本發(fā)明涉及一種編碼器(Encoder)，尤其是涉及一種高速高精機(jī)床主軸、電主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電梯和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

編碼器是一種用來檢測角度、位置、速度和加速度的感測器，是把機(jī)械旋轉(zhuǎn)的角位移或直線位移進(jìn)行編制、轉(zhuǎn)換為可用于通訊、傳輸和存儲(chǔ)的電信號(hào)形式的設(shè)備，是機(jī)械與電子緊密結(jié)合的精密測量器件，廣泛應(yīng)用于電機(jī)、汽車、風(fēng)電、機(jī)器人等眾多領(lǐng)域。從測量功能上，編碼器可分為增量值編碼器(也叫增量型編碼器)和絕對(duì)值編碼器。從測量原理上，編碼器包括光電編碼器和磁感應(yīng)編碼器。

增量值編碼器用于提供當(dāng)前位置相對(duì)于前一位置的信息，不具有記憶當(dāng)前絕對(duì)位置的功能。當(dāng)機(jī)電設(shè)備斷電時(shí)，假若機(jī)械位置因外力移動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)而改變，導(dǎo)致位置產(chǎn)生偏移，而當(dāng)機(jī)電設(shè)備重新啟動(dòng)時(shí)，增量值編碼器將無法判斷當(dāng)前位置的信號(hào)與斷電前所記錄的位置信號(hào)是否相同，因而必須調(diào)整編碼器進(jìn)行回零的操作。絕對(duì)值編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。當(dāng)機(jī)電設(shè)備斷電后再復(fù)電時(shí)，絕對(duì)值編碼器能夠即時(shí)讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度或絕對(duì)位置。

在工業(yè)生產(chǎn)中，廣泛應(yīng)用的編碼器多為光電式，其工作原理是：LED光源和聚光鏡提供穩(wěn)定的光柵衍射條紋的光源；掃描掩膜和測量基準(zhǔn)的柵狀結(jié)構(gòu)相同或者相似，當(dāng)兩者狹縫對(duì)齊時(shí)有光線透過，兩者刻線對(duì)齊時(shí)光線無法通過，兩者相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)光電池感應(yīng)到的光強(qiáng)就發(fā)生強(qiáng)弱交替變化，這種交替變化是呈三角波形式，但是由于光柵的衍射效應(yīng)這種交替變化實(shí)際上呈正弦波形式。正余弦編碼信號(hào)指用兩路相位差為90度的正弦信號(hào)加載位置信息的編碼器信號(hào)。光電編碼器既可檢測角度位移，又可在機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置幫助下檢測直線位置，具有低慣量、低噪聲、高精度、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是對(duì)環(huán)境適應(yīng)性差，對(duì)于濕氣、塵埃、油污和溫度變化的抵抗能力較弱，實(shí)際應(yīng)用中需做密封處理；此外，光電編碼器光柵盤多為玻璃材質(zhì)，在繞軸高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，容易因軸振動(dòng)、沖擊等外部環(huán)境的影響，使得光柵盤碎裂。

當(dāng)光電編碼器在機(jī)床主軸上使用時(shí)，其第一位置反饋光電編碼器與第二位置反饋光電編碼器均不能直接和機(jī)床主軸連接，通常以同步輪、皮帶等機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)與機(jī)床主軸間接連接，其傳動(dòng)過程為：內(nèi)裝第一位置編碼器的主軸伺服電機(jī)帶動(dòng)皮帶運(yùn)動(dòng)，皮帶帶動(dòng)機(jī)床主軸運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主軸帶動(dòng)同步輪旋轉(zhuǎn)，同步輪帶動(dòng)第二位置編碼器旋轉(zhuǎn)，因而整個(gè)機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，導(dǎo)致伺服電機(jī)最高轉(zhuǎn)速較低。配套CNC數(shù)控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)精度要求不高的螺紋加工、剛性攻絲、主軸定向和刀庫換刀等功能。若長時(shí)間運(yùn)行，由于承受負(fù)荷較大，皮帶、同步帶的彈性變形、熱脹冷縮以及磨損等，使得數(shù)控機(jī)床整體加工精度會(huì)越變?cè)讲睢?/p>

當(dāng)機(jī)床主軸對(duì)定位精度要求較高時(shí)，第一位置反饋需要用到17位或更高分辨率的光電編碼器，第二位置反饋將用到磁阻、磁柵等高精度編碼器，同時(shí)第二位置反饋主軸編碼器和機(jī)床主軸要直連，以減小傳動(dòng)誤差。電主軸實(shí)現(xiàn)了主軸電機(jī)與機(jī)床主軸的一體化，將高精度編碼器與機(jī)床主軸直連，在減小傳動(dòng)裝置帶來的誤差同時(shí)，大幅提高了加工、定位精度，并且具有一系列優(yōu)良傳動(dòng)特性，是一種可滿足高速高精加工要求的理想傳動(dòng)方式。

