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CN108120455A - 基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器 - Google Patents

基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器 Download PDF

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CN108120455A CN201611107514.2A CN201611107514A CN108120455A CN 108120455 A CN108120455 A CN 108120455A CN 201611107514 A CN201611107514 A CN 201611107514A CN 108120455 A CN108120455 A CN 108120455A
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Abstract

本发明利用在旋转磁极所对应的固定的圆周上分布的八个开关式霍尔传感器分别产生的数字信号组成的循环码和一个线性霍尔传感器产生的模拟信号经过微处理器的软件编程运算组合得到转轴的位置和转速以及角加速度值并在显示屏上显示出实时数值。本发明的特点为：由八个开关式霍尔传感器分别产生的数字信号组成的循环码和一个线性霍尔传感器产生的模拟信号的组合确定转子的位置数值，测出的数据在精度要求的范围内具有连续性，精度高；电路简单，成本低，编程简单，计算量小，响应快，功能多，性能稳定，可靠性高。

Description

基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器
技术领域
基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器属于测量测试技术领域。
背景技术
目前用于测量转轴的位置及转速的磁编码器和光电编码器是自动化领域的关键元件，正在得到越来越广泛的应用。传统的编码器测量的数据采用的是数字信号传输运算，编码器体积大，信号数值不是连续的，测量的精度有限。完全采用模拟信号传输运算数据的编码器，虽然可以测得连续的数据，提高测量的精度，但是电路复杂，运算量大，响应慢。实用新型专利CN203964930U一种光磁编码器包括磁检测部、光检测部和控制电路单元，其中，控制电路单元中具有模数转换电路、起始位置计算电路和旋转角计算电路，通过模数转换电路将光检测部的模拟信号转换成数字信号，再结合磁检测部的数字信号，确定上电时编码器的起始位置信号，在编码器上电后，通过模数转换电路输出的数字信号，再结合起始位置信号，输出旋转角信号。该实用新型的光磁编码器采用磁编码器和光编码器相结合的方式，在每一次编码器上电时都能输出绝对位置编码信号，编码器具有体积小，精度高的特点。专利CN202002858U霍尔测速装置是一种霍尔测速装置包括测速齿轮盘(10)和霍尔传感器(20)，霍尔传感器(20)为至少两个，两个霍尔传感器(20)感应部分之间的间距为至少一个齿再加上1/4齿距。霍尔传感器(20)包括磁钢(21)以及与其固定连接的霍尔元件(22)，所述霍尔传感器(20)的磁钢端朝向测速齿轮盘(10)的齿部。该实用新型采用两组霍尔磁钢组件，并分别错开(n+1/4)齿距，从而实现两路分别错开T/4时间的正交脉冲波形。同时，通过判别两个霍尔元件的波形前后，可以分辨出设备的正反转。该装置不能测量转动体的转动位置。
本发明要解决的问题就是利用在旋转磁极所对应的固定的圆周上分布的八个开关式霍尔传感器和一个线性霍尔传感器分别产生的数字信号组和模拟信号经过微处理器的软件编程运算组合得到转轴的位置和转速以及角加速度值并在显示屏上显示出实时数值。
发明内容
固定磁极的外环通过轴承与固定霍尔传感器的内环相联。固定磁极的转动外环通过机械接口与所测试的元件的动环联接。在固定霍尔传感器的内环和固定磁极的外环安装有电磁屏蔽罩。固定在内环的产生数字信号的八位开关式霍尔传感器的引线经过电平转换与微处理器的接口相连；固定在内环的产生模拟信号的线性霍尔传感器引线通过A/D转换器和电平转换与微处理器的接口相连。经过微处理器的编程运算组合在与微处理器相连的显示屏上实时显示出所测的转子的位置，转子的转速，角加速度，电流，电压数值。
转动环上的磁极距数之和对应的弧长为一个圆周长度。将每个磁极距八等分。在与磁极距内的等分分度线位置对应的固定的外圆周上分布八个开关式霍尔传感器和一个线性霍尔传感器。在与第一个磁极距内的S极磁极区域的第一个分度线位置对应的固定的外圆周上和N极磁极区域的第一个分度线位置对应的固定的外圆周上各分布一个开关式霍尔传感器；在与第二个磁极距内的S极磁极区域的第二个分度线位置对应的固定的外圆周上和N极磁极区域的第二个分度线位置对应的固定的外圆周上各分布一个开关式霍尔传感器；在与第三个磁极距内的S极磁极区域的第三个分度线位置对应的固定的外圆周上和N极磁极区域的第三个分度线位置对应的固定的外圆周上各分布一个开关式霍尔传感器；在与第四个磁极距内的S极磁极区域的第四个分度线位置对应的固定的外圆周上和N极磁极区域的第四个分度线位置对应的固定的外圆周上各分布一个开关式霍尔传感器；在由八个开关式霍尔传感器组成的开关式霍尔传感器组的其中一端的第一个位置安装有一个线性霍尔传感器。
开关式霍尔传感器在N极磁极区域内转动时的输出数字信号代码为“1”；在S极磁极区域内转动时的输出数字信号代码为“0”。位于任意起始位置的磁极转过一个磁极距时，开关式霍尔传感器组输出的数字信号代码的变化的循环码为：
A--00001111---00011110---00111100---01111000---11110000---11100001---11000011---10000111---A。开关式霍尔传感器组所对应的动环转过一个磁极距，开关式霍尔传感器组的数字信号编码就循环变化一次。开关式霍尔传感器组的数字信号代码表示的是一个磁极距内的八个分度线的位置均与对应的八个开关式霍尔传感器的对应位置重合，开关式霍尔传感器组输出的数字信号代码是与磁极距内分度线的位置对应的离散的数字信号数值；由线性霍尔传感器产生的电压信号确定磁极的相邻的分度线间的位置以及分度线的位置，线性霍尔传感器产生的电压值是表示磁极的位置的连续的模拟信号数值。开关式霍尔传感器组产生的数字信号组成的代码再加上由线性霍尔传感器输出的模拟电压信号值的组合表示磁极的位置，与所测量的转轴的位置对应。转轴的初始位置数值为一个与初始位置相对应的开关式霍尔传感器组产生的数值信号代码和线性霍尔传感器产生的电压数值的组合。转轴每转过一个与磁极距相对应的转角就重复一次初始位置数值。初始位置数值在转过一周时重复的次数与一周内对应的磁极距数相同。当转角变化量大于一个磁极距的八分之一间距所对应的角度时，采用开关式霍尔传感器组产生的数字代码计算转轴位置的变化；当转角的变化量小于一个磁极距的八分之一间距所对应的角度时，采用线性霍尔传感器的产生的电压值的模拟信号计算转轴位置的变化。通过计算单位时间内开关式霍尔传感器组产生的数字信号代码和线性霍尔传感器的产生的电压值的模拟信号的组合的改变量来得到转轴的转动速度。通过计算单位时间内的角速度改变量来得到转轴的角加速度值。通过比较当前开关式霍尔传感器组产生的数字信号代码与转过的前一个相邻的数字信号代码来确定转轴的转动方向。
