新型机械式多圈绝对值编码器的制作方法

1.本实用新型属于新型机械式多圈绝对值编码器，具体涉及一种新型机械式多圈绝对值编码器。


背景技术：

2.多圈绝对值编码器具有多圈运行时编码唯一和高精度的优点，在应用时无需找零点，广泛应用于各种自动化控制场合的被控设备位置检测。目前常见的多圈绝对值编码器，其多圈计数部分大致有两类实现方式，分别为电池供电模式或韦根自发电原理下的电子多圈方式和多级减速齿轮箱形式的机械多圈绝对值编码器。电子多圈方式体积小、成本较低，但存在电池供电异常或强电磁干扰下圈数记录错误的风险；采用多级减速齿轮箱的机械多圈方式因为不依赖电池和电子存储器记录数据，所以不存在上述条件下圈数记录错误的问题，因此在高可靠性的场合具备显著优势。
3.目前常见的机械多圈方式为多级带狭缝齿轮码盘的光电式多圈方案，或者多级带磁栅齿轮盘的磁电式多圈方案。对于光电式多圈方案，采用多级减速齿轮，每级起检测作用的齿轮两侧电路板上均存在3处发光-接收管进行区间判断；对于磁电式多圈方案，采用多级减速齿轮，在其中部分级检测齿轮的上方固定一磁栅，对应的电路板上包含磁感应器件，进行齿轮的细分区间判断。两种多圈方案的编码器产品，其单圈绝对值部分一般再采用高精度的光电或者磁电单圈绝对值方案实现。
4.以实现4096圈多圈计数为例，应用光电式多圈方案时，一般需要6级共18对发光-接收对管，以及一单圈绝对值编码器识别单圈位置；应用磁电式多圈方案时，一般需要3级共3组磁栅-磁感应芯片，以及一单圈绝对值编码器识别单圈位置。两种方案均包含较多的核心器件实现多圈和单圈功能，因此成本也较高。上述两方案如果要再增加可记录的圈数值，那么就需要再增加额外的1级共3组发光-接收对管，或者增加一组磁栅-磁感应芯片，成本会进一步上升。
5.因此，针对上述问题，予以进一步改进。


技术实现要素：

6.本实用新型的主要目的在于提供新型机械式多圈绝对值编码器，通过多圈信息反馈模块分别得到当前各个减速齿轮转动的角度信息，通过各级齿轮减速比的换算关系，可以在任意时刻通过测得的角度信息获取中心齿轮当前转动的圈数，也即获取当前被测旋转轴的圈数，再结合中心齿轮上方的单圈编码模块得到的单圈绝对值位置数据，编码模块将单圈编码模块获得的单圈绝对值位置数据和多圈数据信息进行组合，以生成多圈绝对值编码。
7.本实用新型的另一目的在于提供新型机械式多圈绝对值编码器，由于多级减速齿轮的角度检测均采用了电感式原理，因此可以通过分时选通的方式，最少可仅使用同一个电感信号处理单元进行角度信号的获取，从而可以利用单颗计算单元芯片(或模块)做到识
别任意多级减速齿轮的角度值，因此可以做到低成本，并且在减速级数扩展时，做到无需增加芯片(或模块)组件。
8.为达到以上目的，本实用新型提供一种新型机械式多圈绝对值编码器，用于生成多圈绝对值编码，包括中心齿轮、单圈编码模块、多圈信息反馈模块和编码模块，所述中心齿轮与被测旋转轴连接并且所述中心齿轮用于经过多级减速后将运动传递到所述多圈信息反馈模块，所述编码模块与所述多圈信息反馈模块电性连接，其中：
9.所述单圈编码模块包括单圈绝对值角度信息反馈单元，所述单圈绝对值角度信息反馈单元包括第一组件和第二组件，所述第一组件与所述中心齿轮连接，所述第二组件用于获得单圈绝对值位置数据；
10.所述多圈信息反馈模块包括n(n＝1，2，3，4，5等自然数，根据需求进行设置)级电感式单圈绝对值编码器，(各个)所述电感式单圈绝对值编码器(均)包括减速齿轮、转子和定子，所述转子与所述减速齿轮同步旋转，所述定子包括激励线圈和接收线圈(用于搜集随转子角度变化而变化的信号)，所述转子和所述定子用于获得所述减速齿轮转动的角度信息。
11.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述编码模块包括计算单元、电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器，其中：
12.所述计算单元分别与所述电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器电性连接，所述第一模拟开关选择器和所述第二模拟开关选择器分别与n级电感式单圈绝对值编码器电性连接。
