一种动磁式绝对位置检测装置和方法
阅读说明：本技术 一种动磁式绝对位置检测装置和方法 (Moving magnet type absolute position detection device and method ) 是由 王雷 张桢 徐永向 于 2021-04-17 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种动磁式绝对位置检测装置和方法,该检测装置包括动磁头、传感器采集板和信号计算模块；动磁头安装于待检测位置的运动构件上,随运动构件进行线性移动,使用多个永磁体根据特定编码和排布方式组合的三排永磁阵列构成；传感器采集板平行固定于动磁头下方,提供位置基准,由多组等间隔排布的三排线性磁性传感器阵列组成；信号计算模块由数据处理单元、存储模块和数据通信模块组成,实时采集磁传感器的信号并解算出绝对位移信息。本发明可实现在无线缆约束的条件下对被测运动构件进行绝对位置检测和唯一编码,提高位置检测装置的灵活性和运动行程,采用三轴线性磁传感器阵列进行位移测量和细分,提高了装置的测量精度,节约了成本。(The invention relates to a moving magnetic absolute position detection device and a method, wherein the detection device comprises a moving magnetic head, a sensor acquisition board and a signal calculation module; the moving magnetic head is arranged on a moving component at a position to be detected, linearly moves along with the moving component, and is formed by three rows of permanent magnet arrays combined by a plurality of permanent magnets according to a specific coding and arrangement mode; the sensor acquisition board is fixed below the moving magnetic head in parallel, provides position reference and consists of a plurality of groups of three-row linear magnetic sensor arrays which are arranged at equal intervals; the signal calculation module consists of a data processing unit, a storage module and a data communication module, and is used for collecting the signals of the magnetic sensor in real time and calculating absolute displacement information. The invention can realize absolute position detection and unique coding of the detected motion component under the condition of no cable constraint, improves the flexibility and the motion stroke of the position detection device, adopts the three-axis linear magnetic sensor array to carry out displacement measurement and subdivision, improves the measurement precision of the device and saves the cost.)
技术领域
本发明属于位置检测领域，具体涉及一种动磁式绝对位置检测装置和方法。
背景技术
在智能制造领域，产品的自动化生产、加工、装配和制造依赖于控制系统中位置检测传感器的精确定位和反馈，传感器的结构形式和性能直接影响自动化系统的生产效能和产品质量。在线性位移测量中，最常用的是使用光栅尺和磁栅尺的位置检测方式。光栅尺是利用光的干涉和衍射原理制成的位移测量装置，因其测量精度高、响应速度快和寿命长等优点而被广泛应用精密测量和闭环伺服控制系统中。磁栅尺是利用磁极的特性，通过磁电转换原理制成的传感器。与光栅尺相比，因具有结构简单、不受油污、灰尘等影响，具有很好的抗振和抗冲击的优点，在工业现场中得到了广泛的应用。
