CN113447050A - 码盘组件、编码器和伺服电机 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种码盘组件、编码器和伺服电机。该码盘组件包括码盘，用于光电编码器中；所述码盘上设有码道；所述码道包括螺旋线结构，所述螺旋线结构能向所述光电编码器中光敏件提供位置信息。本申请采用在码盘上设置螺旋线，对光电信息进行编码，可以根据码盘尺寸灵活变化，可以有效地缩小码盘尺寸，提高了光电编码器的适用性，拓展其应用场合，尤其是可用于超小尺寸电机。

Description

码盘组件、编码器和伺服电机

技术领域

本申请属于电机技术领域，具体涉及一种码盘组件、编码器和伺服电机。

背景技术

在自动化产业不断发展的趋势下，伺服电机作为自动化产业的驱动力，将运用于机床、机器人、非标自动化产品等各个领域。编码器是一种角度、速度传感器，是伺服电机控制的重要一环。

绝对式光电编码器是直接输出数字量的传感器，在圆形码盘上沿径向有若干同心码道，每条道上有透光和不透光的扇形区域相间组成，相邻码道的扇区数目是双倍关系，码盘上的码道数就是它的二进制数码的位数，在码盘的一侧是光源，另一侧对应每一码道有一光敏元件，当码盘处于不同位置时，各光敏元件根据受光照与否转换出相应的电平信号，形成二进制数。

目前，绝对式编码器是利用自然二进制或循环二进制(格雷码)方式进行光电转换的，如图5所示。码盘随着分辨率不断扩大，小电机无法安装合适编码器，适用场合受到限制，采集信息量逐渐增多，运算量增大，信息转换速度也受到限制。

发明内容

因此，本申请提供一种码盘组件、编码器和伺服电机，能够解决现有技术中码盘随着分辨率不断扩大，小电机无法安装合适编码器的问题。

为了解决上述问题，本申请提供一种码盘组件，包括：

码盘，用于光电编码器中；所述码盘上设有码道；

所述码道包括螺旋线结构，所述螺旋线结构能向所述光电编码器中光敏件提供位置信息。

可选地，所述螺旋线结构包括阿基米德螺线。

可选地，所述螺旋线结构包括两条有相同起点的阿基米德螺线及两者之间的区域。

可选地，所述阿基米德螺线定义为：x(t)＝(α+β*t)*(cos(t))，y(t)＝(α+β*t)*(sin(t))；其中t为螺线旋转的角度，α为螺线起点距离码盘圆心的距离，β为螺线扩散的疏密程度；

两条所述阿基米德螺线的β值分别为：β₁、β₂，0＜β₁＜β₂＜0.01。

可选地，所述螺旋线结构的旋转角度为720°。

可选地，所述位置信息包括所述螺旋线结构上同一径向上点的极坐标位置信息。

根据本申请的另一方面，提供了一种编码器，包括如上所述的码盘组件。

可选地，所述编码器还包括有发光件和光敏件，所述发光件设在所述码盘的一侧，所述光敏件设在所述码盘的另一侧；所述发光件照射所述码盘，所述光敏件通过扫描所述码盘，获得至少两个位置信息。

可选地，所述编码器还包括有存储器和处理器，所述存储器预存有所述码盘的位置信息，所述处理器对所述光敏件获取的位置信息，与所述存储器中预存的位置信息，进行比对和运算，确定所述码盘的旋转信息。

根据本申请的再一方面，提供了一种伺服电机，包括如上所述的码盘组件或如上所述的编码器。

本申请提供的一种码盘组件，包括：码盘，用于光电编码器中；所述码盘上设有码道；所述码道包括螺旋线结构，所述螺旋线结构能向所述光电编码器中光敏件提供位置信息。

本申请采用在码盘上设置螺旋线，对光电信息进行编码，可以根据码盘尺寸灵活变化，可以有效地缩小码盘尺寸，提高了光电编码器的适用性，拓展其应用场合，尤其是可用于超小尺寸电机。