与磁编码器，光电编码器相比，本发明具有以下特点：由数字信号和模拟信号的组合确定的位置数值是连续的数值，测出的数据在精度要求的范围内具有连续性，精度高，电路简单，成本低，编程简单，计算量小，响应快，功能多，性能稳定，可靠性高。
附图说明
图1是基于霍尔传感器产生的数字模拟信号的编码器的总图。
图2是霍尔传感器编码器的结构示意图。
图3是霍尔传感器编码器的原理图。
1.霍尔传感器编码器，2.八位数字信号线，3.电平转换，4.微处理器，5.显示屏，6.电平转换，7.A/D转换，8.模拟信号线，9.霍尔传感器总线，10.编码器固定环，11.轴承，12.编码器转动环，13.传感器固定环，14.霍尔传感器，15.磁极，16.磁极固定环，17.编码器机械接口，18.开关式霍尔传感器E，19.开关式霍尔传感器F，20.开关式霍尔传感器G，21.开关式霍尔传感器H，22，开关式霍尔传感器D，23.开关式霍尔传感器C，24.开关式霍尔传感器B，25.开关式霍尔传感器A，26.线性霍尔传感器。
具体实施方式
在图1中，由霍尔传感器编码器1引出的八位数字信号线2经过电平转换3与微处理器4的接口连接；由霍尔传感器编码器1引出的模拟信号线8经过A/D转换7和电平转换6与微处理器4的接口连接。微处理器4与显示屏5连接。在图2中，联接传感器固定环13的编码器固定环10通过轴承11与联接磁极固定环16的编码器转动环12联接。磁极15固定在编码器转动环12上；霍尔传感器14固定在编码器固定环10上。编码器机械接口17固定在编码器转动环12上。霍尔传感器总线9经由编码器固定环10的固定端引出。在图3中，开关式霍尔传感器A25和开关式霍尔传感器B 24分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第一个分度线位置相对应的固定圆周位置上；开关式霍尔传感器C 23和开关式霍尔传感器D 22分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第二个分度线位置相对应的固定圆周位置上；开关式霍尔传感器H 21和开关式霍尔传感器G 20分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第三个分度线位置相对应的固定圆周位置上.；开关式霍尔传感器F 19和开关式霍尔传感器E 18分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第四个分度线位置相对应的固定圆周位置上；线性霍尔传感器26固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内的第四个分度线位置相对应的固定圆周位置上。
开关式霍尔传感器在N极磁极区域内转动时的输出数字信号代码为“1”；在S极磁极区域内转动时的输出数字信号代码为“0”。位于任意起始位置的磁极转过一个磁极距时，开关式霍尔传感器组输出的数字信号代码的变化的循环码为：
A--00001111---00011110---00111100---01111000---11110000---11100001---11000011---10000111---A。与开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18所对应的动环转过一个磁极距，开关式霍尔传感器的数字信号编码就重复一次。由线性的霍尔传感器26输出的模拟信号确定磁极的相邻的分度线间的位置以及分度线的位置。开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18的数字信号组成的代码再加上由线性霍尔传感器26输出的模拟电压信号值的组合表示磁极的位置，与所测量的转轴的位置对应。转轴的初始位置数值为一个与初始位置对应的开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18产生的数值信号代码和线性霍尔传感器26产生的电压数值的组合。转轴每转过一个与磁极距对应的转角就重复一次初始位置数值。初始位置数值在转过一周时重复的次数与一周内对应的磁极距数相同。当转角大于一个磁极距的八分之一间距所对应的转角时，采用开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18产生的数字代码计算转轴的位置的变化；当转角小于一个磁极距的八分之一间距所对应的转角时，采用线性霍尔传感器26的产生的电压值的模拟信号计算转轴的位置的变化。开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18产的数字信号和线性霍尔传感器26产生的模拟信号经过霍尔传感器总线9经由编码器固定环10的固定端引出。开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B 24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E18产的数字信号通过八位数字信号线2经过电平转换3与微处理器4的接口连接；线性霍尔传感器26产生的模拟信号通过模拟信号线8经过A/D转换7和电平转换6与微处理器4的接口连接。微处理器4通过计算开关式霍尔传感器组：开关式霍尔传感器A 25，开关式霍尔传感器B24，开关式霍尔传感器C 23，开关式霍尔传感器D 22，开关式霍尔传感器H 21，开关式霍尔传感器G 20，开关式霍尔传感器F 19，开关式霍尔传感器E 18产生的数字信号组成的代码和由线性霍尔传感器26输出的模拟电压信号值的组合得到所测量的转轴的位置；通过计算单位时间内开关式霍尔传感器组产生的数字信号代码和线性霍尔传感器的产生的电压值的模拟信号的组合的改变量来得到转轴的转动速度；通过计算单位时间内的角速度改变量来得到转轴的角加速度值；通过比较当前开关式霍尔传感器组产生的数字信号代码与转过的前一个相邻的数字信号代码来确定转轴的转动方向。微处理器4计算的结果在显示屏5上显示。