對(duì)采用數(shù)字位置和速度控制技術(shù)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，高精度正余弦編碼器可提供1Vpp電平信號(hào)的正弦增量信號(hào)，信號(hào)質(zhì)量高從而在后續(xù)信號(hào)處理電路中進(jìn)行高倍頻插補(bǔ)細(xì)分成為可能。例如，若對(duì)每圈512個(gè)信號(hào)周期的旋轉(zhuǎn)編碼器在后續(xù)信號(hào)處理電路中進(jìn)行4096倍細(xì)分，就能在一圈內(nèi)產(chǎn)生2百萬個(gè)測量步距或線數(shù)，相當(dāng)于21位的分辨率。即使轉(zhuǎn)速達(dá)到24000轉(zhuǎn)/秒，信號(hào)到達(dá)控制系統(tǒng)輸入電路時(shí)的頻率也只有約200KHz。1Vpp的正弦增量信號(hào)由于輸出的頻譜成分比較單一，與方波相比可以傳輸較遠(yuǎn)的距離而不衰減或者畸變，允許的電纜長度可達(dá)150米。

除了光電編碼器，磁感應(yīng)編碼器也廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。磁感應(yīng)編碼器基于磁傳感器，而磁傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)和電子產(chǎn)品中，以感應(yīng)磁場強(qiáng)度及其分布來測量電流、位置、方向等物理參數(shù)。在現(xiàn)有技術(shù)中，有許多不同類型的傳感器用于測量磁場和其他參數(shù)，例如采用霍爾(Hall)元件、各向異性磁電阻(Anisotropic MagnetoResistance，AMR)元件、巨磁電阻(Gaint MagnetoResistance，GMR)元件、隧道磁電阻TMR(Tunnel MagnetoResistance)元件為測量敏感元件的磁傳感器。相比于其它磁性傳感元件，TMR元件具備微功耗、分辨率高、動(dòng)態(tài)范圍大、優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性和極高的靈敏度等優(yōu)點(diǎn)。

在高速、高精度、高動(dòng)態(tài)性能要求的伺服系統(tǒng)中，通常采用輸出正余弦信號(hào)的磁傳感器檢測元件，用于位置和速度反饋。其輸出信號(hào)包括周期性的正余弦(SINE、COSINE)正交差分信號(hào)，每旋轉(zhuǎn)一周也輸出一路參考零點(diǎn)(INDEX)差分信號(hào)，當(dāng)機(jī)電設(shè)備啟動(dòng)時(shí)，雖能經(jīng)過后續(xù)信號(hào)處理電路進(jìn)行高倍頻插補(bǔ)細(xì)分，但并不能即時(shí)讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)位值，直到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點(diǎn)信號(hào)后，才能得到當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的絕對(duì)位值。然而機(jī)床主軸、電主軸多數(shù)為同步電機(jī)，同步電機(jī)啟動(dòng)的時(shí)候需要知道轉(zhuǎn)子的磁極位置，才能夠大力矩啟動(dòng)伺服電機(jī)，這樣就需要絕對(duì)值編碼器來確切檢測轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位置。如果采用傳統(tǒng)脈沖串的方式傳輸信號(hào)，一方面隨著位置測量裝置分辨率和精度的提高，其輸出線數(shù)越來越大，在電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)情況下，對(duì)后續(xù)控制裝置接口要求較高，容易出現(xiàn)高頻部分傳輸誤計(jì)數(shù)，從而影響數(shù)控裝置反饋控制；另一方面，脈沖串輸出距離有限，容易受到工業(yè)環(huán)境的電磁干擾，不適應(yīng)于工業(yè)現(xiàn)場的高速傳輸。為了提高位置反饋精度和高速可靠地傳輸位置數(shù)據(jù)，在數(shù)控系統(tǒng)中，位置測量裝置與控制裝置之間采用數(shù)字串行總線式通信裝置，由控制端單元和測量端單元通過通信電纜連接構(gòu)成，與TTL電平和正余弦脈沖串方式相比，串行總線式傳輸方式提高了抗干擾能力，具有更高的可靠性和實(shí)時(shí)性，同時(shí)可選擇傳輸增量位置值或者絕對(duì)位置。

目前，磁感應(yīng)編碼器的安裝定位方式非常粗糙，讀取頭的定位基準(zhǔn)面是平面。在安裝時(shí)，利用定位工裝很難保證磁感應(yīng)讀取頭中心、量測齒輪、機(jī)床主軸安裝的同心度，同時(shí)，讀取頭的定位基準(zhǔn)面和量測齒輪圓周切面相互平行、讀取頭與量測齒輪之間的距離的保證也很困難，從而導(dǎo)致讀取頭實(shí)際安裝的精準(zhǔn)性和一致性很差，進(jìn)而大大降低了磁感應(yīng)編碼器的控制精度。