附图说明

图1为本申请实施例的编码器的结构示意图；

图2为本申请实施例的编码器的信号流程图；

图3为本申请实施例的码盘的结构示意图；

图4为本申请实施例的码盘的另一结构示意图；

图5为传统码盘的结构示意图。

附图标记表示为：

1、发光件；2、光敏件；3、支架及其电路；4、轴套；5、旋转轴；6、内六角螺钉；7、码盘；71、阿基米德螺线；72、螺旋线区域；8、螺钉。

具体实施方式

结合参见图1至图4所示，根据本申请的实施例，一种码盘组件，包括：

码盘7，用于光电编码器中；所述码盘7上设有码道；

所述码道包括螺旋线结构，所述螺旋线结构能向所述光电编码器中光敏件2提供位置信息。

本申请对码盘7上的码道进行改造，采用螺旋线结构来对光电信息进行编码，即印刷图案为螺旋线结构，这样可以根据码盘7尺寸灵活变化，尤其用在超小尺寸电机时，本码盘组件可以有效缩小码盘7尺寸，提高了绝对式光电编码器的适用性，拓展其应用场合。

另外，基于螺旋线式码道，在光电编码器中应用时，提供给光敏件2的是螺旋线上点的位置信息，比如极坐标信息，利用在码盘7上的每一位置都具有唯一特征，光敏件2通过同时采集多个位置信息，提高了位置信息提取的准确度。

在一些实施例中，螺旋线结构包括阿基米德螺线71。

直接将码道设为阿基米德螺线71，便于准确计算，能准确快速判断光敏件2所获得的位置信息的准确性，提高信号转换速度，缩短编码器的运算时间。

在一些实施例中，螺旋线结构由两条有相同起点的阿基米德螺线71及其两者之间的区域构成。

为便于光敏件2检测的快捷性，可拓展螺旋线结构的宽度，比如由两条有相同起点的阿基米德螺线71及两者之间的区域构成螺旋线区域72，如图4所示，此时可取径向线段信息作为参考；或还可直接将单根阿基米德螺线71的线宽设为预设宽度。

在一些实施例中，阿基米德螺线71定义为：

x(t)＝(α+β*t)*(cos(t))，

y(t)＝(α+β*t)*(sin(t))；

其中t为螺线旋转的角度，α为螺线起点距离码盘7圆心的距离，β为螺线扩散的疏密程度；

螺线根据码盘7大小设计α、β值，如图3所示，码盘7每一半径上等距螺线穿过三次，光敏件2同时扫描到某一半径上不同点时，即可得到三个编码值λ_i、δ_i、ρ_i(λ_i、δ_i、ρ_i为某一确定角度θ所对应的极轴值)。

若两条所述阿基米德螺线71的β值分别为：β₁、β₂，0＜β₁＜β₂＜0.01，如图4所示，构成一条暗纹码道；优选的，螺旋线结构的旋转角度为720°。

使得直径方向同时有L_i、S_i两个长度值互相参考，确定旋转件某一时刻的唯一位置。光敏件2读取码盘编码长度信息L_i、S_i，处理单元将信息与存储器一中的信息进行对比运算，输出唯一位置θ。处理器对读取θ值进行运算，确定旋转件的旋转方向及转速。

在一些实施例中，位置信息包括所述螺旋线结构上同一径向上点的极坐标位置。

采用径向上极坐标的位置，包括角度和长度，方便计算出旋转方向和旋转角度大小，提高位置信息的准确度。

根据本申请的另一方面，提供了一种编码器，包括如上所述的码盘组件。

在一些实施例中，编码器还包括有发光件1和光敏件2，所述发光件1设在所述码盘7的一侧，所述光敏件2设在所述码盘7的另一侧；所述发光件1照射所述码盘7，所述光敏件2通过扫描所述码盘7，获得至少两个位置信息。

类似传统编码器的结构，将上述码盘组件中码盘7设在发光件1和光敏件2之间，当编码器运行时，码盘7随着旋转件工作，诸如发光二极管等发光件1发射平行光至码盘7，光敏件2感应码盘7的编码信息。

在一些实施例中，编码器还包括有存储器和处理器，所述存储器预存有所述码盘7的位置信息，所述处理器对所述光敏件2获取的位置信息，与所述存储器中预存的位置信息，进行比对和运算，确定所述码盘7的旋转信息。

如图1和2所示，编码器由发光二极管、码盘7、光敏件2、支架及其电路3、轴套4、内六角螺钉6、螺钉8、旋转轴5构成。轴套4与码盘7粘接在一起，用内六角螺钉6连接在旋转轴5上。光敏件2固定在支架及其电路3上，支架及其电路3通过螺钉8连接在平面板件上，起到密封、固定的作用。

当编码器运行时，码盘7随着旋转件工作，发光二极管发射平行光至码盘7，码盘7为透明材质制成，因此另一侧光敏件2会感应码盘7编码信息，经运算放大器差分放后，由处理单元对放大信息和存储器一中的位置信息进行对比、计算，并将计算结果发送至存储器二和输出接口电路。