13.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述单圈编码模块包括电感式编码器、光电式编码器和磁电式编码器(如果为电感式编码器，则将单圈编码单元也连接于第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器之间)。
14.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，所述多圈信息反馈模块包括第一级电感式单圈绝对值编码器、第二级电感式单圈绝对值编码器和第三级电感式单圈绝对值编码器，其中：
15.所述第一级电感式单圈绝对值编码器包括第一减速齿轮、第一定子和第一转子，所述第一定子和第一转子固定安装于所述第一减速齿轮的上方，所述第一减速齿轮用于接收所述中心齿轮经过多级减速后传递的运动；
16.所述第二级电感式单圈绝对值编码器包括第二减速齿轮、第二定子和第二转子，所述第二定子和第二转子固定安装于所述第二减速齿轮的上方，所述第二减速齿轮用于接收所述第一减速齿轮经过多级减速后传递的运动；
17.所述第三级电感式单圈绝对值编码器包括第三减速齿轮、第三定子和第三转子，所述第三定子和第三转子固定安装于所述第三减速齿轮的上方，所述第三减速齿轮用于接收所述第二减速齿轮经过多级减速后传递的运动(第三级减速齿轮仍可以经减速将运动传递)。
18.作为上述技术方案的进一步优选的技术方案，计算芯片为arm芯片。
附图说明
19.图1是本实用新型的新型机械式多圈绝对值编码器的第一实施例的编码模块的结
构示意图。
20.图2是本实用新型的新型机械式多圈绝对值编码器的第二实施例的结构示意图。
21.图3是本实用新型的新型机械式多圈绝对值编码器的第三实施例的编码模块的结构示意图。
22.附图标记：11、中心齿轮；12、第一减速齿轮；13、第二减速齿轮；14、第三减速齿轮；21、第一组件；22、第一转子；23、第二转子；24、第三转子；31、第二组件；32、第一定子；33、第二定子；34、第三定子。
具体实施方式
23.以下描述用于揭露本实用新型以使本领域技术人员能够实现本实用新型。以下描述中的优选实施例只作为举例，本领域技术人员可以想到其他显而易见的变型。在以下描述中界定的本实用新型的基本原理可以应用于其他实施方案、变形方案、改进方案、等同方案以及没有背离本实用新型的精神和范围的其他技术方案。
24.在本实用新型的优选实施例中，本领域技术人员应注意，本实用新型所涉及的arm芯片、电感式编码器和光电式编码器等可被视为现有技术。
25.第一实施例(如图1所示)。
26.本实用新型公开了一种新型机械式多圈绝对值编码器，用于生成多圈绝对值编码，包括中心齿轮、单圈编码模块、多圈信息反馈模块和编码模块，所述中心齿轮与被测旋转轴连接并且所述中心齿轮用于经过多级减速后将运动传递到所述多圈信息反馈模块，所述编码模块与所述多圈信息反馈模块电性连接，其中：
27.所述单圈编码模块包括单圈绝对值角度信息反馈单元，所述单圈绝对值角度信息反馈单元包括第一组件和第二组件，所述第一组件与所述中心齿轮连接，所述第二组件用于获得单圈绝对值位置数据；
28.所述多圈信息反馈模块包括n(n＝1，2，3，4，5等自然数，根据需求进行设置)级电感式单圈绝对值编码器，(各个)所述电感式单圈绝对值编码器(均)包括减速齿轮、转子和定子，所述转子与所述减速齿轮同步旋转，所述定子包括激励线圈和接收线圈(用于搜集随转子角度变化而变化的信号)，所述转子和所述定子用于获得所述减速齿轮转动的角度信息。
29.具体的是，所述编码模块包括计算单元、电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器，其中：
30.所述计算单元分别与所述电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器电性连接，所述第一模拟开关选择器和所述第二模拟开关选择器分别与n级电感式单圈绝对值编码器电性连接。
