从而影响增量线圈13中的谐振感应电动势。导电金属11每跟随电机轴旋转经过一个极对的增量线圈13时，该极对的增量线圈13中的滞后增量线圈13输出的谐振感应电动势的幅值便会按照正弦曲线的波形进行一个周期的波动，超前增量线圈13输出的谐振感应电动势的幅值便会按照余弦曲线的波形进行一个周期的波动，分别经低通滤波器14进行滤波后输出相应的正弦信号和余弦信号。通过模数转换器15对正弦信号和余弦信号进行模数转换，再通过细分单元16对模数转换后的正弦信号和余弦信号进行位置解码即可获得该极对的增量线圈13与电机轴上对应的位置的角度位置信息。请参照图2，图2为本发明提供的一种单周期电感编码器结构示意图。请参照图3，图3为本发明提供的一种多周期电感编码器结构示意图。请参照图4和图5，图4为本发明提供的一种增量线圈输出的信号波形的示意图，图5为本发明提供的滤波后的信号波形的示意图，请参照图6，图6为本发明提供的一种电感式编码器的具体的结构示意图。

需要说明的是，本实施例中的位置解码是指对每一极对的增量线圈13对应的数字量的正弦信号和数字量的余弦信号进行反正切计算，从而能够得到在该极对的增量线圈13对应的电机轴上细分的部分的高分辨率高精度的角度位置数据。

作为一种优选的实施例，导电金属11为扇形且内径小于外径；

绝对编码模块2包括：

设置于导电金属11的圆心，且外径小于导电金属11的内径并与电机轴刚性连接的磁铁，用于跟随电机轴转动；

和增量线圈13对应设置的多个霍尔开关芯片，用于在磁铁跟随电机轴每旋转预设角度时基于通过自身的磁通输出与增量编码模块1输出的角度位置数据的电角度周期对应的数字信号；

电机轴每旋转一周时霍尔开关芯片输出的多个数字信号与增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期一一对应。

本实施例中，考虑到电感式编码器中的谐振磁场容易受到干扰，若绝对式编码模块也由线圈实现，则会对增量线圈13输出的正弦信号和余弦信号产生干扰，从而使电感式编码器的精度降低，为了解决这一技术问题，本申请中的绝对编码模块2由霍尔开关芯片实现。具体地，本申请中的磁铁设置于导电金属11的圆心，且磁铁的外径小于导电金属11的内径，磁铁在跟随电机轴旋转时，经过增量线圈13和激励线圈12内部的磁通量的变化较小，因此，对谐振磁场产生的影响也较小。霍尔开关芯片和每一极对的增量线圈13一一对应设置，从而能够在增量编码模块1输出任意一个电角度周期的角度位置数据时输出相对应的数字信号，从而便于处理器3对增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期进行编码，在全量程内确定电机轴上各个点的绝对机械位置数据。

申请人考虑到霍尔开关芯片的工作的原理是当霍尔开关芯片所在的磁场产生旋转，且霍尔开关芯片的正方向的有效磁通量大于0时，霍尔开关芯片便会输出高电平信号，当霍尔开关芯片的正方向的有效磁通量小于0时，霍尔开关芯片便会输出低电平信号。因此，当磁铁跟随电机轴旋转一圈时，霍尔开关芯片便会输出半圈的高电平信号，半圈的低电平信号。

例如，将电机轴的一圈分为四份，只需设置两个角度位置上相差90度的霍尔开关芯片A和B(例如A在放置时超前B 90°)，当霍尔开关芯片A的正方向的有效磁通量大于0，且B的正方向的有效磁通量不大于0时，霍尔开关芯片A和B输出的数字信号为10，当霍尔开关芯片A和B的正方向的有效磁通量均大于0时，霍尔开关芯片A和B输出的数字信号为11，霍尔开关芯片B的正方向的有效磁通量大于0，且A的正方向的有效磁通量不大于0时，霍尔开关芯片A和B输出的数字信号为01，当霍尔开关芯片A和B的正方向的有效磁通量均不大于0时，霍尔开关芯片A和B输出的数字信号为00。一个霍尔开关芯片可以将电机轴分为2份，便可输出和增量线圈13的极对数相等且对应的四个数字信号，因此，当增量编码模块1中设有2X个极对的增量线圈13时，会将一圈分成X份，只需要按照编码器的机械角度放置X/2个霍尔开关，将编码器的机械角度均分为X/2即可实现对增量线圈13输出的电角度周期的编码。所有的霍尔开关芯片设置于同一轨道上，即距离圆心的半径相同。只要空间足够，本发明中设置的增量线圈13的极对数不限。

此外，需要说明的是，本申请中的增量线圈13的极对数需设置为偶数，从而能够保证磁铁在跟随电机轴转动时，无论转动到什么位置，激励线圈12和增量线圈13内部位于磁铁的N极和S极的面积相等，从而能够保证激励线圈12和增量线圈13内磁铁的磁通量的变化量较小，以保证磁铁在旋转时，对增量线圈13输出的正弦信号和余弦信号产生的干扰较小。

作为一种优选的实施例，霍尔开关芯片包括：

和增量线圈13对应设置的霍尔传感器，用于在磁铁跟随电机轴每旋转预设角度时基于通过自身的磁通输出正弦电压信号；

输入端与霍尔传感器连接，输出端与处理器3连接的比较器，用于将正弦电压信号转换为方波信号；

正弦电压信号在一个周期内于0-π的范围内时，方波信号为第一电平；正弦电压信号在一个周期内于π-2π的范围内时，方波信号为第二电平；

多个霍尔开关芯片在同一时间输出的电平构成数字信号，在磁铁跟随电机轴每旋转一周时霍尔开关芯片输出的多个数字信号与增量编码模块1输出的角度位置数据的各个电角度周期一一对应。

本申请中的霍尔开关芯片中设有霍尔传感器，霍尔传感器能够在磁铁旋转时，输出相应的正弦电压信号，且电机每旋转一圈，即可输出一个周期的正弦电压信号，比较器通过对该正弦电压信号进行转换，能够将正弦电压信号转换为方波信号，且该方波信号对应正弦电压信号的0-π的范围内时为第一电平，该方波信号对应正弦电压信号的π-2π的范围内时为第二电平。处理器3可基于多个方波信号在同一时间对应的电平，确定该时间的数字信号，例如，设置了两个霍尔开关芯片，第一霍尔开关芯片在当前时刻输出的方波信号为高电平，也即为1，第二霍尔开关芯片在当前时刻输出的方波信号为低电平，即为0，从而可以确定当前的数字信号为10。

此外，由于霍尔传感器是基于通过自身的有效磁通量的大小输出相应的方波信号，因此，霍尔传感器设置时可以不位于磁铁的中心，且霍尔传感器可设为中空方案，即霍尔传感器轨道的中心为中空，请参照图7，图7为本发明提供的一种一个霍尔传感器与磁铁的对应设置关系示意图。

还需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。