一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统与方法技术方案

本发明专利技术涉及电机转速监测技术领域，尤其涉及一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统与方法，包括：机械转动系统，包括电机码盘、转动轴和电机壳体；电机码盘包括外圈和内圈，内圈上靠近外圈的位置与外圈组成码盘编码区，外圈与电机壳体固定连接，内圈与转动轴固定连接，随转动轴相对于外圈运动；光电转换系统，设置在码盘编码区的下方，包括光学镜片和光学电路板，光学电路板上设置有激光发射光源和SPAD阵列接收器，光学镜片设置在SPAD阵列接收器与码盘编码区之间，激光发射光源的激光照在码盘编码区上，SPAD阵列接收器采集码盘编码区的图像，从而判断电机的运转方向与运转速度，解决了现有码盘检测精度不高且无法区分码盘运动方向的问题。方向的问题。方向的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统与方法


[0001]本专利技术涉及电机转速监测
，尤其涉及一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统与方法。

技术介绍

[0002]对线性位置和旋转角的准确估计是在工业自动化以及类似的应用中的重要任务，而旋转编码器在电机控制领域中得到了广泛应用。旋转编码器(也称为码盘)，是将旋转位置或旋转量转换成为模拟或数字信号的机电设备，主要应用于科学研究、工业控制、机器人技术等需要精确旋转位置和速度反馈的领域。
[0003]当前主流的电机转速监测编码方式，分为磁编码和光编码两种，中国专利CN103852589A公开了一种数控电机光电定位测速码盘，其中定位红外线发射灯和定位红外线接收灯为一对工作灯，当定位孔转到两灯之间时，信号引脚的专用定位输出脚输出一个方波信号，从而得到数控电机的主轴的初始位置，测速红外线发射灯和测速红外线接收灯为一对工作灯，当测速孔依次通过这两个灯之间时，则信号引脚的专用测速输出多个对应脉冲，与数控电机的主轴的转数对应，从而得到数控电机的主轴的转动速度。该方案的优点是实现简单、成本低廉，缺点是检测精度不高且无法区分码盘运动方向。精度不高主要是受限于发射与接收器件的进出光角度与器件的固有刷新频率，因而码盘的测孔在更小的间距下将无法有效识别。
[0004]公开于该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在加深对本专利技术总体
技术介绍
的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的之一是提供一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，采用激光发射光源与SPAD阵列接收器，配合阵列码盘，组成电机转速监测系统，通过专门的阵列编解码算法，实现对电机转速及方向的高精度监测。
[0006]为了达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：
[0007]一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，包括：
[0008]机械转动系统，包括电机码盘、转动轴和电机壳体；所述电机码盘包括外圈和内圈，所述内圈上靠近所述外圈的位置与所述外圈组成码盘编码区，所述外圈与所述电机壳体固定连接，所述内圈与所述转动轴固定连接，随所述转动轴相对于所述外圈运动；
[0009]光电转换系统，设置在所述码盘编码区的下方，包括光学镜片和光学电路板，所述光学电路板上设置有激光发射光源和SPAD阵列接收器，所述光学镜片设置在所述SPAD阵列接收器与所述码盘编码区之间，所述激光发射光源的激光照在所述码盘编码区上，所述SPAD阵列接收器采集所述码盘编码区的图像，从而判断电机的运转方向与运转速度。
[0010]进一步的，所述码盘编码区由特征阵列组成，所述外圈上设置有a
×
b个固定特征位，所述内圈上靠近所述外圈的位置设置有c
×
b个位置编码位，所述固定特征位和所述位
置编码位组成具有(a+c)
×
b个特征的码盘编码区；其中a、b、c均为正整数，4＜(a+c)＜128。
[0011]进一步的，每个特征与所述转动轴轴心的夹角相同。
[0012]进一步的，所述光学电路板上还设置有MCU单片机，所述MCU单片机连接并控制所述激光发射光源和所述SPAD阵列接收器，实现对所述码盘编码区的特征阵列的扫描与刷新。
[0013]进一步的，所述SPAD阵列传感器对电机码盘采集的原始阵列，通过所述MCU单片机的解码处理，共可获得m种阵列组合，m种所述阵列组合分别对应m个编码状态，并按照顺序依次命名编码号。
[0014]进一步的，电机在转动过程中，所述编码号遵循1
→
m或者m
→
1的顺序循环。
[0015]进一步的，相邻两种阵列组合的切换，使得所述电机运转了一个单位的角度。