31.更具体的是，所述单圈编码模块包括电感式编码器、光电式编码器和磁电式编码器(如果为电感式编码器，则将单圈编码单元也连接于第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器之间)。
32.优选地，第一组件和第二组件可以为电感式编码器的转子和定子，也可以是光电式编码器的码盘和光源、读数装置，也可以是磁电式编码器的磁栅和读数装置。
33.其原理为：计算单元包含模拟开关通道选择信号的控制能力，通过控制第一模拟
开关选择器，可以将电感信号处理单元中的电感高频激励信号输出到希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器。计算单元同样通过第二模拟开关通道选择信号控制模拟开关选择器，将当前希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器的电感信号进行回收，输入到电感信号处理单元中。电感信号处理单元将解调及放大后的信号输出到计算单元，进行当前第n级电感式单圈绝对值编码器的角度解算。
34.编码器获取多圈位置信息时，按一定顺序获取用于多圈计数的多个减速齿轮上的单圈绝对值编码器的角度信息，并根据减速比信息进行数据组合，生成多圈数据信息。
35.进一步地，当单圈位置获取也采用电感式编码器时，只需要将单圈部分的电感式单圈绝对值编码器也纳入开关选择器，进行角度计算和传输。
36.电感信号处理单元可以是采用模拟乘法器、运放等分立元件构成，也可以由集成的电感专有解算芯片来实现。
37.第二实施例(如图2所述)。
38.本实用新型公开了一种新型机械式多圈绝对值编码器，用于生成多圈绝对值编码，包括中心齿轮、单圈编码模块、多圈信息反馈模块和编码模块，所述中心齿轮与被测旋转轴连接并且所述中心齿轮用于经过多级减速后将运动传递到所述多圈信息反馈模块，所述编码模块与所述多圈信息反馈模块电性连接，其中：
39.所述单圈编码模块包括单圈绝对值角度信息反馈单元，所述单圈绝对值角度信息反馈单元包括第一组件和第二组件，所述第一组件与所述中心齿轮连接，所述第二组件用于获得单圈绝对值位置数据；
40.所述多圈信息反馈模块包括n(n＝1，2，3，4，5等自然数，根据需求进行设置)级电感式单圈绝对值编码器，(各个)所述电感式单圈绝对值编码器(均)包括减速齿轮、转子和定子，所述转子与所述减速齿轮同步旋转，所述定子包括激励线圈和接收线圈(用于搜集随转子角度变化而变化的信号)，所述转子和所述定子用于获得所述减速齿轮转动的角度信息。
41.具体的是，所述编码模块包括计算单元、电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器，其中：
42.所述计算单元分别与所述电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器电性连接，所述第一模拟开关选择器和所述第二模拟开关选择器分别与n级电感式单圈绝对值编码器电性连接。
43.优选地，所述多圈信息反馈模块包括第一级电感式单圈绝对值编码器、第二级电感式单圈绝对值编码器和第三级电感式单圈绝对值编码器，其中：
44.所述第一级电感式单圈绝对值编码器包括第一减速齿轮12、第一定子32和第一转子22，所述第一定子32和第一转子22固定安装于所述第一减速齿轮12的上方，所述第一减速齿轮12用于接收所述中心齿轮11经过多级减速后传递的运动；
45.所述第二级电感式单圈绝对值编码器包括第二减速齿轮13、第二定子33和第二转子23，所述第二定子33和第二转子23固定安装于所述第二减速齿轮13的上方，所述第二减速齿轮13用于接收所述第一减速齿轮12经过多级减速后传递的运动；
46.所述第三级电感式单圈绝对值编码器包括第三减速齿轮14、第三定子34和第三转子24，所述第三定子34和第三转子24固定安装于所述第三减速齿轮14的上方，所述第三减
速齿轮14用于接收所述第二减速齿轮13经过多级减速后传递的运动(第三级减速齿轮仍可以经减速将运动传递)。
