一种步进电机用编码器及步进电机初始相位识别方法与流程

本发明涉及一种编码器，具体涉及一种步进电机用编码器及步进电机初始相位识别方法。

背景技术

随着自动化行业的发展，自动控制技术在各领域中已越来越多的得到应用。而以步进电机为控制对象的伺服控制系统逐步应用到工业生产、科研和国防等方方面面。

步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的控制电机，是机电一体化的关键产品之一，是现代数字程序控制系统中的主要执行元件。而步进电机断电后没有位置记忆，启动时动力线的通电组合与顺序是任意的，使得电机上电时震动或反转，这种情况在某些高精密运动场合是绝对不允许出现的。

而目前解决编码器上电通电顺序的方法主要有以下几种：1、安装绝对值编码器；2、安装脉冲式编码器；3、安装霍尔元件等；这些实现方法或多或少都存在一些缺点。

绝对值编码器存在如下缺点：

成本高：步进电机一般应用于中低端市场，用绝对值编码器价格太高，不容易接受；

驱动器匹配难度高：由于安装绝对值编码器的步进电机需要相应的驱动器才能控制运行，由于技术难度较高，一般厂商比较难开发此类驱动器，应用也会受到限制。

脉冲式编码器存在如下缺点：

(1)码盘难加工，成本高：由于步进电机极对数较多(几十对)，而编码器码盘上需要与电机相同的极对数刻线，因此码盘很难加工，市面上很少有类似码盘，需要定制，所以价格比较高；

(2)体积大，小机座步进用不了：脉冲式编码器整体架构较大，因此所需安装尺寸需求较大，不容易在小机座上实现。

安装霍尔元件存在如下缺点：

(1)磁环难充磁，成本高：由于步进电机极对数较多(几十对)，而用于在霍尔中产生uvw信号的磁环极对数需与电机有相同的极对数，而磁环体积又小，因此磁环很难充磁，市面上很少有类似磁环，需要定制，所以价格比较高；

(2)由于霍尔有磁滞效应，在电机启动时会有一定的位置响应时间差，因此在一些要求高响应性的高端应用中，可能就无法应用。

技术实现要素：

本发明为了解决上述问题，从而提供一种步进电机用编码器及步进电机初始相位识别方法。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种步进电机用编码器，所述步进电机用编码器包括：

支架，所述支架可拆卸地设置在步进电机上；

pcb板，所述pcb板设置在支架上，所述pcb板上设有若干个反射式光电器件和接插件，所述接插件通过线路连接步进电机的控制器；

反射式码盘，所述反射式码盘与步进电机的转轴连接，并且与pcb板相平行，所述反射式码盘上设有若干个码道，并且这些码道与pcb板上的反射式光电器件一一对应。

在本发明的一个优选实施例中，所述pcb板上还设有阻容元件，所述阻容元件与各个反射式光电器件连接。

在本发明的一个优选实施例中，所述支架为圆形，所述支架上设有安装孔，所述支架一侧设有一安置槽，所述支架中心设有第一通孔。

在本发明的一个优选实施例中，所述pcb板为圆形，若干个反射式光电器件分别焊接在pcb板的上表面，接插件焊接在pcb板的下表面，并且可放置在安置槽内，所述pcb板中间设有第二通孔，所步进电机的转轴可依次穿过第一通孔和第二通孔与反射式码盘连接。

一种步进电机初始相位识别方法，所述识别方法包括如下步骤：

(1)将pcb板通过支架安装在步进电机上，然后将反射式码盘与步进电机的转轴连接，并与pcb板相平行；

(2)步进电机工作时，会带动反射式码盘进行顺时针或逆时针旋转，这时pcb板上的反射式光电器件会生成稳定的电信号；

(3)然后将电信号进行处理得到a相信号和b相信号；

(4)然后将获得的a相信号和b相信号与电机反电势进行对比，直接准确识别步进电机初始相位。

在本发明的一个优选实施例中，反射式码盘在进行转动时，pcb板上的反射式光电器件通过反射式码盘上的码道的变化会感应出脉动波形，并经电路整形输出稳定的数字信号，然后通过pcb板上的阻容元件读取反射式码盘上的码道信息，并输出a相信号和b相信号。

在本发明的一个优选实施例中，各个反射式光电器件在pcb板上的位置决定了a相信号和b相信号的相位差，相位差为45°～135°。

在本发明的一个优选实施例中，输出的每组a相信号和b相信号的相位差都对应唯一的一组电机反电势，通过将相位差与电机反电势进行对比可直接准确识别步进电机初始相位。

在本发明的一个优选实施例中，电机反电势是电机的固有特性，电机转动时，电机转子转动时产生的旋转磁场切割定子绕组，从而在定子绕组中产生反电势。

本发明的有益效果是：

本发明使得编码器能够在电机通电时能够识别电机转子位置，并能准确反馈给驱动器，使其正确无误的给电机通电。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述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为本发明的结构示意图；

