一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器及其检测方法与流程

本发明涉及行程检测技术领域，特别涉及一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器及其检测方法。

背景技术：

执行器是自动控制系统中必不可少的一个重要组成部分。它的作用是接受控制器送来的控制信号，改变被控介质的大小，从而将被控变量维持在所要求的数值上或一定的范围内。

执行器在工业自动化控制中一般通过连接阀门控制管道中介质的通量，以达到工艺控制的目的。阀门的开度通过执行器的行程给定或通过执行器反馈给控制系统；执行器的行程反馈直接影响着工业生产工艺的优劣。

现有的执行器采用电位器作为行程反馈的方式。电位器是一种可调的电子元件，由电阻体和电刷组成，执行器在动作时通过一定的机械机构将行程转换到电位器的电阻体阻值的变化。电位器作为一种对接模拟电信号且带机械运动的电子部件，不可避免的存在着机械磨损、测量噪声、线性度、分辨率等需要考究的因素；然而，因执行器一般安装在工业现场，应用环境恶劣，不可避免的伴随有机械震动，影响电位器的使用寿命和测量精度；而且工业现场环境复杂，各种噪声也会对电位器测量信号的传输产生干扰。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中采用电位器作为执行器的行程反馈，因电位器为一种对接模拟电信号且带机械运动的电子部件，在执行器安装的恶劣环境中，其使用寿命、测量精度和测量信号的传输会受到严重影响的问题，提供了一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器及其检测方法。

本发明就上述技术问题而提出的技术方案如下：

一个方面，本发明提供了一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器，包括第一检测模块和控制器，第一检测模块包括第一转动装置、第一磁性元件和第一霍尔角度传感器，

第一转动装置，与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；

第一磁性元件，设置于所述第一转动装置上，以在所述第一转动装置的周围产生磁场；

第一霍尔角度传感器，与所述第一磁性元件相对应，以对所述第一磁性元件的磁场方向进行实时检测，以实时获取所述第一转动装置转动的第一角度；

控制器，与所述第一霍尔角度传感器电连接，以接收所述第一霍尔角度传感器检测到的所述第一角度，并根据所述第一角度和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

进一步，所述绝对位置传感器还包括第二检测模块，所述第二检测模块包括：

第二转动装置，与所述第一转动装置连接，以设定的第二传动比在所述第一转动装置的带动下转动；其中，所述第一转动装置和所述第二转动装置的第二传动比不等于1；

第二磁性元件，设置于所述第二转动装置上，以在所述第二转动装置的周围产生磁场；及

第二霍尔角度传感器，与所述第二磁性元件相对应，以对所述第二磁性元件的磁场方向进行实时检测，以实时获取所述第二转动装置转动的第二角度；所述第二霍尔角度传感器还与所述控制器电连接，以将检测到的第二角度发送至所述控制器；所述控制器根据所述第一角度、所述第二角度、所述第二传动比和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

进一步，所述第一转动装置和所述第二转动装置均为齿轮。

进一步，所述控制器包括第一转动装置量程设定单元、第一转动装置行程确定单元和执行器行程确定单元，

所述第一转动装置量程设定单元，用于根据初始状态下所述第一霍尔角度传感器检测到的第一初始角度、初始状态下所述第二霍尔角度传感器检测到的第二初始角度和所述第二传动比确定所述第一转动装置的量程；

所述第一转动装置行程确定单元，用于根据运行状态下所述第一霍尔角度传感器检测到的第一角度、运行状态下所述第二霍尔角度传感器检测到的第二角度和所述第二传动比确定所述第一转动装置的行程；

所述执行器行程确定单元，用于根据所述第一转动装置的行程、及所述第一传动比确定所述执行器的行程。

进一步，第一初始角度za，za∈[0°，360°)满足以下式1.1；第二初始角度zb，zb∈[0°，360°)满足以下式1.2：

a2＝a21*360°+za式1.1

b2＝b21*360°+zb式1.2

式中，a2为第一转动装置的总转动角度；a21为第一转动装置转动的整数圈数；b2为第二转动装置的总转动角度；b21为第二转动装置转动的整数圈数；

其中，第一转动装置的总转动角度a2和第二转动装置的总转动角度b2满足以下式1.3：

式中，a1为第一转动装置的第一齿数；b1为第二转动装置的第二齿数；

结合式1.1、式1.2和式1.3进一步可推导出以下式1.4：

将所述第一初始角度为za、所述第二初始角度为zb和所述第二传动比代入式1.4中，列举在a21和b21均取自然数、且式1.4的左右两边相等的所有a21和b21取值；所述第一转动装置的量程a20＝(a21)min×360°。