47.优选地，11为与被测旋转轴连接的中心齿轮，中心齿轮上方包含一编码器的转子21和读数装置31，21、31共同组成一单圈绝对值的角度信息反馈单元。中心齿轮11经多级减速后将运动传递到一级减速齿轮12，一级减速齿轮12经多级减速后将运动传递到二级减速齿轮13，二级减速齿轮13经多级减速后将运动传递到三级减速齿轮14，三级减速齿轮仍可以经减速将运动传递，记为减速齿轮15
……
1n。12、13、14
……
1n齿轮上方分别固定有电感式编码器的转子22、23、24
……
2n，转子与齿轮同步旋转。在电感式编码器转子22、23、24
……
2n的上方分别有电感式编码器的定子32、33、34
……
3n，定子包含激励和接收线圈，用于搜集随转子角度变化而变化的信号。12、13、14
……
1n及其上方转子定子分别组成电感式单圈绝对值编码器，多级减速齿轮及单圈绝对值编码器共同组成了编码器的多圈信息反馈单元。
48.编码器运行时，被测轴带动中心齿轮11旋转，经多级减速后分别传递到后级齿轮12、13、14
……
1n，通过12、13、14
……
1n上方转子定子组成的编码器模块，可以分别得到当前12、13、14
……
1n齿轮转动的角度信息。通过各级齿轮减速比的换算关系，可以在任意时刻通过12、13、14
……
1n上方测得的角度信息知道中心齿轮当前转动的圈数，也即知道了当前主轴转动的圈数。再结合中心齿轮上方角度检测单元得到的单圈绝对位置数据，可以组合生成多圈数据+单圈位置数据的多圈绝对值编码。
49.更具体的是，所述单圈编码模块包括电感式编码器、光电式编码器和磁电式编码器(如果为电感式编码器，则将单圈编码单元也连接于第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器之间)。
50.优选地，第一组件和第二组件可以为电感式编码器的转子和定子，也可以是光电式编码器的码盘和光源、读数装置，也可以是磁电式编码器的磁栅和读数装置。
51.其原理为：计算单元包含模拟开关通道选择信号的控制能力，通过控制第一模拟开关选择器，可以将电感信号处理单元中的电感高频激励信号输出到希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器。计算单元同样通过第二模拟开关通道选择信号控制模拟开关选择器，将当前希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器的电感信号进行回收，输入到电感信号处理单元中。电感信号处理单元将解调及放大后的信号输出到计算单元，进行当前第n级电感式单圈绝对值编码器的角度解算。
52.编码器获取多圈位置信息时，按一定顺序获取用于多圈计数的多个减速齿轮上的单圈绝对值编码器的角度信息，并根据减速比信息进行数据组合，生成多圈数据信息。
53.进一步地，当单圈位置获取也采用电感式编码器时，只需要将单圈部分的电感式单圈绝对值编码器也纳入开关选择器，进行角度计算和传输。
54.电感信号处理单元可以是采用模拟乘法器、运放等分立元件构成，也可以由集成的电感专有解算芯片来实现。
55.第三实施例(如图3所示)。
56.本实用新型公开了一种新型机械式多圈绝对值编码器，用于生成多圈绝对值编码，包括中心齿轮、单圈编码模块、多圈信息反馈模块和编码模块，所述中心齿轮与被测旋转轴连接并且所述中心齿轮用于经过多级减速后将运动传递到所述多圈信息反馈模块，所
述编码模块与所述多圈信息反馈模块电性连接，其中：
57.所述单圈编码模块包括单圈绝对值角度信息反馈单元，所述单圈绝对值角度信息反馈单元包括第一组件和第二组件，所述第一组件与所述中心齿轮连接，所述第二组件用于获得单圈绝对值位置数据；
58.所述多圈信息反馈模块包括n(n＝1，2，3，4，5等自然数，根据需求进行设置)级电感式单圈绝对值编码器，(各个)所述电感式单圈绝对值编码器(均)包括减速齿轮、转子和定子，所述转子与所述减速齿轮同步旋转，所述定子包括激励线圈和接收线圈(用于搜集随转子角度变化而变化的信号)，所述转子和所述定子用于获得所述减速齿轮转动的角度信息。
