本發(fā)明涉及直線電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種直線電機(jī)磁軌編碼器、直線電機(jī)及其位置檢測方法。

背景技術(shù)：

直線電機(jī)是一種將電能直接轉(zhuǎn)換成直線運動機(jī)械能，而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)的傳動裝置。隨著科學(xué)技術(shù)不斷的發(fā)展，直線電機(jī)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在工業(yè)控制領(lǐng)域的各種設(shè)備，其中必不可少的位置反饋裝置一直是該領(lǐng)域研究的重點課題。目前常見的位置反饋裝置大多采用光柵尺或磁柵尺和相應(yīng)的讀數(shù)頭檢測方案。

采用光柵尺和光柵讀數(shù)頭的方案，主要的缺點有：（1）光柵尺1和光柵讀數(shù)頭2的安裝間隙公差很小，安裝困難，如圖1所示，光柵尺1的表面和光柵讀數(shù)頭2表面之間的安裝間隙公差a為0.8±0.1mm；（2）光柵尺1的厚度b本身已經(jīng)很薄，僅為0.2mm，其表面極易受油垢和灰塵的污染，導(dǎo)致計數(shù)錯誤；（3）光柵尺目前主要由國際三大品牌HEIDENHAIN，RENISHAW，MICROE所壟斷，成本很高。而采用磁柵尺和磁柵讀數(shù)頭的方案同樣存在許多缺點，如磁柵尺由于安裝位置離直線電機(jī)磁軌較近，安裝時容易被磁軌或其它磁性部件磁化而損壞；重復(fù)定位精度比光柵尺低，且運行時的噪音比較大等等。

因而現(xiàn)有技術(shù)還有待改進(jìn)和提高。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種直線電機(jī)磁軌編碼器、直線電機(jī)及其位置檢測方法，通過霍爾采樣電路采集動子在運動過程中的磁場信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過后續(xù)細(xì)分和差分信號轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案：

一種直線電機(jī)磁軌編碼器，包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動子在運動過程中產(chǎn)生的磁場信號，并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號的差分信號轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號轉(zhuǎn)換電路依次連接。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述霍爾采樣電路包括用于將所述磁場信號分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號和余弦電壓信號的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場周期，所述第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器均連接細(xì)分電路。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述PCB板上還設(shè)置有用于指示編碼器工作狀態(tài)的LED指示燈。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述殼體內(nèi)還設(shè)置有用于固定所述PCB板的固定件。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述殼體為用于電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼。

所述的直線電機(jī)磁軌編碼器中，所述差分信號轉(zhuǎn)換電路采用型號為AM26LS31的集成電路。

一種直線電機(jī)，包括定子磁軌和相對所述定子磁軌運動的動子，其還包括上所述的直線電機(jī)磁軌編碼器，所述直線電機(jī)磁軌編碼器固定于動子的一側(cè)。

所述的直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器的底面與定子磁軌的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm。

一種上所述的直線電機(jī)的位置檢測方法，其包括如下步驟：

直線電機(jī)磁軌編碼器隨著動子一起在定子磁軌上方運動，產(chǎn)生變化的動態(tài)磁場信號；

由霍爾采樣電路采集磁場信號并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號；

由細(xì)分電路將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號；

由差分信號轉(zhuǎn)換電路將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號并輸出至伺服驅(qū)動器。

所述的直線電機(jī)的位置檢測方法中，所述由霍爾采樣電路采集磁場信號并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號的步驟具體包括：

通過安裝間距為四分之一磁場周期的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器將所述磁場信號分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號和余弦電壓信號。

相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器、直線電機(jī)及其位置檢測方法中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動子在運動過程中產(chǎn)生的磁場信號，并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號的差分信號轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號轉(zhuǎn)換電路依次連接，通過霍爾采樣電路采集動子在運動過程中的磁場信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過后續(xù)細(xì)分和差分信號轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

附圖說明

圖1為現(xiàn)有技術(shù)中光柵尺和光柵讀數(shù)頭的安裝示意圖。

圖2為發(fā)明提供的直線電機(jī)的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為發(fā)明提供的直線電機(jī)的端面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器的立體結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中PCB板正面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中PCB板背面結(jié)構(gòu)示意圖。

圖7為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中PCB板上設(shè)置的電路的結(jié)構(gòu)框圖。

圖8為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中磁場強(qiáng)度與輸出電壓信號的關(guān)系圖。

圖9為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中將磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號的原理圖。

圖10為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中兩路相位差為90°的電壓信號的示意圖。

圖11為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號的示意圖。

圖12為發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器中根據(jù)兩路正交編碼器信號判斷運動方向的時序圖。

