一种直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法与流程

本发明涉及直线电机技术领域，特别涉及一种直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法。

背景技术：

直线电机是一种将电能直接转换成直线运动机械能，而不需要任何中间转换机构的传动装置。随着科学技术不断的发展，直线电机已经广泛应用在工业控制领域的各种设备，其中必不可少的位置反馈装置一直是该领域研究的重点课题。目前常见的位置反馈装置大多采用光栅尺或磁栅尺和相应的读数头检测方案。

采用光栅尺和光栅读数头的方案，主要的缺点有：（1）光栅尺1和光栅读数头2的安装间隙公差很小，安装困难，如图1所示，光栅尺1的表面和光栅读数头2表面之间的安装间隙公差a为0.8±0.1mm；（2）光栅尺1的厚度b本身已经很薄，仅为0.2mm，其表面极易受油垢和灰尘的污染，导致计数错误；（3）光栅尺目前主要由国际三大品牌HEIDENHAIN，RENISHAW，MICROE所垄断，成本很高。而采用磁栅尺和磁栅读数头的方案同样存在许多缺点，如磁栅尺由于安装位置离直线电机磁轨较近，安装时容易被磁轨或其它磁性部件磁化而损坏；重复定位精度比光栅尺低，且运行时的噪音比较大等等。

因而现有技术还有待改进和提高。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足之处，本发明的目的在于提供一种直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法，通过霍尔采样电路采集动子在运动过程中的磁场信号并转换为电压信号，经过后续细分和差分信号转换处理后可以得到精确的位置数据，且直接使用定子磁轨作为位置检测的媒介，无需额外的光栅尺或磁栅尺，节约了成本。

为了达到上述目的，本发明采取了以下技术方案：

一种直线电机磁轨编码器，包括壳体，在壳体内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有用于采集动子在运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的霍尔采样电路；用于将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的细分电路；用于将所述两路正交编码器信号转换为差分信号的差分信号转换电路；所述霍尔采样电路、细分电路和差分信号转换电路依次连接。

所述的直线电机磁轨编码器中，所述霍尔采样电路包括用于将所述磁场信号分别转换为正弦电压信号和余弦电压信号的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器的安装间距为四分之一磁场周期，所述第一霍尔传感器和第二霍尔传感器均连接细分电路。

所述的直线电机磁轨编码器中，所述PCB板上还设置有用于指示编码器工作状态的LED指示灯。

所述的直线电机磁轨编码器中，所述壳体内还设置有用于固定所述PCB板的固定件。

所述的直线电机磁轨编码器中，所述壳体为用于电磁屏蔽的金属屏蔽外壳。

所述的直线电机磁轨编码器中，所述差分信号转换电路采用型号为AM26LS31的集成电路。

一种直线电机，包括定子磁轨和相对所述定子磁轨运动的动子，其还包括上所述的直线电机磁轨编码器，所述直线电机磁轨编码器固定于动子的一侧。

所述的直线电机中，所述直线电机磁轨编码器的底面与定子磁轨的顶面之间的安装距离为5.5mm-6.5mm。

一种上所述的直线电机的位置检测方法，其包括如下步骤：

直线电机磁轨编码器随着动子一起在定子磁轨上方运动，产生变化的动态磁场信号；

由霍尔采样电路采集磁场信号并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号；

由细分电路将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号；

由差分信号转换电路将所述两路正交编码器信号转换为差分信号并输出至伺服驱动器。

所述的直线电机的位置检测方法中，所述由霍尔采样电路采集磁场信号并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的步骤具体包括：

通过安装间距为四分之一磁场周期的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器将所述磁场信号分别转换为正弦电压信号和余弦电压信号。

相较于现有技术，本发明提供的直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法中，所述直线电机磁轨编码器包括壳体，在壳体内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有用于采集动子在运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的霍尔采样电路；用于将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的细分电路；用于将所述两路正交编码器信号转换为差分信号的差分信号转换电路；所述霍尔采样电路、细分电路和差分信号转换电路依次连接，通过霍尔采样电路采集动子在运动过程中的磁场信号并转换为电压信号，经过后续细分和差分信号转换处理后可以得到精确的位置数据，且直接使用定子磁轨作为位置检测的媒介，无需额外的光栅尺或磁栅尺，节约了成本。

