一种高精度绝对值磁栅尺装置及动子位置检测方法与流程

1.本发明涉及电机位置检测技术领域，更具体地说，是涉及一种双排霍尔阵列高精度绝对值磁栅尺装置。


背景技术：

2.直线电机越来越被广泛应用于轨道交通、机床、机器人、工业自动化生产线等诸多领域，因为减少了中间传动装置，相对于传统旋转电机加滚珠丝杆的直线运动方式，具有更高速、高加速、高精度的优点，位置检测是决定直线电机性能的关键部件。
3.目前的直线位置反馈器件主要有以下几种：
4.1、栅尺：精度高，但对环境的要求高，对工况要求也很高，不适合振动大的场合；
5.2、磁栅尺：精度低，但对环境要求低，在冶金、机械，石化、运输，水利等行业的普遍青睐，该技术在通用位移传感器、液位计、闸门开度仪、行车行程检测仪、油缸行程检测仪等在恶劣产业环境中广泛运用；
6.在目前通用的产品中，信号的获取(读数头)安装在移动端上，需要安装电源及信号信，不适合一些长距离测量场合，如物流运输线通常要求几十米上百米的长距离运用场合。


技术实现要素：

7.为了解决上述技术问题，本发明的第一个目的在于提供一种高精度绝对值磁栅尺装置，该装置既能满足长距离位置检测，且检测精度高，本发明的第二个目的在于提供一种直线电机动子位置检测方法。
8.为了实现上述第一个发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.一种高精度绝对值磁栅尺装置，包括动子、底座以及固定在底座上的霍尔芯片，多个霍尔芯片形成霍尔阵列，所述霍尔阵列成两排排布，其中一排的霍尔阵列为大数磁感应霍尔阵列，另一排的霍尔阵列为小数磁感应霍尔阵列，所述动子上分别设有与大数磁感应霍尔阵列，小数磁感应霍尔阵列相对应的大数磁头和小数磁头。
10.作为优选方案：所述大数磁感应霍尔阵列、小数磁感应霍尔阵列中的多个霍尔芯片均等距间隔分布，且大数磁感应霍尔阵列中的多个霍尔芯片的间距大于小数磁感应霍尔阵列中的多个霍尔芯片的间距。
11.作为优选方案：所述大数磁头和小数磁头均采用单极或者多极的磁铁。
12.作为优选方案：所述底座为定子固定支架，所述定子固定支架上还设有将霍尔芯片的信号传输给控制器的总线，所述霍尔芯片与控制器之间还设有da转换器。
13.为了实现上述第二个发明目的，本发明采用以下技术方案：
14.一种直线电机动子位置检测方法，采用上述任意一项所述的磁栅尺装置，通过对移动方向的磁栅充磁，使得动子上的大数磁头和小数磁头，产生规则正弦波磁场，当动子的磁栅经过对应的线性霍尔芯片上方时，霍尔芯片能够感受到动子发出的磁场强度信号，一
个正弦磁场的跨距和强度是已知的，通过da转换器的处理后，经过总线发给控制器进行位置解码，在磁头的移动方向布置规则排列的一组或多组霍尔芯片阵列，便得到了任意时刻磁头的实时绝对位置信息。
15.作为优选方案：小数磁头经过相邻两个霍尔芯片时，会得到相隔90度的两个正弦波磁场，通过开环查表法或者闭环相位跟踪方法，便能得到精确的角度值，通过角度值以及已知的完整正弦波对应的长度便能得到行进方向的精确位置。
16.作为优选方案：所述开环查表法是通过查表计算反正切值来得到正弦的精确角度。
17.作为优选方案：所述闭环相位跟踪方法是将计算得到的角度正余值，经过反馈通道，与霍尔测量的正余弦值进行闭环校正，使计算值能够始终跟踪实际值。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
19.本发明提出了一种适合于长距离直线位置检测的绝对式磁栅尺的装置，与目前工业广泛应用的磁栅尺或光栅尺不同，本发明的感应装置是固定的，移动部分不需要安装电源线和信号线，提高了长距离位置测量的可靠性；并且通过双排甚至多排的霍尔感应阵列布置形式，类似游标卡尺的测量原理，采取大小数检测相结合的方式，既可以做到长距离的位置检测，同时又能提高位置检测精度。
附图说明
20.构成本技术的一部分的说明书附图用来提供对本技术的进一步理解，本技术的示意性实施例及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的限定。
21.图1为单霍尔磁场感应示意图；
22.图2为本发明的磁栅尺动定子位置示意图(端面)；
23.图3为本发明的磁栅尺动定子位置示意图(侧面)；
24.图4为本发明的相邻两个霍尔芯片采用闭环相位跟踪方法计算出的位置示意图；
