專利名稱：一種電動執行器用的數字式位置傳感裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及電器領域的自動控制裝置，具體地說是一種電動執行器用的數字式位置傳感裝置。
背景技術：
在本發明提出以前，在電器自動控制領域通常采用精密電位器作為電動執行器位置傳感器，由于電位器電信號是機械觸點拾取的，因此隨著使用時間的延長其精度和壽命會隨之降低，如果用作智能型執行器的位置檢測，還要對其輸出信號進行模數轉換，其檢測精度將受到影響，另外精密電位器本身的造價也較高。因而發明一種造價低、非接觸式且容易制造的數字式位置傳感器是非常必要的。
目前廣泛使用的數字式位置傳感器一種是增量式編碼角度傳感器，另一種是絕對式編碼角度傳感器。增量式的編碼角度傳感器是將傳感器碼盤軸直接和電動執行器伺服電機進行軸向連接，所構成的位置傳感器可以得到很高的分辨率，且容易制作，成本低。但存在著難以克服的不能斷電、容易產生累計誤差的缺陷。而絕對式編碼角度傳感器是將傳感器和電動執行器的機械輸出端直接或間接相連，因此它輸出的數字信號編碼直接對應電動執行器的機械輸出位置，它不怕斷電，也不存在累計誤差。但其碼位要在9位以上，而制造9位以上兼顧其外形體積小巧的絕對編碼角度傳感器是比較困難的，而且造價又較高，因而沒有得到廣泛的應用。
發明內容
為了克服現有位置傳感器精度低、造價高的缺點，本發明提出一種電動執行器用的數字式位置傳感裝置。該裝置可以使電動執行器工作可靠，精度高，且造價低。
本發明解決技術問題所采用的方案是增量式編碼角度傳感器和設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器分別與微控制器相互電路連接，增量式編碼角度傳感器又與伺服電機進行軸向機械連接，設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器直接或間接與執行器的機械輸出端相連接；設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的碼盤上設置了一圈周向均勻分布的定位光柵，每個絕對編碼光柵扇區周向中央位置都設有定位光柵與之對應，定位光柵上的光電傳感器和所有碼道的光電傳感器安裝在同一徑向位置上；通過初始運行參數設置a和重上電時對計數器進行行程位置計數值的重加載b及傳感數據讀取和刷新與改寫c操作步驟，實現執行器位置數字信號傳感。
本發明數字傳感裝置的積極效果在于1、由于其使用中每次重上電都要對計數器進行行程位置計數值的重加載，所以斷電時無需電池保護運行數據；2、又由于其運行中用對應的EEPROM或FLASH存儲器的標定數據對計數器中的累計值進行刷新與改寫，所以隨時的刷新與改寫保證了位置檢測值不存在累計誤差；3、還由于其位置檢測精度不由設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的碼位決定，而是由增量式編碼角度傳感器輸出碼率及伺服電機到機械位置輸出端的減速變比決定，所以設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的碼位不用做得太高，因此其制作成本也較低。實現了構造簡單、控制精度高和造價低的技術效果。可以廣泛應用于工業電器自動控制機械上使用。
圖1為本發明傳感裝置構成2為本發明傳感裝置設有定位光柵的‘4’位絕對編碼角度傳感器結構簡3為本發明傳感裝置在應用前的工作參數預置操作程序流程4為本發明傳感裝置的執行器經工作參數預置后實際運行過程中的操作程序中，1.增量式編碼角度傳感器，101.增量式編碼角度傳感器起始操作，102.向行程的終點方向運行執行器，103.是否有定位中斷觸發信號判定，104.用對應存儲器中的值對計數器置數，105.使執行器向起始方向運行，106.計算執行器機械輸出端位置，107.是否有定位中斷觸發信號判定，108.用對應存儲器中的值對計數器置數，2.微控制器，201.微控制器起始操作，202.將執行器機械輸出端置于行程的起始位置，203.向行程的終點方向運行執行器，204.是否有定位中斷觸發信號判定，205.存儲計數器累計值于對應的存儲器中，206.執行器是否運行到行程終點判定，207.存儲全行程位置計數累計值，208，微控制器終止操作，3.絕對式編碼角度傳感器，3.1.碼盤，3.1-1.定位光柵，3.1-2.光電傳感器，4.執行器伺服電機，5.執行器機械輸出端。
具體實施例方式