此外，磁感應(yīng)正余弦編碼器在工程應(yīng)用中，由于受到齒盤加工工藝、電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化、讀取頭磁感應(yīng)芯片的非線性等因素的影響，位置檢測元件磁感應(yīng)芯片輸出的正余弦信號(hào)常伴有直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差、諧波分量誤差、噪聲誤差等，這些誤差直接影響到伺服控制系統(tǒng)的精度和可靠性。如何對(duì)正余弦編碼器輸出的角位置信號(hào)誤差進(jìn)行有效的修正和補(bǔ)償，采用合適的插值方法從正余弦信號(hào)中提取出高分辨率的位置信息，以滿足伺服系統(tǒng)的高速度、高精度控制要求具有重要的研究和應(yīng)用價(jià)值。

于2016年3月9日公開的中國發(fā)明專利申請(qǐng)，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01511029653.3，公開號(hào)為CN105387879A，公布了大中心孔軸向充磁結(jié)構(gòu)的絕對(duì)位值磁編碼器，為一種磁環(huán)式編碼器，其中所采用的磁環(huán)式編碼盤是由鐵磁性物質(zhì)粉末和作為粘結(jié)劑用的塑性物質(zhì)通過注塑、壓鑄或鑄造等工藝加工成型的環(huán)狀結(jié)構(gòu)，受制于材料的均勻性，且磁化位置也難精準(zhǔn)控制，使得編碼盤上磁矩大小、強(qiáng)弱及均勻性較難進(jìn)一步得到提高，而且在工程應(yīng)用過程中，由于編碼盤上磁極暴露在外，容易吸附飛塵和細(xì)小鐵屑而給檢測帶來誤差。隨著電機(jī)加工溫度的上升，熱傳導(dǎo)的編碼盤溫度特性將是不得不考量的因素，編碼盤會(huì)有磁性衰減，造成波形精度惡化，近而影響加工精度。

于2015年4月29日公告的中國實(shí)用新型專利，專利申請(qǐng)?zhí)枮?01420861460.9，公告號(hào)為CN204301754U，公開了齒輪旋轉(zhuǎn)編碼器，其輸出信號(hào)分為A路、B路和Z路，以模擬信號(hào)或方波的形式輸出，并不具備總線式數(shù)據(jù)輸出能力；其感應(yīng)讀頭和齒輪之間的間隙為0.1至0.15mm，間隙太小，機(jī)械安裝要求過于苛刻，導(dǎo)致安裝調(diào)試耗費(fèi)大量工時(shí)；其內(nèi)部有程序處理芯片，需要通過電腦軟件調(diào)試信號(hào)參數(shù)，并將程序?qū)懭氤绦虼鎯?chǔ)器進(jìn)行保存，非智能操控，手動(dòng)調(diào)整十分繁瑣，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且產(chǎn)品一致性不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決現(xiàn)有技術(shù)中編碼器控制精度及可靠性較低的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種適用于高速高精機(jī)床主軸的磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器，該編碼器應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，對(duì)齒數(shù)相差1的雙磁道量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描，產(chǎn)生相應(yīng)個(gè)數(shù)的高可靠性正余弦正交差分信號(hào)，使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，對(duì)正余弦信號(hào)直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦信號(hào)的高精度插補(bǔ)細(xì)分，從而在編碼器系統(tǒng)內(nèi)部針對(duì)雙磁道量測齒輪的兩個(gè)軌跡分別生成相對(duì)于上電時(shí)刻的高線數(shù)角度相對(duì)位置值，并同時(shí)對(duì)兩個(gè)軌跡之間的相位及相位差進(jìn)行分析，因一個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)之內(nèi)相位及相位差是固定且有規(guī)律的，進(jìn)而編碼器系統(tǒng)能通過角度線數(shù)相對(duì)位置值計(jì)算出當(dāng)前角度絕對(duì)位置。本發(fā)明能夠在快速鉆孔、快速換刀及連續(xù)性攻牙等工況中，始終保持穩(wěn)定性的加工、定位，控制精度高，具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、易安裝且抗沖擊能力強(qiáng)的特點(diǎn)，在減少復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的同時(shí)，大幅提高了機(jī)床主軸的定位、重復(fù)定位精度，從而提升了數(shù)控機(jī)床的整體量測精度和加工效率。

本發(fā)明還提供高速高精機(jī)床主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器的專用量測齒輪。