Claims (2)

1.基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器，其特征是：由霍尔传感器编码器(1)引出的八位数字信号线(2)经过电平转换(3)与微处理器(4)的接口连接；由霍尔传感器编码器(1)引出的模拟信号线(8)经过A/D转换(7)和电平转换(6)与微处理器(4)的接口连接；微处理器(4)与显示屏(5)连接。
2.根据权利要求1中所述的基于霍尔传感器产生的数字模拟信号组合的编码器，其特征是：所述的霍尔传感器编码器(1)的组成如下：联接传感器固定环(13)的编码器固定环(10)通过轴承(11)与联接磁极固定环(16)的编码器转动环(12)联接；磁极(15)固定在编码器转动环(12)上；霍尔传感器(14)固定在编码器固定环(10)上；编码器机械接口(17)固定在编码器转动环(12)上；霍尔传感器总线(9)经由编码器固定环(10)的固定端引出；转动环(12)上的磁极距数之和对应的弧长为一个圆周长度；将每个磁极距八等分；开关式霍尔传感器A(25)和开关式霍尔传感器B(24)分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第一个分度线位置相对应的固定圆周位置上；开关式霍尔传感器C(23)和开关式霍尔传感器D(22)分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第二个分度线位置相对应的固定圆周位置上；开关式霍尔传感器H(21)和开关式霍尔传感器G(20)分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第三个分度线位置相对应的固定圆周位置上.；开关式霍尔传感器F(19)和开关式霍尔传感器E(18)分别固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内和S极磁极区域内的第四个分度线位置相对应的固定圆周位置上；线性霍尔传感器(26)固定在与一个磁极距内的N极磁极区域内的第四个分度线位置相对应的固定圆周位置上。
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