在工业生产中使用常规光栅尺或磁栅尺用于线性位移测量，成本相对较高，且传感器读数头固定安装于运动构件上，与读数头相连的供电和通信线缆将直接影响运动单元的运动行程和性能，线缆的布局会使控制系统结构复杂化，增加系统的成本。在多运动构件协作的工业生产系统中，需要使用多个传感器进行位置定位和测量，常规的传感器在硬件上无法进行唯一编号，无法进行灵活配置和使用。专利CN 101915590B提出一种基于磁阻阵列的位置检测系统，通过对不等距磁阻感测部件处理获得运动单元的位置，此种方式在位移测量时需要配合多路的模拟信号处理电路和ADC转换器通道，在长行程的位置测量时，导致电路过于复杂和成本较高，难以实际应用，在进行多运动构件的位置测量时，无法对多个运动构件进行编号区分。专利CN 111750904 A提出一种利用单排磁传感器阵列进行位置检测装置，通过预先选通多个磁性传感器进行位置检测，在实际应用过程中，在受到外部杂散磁场的影响时，会导致该方法检测精度受限，该检测装置也无法满足对多个运动构件进行编号区分。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题和缺陷。本发明针对工业生产中对线性绝对位置检测的需求，提出一种灵活的、无线缆束缚、低成本，可进行编号区分的动磁式绝对位置检测装置和方法。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种动磁式绝对位置检测装置，包括：动磁头、传感器采集板和信号计算模块；
所述动磁头固定安装于待检测绝对位移的运动构件上，可跟随运动构件进行线性移动；
所述传感器采集板固定安装于动磁头的下方，分布有多组三排磁性传感器阵列，为位移测量提供位置定位基准，实时检测动磁头的磁信号；
所述信号计算模块包括数据处理单元、存储模块和数据通信模块，用于实时采集和计算动磁头永磁阵列的绝对位移信息；
所述动磁头包括第一永磁阵列、第二永磁阵列和第三永磁阵列，其中第一永磁阵列和第二永磁阵列由多个相同尺寸的永磁体按照N-S或S-N的方式进行紧密排列，用于动磁头的编号和相对位移测量，第三永磁阵列由多个不同尺寸的永磁体按照N-S或S-N的方式紧密排列，用于对相对位移测量区间进行二进制编码，三排永磁阵列有一定间隔距离，在磁极排布方向上相互平行。
所述传感器采集板分布有多组三排磁传感器阵列，组于组之间按照特定间距进行排列，每组磁性传感器阵列包含第一传感器阵列、第二传感器阵列和第三传感器阵列，其中第一传感器阵列和第二传感器阵列分别用于采集第一永磁阵列和第二传感器阵列的磁信号，第三传感器阵列用于检测第三永磁阵列的磁信号；
所述第一传感器阵列和第二传感器阵列中的磁传感器芯片按照特定距离进行排列，使用多个三轴线性磁传感器芯片进行磁信号细分和测量，所述第三传感器阵列的磁传感器芯片按照特定距离进行排列，使用多个线性磁性传感器芯片进行磁信号测量。
所述第一传感器阵列中的传感器芯片在水平方向上的排列间距和第二传感器阵列中传感器芯片间距相同。
所述信号处理模块包括外部存储模块，存储模块用于存储位移标定数据。
所述信号处理模块用于对磁传感器信号的处理和位移信号的解算，信号处理模块带有通信模块，可将计算得到的绝对位移信号进行输出。
一种动磁式绝对位置检测方法，应用于上述的动磁式绝对位移检测装置上，所述动磁式绝对位置检测方法，包括：
数据处理单元通过总线的方式向传感器采集板上的N组三排磁传感器阵列发送数据读取指令，实时读取N组三排磁传感器阵列输出的数字量的磁信号，并将所述数字量的磁信号进行滤波和分组存储。
对分组储存后的磁信号进行编号和预处理，数据处理单元根据磁信号的量值大小判断和记录有效数据的组号，并确定运动单元的起始位置偏移。
根据组号提取有效数据，将数据中由第三传感器阵列检测到的数据和设定的阈值T进行比较，进行二进制编码。
选取有效数据中由第一传感器阵列和第二传感器阵列的数据，根据数据的正负对读磁头的编号进行识别。
数据处理单元通过数据总线读取外部存储模块中已存储的标定数据，通过查表的方式，选取由第一传感器阵列和第二传感器阵列采集的数据进行相对位移计算。
根据起始位置偏移和相对位移计算结果进行相加，即可确定运动的绝对位移信息。
测量结果数据由数据处理模块通过数据通信模块实时输出。
第一传感器阵列和第二传感器阵列需要检测并输出沿水平向和垂直方向两个轴向的磁信号，第三传感器阵列需要检测并输出垂直方向的磁信号。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例和现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，其中：
图1为本发明实施例中动磁式绝对位置检测装置的结构布局图；
图2为本发明实施例中动磁式绝对位置检测装置信号计算模块的原理框图；
图3为本发明实施例中提供的动磁式绝对位移测量方法的计算流程图；
符号说明：
100—动磁头，101—传感器采集板，102—信号计算模块，103—三排磁传感器阵列，201—数据处理单元，202—数据存储模块，203—通信模块
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案和实施方式进行详细的说明。