本發(fā)明高速高精機(jī)床主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器，包括套裝在機(jī)床主軸、電主軸上且隨機(jī)床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)的量測齒輪、與量測齒輪配合使用的磁感應(yīng)讀取頭；所述量測齒輪為雙磁道量測齒輪，其內(nèi)圈主磁道齒數(shù)為Z，外圈游標(biāo)磁道齒數(shù)為Z‐1，且內(nèi)圈主磁道和外圈游標(biāo)磁道相互挫列布置；所述磁感應(yīng)讀取頭內(nèi)設(shè)有依次連接的磁感應(yīng)元器件、信號(hào)調(diào)理電路及FPGA插補(bǔ)細(xì)分電路，磁感應(yīng)元器件與量測齒輪圓周正相切安裝；所述磁感應(yīng)元器件對(duì)量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描所產(chǎn)生的Z和Z‐1個(gè)正余弦正交差分信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后，由FPGA插補(bǔ)細(xì)分電路對(duì)其直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正和補(bǔ)償，從而針對(duì)Z和Z‐1兩個(gè)軌跡分別生成相對(duì)于上電時(shí)刻的角度線數(shù)相對(duì)位置值，再依據(jù)Z和Z‐1兩個(gè)軌跡之間的固定且有規(guī)律的相位及相位差關(guān)系，計(jì)算出當(dāng)前角度線數(shù)絕對(duì)位置值。

本發(fā)明高速高精機(jī)床主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器的專用量測齒輪，包括相互挫列布置的內(nèi)圈主磁道和外圈游標(biāo)磁道，內(nèi)圈主磁道齒數(shù)為Z，外圈游標(biāo)磁道齒數(shù)為Z‐1。

優(yōu)選地，所述內(nèi)圈主磁道與外圈游標(biāo)磁道一體成型。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器上電即時(shí)讀取當(dāng)前轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度絕對(duì)位置，且檢測精度高并能進(jìn)行高速響應(yīng)。磁感應(yīng)讀取頭選用了高精度的傳感芯片，應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線工作原理，可以識(shí)別位于芯片正下方量測齒輪的角度位置，實(shí)現(xiàn)高精度，高可靠性檢測；使用FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)插補(bǔ)細(xì)分電路，對(duì)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的正余弦信號(hào)直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正和補(bǔ)償，并采用將誤差參數(shù)寫入FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件片內(nèi)FLASH ROM保存并調(diào)用的方式，進(jìn)行FPGA程序上電自動(dòng)重新校準(zhǔn)和對(duì)誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦信號(hào)的高精度插補(bǔ)細(xì)分，無需人工調(diào)試完全自動(dòng)化操作，極大的提升了生產(chǎn)效率，在提高編碼器的精度同時(shí)，也提高了抗干擾和高速的要求。

2、本發(fā)明用量測齒輪做編碼盤，相比于磁環(huán)式編碼盤具有更好的可塑性和均勻性，便于加工，尺寸精度更好控制，能滿足不同的應(yīng)用場合；更為重要的是，量測齒輪經(jīng)磁電阻傳感器產(chǎn)生的正余弦信號(hào)波形精度高，一致性好。

3、大口徑空心軸安裝，無需復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，不需要自帶任何軸承，也不需要任何的機(jī)械聯(lián)軸器，量測齒輪直接套裝在機(jī)床主軸、電主軸上且隨機(jī)床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)，在減小傳動(dòng)裝置帶來的誤差同時(shí)，大幅提高了加工、定位精度，解決了現(xiàn)有技術(shù)中光電編碼器高速旋轉(zhuǎn)對(duì)軸向竄動(dòng)和徑向跳動(dòng)敏感等問題，提高了編碼器對(duì)使用環(huán)境的適應(yīng)能力。

4、磁感應(yīng)編碼器機(jī)械結(jié)構(gòu)簡化堅(jiān)固，量測齒輪和磁感應(yīng)讀取頭之間采用非接觸、無磨損設(shè)計(jì)，直接傳動(dòng)機(jī)械誤差小，沒有機(jī)構(gòu)背隙問題，具有抗振動(dòng)、抗腐蝕、抗污染和寬工作溫度的特性，響應(yīng)速度快，能適應(yīng)高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于光電編碼器不能適應(yīng)的領(lǐng)域。

5、磁感應(yīng)讀取頭結(jié)構(gòu)新穎、設(shè)計(jì)堅(jiān)固、抗沖擊能力強(qiáng)、防護(hù)等級(jí)高，可達(dá)IP68，環(huán)境適應(yīng)性好，工作性能穩(wěn)定可靠、定位精準(zhǔn)、安裝容易且使用操作簡便。

6、磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器信號(hào)通過RS485或者RS422總線接口輸出，可兼容BISS、SSI等串行通信協(xié)議，并能在轉(zhuǎn)速達(dá)20000轉(zhuǎn)/分鐘及以上的條件下測定絕對(duì)位置。

附圖說明

圖1為本發(fā)明高速高精機(jī)床主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明量測齒輪的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明磁感應(yīng)讀取頭的電路原理框圖；

圖4為本發(fā)明FPGA差補(bǔ)細(xì)分電路的原理框圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合實(shí)施例和說明書附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的具體實(shí)施方式不限于此。