圖13為發(fā)明提供的直線電機(jī)的位置檢測方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器、直線電機(jī)及其位置檢測方法，通過霍爾采樣電路采集動子在運動過程中的磁場信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過后續(xù)細(xì)分和差分信號轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請參閱圖2、圖3和圖4，本發(fā)明提供的直線電機(jī)包括定子磁軌10和相對所述定子磁軌10運動的動子11，動子11通電是與定子磁軌10相互作用產(chǎn)生電磁推力，使動子11在定子磁軌10上作直線往復(fù)運動，其中所述直線電機(jī)還包括用于反饋位置信號的直線電機(jī)磁軌編碼器20，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20固定于動子11的一側(cè)，具體實施時可通過直線電機(jī)磁軌編碼器20上設(shè)置的螺絲孔201安裝固定螺絲，將所述直線電機(jī)磁軌編碼器20固定于動子11上，使得直線電機(jī)磁軌編碼器20與動子11整合在一起，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步地，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20的底面與定子磁軌10的頂面之間的安裝距離為5.5mm-6.5mm，即所述直線電機(jī)磁軌編碼器20的安裝公差為6±0.5mm，相比光柵尺或磁柵尺要寬松很多，更加方便安裝，提高安裝效率。

具體地，請一并參閱圖5、圖6和圖7，本發(fā)明提供的直線電機(jī)中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器20包括殼體21，在殼體21內(nèi)設(shè)置有PCB板22和用于固定所述PCB板22的固定件27，例如固定螺絲等等，所述PCB板22上設(shè)置有用于采集動子11在運動過程中產(chǎn)生的磁場信號，并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾采樣電路23；用于將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號的細(xì)分電路24；用于將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號的差分信號轉(zhuǎn)換電路25；所述霍爾采樣電路23、細(xì)分電路24和差分信號轉(zhuǎn)換電路25依次連接。本實施例中，所述差分信號轉(zhuǎn)換電路25采用型號為AM26LS31的集成電路，當(dāng)然也可采用其他具有相同功能的集成電路，本發(fā)明對此不作限定。

本發(fā)明通過將直線電機(jī)磁軌編碼器20與動子11整合在一起，隨著動子11一起作直線往復(fù)運動，在此過程中，霍爾采樣電路23采集運動過程中產(chǎn)生的磁場信號，并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號；之后將這兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分得到標(biāo)準(zhǔn)的位置反饋信號，即兩路正交編碼器A，B信號，為了進(jìn)一步提高信號的抗干擾能力，便于伺服驅(qū)動器接收位置反饋信號，本發(fā)明還將所述正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號輸出，確保位置反饋信號的抗干擾性和準(zhǔn)確性。

進(jìn)一步地，所述霍爾采樣電路23包括用于將所述磁場信號分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號和余弦電壓信號的第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距為四分之一磁場周期，所述第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232均連接細(xì)分電路24，即本發(fā)明通過采用兩個霍爾傳感器，且二者的安裝間距為四分之一磁場周期，例如磁場周期即定子磁軌10的磁極間距為24mm，則第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232的安裝間距即為6mm，保證第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232輸出的電壓信號之間的相位差為90°，以便后續(xù)得到標(biāo)準(zhǔn)的正交編碼器A，B信號。

優(yōu)選地，所述PCB板22上還設(shè)置有用于指示編碼器工作狀態(tài)的LED指示燈26，例如LED指示燈26亮表示直線電機(jī)磁軌編碼器20正在工作，而熄滅是表示不在工作，閃爍時表示此時存在故障等等，使用戶清晰的知道當(dāng)前直線電機(jī)磁軌編碼器20的工作狀態(tài)。

為了進(jìn)一步保障位置檢測的抗干擾性，所述殼體21優(yōu)選為用于電磁屏蔽的金屬屏蔽外殼，提高直線電機(jī)磁軌編碼器20的抗電磁干擾性。

以下結(jié)合圖8至圖12，對本發(fā)明提供的直線電機(jī)中直線電機(jī)磁軌編碼器20的檢測反饋過程進(jìn)行說明：

本發(fā)明通過兩個線性霍爾傳感器，即第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232將運動過程中的磁場信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，磁場強(qiáng)度與輸出電壓信號成正比關(guān)系，如圖8所示；當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20在磁軌定子上方運動時，動子11及直線電機(jī)磁軌編碼器20和定子磁軌10之間的相對運動，會產(chǎn)生按正余弦規(guī)律變化的動態(tài)磁場，如圖9中的（a）、（b）所示，由于霍爾傳感器的輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比關(guān)系，因此通過第一霍爾傳感器231和第二霍爾傳感器232可得到按正余弦規(guī)律變化的電壓波形圖，如圖9中的（c）。

