基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器的制造方法
【專利摘要】一種基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其激磁電源由數字頻率直接合成，位置傳感器采用無刷多極旋轉變壓器，通過R/D轉換器和信號處理電路，把機械位置信號轉換成數字信號；激磁電源由微處理器、D/A轉換器、濾波器和功率放大器產生，為系統(tǒng)提供激磁信號，無刷多極旋轉變壓器采用速比1:16～64。通過轉動軸角，粗機和精機感應旋轉變壓器信號，通過兩路R/D轉換器，粗機旋轉變壓器信號轉換成10位數字信號，精機旋轉變壓器信號轉換成12位數字信號，轉換精度為5″～50″。本發(fā)明設計合理，使用壽命長，可靠性高，具有高分辨率和轉換精度。
【專利說明】基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是屬于機電一體化【技術領域】，涉及到多極旋轉變壓器到數字轉換技術、直 接數據頻率合成技術、數字編碼技術。通過對旋轉變壓器信號進行數字化處理，把旋轉變壓 器感應的位置信號直接轉換成工業(yè)控制接口所需要的數字編碼器信號。
【背景技術】
[0002] 在自動控制領域，旋轉編碼器用來檢測角度、位置、速度和加速度的傳感器，廣泛 運用在數控機床、伺服電機、風力發(fā)電、戰(zhàn)車和機器人等控制領域，隨著機械設備自動化程 度的提高，旋轉編碼器保持比較高的增長。
[0003] 旋轉編碼器產品分為光電編碼器和機電編碼器，光電編碼器的技術優(yōu)勢集中 在工業(yè)發(fā)達的歐美，當前世界上生產光電編碼器的主要廠家有；Heidenhain、Tamagawa、 Nemicon、P+F、化heng、Baumer、Itep、Dan址er、Koyo、Omron 等。機電編碼器的技術優(yōu)勢集 中在日本，主要廠家多摩川、光洋等，擁有電機和解碼電路，在汽車、電梯、伺服控制領域占 據重要地位。但發(fā)達國家自動化市場的發(fā)展已經非常成熟，旋轉編碼器產品的市場增長率 不會很大，而發(fā)展中國家的工業(yè)自動化的可發(fā)展性要比發(fā)達國家高很多，旋轉編碼器產品 的增長市場主要集中在發(fā)展國家。
[0004] 機電編碼器采用旋轉變壓器作為位置傳感器，旋轉變壓器是一種電感性精密角度 測量元件，具有精度高、輸出信號大、抗干擾能力強和環(huán)境適應性好等特點，因此采用旋轉 變壓器作為角度測量元件的機電編碼器，能適應任何環(huán)境的使用要求。目前機電編碼器主 要采用分體方式，即旋轉變壓器、解碼電路和激磁電源，體積比較大，價格比較昂貴，主要應 用于車載、機載、橋梁和石油勘探等比較惡劣的環(huán)境。隨著控制技術的發(fā)展，用戶已不再滿 足于機電編碼器僅能將物理的旋轉信號轉換為電信號，還要求機電編碼器集成度更高，對 機電編碼器的小型化提出了要求。目前出現(xiàn)了一體化機電編碼器，但由于采用有刷旋轉變 壓器，轉子電信號通過轉子的滑環(huán)和定子的電刷接觸而引入，由于有刷結構存在，使一體化 編碼器存在使用壽命短，可靠性差；一體化機電編碼器采用單速旋轉變壓器，分辨率為12 位，轉換精度為22'，分辨率和轉換精度都比較低。
[0005] 現(xiàn)有技術的缺陷極大地限制一體化機電編碼器的應用范圍。
【發(fā)明內容】
[0006] 本發(fā)明所要解決的技術問題是針對現(xiàn)有技術的不足，提出了一種基于無刷多極 旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，它用環(huán)形禪合變壓器替代電刷和滑環(huán)，使轉子部分 與定子部分無機械接觸和電氣接觸，提高了機電編碼器的使用壽命和可靠性。采用多極旋 轉變壓器作為檢測元件，通過R/D轉換技術和粗精組合與糾錯技術，提高機電編碼器的分 辨率和轉換精度。