實(shí)施例

如圖1，本發(fā)明高速高精機(jī)床主軸磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器包括套裝在機(jī)床主軸、電主軸上且隨機(jī)床主軸、電主軸同步旋轉(zhuǎn)的鐵磁性量測齒輪1、與量測齒輪1配合使用的磁感應(yīng)讀取頭2。所述磁感應(yīng)讀取頭2位于量測齒輪1外側(cè)上方，磁感應(yīng)讀取頭的安裝側(cè)面26與量測齒輪的側(cè)面12處于同一平面，磁感應(yīng)讀取頭與量測齒輪之間的間隙為0.1mm至0.3mm。

如圖2，所述量測齒輪1為雙磁道量測齒輪，并帶有一個(gè)安裝在旋轉(zhuǎn)主軸上的中心孔11，其內(nèi)圈主磁道14的齒數(shù)為Z，外圈游標(biāo)磁道13的齒數(shù)為Z‐1，即內(nèi)圈主磁道14的齒數(shù)與外圈游標(biāo)磁道13的齒數(shù)相差1，內(nèi)圈主磁道齒數(shù)優(yōu)選100齒(Z＝100)，外圈游標(biāo)磁道齒數(shù)為99齒(Z‐1)，且內(nèi)圈主磁道和外圈游標(biāo)磁道相互挫列布置。量測齒輪1的雙磁道結(jié)構(gòu)是一體成型的，內(nèi)圈主磁道和外圈游標(biāo)磁道的圓周優(yōu)選等大。在正常應(yīng)用條件范圍內(nèi)，可以依據(jù)實(shí)際主軸或電機(jī)空間的情況對(duì)量測齒輪的外徑、厚度、內(nèi)孔尺寸和模數(shù)提出要求，量測齒輪的規(guī)格模數(shù)可為0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.8、1.0或2.0。

所述磁感應(yīng)讀取頭的電路部分封裝在金屬殼體21內(nèi)，如圖3，包括第一電路板22、磁鋼23、電連接件24、第二電路板25，第一電路板22上設(shè)置有配合磁鋼23對(duì)磁場強(qiáng)度變化情況進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測的磁感應(yīng)元器件；第二電路板25上設(shè)置有依次連接的信號(hào)調(diào)理電路、ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA(現(xiàn)場可編程邏輯器件)插補(bǔ)細(xì)分電路和輸入輸出接口電路，并從輸入輸出接口電路上引出輸入輸出接口端子，信號(hào)調(diào)理電路與磁感應(yīng)元器件電連接。磁感應(yīng)元器件產(chǎn)生正余弦正交差分信號(hào)，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路放大、濾波處理后，進(jìn)入ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的單端正余弦信號(hào)，最后由FPGA插補(bǔ)細(xì)分電路進(jìn)行處理。

所述磁感應(yīng)讀取頭的金屬殼體21采用銅合金或者鋁合金材質(zhì)，包括缸體27和扣裝在缸體27正上方的上蓋28，缸體27與上蓋28之間通過螺釘或固體膠進(jìn)行連接，并進(jìn)行電子灌封膠密封，磁感應(yīng)讀取頭的電路部分置于缸體與上蓋構(gòu)成的密封腔內(nèi)，其外側(cè)裝有金屬防水接頭與輸入輸出接口電路電連接，實(shí)現(xiàn)絕對(duì)值編碼器信號(hào)的輸出。量測齒輪與磁感應(yīng)讀取頭安裝時(shí)須注意方向，必須進(jìn)行上下對(duì)應(yīng)安裝，否則信號(hào)不良。安裝時(shí)，推薦使用標(biāo)準(zhǔn)厚度(如0.15毫米)的塞尺，既可精確保證磁感應(yīng)元器件和量測齒輪的安裝間距，又可獲得極佳的信號(hào)質(zhì)量。此外，在磁感應(yīng)讀取頭的金屬殼體21的底部設(shè)有便于安裝的對(duì)稱突起，對(duì)稱突起位于金屬殼體21底部的兩側(cè)，兩側(cè)的對(duì)稱突起高度一致，以實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)元器件和量測齒輪圓周正相切，即實(shí)現(xiàn)磁感應(yīng)元器件中心、量測齒輪、機(jī)床主軸安裝的同心度，然后通過螺釘將磁感應(yīng)讀取頭與讀取頭固定基體緊固連接，最后抽出塞尺或旋轉(zhuǎn)量測齒輪拿出塞尺。