25.图5为本发明的相邻两个霍尔芯片信号转化示意图。
26.附图标记为：1、霍尔芯片；2、底座；3、定子固定支架；31、大数磁感应霍尔阵列；32、小数磁感应霍尔阵列；4、动子；41、大数磁头；42、小数磁头。
具体实施方式
27.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本技术提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本技术所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
28.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、部件和/或它们的组合。
29.此外，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于
描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
30.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
31.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
32.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
33.下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明：
34.如图1和图5所示，一种高精度绝对值磁栅尺装置，包括动子4、底座2以及固定在底座2上的霍尔芯片1，多个霍尔芯片1形成霍尔阵列，所述霍尔阵列成两排排布，其中一排的霍尔阵列为大数磁感应霍尔阵列31，另一排的霍尔阵列为小数磁感应霍尔阵列32，所述动子4上分别设有与大数磁感应霍尔阵列31，小数磁感应霍尔阵列32相对应的大数磁头41和小数磁头42。所述大数磁头41和小数磁头42均采用单极或者多极的磁铁。
35.所述大数磁感应霍尔阵列31、小数磁感应霍尔阵列32中的多个霍尔芯片1均等距间隔分布，且大数磁感应霍尔阵列31中的多个霍尔芯片1的间距大于小数磁感应霍尔阵列32中的多个霍尔芯片1的间距。
36.所述底座1为定子固定支架3，所述定子固定支架3上还设有将霍尔芯片1的信号传输给控制器的总线，所述霍尔芯片1与控制器之间还设有da转换器。
37.一种直线电机动子位置检测方法，采用上述任意一项所述的磁栅尺装置，通过对移动方向的磁栅充磁，使得动子上的大数磁头41和小数磁头42，产生规则正弦波磁场，当动子的磁栅经过对应的线性霍尔芯片上方时，霍尔芯片能够感受到动子发出的磁场强度信号，一个正弦磁场的跨距和强度是已知的，通过da转换器的处理后，经过总线发给控制器进行位置解码，在磁头的移动方向布置规则排列的一组或多组霍尔芯片阵列，便得到了任意时刻磁头的实时绝对位置信息。
38.小数磁头42经过相邻两个霍尔芯片1时，会得到相隔90度的两个正弦波磁场，通过开环查表法或者闭环相位跟踪方法，便能得到精确的角度值，通过角度值以及已知的完整正弦波对应的长度便能得到行进方向的精确位置。
39.本发明中的大数粗定位，大数计数可以表示的范围大，但精度低，根据不同的产品规格，大数的最小计数单位根据充磁跨度来定，通常为整数值，如1mm\5mm\10mm等。得到大
数粗定位值后，再确定小数的精确定位。一个跨度的大数霍尔间隔下，至少包含一个以上的小数霍尔计数，精度越高，包含的小数霍尔数量越多。
40.小数霍尔感应阵列通过磁场感应到移动磁头得到一组交替的正余弦波后，经过开环查表法或闭环环路追踪法得到精确的位置值；小数计数可以弥补大数计数精度的不足，通常可以精确到0.001mm，通过大小数计数两者结合，可以得到整个行进长度的高精度位置值，工作原理类似游标卡尺原理。
41.所述开环查表法是通过查表计算反正切值来得到正弦的精确角度。所述闭环相位跟踪方法是将计算得到的角度正余值，经过反馈通道，与霍尔测量的正余弦值进行闭环校正，使计算值能够始终跟踪实际值。两种方法各有优缺点，开环的优点在于简单，但精度略差，闭环的优点在于精度高，但计算量较大，根据不同的场合选择不同的细分方法。