據1圖所示虛線框“A”中的增量式編碼角度傳感器1和設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器3分別與微控制器1相電路連接構成本發明的數字式位置傳感裝置，其中增量式編碼角度傳感器又與執行器伺服電機4進行軸向機械連接，設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器直接或間接與執行器的機械輸出端5相連接。設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的碼盤3.1上設置了一圈周向均勻分布的定位光柵3.1-1，每個絕對編碼光柵扇區周向中央位置都設有定位光柵與之對應，定位光柵上的光電傳感器3.1-2和所有碼道的光電傳感器安裝在同一徑向位置上。
本發明位置傳感裝置在使用前及使用過程中根據微控制器程序指令進行下述操作步驟a、初始運行參數設置即在微控制器的RAM內存區設置一計數器，從始點向終點方向運行電動執行器，令計數器對增量式編碼角度傳感器輸出的脈沖信號進行加減累計計數，與此同時將對應的計數器中表示執行器輸出位置的計數累計值存儲于地址和定位透光柵位置編碼相對應的EEPROM或FLASH存儲器中；b、重上電時對計數器進行行程位置計數值的重加載即執行器運行時，當絕對式編碼角度傳感器某一定位光柵運轉到和光電傳感器重合時，將地址和定位光柵位置編碼相對應的EEPROM或FLASH內存中的數據對計數器置數；
c、傳感數據讀取及刷新與改寫即在執行器運行中只要定位光柵碼道上的光電傳感器產生導通信號，就將對應的EEPROM或FLASH內存的數據讀取出，并以此數據對計數器中的累計值進行刷新與改寫。
為了保證本發明傳感裝置具有較高的檢測分辨率(優于0.1％)，碼盤每轉一周其輸出的計數脈沖數要滿足下式碼盤每轉一周輸出的計數脈沖數×伺服電機與機械輸出端的機械減速變比＞1000。
圖1中的設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的碼盤軸與執行器的機械輸出端直接相連或通過齒輪變速機構相連。不管采用何種連接方式，要保證執行器的最大設計行程對應的碼盤轉角要小360度，即成單值對應關系。設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器的電信號輸出與微控制器相連。
圖2中的設有定位光柵的‘4’位絕對編碼角度傳感器其碼盤3.1上設置了一圈定位光柵3.1-1，這圈光柵的透光部分為透光柵，遮光部分為遮光柵，每個透光柵對應一絕對編碼扇區，所標注的透光柵對應的編碼扇區碼值為05H。為了得到較高的定位精度，在保證傳感器能可靠工作的情況下透光柵要做得盡量的窄。
圖2中所注明的光電傳感器3.1-2剛好正對編碼為00H的透光柵，此時光電傳感器將輸出此透光柵的定位觸發信號，此信號觸發微控制器執行中斷處理程序讀取此透光柵的定位編碼(碼值為00H)，每個透光柵運轉到光電傳感器處時都會執行這種操作。
據圖3所示本發明裝置在實際應用前的工作參數預置操作程序是在起始步驟101時，程序將在微控制器RAM內存區設置一計數器，這個計數器會對增量式編碼角度傳感器輸出的脈沖信號進行加減累計計數，因此通過計數器累計值即可計算出執行器機械輸出端在行程中的位置，若用百分比表示執行器機械輸出位置，可由下式確定當前的計數器累計值/全行程的計數器累計值×100％。
在步驟102將包含有本發明裝置的執行器機械輸出端置于行程的起始位置，并使計數器清零，進入步驟103運行執行器向行程的終點方向運轉，在此過程中計數器將產生和執行器機械輸出位置相對應的計數累計值，與此同時設有定位光柵的絕對編碼角度傳感器中的碼盤也將隨之作相應角度的轉動，當每個定位光柵的透光柵運轉到和光電傳感器重合時，光電傳感器將產生中斷觸發信號，進入步驟104程序判斷是否有定位中斷觸發信號產生，若沒有則程序返回步驟103繼續進行，若有則進入步驟105，微控制器將讀取產生此中斷觸發信號的定位透光柵的位置編碼，并將此時的計數器累計值存入以此位置編碼值為對應地址的EEPROM或FLASH存儲器中，完成本步驟后進入步驟106，判斷執行器的機械輸出端是否運轉到行程的終點，若不是，返回步驟103重復前面的操作步驟，若是，執行步驟107，將此時的計數器的值儲存于EEPROM或FLASH中，該值就是算式中的“全行程的計數器累計值”，是計算執行器機械輸出位置的一個定量值，至此操作步驟108終止，完成了全部應用前的工作參數預置操作。
據圖4所示本發明裝置在執行器經工作參數預置后，在實際運行過程中的操作程序是在起始步驟201后程序啟動執行器，執行步驟202使執行器向行程終點方向運行，與此同時進入步驟203判斷是否有定位中斷觸發信號，此信號由光電傳感器產生，若沒有則程序返回步驟204繼續進行，若有則進入步驟204，微控制器將讀取產生此中斷觸發信號的定位透光柵的位置編碼，并將以此編碼為對應地址的EEPROM或FLASH存儲器中的值對計數器置數，完成本步驟后進入步驟205，令執行器向行程的始點方向運行直到上電前的位置停止，程序完成前面的操作后進入步驟206，在此步驟中程序計算執行器的機械輸出位置(當前的計數器累計值/全行程的計數器累計值×100％)。