进一步，第一角度a3，a3∈[0°，360°)满足以下式1.5；第二角度b3，b3∈[0°，360°)满足以下式1.6：

a2＝a21*360°+(a3-za)式1.5

b2＝b21*360°+(b3-zb)式1.6

结合式1.3和式1.6进一步可推导出以下式1.7：

将所述第一角度a3代入式1.5中，列举在a21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作m；将所述第二角度b3代入式1.7中，列举在b21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作n；所述第一转动装置的行程为所述m和所述n中的仅有的相同的一个数值。

进一步，所述第一磁性元件和所述第二磁性元件均为磁钢。

进一步，所述第一磁性元件与所述第一转动装置之间、及所述第二磁性元件与所述第二转动装置之间均为可拆卸式连接。

另一方面，本发明提供了一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的检测方法，包括以下步骤：

第一霍尔角度传感器实时检测所述第一磁性元件的磁场方向，以实时获取所述第一转动装置转动的第一角度；并将所述第一角度发送至控制器；其中，第一转动装置与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；第一磁性元件设置于第一转动装置上，以在所述第一转动装置的周围产生磁场；

控制器接收所述第一角度，并根据所述第一角度和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

又一方面，本发明还提供了一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的检测方法，包括以下步骤：

第一霍尔角度传感器实时检测所述第一磁性元件的磁场方向，以实时获取所述第一转动装置转动的第一角度；并将第一角度发送至控制器；其中，第一转动装置与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；第一磁性元件设置于第一转动装置上，以在所述第一转动装置的周围产生磁场；

第二霍尔角度传感器实时检测所述第二磁性元件的磁场方向，以实时获取所述第二转动装置转动的第二角度；并将第二角度发送至控制器；其中，第二转动装置与所述第一转动装置连接，以设定的第二传动比在所述第一转动装置的带动下转动，且所述第一转动装置和所述第二转动装置的第二传动比不等于1；第二磁性元件设置于第二转动装置上，以在所述第二转动装置的周围产生磁场；

控制器接收所述第一角度和所述第二角度，并根据所述第一角度、所述第二角度、所述第二传动比和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明通过使第一转动装置与执行器的输出轴同步转动，以将执行器的行程测量转移到对第一转动装置的转动角度的测量上；然后采用霍尔原理，通过第一霍尔角度传感器对设置于第一转动装置上的第一磁性元件的磁场方向进行实时检测，以此计算得出执行器的行程；本发明为非接触式检测，执行器安装的恶劣环境的震动等，不会对各部件及检测结果造成影响，能够有效延长传感器的使用寿命和提高测量精度；同时霍尔原理的传输信号为数字信号，抗干扰能力强，信号传输可靠。

附图说明

图1是本发明实施例提供的差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的模块图；

图2是本发明实施例提供的差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的部分结构示意图；

图3是本发明实施例提供的差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的检测原理图。

具体实施方式

为了解决现有技术中所存在的采用电位器作为执行器的行程反馈，因电位器为一种对接模拟电信号且带机械运动的电子部件，在执行器安装的恶劣环境中，其使用寿命、测量精度和测量信号的传输会受到严重影响的问题，本发明旨在提供一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器，其核心思想是：通过使第一转动装置与执行器的输出轴同步转动，以将执行器的行程测量转移到对第一转动装置的转动角度的测量上；然后采用霍尔原理，通过第一霍尔角度传感器对设置于第一转动装置上的第一磁性元件的磁场方向进行实时检测，以此计算得出执行器的行程；本发明为非接触式检测，执行器安装的恶劣环境的震动等，不会对各部件及检测结果造成影响，能够有效延长传感器的使用寿命和提高测量精度；同时霍尔原理的传输信号为数字信号，抗干扰能力强，信号传输可靠。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一

本发明实施例提供了一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器，参见图1，包括一种差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器，包括第一检测模块1和控制器2，第一检测模块包括第一转动装置11、第一磁性元件12和第一霍尔角度传感器13，

第一转动装置11，与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；

第一磁性元件12，设置于所述第一转动装置11上，以在所述第一转动装置11的周围产生磁场；

第一霍尔角度传感器13，与所述第一磁性元件12相对应，以对所述第一磁性元件12的磁场方向进行实时检测，以实时获取所述第一转动装置11转动的第一角度；

控制器2，与所述第一霍尔角度传感器13电连接，以接收所述第一霍尔角度传感器13检测到的所述第一角度，并根据所述第一角度和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