[0007] 本發(fā)明所要解決的技術問題是通過W下的技術方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種基 于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是：該編碼器的激磁電源由數字 頻率直接合成，位置傳感器采用無刷多極旋轉變壓器，通過R/D轉換器和信號處理電路，把 機械位置信號轉換成數字信號；激磁電源由微處理器、D/A轉換器、濾波器和功率放大器產 生，為系統(tǒng)提供激磁信號；無刷多極旋轉變壓器采用速比1:16?64,通過轉動軸角，粗機和 精機同時感應旋轉變壓器信號，極對數為1的旋轉變壓器稱為粗機，極對極為16?64的旋 轉變壓器稱為精機，通過粗機和精機兩路R/D轉換器，粗機旋轉變壓器信號轉換成10位數 字信號，精機旋轉變壓器信號轉換成12位數字信號，粗機和精機數字信號通過微處理器進 行數據組合與糾錯，組合為16?22位數字信號，轉換精度為5"?50"，通過隔離CAN總 線與外界進行通訊，系統(tǒng)電源采用+10?+30V供電。
[0008] 本發(fā)明所要解決的技術問題還可W通過W下的技術方法來進一步實現(xiàn)，W上所 述是基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是，該編碼器采用標準 4) 58mm外殼設計，為實也軸結構。
[0009] 本發(fā)明所要解決的技術問題還可W通過W下的技術方法來進一步實現(xiàn)，W上所述 是基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是，所述的無刷多極旋轉變 壓器采用環(huán)行隔離變壓器，把激磁信號從定子禪合到轉子，取代一般旋轉編碼器中電刷和 滑環(huán)結構，省缺了電刷與滑環(huán)的電接觸和機械接觸；多極旋轉變壓器把兩個極對數不等的 旋轉變壓器合在一起，多極旋轉變壓器定、轉子繞組均采用同也式正弦繞組，定子和轉子之 間的空氣間隙均勻。
[0010] 本發(fā)明所要解決的技術問題還可W通過W下的技術方法來進一步實現(xiàn)，W上所 述是基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是，激磁電源由數字頻率 合成電路產生，微處理器采用查表的方式產生數字正弦波，通過D/A轉換器，轉換成模擬信 號，經過濾波器和功率放大器，輸出激磁信號。
[0011] 本發(fā)明所要解決的技術問題還可W通過W下的技術方法來進一步實現(xiàn)，W上所述 是基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是，微處理器通過CAN總線 進行數據的傳輸，微處理器完成循環(huán)模式和同步模式等CAN總線工作模式設置，W及地址、 波特率、分辨率、位置預置、計數方向和終端電阻調整等CAN總線可編程參數設置。
[0012] 本發(fā)明所要解決的技術問題還可W通過W下的技術方法來進一步實現(xiàn)，W上所述 是基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特點是：采用+10V?+30V寬電源 供電，通過DC/DC電源，輸出巧V直流電源。二極管V7為DC/DC電源整流器，電容C3、C4為 DC/DC電源輸入電壓濾波，電感L1與電容C3、C4為DC/DC電源輸出電壓濾波，V5為瞬態(tài)擬 制二極管，提高DC/DC電源的防靜電和電磁兼容的保護能力，V6為整流二極管，可W隔離輸 入電壓紋波或躁聲，同時V6具有隔離作用，提高了 DC/DC電源的閉環(huán)穩(wěn)定性，與二極管V3、 V4 -起防止輸入電源反相時損壞DC/DC電源，電阻R5、R6對輸入電源進行分壓，為旋轉變 壓器機殼提供電源，電容C3與C4對機殼電源濾波。
[0013] 下面對本發(fā)明技術方案進行具體的闡述。
[0014] 1. 1無刷多極旋轉變壓器 無刷多極旋轉變壓器是一種輸出電壓隨轉子轉角按一定的函數關系變化的精密信號 元件，其電路圖如圖2所示。環(huán)型禪合變壓器原邊和副邊鐵也及線圈均成環(huán)型，分別固定于 無刷多極旋轉變壓器的轉軸和殼體上，通過環(huán)型禪合變壓器的禪合，把激磁信號從定子禪 合到轉子，取代一般旋轉編碼器中電刷和滑環(huán)結構，省缺了電刷與滑環(huán)的電接觸和機械接 觸。多極旋轉變壓器把兩個極對數不等的旋轉變壓器合在一起，極對數為1旋轉變壓器稱 為粗機，極對數為16的旋轉變壓器稱為精機，為了保證電氣精度，多極旋轉變壓器定、轉子 繞組均采用同也式正弦繞組，沖片材料采用冷社無取向娃鋼片，定子和轉子之間的空氣間 隙均勻。為了進一步提高旋轉編碼器的分辨率和轉換精度，多極旋轉變壓器可W把速比提 高到1:64,即粗機旋轉變壓器的極對數為1，精機旋轉變壓器的極對數達到64。