由于本發(fā)明中兩個霍爾傳感器的安裝間距為四分之一磁場周期，即當(dāng)磁場周期為24mm時，兩個霍爾傳感器的安裝間距為6mm，當(dāng)然本發(fā)明并不僅限于24mm的磁場周期，可根據(jù)實際需要調(diào)節(jié)，磁場周期對應(yīng)的電角度為360°，所以，兩個霍爾傳感器輸出相位差為6/24*360=90°的正余弦電壓信號Vcos(φ)和Vsin(φ)，如圖10所示。

因為直線電機(jī)磁軌編碼器20在運動過程中，不同的位置感應(yīng)到的磁場強(qiáng)度不同，即磁場的強(qiáng)弱能夠反映直線電機(jī)磁軌編碼器20的位置信息，由于霍爾傳感器的輸出電壓與磁場強(qiáng)度成正比關(guān)系，所以電壓信號的幅度大小代表著直線電機(jī)磁軌編碼器20的實時位置，從而實現(xiàn)了位置的實時反饋。

進(jìn)一步地，在采集了電壓信號之后，通過細(xì)分電路24將上述兩路正余弦電壓信號，通過12位的AD轉(zhuǎn)換，將一個完整的電壓周期細(xì)分成2的12次方即4096等分，每個等分代表一個位置信息，例如一個周期的位置寬度為24mm，經(jīng)過4096倍細(xì)分后，可得到分辨率為24mm X 1000÷4096=5.859375um的位置數(shù)據(jù)，位置分辨率高，具體如圖11所示。

在細(xì)分電路24得到的兩路正交編碼器信號A,B后通過差分信號轉(zhuǎn)換電路25將其轉(zhuǎn)換成差分信號輸出，提高信號的抗干擾能力，以便伺服驅(qū)動器接收。

同時，本發(fā)明也可通過兩路正余弦電壓信號的相位超前之后關(guān)系來判斷直線電機(jī)的運動方向，如圖12所示，當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20正向運動時，A，B兩路信號的邏輯狀態(tài)的變化規(guī)律為10-11-01-00[圖12中的（a）]，以此循環(huán)；而當(dāng)直線電機(jī)磁軌編碼器20反向運動時，A，B兩路信號的邏輯狀態(tài)的變化規(guī)律為01-11-10-00[圖12中的（b）]，以此循環(huán)。即若當(dāng)A超前B定義為正方向運動，則A滯后B時為反方向運動，從而實現(xiàn)了運動方向的判斷。

本發(fā)明還相應(yīng)提供了一種直線電機(jī)磁軌編碼器，由于上文以對所述直線電機(jī)磁軌編碼器進(jìn)行了詳細(xì)描述，此處不作詳述。

本發(fā)明還相應(yīng)提供了一種直線電機(jī)的位置檢測方法，如圖13所示，所述直線電機(jī)的位置檢測方法包括如下步驟：

S100、直線電機(jī)磁軌編碼器隨著動子一起在定子磁軌上方運動，產(chǎn)生變化的動態(tài)磁場信號；

S200、由霍爾采樣電路采集磁場信號并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號；

S300、由細(xì)分電路將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號；

S400、由差分信號轉(zhuǎn)換電路將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號并輸出至伺服驅(qū)動器。

具體地，所述步驟S200具體包括：通過安裝間距為四分之一磁場周期的第一霍爾傳感器和第二霍爾傳感器將所述磁場信號分別轉(zhuǎn)換為正弦電壓信號和余弦電壓信號。具體請參閱上述裝置對應(yīng)的實施例。

綜上所述，本發(fā)明提供的直線電機(jī)磁軌編碼器、直線電機(jī)及其位置檢測方法中，所述直線電機(jī)磁軌編碼器包括殼體，在殼體內(nèi)設(shè)置有PCB板，其中，所述PCB板上設(shè)置有用于采集動子在運動過程中產(chǎn)生的磁場信號，并將所述磁場信號轉(zhuǎn)換為兩路相位差為90°的電壓信號的霍爾采樣電路；用于將兩路電壓信號進(jìn)行預(yù)設(shè)倍數(shù)細(xì)分，得到兩路正交編碼器信號的細(xì)分電路；用于將所述兩路正交編碼器信號轉(zhuǎn)換為差分信號的差分信號轉(zhuǎn)換電路；所述霍爾采樣電路、細(xì)分電路和差分信號轉(zhuǎn)換電路依次連接，通過霍爾采樣電路采集動子在運動過程中的磁場信號并轉(zhuǎn)換為電壓信號，經(jīng)過后續(xù)細(xì)分和差分信號轉(zhuǎn)換處理后可以得到精確的位置數(shù)據(jù)，且直接使用定子磁軌作為位置檢測的媒介，無需額外的光柵尺或磁柵尺，節(jié)約了成本。

可以理解的是，對本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案及其發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應(yīng)屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。