提高本發明裝置的抗干擾能力、穩定性及消除計數器的累計誤差。在程序進入步驟207后，微控制器不斷地判斷是否中斷觸發信號，此信號由光電傳感器產生，若否，則程序返回206，重復步驟206和207的操作，若是，則進入步驟208，此時微控制器將讀取產生此中斷觸發信號的定位透光柵的位置編碼，并把以此編碼為對應地址的EEPROM或FLASH存儲器中的值對計數器的值進行刷新改寫，之后程序返回步驟206繼續執行。
圖4中，步驟201至205在系統上電后只執行一次，因此這段操作亦稱為初始化操作，在這一過程中，包含有本發明裝置的執行器的機械輸出端會向行程的終點方向移動一段距離，然后返回上電前的位置，這段距離的長短與采用設有定位光柵的絕對編碼角度傳感器碼位n的多少有關，下式為移動的最大距離占行程的百分比計算式
12n×100%]]>若采用圖2所示的‘4’碼位傳感器，由上式可知執行器初始化移動最大距離相對于行程的比為6.25％，若采用‘7’碼位傳感器，此比值為0.78％。這一比值從應用角度來說是越小越好，這樣上電的初始化移動距離也就越短，由此對被控對象的上電擾動也就更小，對于一般的工業應用小于1％即可滿足要求，因為一般工業上采用的電動執行器的定位精度最高的也不過是1％。式中n的取值既要考慮減少上電時的擾動，也要考慮傳感器的制作成本，因此其最大值取8為佳，若不考慮擾動因素，n最小可取1。
在流程圖4中程序操作進入虛線框“B”包括的程序步驟會不斷循環執行下去，直到系統斷電，因此其它拓補程序(如鍵盤輸入及數碼顯示等)都應在此循環內編程。
權利要求
1.一種電動執行器用的數字式位置傳感裝置，其特征在于包括增量式編碼角度傳感器(1)和設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器(3)與微控制器(2)相互通過電路連接，增量式編碼角度傳感器與執行器伺服電機(4)進行軸向機械連接，設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器直接或間接與執行器的機械輸出端(5)相連接，其碼盤(3.1)上設置了一圈周向均勻分布的定位光柵(3.1-1)，每個絕對編碼光柵扇區周向中央位置都設有定位光柵的透光柵與之對應，定位光柵上的光電傳感器(3.1-2)和所有碼道的光電傳感器安裝在同一徑向位置上，數字式位置傳感裝置在使用前及使用過程中根據微控制器程序指令進行下述操作步驟a、初始運行參數設置即在微控制器的RAM內存區設置一計數器，從始點向終點方向運行電動執行器，令計數器對增量式編碼角度傳感器輸出的脈沖信號進行加減累計計數，與此同時將對應的計數器中表示執行器輸出位置的計數累計值存儲于地址和定位透光柵位置編碼相對應的EEPROM或FLASH存儲器中；b、重上電時對計數器進行行程位置計數值的重加載即執行器運行時，當絕對式編碼角度傳感器某一定位光柵的透光柵運轉到和光電傳感器重合時，將地址和透光柵位置編碼相對應的EEPROM或FLASH內存中的數據對計數器置數；c、傳感數據讀取及刷新與改寫即在執行器運行中只要定位光柵碼道上的光電傳感器產生導通信號，就將對應的EEPROM或FLASH內存的數據讀取出，并以此數據對計數器中的累計值進行刷新與改寫。
2.根據權利要求1所述的傳感裝置，其特征在于設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器其碼位可以是1至8中的任一正整數。
全文摘要
本發明涉及一種電動執行器用的數字式位置傳感裝置。增量式編碼角度傳感器和設有定位光柵的絕對式編碼角度傳感器分別與微控制器相互電路連接，并分別與伺服電機軸向機械連接和與執行器的機械輸出端相連接，其碼盤上設置了一圈周向分布的定位光柵，每個絕對編碼光柵扇區周向中央位置都設有定位光柵與之對應，定位光柵上的光電傳感器和所有碼道的光電傳感器安裝在同一徑向位置上。通過初始運行參數設置a和重上電時對計數器進行行程位置計數值的重加載b及傳感數據讀取及刷新與改寫c操作步驟，實現執行器位置數字信號傳感。具有構造簡單、控制精度高和造價低的技術效果。可以廣泛應用于工業電器自動控制機械上使用。
文檔編號G05G1/00GK1959577SQ20061004695
公開日2007年5月9日 申請日期2006年6月16日 優先權日2006年6月16日
發明者袁利彬 申請人:袁利彬