59.具体的是，所述编码模块包括计算单元、电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器，其中：
60.所述计算单元分别与所述电感信号处理单元、第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器电性连接，所述第一模拟开关选择器和所述第二模拟开关选择器分别与n级电感式单圈绝对值编码器电性连接。
61.更具体的是，所述单圈编码模块包括电感式编码器、光电式编码器和磁电式编码器(如果为电感式编码器，则将单圈编码单元也连接于第一模拟开关选择器和第二模拟开关选择器之间)。
62.优选地，第一组件和第二组件可以为电感式编码器的转子和定子，也可以是光电式编码器的码盘和光源、读数装置，也可以是磁电式编码器的磁栅和读数装置。
63.更具体的是，计算芯片为arm芯片。
64.其原理为：计算单元包含模拟开关通道选择信号的控制能力，通过控制第一模拟开关选择器，可以将电感信号处理单元中的电感高频激励信号输出到希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器。计算单元同样通过第二模拟开关通道选择信号控制模拟开关选择器，将当前希望读取位置的第n级电感式单圈绝对值编码器的电感信号进行回收，输入到电感信号处理单元中。电感信号处理单元将解调及放大后的信号输出到计算单元，进行当前第n级电感式单圈绝对值编码器的角度解算。
65.编码器获取多圈位置信息时，按一定顺序获取用于多圈计数的多个减速齿轮上的单圈绝对值编码器的角度信息，并根据减速比信息进行数据组合，生成多圈数据信息。
66.进一步地，当单圈位置获取也采用电感式编码器时，只需要将单圈部分的电感式单圈绝对值编码器也纳入开关选择器，进行角度计算和传输。
67.优选地，本实施例共有4组电感方案实现的多圈绝对值位置编码。由于电感线圈需要有高频激励源(载频)，以便产生交流磁场的变化，因此由电感信号处理单元产生一组高频激励信号，通过模拟开关分时选通的方式给四组电感线圈产生高频激励源。
68.第一级电感式多圈编码为由电感方案实现的主单圈绝对值编码器分辨率为4096，输出信号有s1sin+、s1sin-、s1cos+、s1cos-、m1sin+、m1sin-、m1cos+、m1cos-；第二级电感式单圈绝对值编码分辨率为256，同样输出信号有s2sin+、s2sin-、s2cos+、s2cos-、m2sin+、m2sin-、m2cos+、m2cos-；第三级电感式单圈绝对值编码分辨率为16，分辨率较低，输出信号有s3sin+、s3sin-、s3cos+、s3cos-、m3sin+、m3sin-、m3cos+、m3cos-；，也可以只有s3sin+、s3sin-、s3cos+、s3cos-；第四级电感式单圈绝对值编码分辨率为16，分辨率较低，输出信号
有s4sin+、s4sin-、s4cos+、s4cos-。四组电感线圈输出信号通过模拟开关选择器，由主控芯片arm芯片控制来选择那一组信号输出。如依次按第1组、第2组、第3组、第4组的信号输出。
69.四组电感线圈输出的信号送电感信号处理单元进行解调。由于原始的线圈输出信号包含有高频激励信号，并且信号比较微弱，因此需要在电感信号处理单元进行解调并放大。经过处理后的模拟信号送主控arm芯片进行ad采集，解算出位置信息，同时根据软件算法控制需要，模拟信号也可以送主控的arm芯片内部比较器，把模拟信号整成方波信号，参与单圈绝对位置的解算。
70.电感信号处理单元可以是采用模拟乘法器、运放等分立元件构成，也可以由集成的电感专有解算芯片来实现。
71.值得一提的是，本实用新型专利申请涉及的arm芯片、电感式编码器和光电式编码器等技术特征应被视为现有技术，这些技术特征的具体结构、工作原理以及可能涉及到的控制方式、空间布置方式采用本领域的常规选择即可，不应被视为本实用新型专利的发明点所在，本实用新型专利不做进一步具体展开详述。
72.对于本领域的技术人员而言，依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围。