图2为本发明的的爆炸图；

图3为a相信号和b相信号相位差为45°时与电机反电势的关系图；

图4为a相信号和b相信号相位差为90°时与电机反电势的关系图；

图5为a相信号和b相信号相位差为135°时与电机反电势的关系图；

图6为a相信号和b相信号与电机反电势的对比示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

参见图1至图6，本发明提供的步进电机用编码器，其包括支架100、pcb板200和反射式码盘300。

支架100，其可拆卸地安装在步进电机上，其是用于安装pcb板200。

支架100具体为圆形，在其上面设有安装孔110，其通过安装孔110可直接可拆卸地安装在步进电机上。

在支架100一侧设有一安置槽120，在支架100中心设有第一通孔，步进电机的转轴可穿过第一通孔。

pcb板200，其可拆卸地安装在支架100上，具体通过在其与支架100上面设有相对应的安装孔210，然后通过螺钉穿过安装孔进行固定。

在pcb板200下表面焊接有接插件220，并且接插件220刚好内嵌在支架100的安置槽120上，这样可减少本申请的安装体积和对接插件220的固定。

在pcb板200上表面焊接有若干个反射式光电器件230，这些反射式光电器件230用于与反射式码盘300配合。

pcb板200也为圆形，在其中心设有第二通孔，步进电机的转轴可依次穿过第一通孔和第二通孔。

反射式码盘300，其平行设置在pcb板200一侧，并且其与依次穿过支架100和pcb板200的转轴固定连接，转轴转动时，可带动反射式码盘300一起转动。

在反射式码盘300上匀距设有若干个码道，并且这些码道与pcb板200上的反射式光电器件230一一对应，当反射式码盘300跟随转轴旋转时，反射式光电器件230可生成稳定的电信号，然后可产生的a相信号和b相信号，然后将生成的a相信号和b相信号的相位差与电机反电势进行对比，并将对比的结果发送给步进电机的控制器，控制器可根据对比结果正确无误的给步进电机通电。

具体可在pcb板200上设有阻容元件，阻容元件与各个反射式光电器件230连接，阻容元件可将反射式光电器件230生成的稳定的电信号，输出成a相信号和b相信号。

由于各个反射式光电器件230在pcb板200上的位置决定了a相信号和b相信号的相位差，相位差具体为45°～135°

在pcb板200上设有对比模块或者调零装置，通过对比模块或者调零装置可将输出的每组a相信号和b相信号的相位差与实现存储的电机反电势进行对比，并将对比结果进行存储。

pcb板200上的接插件220可通过线路连接电机的控制器，接插件220可将对比结果发送给控制器，而控制器可根据对比结果直接得出电机转子位置，从而可确定电机绕组的上电顺序。

基于上述方案的实施，本申请还提供了一种步进电机初始相位识别方法，该识别方法包括如下步骤：

(1)将pcb板200通过支架100安装在步进电机上，然后将反射式码盘300与步进电机的转轴连接，并与pcb板200相平行；

(2)步进电机工作时，会带动反射式码盘300进行顺时针或逆时针旋转，这时pcb板200上的反射式光电器件230会生成稳定的电信号；

(3)然后将电信号进行处理得到a相信号和b相信号；

(4)然后将获得的a相信号和b相信号与电机反电势进行对比，直接准确识别步进电机初始相位。

其中，反射式码盘300在进行转动时，pcb板200上的反射式光电器件230通过反射式码盘300上的码道的变化会感应出脉动波形，并经电路整形输出稳定的数字信号，然后通过pcb板200上的阻容元件读取反射式码盘300上的码道信息，并输出a相信号和b相信号。

而各个反射式光电器件230在pcb板200上的位置决定了a相信号和b相信号的相位差，相位差为45°～135°

参见图3至图6，输出的每组a相信号和b相信号的相位差都对应唯一的一组电机反电势，共4组，其中，“ea+、eb+”表示反电势正向峰值，“ea-、eb-”表示反电势负向峰值，“0”表示反电势过零点，这样只需将输出的每组a相信号和b相信号与电机反电势进行对比，就可直接准确识别步进电机初始相位。

其中，电机反电势是电机的固有特性，电机转动时，电机转子转动时产生的旋转磁场切割定子绕组，从而在定子绕组中产生反电势。

这样，通过上述方法的实施，无论步进电机正反转，每个a信号和每个a相信号的组合都唯一地对应一组反电势，从而准确识别步进电机初始相位，步进电机上电时只需根据识别到的电机初始相位，来进行正确通电，就可避免震动或反转，实现电机平稳启动运行。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。