附图说明

图1为现有技术中光栅尺和光栅读数头的安装示意图。

图2为发明提供的直线电机的立体结构示意图。

图3为发明提供的直线电机的端面结构示意图。

图4为发明提供的直线电机磁轨编码器的立体结构示意图。

图5为发明提供的直线电机磁轨编码器中PCB板正面结构示意图。

图6为发明提供的直线电机磁轨编码器中PCB板背面结构示意图。

图7为发明提供的直线电机磁轨编码器中PCB板上设置的电路的结构框图。

图8为发明提供的直线电机磁轨编码器中磁场强度与输出电压信号的关系图。

图9为发明提供的直线电机磁轨编码器中将磁场信号转换为电压信号的原理图。

图10为发明提供的直线电机磁轨编码器中两路相位差为90°的电压信号的示意图。

图11为发明提供的直线电机磁轨编码器中将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的示意图。

图12为发明提供的直线电机磁轨编码器中根据两路正交编码器信号判断运动方向的时序图。

图13为发明提供的直线电机的位置检测方法的流程图。

具体实施方式

本发明提供的直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法，通过霍尔采样电路采集动子在运动过程中的磁场信号并转换为电压信号，经过后续细分和差分信号转换处理后可以得到精确的位置数据，且直接使用定子磁轨作为位置检测的媒介，无需额外的光栅尺或磁栅尺，节约了成本。

为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图2、图3和图4，本发明提供的直线电机包括定子磁轨10和相对所述定子磁轨10运动的动子11，动子11通电是与定子磁轨10相互作用产生电磁推力，使动子11在定子磁轨10上作直线往复运动，其中所述直线电机还包括用于反馈位置信号的直线电机磁轨编码器20，所述直线电机磁轨编码器20固定于动子11的一侧，具体实施时可通过直线电机磁轨编码器20上设置的螺丝孔201安装固定螺丝，将所述直线电机磁轨编码器20固定于动子11上，使得直线电机磁轨编码器20与动子11整合在一起，简化了机械结构。

进一步地，所述直线电机磁轨编码器20的底面与定子磁轨10的顶面之间的安装距离为5.5mm-6.5mm，即所述直线电机磁轨编码器20的安装公差为6±0.5mm，相比光栅尺或磁栅尺要宽松很多，更加方便安装，提高安装效率。

具体地，请一并参阅图5、图6和图7，本发明提供的直线电机中，所述直线电机磁轨编码器20包括壳体21，在壳体21内设置有PCB板22和用于固定所述PCB板22的固定件27，例如固定螺丝等等，所述PCB板22上设置有用于采集动子11在运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的霍尔采样电路23；用于将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的细分电路24；用于将所述两路正交编码器信号转换为差分信号的差分信号转换电路25；所述霍尔采样电路23、细分电路24和差分信号转换电路25依次连接。本实施例中，所述差分信号转换电路25采用型号为AM26LS31的集成电路，当然也可采用其他具有相同功能的集成电路，本发明对此不作限定。

本发明通过将直线电机磁轨编码器20与动子11整合在一起，随着动子11一起作直线往复运动，在此过程中，霍尔采样电路23采集运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号；之后将这两路电压信号进行预设倍数细分得到标准的位置反馈信号，即两路正交编码器A，B信号，为了进一步提高信号的抗干扰能力，便于伺服驱动器接收位置反馈信号，本发明还将所述正交编码器信号转换为差分信号输出，确保位置反馈信号的抗干扰性和准确性。

进一步地，所述霍尔采样电路23包括用于将所述磁场信号分别转换为正弦电压信号和余弦电压信号的第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232，所述第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232的安装间距为四分之一磁场周期，所述第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232均连接细分电路24，即本发明通过采用两个霍尔传感器，且二者的安装间距为四分之一磁场周期，例如磁场周期即定子磁轨10的磁极间距为24mm，则第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232的安装间距即为6mm，保证第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232输出的电压信号之间的相位差为90°，以便后续得到标准的正交编码器A，B信号。

优选地，所述PCB板22上还设置有用于指示编码器工作状态的LED指示灯26，例如LED指示灯26亮表示直线电机磁轨编码器20正在工作，而熄灭是表示不在工作，闪烁时表示此时存在故障等等，使用户清晰的知道当前直线电机磁轨编码器20的工作状态。

