新型磁电式多圈绝对编码器设计

摘要

当前正值工业工程自动化蓬勃发展的时期，自动化工业的发展引起了对测控工具的广泛需求。在很多大行程测量定位场合，如水塔水位测控，水闸开度测控等，直接使用直线测控工具非常困难，使用增量式编码器或单圈绝对式编码器容易产生掉电信息丢失现象或量程不足，并且不容易重复进行零点标定。使用多圈绝对式编码器通过测量转过的圈数和角度，间接获得直线行程及位置的方法可以解决上述问题。而目前多圈编码器大都制造难度大，成本高，价格昂贵，使用范围大大受到限制。本文通过使用高性价比的磁旋转编码芯片AS5045与减速装置相结合，设计了大量程，高分辨率，高转速，高稳定性，低成本的新型多圈绝对式编码器。它的高性能，低成本，低价格，可以大大推动多圈编码器在更广泛的领域得到应用。
　　文章首先分析了编码器的现状，并介绍了本文开发的多圈绝对式编码器的核心器件AS5045芯片，阐述了此多圈编码器的原理及结构并讨论了减速机构的选择。本文对此编码器从机械传动和电路两个方面进行了详细分析设计。在机械传动部分针对编码器系统的大传动比、小惯量的要求对传动齿轮组进行了优化设计。同时进行了力学分析，推导了传动机构系统动力学公式。还详细分析了齿轮组的传动误差的产生和影响，及传动误差的组成和大小。在电路部分，设计了AS5045组合采样模块和数据处理器模块及数据通信接口模块;软件上设计了数据传输、数据处理程序。最终达到单圈分辨率为212，圈数达到4096圈。

目录

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 课题研究的主要内容

第2章 编码器的构成及工作原理

2．1 编码器的分类

2．1．1 增量式编码器

2．1．2 绝对式编码器

2．1．3 光电编码器

2．1．3 磁电编码器

2．2 AS5045介绍

2．2．1 AS5045概述

2．2．2 AS5045的特点及应用

2．3 多圈编码器原理

2．3．1 多圈编码器的结构设计

2．3．2 多圈编码器工作过程

2．4 本章小结

第3章 减速结构分析与设计

3．1 机械减速传动结构的选择

3．1．1 优化函数的建立

3．1．2 自由变量选取

3．1．3 约束条件

3．2 多圈齿轮动力学分析

3．3 传动误差分析

3．3．1 齿轮制造误差对传动的影响

3．3．2 齿轮的安装误差对传动的影响

3．3．3 减速系统传动误差计算

3．4 减速器结构设计

3．5 本章小结

第4章 编码器的硬件电路设计

4．1 硬件电路结构

4．2 微处理器型号的选择

4．3 电路模块设计

4．3．1 微处理器电路结构

4．3．2 轴角角度采集模块

4．3．3 电源模块

4．3．4 通信接口模块

4．3．5 PCB设计与制作

4．4 本章小结

第5章 编码器系统软件设计

5．1 软件功能设计

5．2 同步串行接口(SSI)程序设计

5．3 处理算法程序设计

5．4 二进制码转格雷码

5．5 本章小结

第6章 系统测试与结果分析

6．1 测试方法

6．2 测试结果

6．3 数据分析

6．4 本章小结

结论

参考文献

附录

致谢

攻读学位期间参与项目

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