[0015] 當環(huán)型禪合變壓器定子繞組通W正弦交流電勵磁后，環(huán)型禪合變壓器轉子繞組中 就會感應出電動勢，所W在環(huán)型禪合變壓器和多極旋轉變壓器的轉子繞組一起構成的閉合 電路中產生交變電流，安放在多極旋轉變壓器定子鐵也中的粗機和精機兩相輸出繞組產生 感應電勢。
[0016] 激磁繞組RH、化中的輸入電壓為巧把-化=扔sin wf，在粗機和精機的定子 繞組中分別產生感應電壓，其電壓大小分別與轉子轉角0的正、余弦成比例，則粗機、精機 的兩相繞組輸出信號電壓與轉子轉角0的關系函數為：
【權利要求】
1. 一種基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特征在于：該編碼器的 激磁電源由數字頻率直接合成，位置傳感器采用無刷多極旋轉變壓器，通過R/D轉換器和 信號處理電路，把機械位置信號轉換成數字信號；激磁電源由微處理器、D/A轉換器、濾波 器和功率放大器產生，為系統(tǒng)提供激磁信號；無刷多極旋轉變壓器采用速比1:16?64,通 過轉動軸角，粗機和精機同時感應旋轉變壓器信號，極對數為1的旋轉變壓器稱為粗機，極 對極為16?64的旋轉變壓器稱為精機，通過粗機和精機兩路R/D轉換器，粗機旋轉變壓 器信號轉換成10位數字信號，精機旋轉變壓器信號轉換成12位數字信號，粗機和精機數 字信號通過微處理器進行數據組合與糾錯，組合為16?22位數字信號，轉換精度為5"? 50"，通過隔離CAN總線與外界進行通訊，系統(tǒng)電源采用+10?+30V供電。
2. 根據權利要求1所述的基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特征 在于：該編碼器米用標準小58mm外殼設計，為實心軸結構。
3. 根據權利要求1所述的基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼器，其特征 在于：所述的無刷多極旋轉變壓器采用環(huán)行隔離變壓器，把激磁信號從定子耦合到轉子，取 代一般旋轉編碼器中電刷和滑環(huán)結構，省缺了電刷與滑環(huán)的電接觸和機械接觸；多極旋轉 變壓器把兩個極對數不等的旋轉變壓器合在一起，多極旋轉變壓器定、轉子繞組均采用同 心式正弦繞組，定子和轉子之間的空氣間隙均勻。
4. 根據權利要求1或2或3所述的基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼 器，其特征在于：激磁電源由數字頻率合成電路產生，微處理器采用查表的方式產生數字正 弦波，通過D/A轉換器，轉換成模擬信號，經過濾波器和功率放大器，輸出激磁信號。
5. 根據權利要求1或2或3所述的基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋 轉編碼器，其特征在于：微處理器通過CAN總線進行數據的傳輸，微處理器完成循環(huán)模 式和同步模式等CAN總線工作模式設置，以及地址、波特率、分辨率、位置預置、計數方向和 終端電阻調整等CAN總線可編程參數設置。
6. 根據權利要求1或2或3所述的基于無刷多極旋轉變壓器的單圈絕對式旋轉編碼 器，其特征在于：采用+10V?+30V寬電源供電，通過DC/DC電源，輸出+5V直流電源；二極 管V7為DC/DC電源整流器，電容C3、C4為DC/DC電源輸入電壓濾波，電感L1與電容C3、C4 為DC/DC電源輸出電壓濾波，V5為瞬態(tài)擬制二極管，提高DC/DC電源的防靜電和電磁兼容的 保護能力，V6為整流二極管，隔離輸入電壓紋波或躁聲，同時V6具有隔離作用，提高了 DC/ DC電源的閉環(huán)穩(wěn)定性，與二極管V3、V4-起防止輸入電源反相時損壞DC/DC電源，電阻R5、 R6對輸入電源進行分壓，為旋轉變壓器機殼提供電源，電容C3與C4對機殼電源濾波。
【文檔編號】G01D5/249GK104501841SQ201410656862
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】高文政, 韓彬, 徐磊, 石洪 申請人:連云港杰瑞電子有限公司