所述磁感應(yīng)元器件為SMRE(Semiconductor MagnetoResistive Element)半導(dǎo)體磁電阻元件或TMR(Tunnel MagnetoResistance)隧道磁電阻傳感器。磁電阻傳感器芯片性能優(yōu)越，具有極高的磁場梯度靈敏度，可以檢測微小的磁場變化，輸出信號(hào)具有良好的溫度穩(wěn)定性，其采用推挽式惠斯通電橋設(shè)計(jì)，對(duì)外加磁場沿傳感器敏感方向的梯度值提供差分電壓輸出，并產(chǎn)生兩路具有精確相位差的正交電壓輸出信號(hào)，用以檢測量測齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的位置和方向。配合磁感應(yīng)編碼器定位安裝工藝和電路板焊接生產(chǎn)工藝，比如磁感應(yīng)芯片管腳焊盤的設(shè)計(jì)等，保證正余弦信號(hào)正交相位誤差在合理的限定范圍內(nèi)。

工作中，機(jī)床主軸、電主軸帶動(dòng)量測齒輪1旋轉(zhuǎn)，磁感應(yīng)讀取頭2第一電路板22上的磁感應(yīng)元器件配合磁鋼23，應(yīng)用齒輪感應(yīng)磁力線的工作原理，對(duì)雙磁道量測齒輪進(jìn)行非接觸式掃描，產(chǎn)生相應(yīng)個(gè)數(shù)(Z和(Z‐1))的高可靠性正余弦正交差分信號(hào)，通過電連接件24連通第二電路板25上的信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)信號(hào)進(jìn)行整形，濾除高頻雜波，使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，對(duì)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的正余弦信號(hào)直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正和補(bǔ)償，并將誤差參數(shù)寫入FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件片內(nèi)FLASH ROM保存并上電調(diào)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦信號(hào)的高精度插補(bǔ)細(xì)分，從而在編碼器系統(tǒng)內(nèi)部針對(duì)Z和(Z‐1)兩個(gè)軌跡分別生成相對(duì)于上電時(shí)刻的高線數(shù)角度相對(duì)位置值，并同時(shí)對(duì)Z和(Z‐1)這兩個(gè)軌跡之間的相位及相位差進(jìn)行分析，因一個(gè)轉(zhuǎn)數(shù)之內(nèi)相位及相位差是固定且有規(guī)律的，進(jìn)而編碼器系統(tǒng)通過角度線數(shù)相對(duì)位置值計(jì)算出當(dāng)前角度絕對(duì)位置。

本發(fā)明使用FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件，對(duì)ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣的正余弦信號(hào)直流偏置誤差、幅值誤差和正交相位誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)的修正和補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)對(duì)正余弦信號(hào)的高精度插補(bǔ)細(xì)分，原理如圖4所示，包括直流偏置誤差補(bǔ)償模塊、幅值誤差補(bǔ)償模塊、正余弦信號(hào)最值模塊、存儲(chǔ)模塊、乘法倍頻模塊、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算模塊及轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，直流偏置誤差補(bǔ)償模塊、幅值誤差補(bǔ)償模塊、乘法倍頻模塊、坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算模塊及轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊依次連接，正余弦信號(hào)最值模塊分別與直流偏置誤差補(bǔ)償模塊、幅值誤差補(bǔ)償模塊、存儲(chǔ)模塊連接，存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)直流偏置誤差補(bǔ)償模塊、幅值誤差補(bǔ)償模塊、正余弦信號(hào)最值模塊的運(yùn)算結(jié)果。乘法倍頻模塊包括正余弦信號(hào)乘法模塊、正余弦信號(hào)移相模塊、調(diào)整電路模塊，其中正余弦信號(hào)乘法模塊設(shè)有兩個(gè)，一個(gè)正余弦信號(hào)乘法模塊的輸入端與幅值誤差補(bǔ)償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接；另一個(gè)正余弦信號(hào)乘法模塊的輸入端通過正余弦信號(hào)移相模塊與幅值誤差補(bǔ)償模塊連接，輸出端與調(diào)整電路模塊連接，調(diào)整電路模塊與坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算模塊連接。

磁感應(yīng)元器件輸出的正余弦正交差分信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路，對(duì)正交差分信號(hào)進(jìn)行放大、整形處理，并濾除高頻雜波和偶次諧波。使用ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路對(duì)正弦波信號(hào)和余弦波信號(hào)進(jìn)行高速實(shí)時(shí)同步采集，并由FPGA進(jìn)行數(shù)字濾波，濾波方法為：連續(xù)采集八次數(shù)據(jù)，去除最大的兩個(gè)采樣值、最小的兩個(gè)采樣值，取余下四個(gè)采樣值的平均值做為當(dāng)前波形采樣值。采用此種數(shù)字濾波方法，很好的去除了采樣數(shù)據(jù)的抖動(dòng)、跳變和干擾。