因第一霍尔角度传感器13仅能检测出第一磁性元件12相对于初始设定位置的偏离角度(即第一角度小于360°)，而不能检测出第一磁性元件12转动的整圈圈数。故此本方案仅针对在第一转动装置11的转动圈数在一圈以内时，执行器的行程测量。

通过使第一转动装置11随执行器的输出轴转动，以将执行器的行程测量转移到对第一转动装置11的转动角度的测量上；然后采用霍尔原理，通过第一霍尔角度传感器13对设置于第一转动装置11上的第一磁性元件12的磁场方向进行实时检测，以实时获取第一转动装置11转动的第一角度；通过所述第一角度和第一传动比即可计算出执行器的行程。

当第一转动装置11随执行器的输出轴同步转动时(即第一传动比为1时)，所述第一转动装置11的行程(此时为第一角度)即为所述执行器的行程。当第一转动装置11与执行器的输出轴之间连接有减速装置时，需结合减速装置的第一传动比来计算执行器的行程。

进一步，所述绝对位置传感器还包括第二检测模块3，所述第二检测模块3包括：

第二转动装置31，与所述第一转动装置11连接，以设定的第二传动比在所述第一转动装置11的带动下转动；其中，所述第一转动装置11和所述第二转动装置31的第二传动比不等于1；

第二磁性元件32，设置于所述第二转动装置31上，以在所述第二转动装置31的周围产生磁场；及

第二霍尔角度传感器33，与所述第二磁性元件32相对应，以对所述第二磁性元件32的磁场方向进行实时检测，以实时获取所述第二转动装置31转动的第二角度(第二角度小于360°)；所述第二霍尔角度传感器33还与所述控制器2电连接，以将检测到的第二角度发送至所述控制器2；所述控制器2根据所述第一角度、所述第二角度、所述第二传动比和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

仅采用一个转动装置、一个磁性元件和一个霍尔角度传感器时，仅能针对执行器的输出轴的转动圈数在一圈以内的行程的测量，测量范围有限。而设置两个转动装置、两个磁性元件和两个霍尔角度传感器，且两个转动装置的第二传动比不等于1，使得执行器的转动圈数只需满足：第一转动装置11的总转动角度与第二转动装置31的总转动角度的差值在360°以内，即可准确得出执行器的总转动角度(执行器的行程)，适用范围更加宽广。

进一步，所述第一转动装置11和所述第二转动装置31均为齿轮。齿轮传动平稳可靠。

进一步，所述控制器2包括第一转动装置量程设定单元21、第一转动装置行程确定单元22和执行器行程确定单元23，

所述第一转动装置量程设定单元21，用于根据初始状态下所述第一霍尔角度传感器13检测到的第一初始角度、初始状态下所述第二霍尔角度传感器33检测到的第二初始角度和所述第二传动比确定所述第一转动装置11的量程；

所述第一转动装置行程确定单元22，用于根据运行状态下所述第一霍尔角度传感器13检测到的第一角度、运行状态下所述第二霍尔角度传感器33检测到的第二角度和所述第二传动比确定所述第一转动装置11的行程；

所述执行器行程确定单元23，用于根据所述第一转动装置11的行程、及所述第一传动比确定所述执行器的行程。

本实施例中，第一初始角度za，za∈[0°，360°)满足以下式1.1；第二初始角度zb，zb∈[0°，360°)满足以下式1.2：

a2＝a21*360°+za式1.1

b2＝b21*360°+zb式1.2

式中，a2为第一转动装置11的总转动角度；a21为第一转动装置11转动的整数圈数；b2为第二转动装置31的总转动角度；b21为第二转动装置31转动的整数圈数；

其中，第一转动装置11的总转动角度a2和第二转动装置31的总转动角度b2满足以下式1.3：

式中，a1为第一转动装置11的第一齿数；b1为第二转动装置31的第二齿数；

结合式1.1、式1.2和式1.3进一步可推导出以下式1.4：

将所述第一初始角度为za、所述第二初始角度为zb和所述第二传动比代入式1.4中，列举在a21和b21均取自然数、且式1.4的左右两边相等的所有a21和b21取值；所述第一转动装置11的量程a20＝(a21)min×360°。

本实施例中，第一角度a3，a3∈[0°，360°)满足以下式1.5；第二角度b3，b3∈[0°，360°)满足以下式1.6：

a2＝a21*360°+(a3-za)式1.5

b2＝b21*360°+(b3-zb)式1.6

结合式1.3和式1.6进一步可推导出以下式1.7：

将所述第一角度a3代入式1.5中，列举在a21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作m；将所述第二角度b3代入式1.7中，列举在b21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作n；所述第一转动装置11的行程为所述m和所述n中的仅有的相同的一个数值。