图1为本发明提供的动磁式绝对位置检测装置实例结构布局图，图2为本发明提供的动磁式绝对位置检测装置中信号计算模块的原理框图。图3为本发明提供的动磁式绝对位移测量方法计算流程图。
一种动磁式绝对位置检测装置，本实施例中的装置包括动磁头100、传感器采集板101和信号计算模块102。
所述动磁头100固定安装于待检测绝对位移的运动构件上，可跟随运动构件进行线性移动；
所述动磁头100包括第一永磁阵列、第二永磁阵列和第三永磁阵列，第一永磁阵列和第二永磁阵列使用相同尺寸的永磁体按照N-S或S-N的方式排列，第三永磁阵列采用多个不同尺寸的永磁体按照N-S或S-N的方式紧密排列构成二进制编码永磁阵列，用于对相对位移区间进行编码。
其中，永磁阵列的永磁体形状优选片状永磁体，厚度优选小于1mm，厚度方向充磁，永磁体优选材质钕铁硼。
所述传感器采集板101分布有多组三排磁传感器阵列102，组于组之间按照特定间距进行排列，每组磁性传感器阵列都有唯一的编号。
每组磁性传感器阵列包含第一传感器阵列、第二传感器阵列和第三传感器阵列，其中第一传感器阵列用于采集第一永磁阵列的磁信号，第二传感器阵列用于检测第二永磁阵列的磁信号，第三传感器阵列用于检测第三永磁阵列的磁信号。
所述第一传感器阵列和第二传感器阵列中的传感器芯片的中心间距应等于或小于第一永磁阵列的单个永磁体的宽度，使用多个三轴线性磁传感器芯片实现磁信号测量和细分，所述第三传感器阵列使用多个单轴或三轴线性磁性传感器芯片进行磁信号测量。
其中，磁传感器芯片优选使用型号为TMAG5170-Q1或ASL31300的3轴线性霍尔磁性传感器，传感器内部集成模数转换器(Analog-to-DigitalConverter，ADC)和数字控制器，可直接将模拟量的信号进行数字转换和处理，所述传感器芯片优选数据接口为SPI总线或I2C接口，可实现单个总线挂载多个芯片。
在实际应用中，为保证位移测量数据的连续性，应保证编码永磁阵列的长度完全覆盖两组三排磁传感器阵列。
如图2所示，所述信号计算模块102包括数据处理单元201、存储模块202和数据通信模块203，用于实时采集和计算读磁头上的永磁阵列的绝对位移信息。所述信号计算模块102各个模块之间通过数据总线的方式进行信息交换。
所述数据处理单元201作为检测装置的控制和运算核心，负责采集和处理多组磁传感器阵列输出的数字信号，根据信号的量值按照特定的计算方法计算出绝对位移。所述数据处理单元201，优选现场可编程门阵列(Field Programmable Gate Array，FPGA)和复杂可编程逻辑器件(Complex Programmable Logic Device，CPLD)进行实现，依靠其并行运算能力，以提高检测系统的性能和效率。
所述存储模块202用于存储位移计算的查表数据，优选使用外部EEPROM存储芯片进行数据存储。
对应上述动磁式绝对位置检测装置，本发明还提供了一种动磁式绝对位置检测方法。如图3所示，该方法包括以下步骤：
步骤20：数据处理模块通过总线向传感器采集板上的N组三排磁传感器阵列发送数据读取指令，读取N组三排磁传感器阵列输出的数字量的磁信号，并将所述数字量的磁信号进行滤波和分组存储。
具体的，在上电完成后，数据处理模块首先进行自检测试，依次对每个接入模块进行读写检测判断。自检成功后，数据处理模块通过数据总线向各个分组的三排磁传感器阵列循环发送数据读取请求，实时读取每组磁传感器阵列检测到的数字量信号。并将信号进行滤波处理，处理后的数据按组的编号分组存储到数据处理模块内部的数据寄存器中。
步骤21：对分组储存后的磁信号进行编号和预处理，数据处理模块根据磁信号的量值大小判断和记录有效数据的组号，并确定运动单元的起始位置偏移。
具体的，每组三排磁传感器阵列按照特定间距进行排列，为保证位移信号数据的连续性，需要通过组合的方式处理相邻两组磁传感器阵列的磁信号，实现组与组之间位移段的测量。在对分组储存后的磁信号进行组合处理后，依次判断每组磁信号的数值大小，确定可进行位移计算的组号，并根据组号确定运动单元的起始位置偏移。
步骤22：根据组号提取有效数据，将数据中由第三传感器阵列检测到的数据和设定的阈值T进行比较，进行二进制编码。
具体的，根据组号提取有效数据用于编码判断，将数据中所有由第三传感器阵列检测到的磁信号与设定的阈值T进行比较，进行二进制“0”和“1”的判断。
判断条件为如果磁信号大于阈值T，编码为“0”，如果磁信号小于等于T，编码为“1”。
步骤23：选取有效数据中由第一传感器阵列和第二传感器阵列的数据，根据数据的正负对读磁头的编号进行识别。
步骤24：根据编码确定运动单元所处的相对位移区间，选取由第一传感器阵列和第二传感器阵列采集的有效数据进行相对位移查表计算，数据处理模块读取存储模块中已存储的标定数据计算得到相对位移。
步骤25：将起始位置偏移和相对位移计算结果进行相加，即可确定运动单元的绝对位移信息。
步骤26：测量结果数据由数据处理模块通过数据通信模块实时输出。
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