[0016]本专利技术的目的之二是提供一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统的监测方法，通过识别电机码盘上的特征阵列，配合MCU单片机对激光发射光源扫描与刷新的控制，从而判断电机的运转方向与运转速度。
[0017]一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统的监测方法，包括以下步骤：
[0018]S1：转动轴穿过电机码盘带动所述电机码盘旋转，同时激光发射光源通电，发出激光；
[0019]S2：激光照射在码盘编码区上，经过反射传递到光学镜片，经过所述光学镜片聚焦，将码盘编码区上形成的图像传递到SPAD阵列接收器上；
[0020]S3：MCU单片机控制所述激光发射光源快速扫描，并使得所述SPAD阵列传感器快速刷新，对电机码盘上的原始点阵进行收集；
[0021]S4：所述MCU单片机对收集到的数据进行解码处理，从而判断电机的运转方向与运转速度。
[0022]进一步的，当所述编码号的升序为所述电机的正向转动方向，所述编码号的降序为所述电机的反向转动方向；
[0023]或者，当所述编码号的降序为所述电机的正向转动方向，所述编码号的升序为所述电机的反向转动方向。
[0024]进一步的，所述步骤S4中，若转速超过了扫描与刷新频率，出现编码号1直接跳到了编码号n的情况时，
[0025]若则判断为1
→2→3→…→
n的转动角度；
[0026]若则判断为1
→
m
→
m
‑1→…→
n的转动角度。
[0027]本专利技术的有益效果为：
[0028](1)本专利技术通过电机码盘、激光发射光源、SPAD阵列传感器与MCU单片机组成电机转速监测系统，识别电机码盘上的特征阵列并通过专门的阵列编解码算法，实现对电机转速及方向的高精度监测，其中激光发射光源发射特定波长的激光照射在电机码盘的待测面上，电机码盘的待测面上设置特定的纹理。当特定波长激光照射在电机码盘的待测面后，会被待测面进行反射到SPAD阵列传感器上，MCU单片机通过比较编码状态的变化情况，来确定电机转动的角度，从而判断电机的运转方向与运转速度。
[0029](2)本专利技术中，激光发射光源可以实现极高的扫描频率，SPAD阵列接收器可以实现极高的刷新频率，保证采集到足够多的像素点，从而为提高电机转速监测的分辨率与运动方向识别奠定了基础。光学镜片主要解决聚焦和图像畸变的问题，使特征阵列有效成像在SPAD阵列传感器上。与现有技术相比，本申请中特征值的尺寸与形式不受限制，在更小的间距下也可实现有效识别，极大提升了精度同时成本大幅降低。
附图说明
[0030]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0031]图1为本专利技术实施例中基于SPAD阵列的电机转速监测系统的剖视示意图；
[0032]图2为图1中A处的局部放大图；
[0033]图3为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，其特征在于，包括：机械转动系统，包括电机码盘、转动轴和电机壳体；所述电机码盘包括外圈和内圈，所述内圈上靠近所述外圈的位置与所述外圈组成码盘编码区，所述外圈与所述电机壳体固定连接，所述内圈与所述转动轴固定连接，随所述转动轴相对于所述外圈运动；光电转换系统，设置在所述码盘编码区的下方，包括光学镜片和光学电路板，所述光学电路板上设置有激光发射光源和SPAD阵列接收器，所述光学镜片设置在所述SPAD阵列接收器与所述码盘编码区之间，所述激光发射光源的激光照在所述码盘编码区上，所述SPAD阵列接收器采集所述码盘编码区的图像，从而判断电机的运转方向与运转速度。2.根据权利要求1所述的一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，其特征在于，所述码盘编码区由特征阵列组成，所述外圈上设置有a
×
b个固定特征位，所述内圈上靠近所述外圈的位置设置有c
×
b个位置编码位，所述固定特征位和所述位置编码位组成具有（a+c）
×
b个特征的码盘编码区；其中a、b、c均为正整数，4＜（a+c）＜128。3.根据权利要求2所述的一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，其特征在于，每个特征与所述转动轴轴心的夹角相同。4.根据权利要求2所述的一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，其特征在于，所述光学电路板上还设置有MCU单片机，所述MCU单片机连接并控制所述激光发射光源和所述SPAD阵列接收器，实现对所述码盘编码区的特征阵列的扫描与刷新。5.根据权利要求4所述的一种基于SPAD阵列的电机转速监测系统，其特征在于，所述SPAD阵列传感器对电机码盘采集的原始阵列，通...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄俊礼，
申请(专利权)人：南京莱旭光电科技有限公司，
类型：发明
国别省市：