由于受到量測齒輪加工工藝、電源波動(dòng)、環(huán)境溫度變化等因素影響，單周期正余弦信號(hào)的采樣最大值和最小值每時(shí)每刻都會(huì)有數(shù)據(jù)抖動(dòng)，量測齒輪旋轉(zhuǎn)一圈采樣的正余弦信號(hào)的最大值和最小值每時(shí)每刻也都會(huì)有數(shù)據(jù)抖動(dòng)，為了平滑數(shù)據(jù)抖動(dòng)帶來的細(xì)分誤差，采取如下方法進(jìn)行處理：電機(jī)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)經(jīng)過參考零點(diǎn)信號(hào)后，啟動(dòng)正余弦信號(hào)最值模塊，電機(jī)轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一圈經(jīng)過參考零點(diǎn)信號(hào)，記數(shù)正弦信號(hào)一個(gè)最大值、一個(gè)最小值，余弦信號(hào)一個(gè)最大值、一個(gè)最小值，連續(xù)計(jì)數(shù)八個(gè)周期，采樣得到八個(gè)正弦信號(hào)最大值、最小值，八個(gè)余弦信號(hào)最大值、最小值；去除最大的兩個(gè)采樣值、最小的兩個(gè)采樣值，取余下四個(gè)采樣值的平均值做為正余弦信號(hào)的采樣最大值和最小值。

在直流偏置誤差補(bǔ)償模塊和幅值誤差補(bǔ)償模塊中運(yùn)行如下公式，推導(dǎo)出直流偏置誤差和幅值誤差；

SIN(θ+)＝VCC/2+offset_A+Ksin(θ+α)； 〈1〉

SIN(θ-)＝VCC/2+offset_B-Lsin(θ+α)； 〈2〉

SIN(θ)＝SIN(θ+)-SIN(θ-)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(θ+α)； 〈3〉

COS(θ+)＝VCC/2+offset_C+Mcos(θ+β)； 〈4〉

COS(θ-)＝VCC/2+offset_D-Ncos(θ+β)； 〈5〉

COS(θ)＝COS(θ+)-COS(θ-)＝offset_C-offset_D+(M+N)cos(θ+β)； 〈6〉

其中，SIN(θ+)、SIN(θ-)、COS(θ+)、COS(θ-)為磁感應(yīng)元器件輸出正余弦信號(hào)的差分信號(hào)，SIN(θ)、COS(θ)為經(jīng)過信號(hào)調(diào)理電路后得到的正余弦信號(hào)。offset_A、offset_C為正余弦正差分信號(hào)的直流偏差量，offset_B、offset_D為正余弦負(fù)差分信號(hào)的直流偏差量，K、M為正余弦正差分信號(hào)的幅值偏差系數(shù)，L、N為正余弦負(fù)差分信號(hào)的幅值偏差系數(shù)，α、β為正余弦信號(hào)相位偏差。由正余弦信號(hào)的最大值、最小值可知：

SIN(90°)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(90°)； 〈7〉

SIN(270°)＝offset_A-offset_B+(K+L)sin(270°)； 〈8〉

SIN(90°)+SIN(270°)＝2(offset_A-offset_B)； 〈9〉

SIN(90°)-SIN(270°)＝2(K+L)； 〈10〉

offset_A-offset_B＝(SIN(90°)+SIN(270°))/2； 〈11〉

K+L＝(SIN(90°)-SIN(270°))/2； 〈12〉

得到正弦信號(hào)的采樣最大值和最小值，即可得出正弦信號(hào)的直流偏置誤差和幅值誤差，同理，也可得出余弦信號(hào)的直流偏置誤差和幅值誤差。

由經(jīng)過數(shù)字濾波處理的當(dāng)前任意位置時(shí)刻波形采樣值減去直流偏置誤差，即可得到包含幅值誤差和正交相位誤差的正余弦信號(hào)：

SIN(θ)-(offset_A-offset_B)＝(K+L)sin(θ+α)

COS(θ)-(offset_C-offset_D)＝(M+N)cos(θ+β)

兩邊同時(shí)乘以幅值偏差系數(shù)，得到公式：

(M+N)(SIN(θ)-(offset_A-offset_B))＝(M+N)(K+L)sin(θ+α)

(K+L)(COS(θ)-(offset_C-offset_D))＝(K+L)(M+N)cos(θ+β)

得到消除直流偏置誤差與幅值誤差的兩路正余弦信號(hào)，如果兩式相除求反正切函數(shù)，即可得到只包含正交相位誤差的正余弦信號(hào)角度位置值。

對(duì)正余弦信號(hào)的采樣最大值、最小值進(jìn)行上述運(yùn)算，得到直流偏置誤差值和幅值誤差值，寫入FPGA片內(nèi)FLASH ROM(即存儲(chǔ)模塊)保存，并在下次上電后自動(dòng)調(diào)入，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)磁感應(yīng)元器件產(chǎn)生的正余弦信號(hào)誤差的實(shí)時(shí)修正與補(bǔ)償。如果誤差偏差閾值大于某一設(shè)定值，比如磁感應(yīng)讀取頭重新安裝等情況影響，則FPGA程序自動(dòng)重新校準(zhǔn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。