本实施例中，当第一转动装置11随执行器的输出轴同步转动时(即第一传动比为1时)，所述第一转动装置11的行程即为所述执行器的行程。当第一转动装置11与执行器的输出轴之间连接有减速装置时，需结合减速装置的第一传动比来计算执行器的行程。

进一步，所述第一磁性元件12和所述第二磁性元件32均为磁钢。

进一步，所述第一磁性元件12与所述第一转动装置11之间、及所述第二磁性元件32与所述第二转动装置31之间均为可拆卸式连接。拆装方便。

进一步，所述可拆卸式连接为卡合连接或粘接连接。

实施例二、一种上述差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的检测方法，包括以下步骤：

步骤1a：第一霍尔角度传感器13实时检测所述第一磁性元件12的磁场方向，以实时获取所述第一转动装置11转动的第一角度；并将所述第一角度发送至控制器2；其中，第一转动装置11与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；第一磁性元件12设置于第一转动装置11上，以在所述第一转动装置11的周围产生磁场；

步骤2a：控制器2接收所述第一角度，并根据所述第一角度计算出所述执行器的行程。

因第一霍尔角度传感器13仅能检测出第一磁性元件12相对于初始设定位置的偏离角度(即第一角度小于360°)，而不能检测出第一磁性元件12转动的整圈圈数。故此本方案仅针对在第一转动装置11的转动圈数在一圈以内时，执行器的行程测量。

通过使第一转动装置11随执行器的输出轴转动，以将执行器的行程测量转移到对第一转动装置11的转动角度的测量上；然后采用霍尔原理，通过第一霍尔角度传感器13对设置于第一转动装置11上的第一磁性元件12的磁场方向进行实时检测，以实时获取第一转动装置11转动的第一角度，并通过所述第一角度和第一传动比计算出执行器的行程。

当第一转动装置11随执行器的输出轴同步转动时(即第一传动比为1时)，所述第一转动装置11的行程(此时为第一角度)即为所述执行器的行程。当第一转动装置11与执行器的输出轴之间连接有减速装置时，需结合减速装置的第一传动比来计算执行器的行程。

实施例三、一种上述差分式霍尔多圈位置绝对位置传感器的检测方法，包括以下步骤：

步骤1b：第一霍尔角度传感器13实时检测所述第一磁性元件12的磁场方向，以实时获取所述第一转动装置11转动的第一角度；并将第一角度发送至控制器2；其中，第一转动装置11与执行器的输出轴连接，以设定的第一传动比在所述输出轴的带动下转动；第一磁性元件12设置于第一转动装置11上，以在所述第一转动装置11的周围产生磁场；

步骤2b：第二霍尔角度传感器33实时检测所述第二磁性元件32的磁场方向，以实时获取所述第二转动装置31转动的第二角度；并将第二角度发送至控制器2；其中，第二转动装置31与所述第一转动装置11连接，以设定的第二传动比在所述第一转动装置11的带动下转动，且所述第一转动装置11和所述第二转动装置31的第二传动比不等于1；第二磁性元件32设置于第二转动装置31上，以在所述第二转动装置31的周围产生磁场；

步骤3b：控制器2接收所述第一角度和所述第二角度，并根据所述第一角度、所述第二角度、所述第二传动比和所述第一传动比计算出所述执行器的行程。

通过设置两个转动装置、两个磁性元件和两个霍尔角度传感器，且两个转动装置的第二传动比不等于1，使得执行器的转动圈数只需满足：第一转动装置11的总转动角度与第二转动装置31的总转动角度的差值在360°以内，即可准确得出执行器的总转动角度(执行器的行程)，适用范围更加宽广。

进一步，所述第一转动装置11和所述第二转动装置31均为齿轮。齿轮传动平稳可靠。

进一步，所述步骤3b中所述控制器2根据所述第一角度、所述第二角度和所述第二传动比计算出所述执行器的行程的具体实现为：

步骤31b：设定第一转动装置11的量程：

根据初始状态下所述第一霍尔角度传感器13检测到的第一初始角度za，za∈[0°，360°)、初始状态下所述第二霍尔角度传感器33检测到的第二初始角度zb，zb∈[0°，360°)和所述第二传动比确定所述第一转动装置11的量程；