为了进一步保障位置检测的抗干扰性，所述壳体21优选为用于电磁屏蔽的金属屏蔽外壳，提高直线电机磁轨编码器20的抗电磁干扰性。

以下结合图8至图12，对本发明提供的直线电机中直线电机磁轨编码器20的检测反馈过程进行说明：

本发明通过两个线性霍尔传感器，即第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232将运动过程中的磁场信号转换为电压信号，磁场强度与输出电压信号成正比关系，如图8所示；当直线电机磁轨编码器20在磁轨定子上方运动时，动子11及直线电机磁轨编码器20和定子磁轨10之间的相对运动，会产生按正余弦规律变化的动态磁场，如图9中的（a）、（b）所示，由于霍尔传感器的输出电压与磁场强度成正比关系，因此通过第一霍尔传感器231和第二霍尔传感器232可得到按正余弦规律变化的电压波形图，如图9中的（c）。

由于本发明中两个霍尔传感器的安装间距为四分之一磁场周期，即当磁场周期为24mm时，两个霍尔传感器的安装间距为6mm，当然本发明并不仅限于24mm的磁场周期，可根据实际需要调节，磁场周期对应的电角度为360°，所以，两个霍尔传感器输出相位差为6/24*360=90°的正余弦电压信号Vcos(φ)和Vsin(φ)，如图10所示。

因为直线电机磁轨编码器20在运动过程中，不同的位置感应到的磁场强度不同，即磁场的强弱能够反映直线电机磁轨编码器20的位置信息，由于霍尔传感器的输出电压与磁场强度成正比关系，所以电压信号的幅度大小代表着直线电机磁轨编码器20的实时位置，从而实现了位置的实时反馈。

进一步地，在采集了电压信号之后，通过细分电路24将上述两路正余弦电压信号，通过12位的AD转换，将一个完整的电压周期细分成2的12次方即4096等分，每个等分代表一个位置信息，例如一个周期的位置宽度为24mm，经过4096倍细分后，可得到分辨率为24mm X 1000÷4096=5.859375um的位置数据，位置分辨率高，具体如图11所示。

在细分电路24得到的两路正交编码器信号A,B后通过差分信号转换电路25将其转换成差分信号输出，提高信号的抗干扰能力，以便伺服驱动器接收。

同时，本发明也可通过两路正余弦电压信号的相位超前之后关系来判断直线电机的运动方向，如图12所示，当直线电机磁轨编码器20正向运动时，A，B两路信号的逻辑状态的变化规律为10-11-01-00[图12中的（a）]，以此循环；而当直线电机磁轨编码器20反向运动时，A，B两路信号的逻辑状态的变化规律为01-11-10-00[图12中的（b）]，以此循环。即若当A超前B定义为正方向运动，则A滞后B时为反方向运动，从而实现了运动方向的判断。

本发明还相应提供了一种直线电机磁轨编码器，由于上文以对所述直线电机磁轨编码器进行了详细描述，此处不作详述。

本发明还相应提供了一种直线电机的位置检测方法，如图13所示，所述直线电机的位置检测方法包括如下步骤：

S100、直线电机磁轨编码器随着动子一起在定子磁轨上方运动，产生变化的动态磁场信号；

S200、由霍尔采样电路采集磁场信号并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号；

S300、由细分电路将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号；

S400、由差分信号转换电路将所述两路正交编码器信号转换为差分信号并输出至伺服驱动器。

具体地，所述步骤S200具体包括：通过安装间距为四分之一磁场周期的第一霍尔传感器和第二霍尔传感器将所述磁场信号分别转换为正弦电压信号和余弦电压信号。具体请参阅上述装置对应的实施例。

综上所述，本发明提供的直线电机磁轨编码器、直线电机及其位置检测方法中，所述直线电机磁轨编码器包括壳体，在壳体内设置有PCB板，其中，所述PCB板上设置有用于采集动子在运动过程中产生的磁场信号，并将所述磁场信号转换为两路相位差为90°的电压信号的霍尔采样电路；用于将两路电压信号进行预设倍数细分，得到两路正交编码器信号的细分电路；用于将所述两路正交编码器信号转换为差分信号的差分信号转换电路；所述霍尔采样电路、细分电路和差分信号转换电路依次连接，通过霍尔采样电路采集动子在运动过程中的磁场信号并转换为电压信号，经过后续细分和差分信号转换处理后可以得到精确的位置数据，且直接使用定子磁轨作为位置检测的媒介，无需额外的光栅尺或磁栅尺，节约了成本。

可以理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，而所有这些改变或替换都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。