利用乘法倍頻技術(shù)對(duì)已消除了直流偏置誤差和幅值誤差的正余弦信號(hào)進(jìn)行修正，即通過移相、乘法倍頻可將正交相位誤差轉(zhuǎn)變成直流偏置誤差和幅值誤差，經(jīng)后級(jí)調(diào)整電路模塊去除直流偏置誤差及調(diào)整幅值后，用二倍頻的兩路高質(zhì)量的正余弦信號(hào)作為原始信號(hào)，在坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算模塊內(nèi)，再進(jìn)行插補(bǔ)細(xì)分，既能提高細(xì)分精度，又可降低對(duì)正余弦信號(hào)的正交性要求。坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算模塊基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)數(shù)字計(jì)算(CORDIC)算法，計(jì)算反正切，求取相位值，得出轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度當(dāng)前位置值，即雙磁道量測齒輪Z和Z‐1兩個(gè)軌跡的相對(duì)于上電時(shí)刻的轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度的相對(duì)位置值。角度線數(shù)相對(duì)位置值送入轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊，由轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)角度生成模塊依據(jù)Z和Z‐1兩個(gè)軌跡之間的固定且有規(guī)律的相位及相位差關(guān)系，即Z和Z‐1兩個(gè)軌跡旋轉(zhuǎn)一周同為360度，最終計(jì)算生成當(dāng)前角度絕對(duì)位置值。所述磁感應(yīng)讀取頭內(nèi)高速差分運(yùn)算放大器優(yōu)選Anolog Devices公司的ADA4950‐2集成電路芯片；ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路優(yōu)選Anolog Devices公司的多級(jí)差分流水線架構(gòu)的高速并行AD9248集成電路芯片；插補(bǔ)細(xì)分電路優(yōu)選FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件10M16SCU169I7G集成電路芯片。

全部算法采用FPGA進(jìn)行處理，充分運(yùn)用FPGA流水線并行運(yùn)算的特點(diǎn)，并利用FPGA內(nèi)部自帶的內(nèi)存塊、硬件乘法器等模塊提高了算法硬件實(shí)現(xiàn)性能，速度快，實(shí)時(shí)性高，滿足運(yùn)動(dòng)控制算法對(duì)當(dāng)前位置實(shí)時(shí)性的要求。采用數(shù)字電路處理方式對(duì)磁感應(yīng)元器件輸出的正余弦信號(hào)各種誤差進(jìn)行有效的修正和補(bǔ)償，提高了差補(bǔ)細(xì)分的準(zhǔn)確性和可靠性，進(jìn)而提高了正余弦信號(hào)的細(xì)分精度和分辨率，并采用將誤差參數(shù)寫入FPGA片內(nèi)FLASH ROM保存并調(diào)用的方式，進(jìn)行FPGA程序自動(dòng)重新校準(zhǔn)和對(duì)誤差的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。通過高速ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA現(xiàn)場可編程邏輯器件的互相配合，實(shí)現(xiàn)了高速高精度的數(shù)據(jù)采集與處理，通過串行通訊協(xié)議總線實(shí)現(xiàn)高速高效的數(shù)據(jù)輸出，從而為伺服控制系統(tǒng)提供更加精確的位置信息來滿足高速度、高精度控制的要求。

量測齒輪加工的精度對(duì)編碼器信號(hào)的精度和一致性產(chǎn)生很大的影響。工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)選用國標(biāo)6級(jí)或更高精度的精密量測齒輪。編碼器信號(hào)線數(shù)可通過量測齒輪齒數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并進(jìn)而影響機(jī)床加工、定位精度。量測齒輪具有三種安裝方式：1、熱裝。采用這種工藝時(shí)，所生產(chǎn)量測齒輪的內(nèi)徑應(yīng)略小于主軸軸徑。常溫下，量測齒輪不能與主軸相接。通過加熱量測齒輪使材料膨脹，這時(shí)可將量測齒輪裝在主軸上。然后冷卻量測齒輪使材料收縮，最終量測齒輪被穩(wěn)固地壓緊在主軸上。2、擰緊在軸肩上。將量測齒輪裝在主軸上，用螺釘將量測齒輪固定在主軸軸肩上。3、通過軸螺母夾緊。量測齒輪被裝在主軸軸上，通過軸螺母壓緊在一個(gè)組件上。也可以應(yīng)客戶要求，在量測齒輪上裝配一個(gè)集成式軸螺母，因此內(nèi)徑上會(huì)有相應(yīng)的螺紋。

磁感應(yīng)絕對(duì)值編碼器信號(hào)經(jīng)由10芯屏蔽雙絞電纜線，通過RS485或者RS422總線接口輸出，可兼容BISS、SSI等串行通信協(xié)議，并能在轉(zhuǎn)速達(dá)20000轉(zhuǎn)/分鐘及以上的條件下測定絕對(duì)位置，可廣泛應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、電梯和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例之一而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。