其中，第一初始角度za，za∈[0°，360°)满足以下式1.1；第二初始角度zb，zb∈[0°，360°)满足以下式1.2：

a2＝a21*360°+za式1.1

b2＝b21*360°+zb式1.2

式中，a2为第一转动装置11的总转动角度；a21为第一转动装置11转动的整数圈数；b2为第二转动装置31的总转动角度；b21为第二转动装置31转动的整数圈数；

其中，第一转动装置11的总转动角度a2和第二转动装置31的总转动角度b2满足以下式1.3：

式中，a1为第一转动装置11的第一齿数；b1为第二转动装置31的第二齿数；

结合式1.1、式1.2和式1.3进一步可推导出以下式1.4：

将所述第一初始角度为za、所述第二初始角度为zb和所述第二传动比代入式1.4中，列举在a21和b21均取自然数、且式1.4的左右两边相等的所有a21和b21取值；所述第一转动装置11的量程a20＝(a21)min×360°。

步骤32b：确定所述第一转动装置11的行程：

根据运行状态下所述第一霍尔角度传感器13检测到的第一角度a3，a3∈[0°，360°)、运行状态下所述第二霍尔角度传感器33检测到的第二角度b3，b3∈[0°，360°)和所述第二传动比确定所述第一转动装置11的行程；

其中，第一角度a3满足以下式1.5；第二角度b3满足以下式1.6：

a2＝a21*360°+(a3-za)式1.5

b2＝b21*360°+(b3-zb)式1.6

结合式1.3和式1.6进一步可推导出以下式1.7：

将所述第一角度a3代入式1.5中，列举在a21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作m；将所述第二角度b3代入式1.7中，列举在b21取值为自然数、且计算得出的在所述量程a20内的所有的a2的值，并记作n；所述第一转动装置11的行程为所述m和所述n中的仅有的相同的一个数值。

步骤33b：根据所述第一转动装置11的行程、及所述第一传动比确定所述执行器的行程。

以下将结合具体数据来说明执行器的行程的计算过程：本实施例中，第一转动装置11的第一齿数a1为35，第二转动装置31的第二齿数b1为36；且第一转动装置11随执行器的输出轴同步转动；

步骤31b：设定第一转动装置11的量程：

设定初始状态下所述第一霍尔角度传感器13检测到的所述第一磁性元件12的第一初始角度za为36°；所述第二霍尔角度传感器33检测到的所述第二磁性元件32的第二初始角度zb为35°；

因a21和b21均为自然数，通过列举后确定在a21为36、b21为35时，a21为360、b21为350时...等，式1.4的左右两边相等；此时取最小的a21为36；第一转动装置11的量程a20，a20为36*360°＝12960°；

步骤32b：确定第一转动装置11的行程：

步骤321b：若在检测过程中第一霍尔角度传感器13检测到的第一角度a3为324°，将其代入式1.5，并使a21分别取值0,1,2,3...以计算a2值；其中在所述量程a20内的a2值有288°、648°、1008°、...、10728°、11088°、11448°、11808°、12168°、12528°、12888°；

步骤322b：若在检测过程中第二霍尔角度传感器33检测到的第二角度b3为15°，将其代入式1.7，并使b21分别取值0,1,2,3...以计算a2值；在所述量程a20内的a2值有-20.6°、349.7°、720°、...、10717.7°、11088°、11458.2°、11828.8°、12198.9°、12569.1°、12939.4°；

步骤323b：选取步骤321b和步骤322b中的仅有的相同的一个数值11088°作为第一转动装置11的行程；

步骤33b：所述执行器的行程为11124°。

本实施例适用于第一转动装置11的总转动角度在量程12960°内的行程检测。针对其它更小或更大的行程检测时，可通过改变第一转动装置11和第二转动装置31之间的第二传动比、或改变第二检测模块3的数量的方式来对量程进行更改。同时，通过对第一转动装置11和第二转动装置31之间第二传动比的改变、或第二检测模块3数量的改变，还可实现测量精度的更改。

本发明通过霍尔角度传感器进行角度检测，为非接触式检测，执行器安装的恶劣环境的震动等，不会对各部件及检测结果造成影响，能够有效延长传感器的使用寿命和提高测量精度；同时霍尔原理的传输信号为数字信号，抗干扰能力强，信号传输可靠。本发明无需备用电池也可获得执行器在断电期间的行程变化，在执行器下一上电时刻即能输出执行器在断电期间的行程变化；没有备用电池，免维护周期更长。霍尔角度传感器内置温度补偿，在工业应用环境温度-40至85℃内具有优异的线性度和精度。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。