处理器通过存储器一预存数值，来对比光敏件2所获得的信息，得到码盘7和旋转件某一时刻所经过的角度θ，确定旋转件的位置。其中，存储器中预存信息如表1所示；

1

2

3

…

i

…

N-2

N-1

N

1

λ<sub>1</sub>

λ<sub>2</sub>

λ<sub>3</sub>

…

λ<sub>i</sub>

…

λ<sub>N-2</sub>

λ<sub>N-1</sub>

λ<sub>N</sub>

2

δ<sub>1</sub>

δ<sub>2</sub>

δ<sub>3</sub>

…

δ<sub>i</sub>

…

δ<sub>N-2</sub>

δ<sub>N-1</sub>

δ<sub>N</sub>

3

ρ<sub>1</sub>

ρ<sub>2</sub>

ρ<sub>3</sub>

…

ρ<sub>i</sub>

…

ρ<sub>N-2</sub>

ρ<sub>N-1</sub>

ρ<sub>N</sub>

θ

θ<sub>1</sub>

θ<sub>2</sub>

θ<sub>3</sub>

…

θ<sub>i</sub>

…

θ<sub>N-2</sub>

θ<sub>N-1</sub>

θ<sub>N</sub>

处理器对已读角度数据进行运算，若当编码器适用最高转速为6500r/min时，存储器一中θ值由0-360°循环一次用时9ms，每0.25μs读取一个θ值并对其进行运算，当θ_i+1-θ_i＞0时，判定旋转件为正转；当θ_i+1-θ_i＜0时，判定旋转件为反转。

同时，处理单元对θ扫描周期进行计时，每当θ由0-360°循环一次，则触发处理单元计时加1s，从而得到旋转件转速。

本申请利用阿基米德螺线的形成特性及光敏件采集编码信息的简化，编码器码盘不再受到尺寸限制，提高了光电编码器的适用性；通过简化采集信息，有效简化运算方法，缩短了运算时间，提高了信号转换速度；码盘上同一采集位置采用多个参数对照，提高了位置信息提取的准确度。

根据本申请的再一方面，提供了一种伺服电机，包括如上所述的码盘组件或如上所述的编码器。

本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各实施方式可以自由地组合、叠加。

以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种码盘组件，其特征在于，包括：

码盘(7)，用于光电编码器中；所述码盘(7)上设有码道；

所述码道包括螺旋线结构，所述螺旋线结构能向所述光电编码器中光敏件(2)提供位置信息。

2.根据权利要求1所述的码盘组件，其特征在于，所述螺旋线结构包括阿基米德螺线(71)。

3.根据权利要求1或2所述的码盘组件，其特征在于，所述螺旋线结构包括两条有相同起点的阿基米德螺线(71)及两者之间的区域。

4.根据权利要求3所述的码盘组件，其特征在于，所述阿基米德螺线(71)定义为：x(t)＝(α+β*t)*(cos(t))，y(t)＝(α+β*t)*(sin(t))；其中t为螺线旋转的角度，α为螺线起点距离码盘(7)圆心的距离，β为螺线扩散的疏密程度；

两条所述阿基米德螺线(71)的β值分别为：β₁、β₂，0＜β₁＜β₂＜0.01。

5.根据权利要求1-4任一项所述的码盘组件，其特征在于，所述螺旋线结构的旋转角度为720°。

6.根据权利要求1所述的码盘组件，其特征在于，所述位置信息包括所述螺旋线结构上同一径向上点的极坐标位置信息。

7.一种编码器，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的码盘组件。

8.根据权利要求7所述的编码器，其特征在于，所述编码器还包括有发光件(1)和光敏件(2)，所述发光件(1)设在所述码盘(7)的一侧，所述光敏件(2)设在所述码盘(7)的另一侧；所述发光件(1)照射所述码盘(7)，所述光敏件(2)通过扫描所述码盘(7)，获得至少两个位置信息。

9.根据权利要求8所述的编码器，其特征在于，所述编码器还包括有存储器和处理器，所述存储器预存有所述码盘(7)的预存位置信息，所述处理器对所述光敏件(2)获取的位置信息，与所述预存位置信息进行比对和运算，确定所述码盘(7)的旋转信息。

10.一种伺服电机，其特征在于，包括如权利要求1-6任一项所述的码盘组件或如权利要求7-9任一项所述的编码器。

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