42.本发明在单个霍尔芯片感应磁栅强度进行位置解码的基础上，本发明在基本模块上沿移动方向布置双排霍尔阵列；第一排为大数霍尔芯片感应阵列，第二排为小数霍尔芯片感应阵列；并且进行依次编号，这样就可以根据编号来确定绝对位置信息。相对应地，移动端的动子也布置了两排磁栅，大数磁栅和小数磁栅，可以是多极的或单极的，(示意图为三对极磁栅)。大数磁栅的磁场跨度相对较宽，只作大数的计数值；小数磁栅的磁场跨度相对窄，充磁的精磁度也相对较高，用来作小数计数；当动子沿移动方向依次经过安装在固定支架上的霍尔感应芯片时，霍尔阵列相对应的芯片将记录下整个移动过程，并实时将信号通过总线发送给处理器进行大小数位置拼接，形成高精度的绝对位置信息。本发明的测量装置还可以做成单元模块，以便于拼接和扩展，长度可以不受限制。
43.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
44.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种高精度绝对值磁栅尺装置，其特征在于：包括动子(4)、底座(2)以及固定在底座(2)上的霍尔芯片(1)，多个霍尔芯片(1)形成霍尔阵列，所述霍尔阵列成两排排布，其中一排的霍尔阵列为大数磁感应霍尔阵列(31)，另一排的霍尔阵列为小数磁感应霍尔阵列(32)，所述动子(4)上分别设有与大数磁感应霍尔阵列(31)，小数磁感应霍尔阵列(32)相对应的大数磁头(41)和小数磁头(42)。2.根据权利要求1所述的一种高精度绝对值磁栅尺装置，其特征在于：所述大数磁感应霍尔阵列(31)、小数磁感应霍尔阵列(32)中的多个霍尔芯片(1)均等距间隔分布，且大数磁感应霍尔阵列(31)中的多个霍尔芯片(1)的间距大于小数磁感应霍尔阵列(32)中的多个霍尔芯片(1)的间距。3.根据权利要求1所述的一种高精度绝对值磁栅尺装置，其特征在于：所述大数磁头(41)和小数磁头(42)均采用单极或者多极的磁铁。4.根据权利要求1所述的一种高精度绝对值磁栅尺装置，其特征在于：所述底座(1)为定子固定支架(3)，所述定子固定支架(3)上还设有将霍尔芯片(1)的信号传输给控制器的总线，所述霍尔芯片(1)与控制器之间还设有da转换器。5.一种直线电机动子位置检测方法，其特征在于：采用权利要求1至4任意一项所述的磁栅尺装置，通过对移动方向的磁栅充磁，使得动子上的大数磁头(41)和小数磁头(42)，产生规则正弦波磁场，当动子的磁栅经过对应的线性霍尔芯片上方时，霍尔芯片能够感受到动子发出的磁场强度信号，一个正弦磁场的跨距和强度是已知的，通过da转换器的处理后，经过总线发给控制器进行位置解码，在磁头的移动方向布置规则排列的一组或多组霍尔芯片阵列，便得到了任意时刻磁头的实时绝对位置信息。6.根据权利要求5所述的一种直线电机动子位置检测方法，其特征在于：小数磁头(42)经过相邻两个霍尔芯片(1)时，会得到相隔90度的两个正弦波磁场，通过开环查表法或者闭环相位跟踪方法，便能得到精确的角度值，通过角度值以及已知的完整正弦波对应的长度便能得到行进方向的精确位置。7.根据权利要求6所述的一种直线电机动子位置检测方法，其特征在于：所述开环查表法是通过查表计算反正切值来得到正弦的精确角度。8.根据权利要求6所述的一种直线电机动子位置检测方法，其特征在于：所述闭环相位跟踪方法是将计算得到的角度正余值，经过反馈通道，与霍尔测量的正余弦值进行闭环校正，使计算值能够始终跟踪实际值。

技术总结
本发明涉及一种高精度绝对值磁栅尺装置及动子位置检测方法，一种高精度绝对值磁栅尺装置，包括动子、底座以及固定在底座上的霍尔芯片，多个霍尔芯片形成霍尔阵列，霍尔阵列成两排排布，其中一排的霍尔阵列为大数磁感应霍尔阵列，另一排的霍尔阵列为小数磁感应霍尔阵列，动子上分别设有与大数磁感应霍尔阵列，小数磁感应霍尔阵列相对应的大数磁头和小数磁头。本发明的感应装置是固定的，移动部分不需要安装电源线和信号线，提高了长距离位置测量的可靠性；并且通过双排甚至多排的霍尔感应阵列布置形式，类似游标卡尺的测量原理，采取大小数检测相结合的方式，既可以做到长距离的位置检测，同时又能提高位置检测精度。同时又能提高位置检测精度。同时又能提高位置检测精度。


技术研发人员：张翊诚 于秉田 林歆照 樊春郦 李占龙
受保护的技术使用者：方地应用技术（上海）有限公司
技术研发日：2023.05.25
技术公布日：2023/8/24