CN102087296B

CN102087296B - 一种电机测速传感器

Info

Publication number: CN102087296B
Application number: CN2010105679025A
Authority: CN
Inventors: 陈桂; 李宏胜; 盛党红; 林健
Original assignee: Nanjing Institute of Technology
Current assignee: Nanjing Institute of Technology
Priority date: 2010-12-01
Filing date: 2010-12-01
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2030-12-01
Also published as: CN102087296A

Abstract

本发明提供了一种应用在电机驱动控制系统上的高精度测速传感器。该传感器包括多极旋转变压器、激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路，其中，激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路印制在同一块电路板上，激励电源与RDC解算器电路连接，激励电源及RDC解算器电路通过导线与多极旋转变压器连接，RDC解算电路通过印制电路连接计算模块，计算模块通过印制电路连接输出驱动电路，输出驱动电路同导线连接将最终结果送出（电机控制器）。本发明的传感器结构简单，能够依据需要，使得电机转速测量最小分辨率提高4、8、16倍等。

Description

一种电机测速传感器

技术领域

本发明涉及一种高精度测速传感器，该传感器应用在电机驱动控制系统的技术领域。

背景技术

在电机控制系统中，转速测量是必不可少的。目前主要有以下三种方法对电机进行转速测量：

1. 测速发电机法：利用测速发电机的电枢电压与转速成正比的这一关系测量转速。测转速时，测速发电机连接到被测电机的轴端，将被测电机的机械转速变换为电压信号输出，电机控制系统将测速发电机的输出电压进行信号调理后进行模拟数字变换（AD变换），从而测得电机的转速。

2．光电码盘测速法：是通过测出转速信号的频率或周期来测量电机转速的测速法。光电码盘安装在转子端轴上，随着电机的转动，光电码盘也跟着一起转动，如果有一个固定光源照射在码盘上，则可利用光敏元件来接受光，接收到光的次数就是码盘的编码数。

3．旋转变压器：旋转变压器连接到被测电机的轴端，将旋转变压器的输出信号进行解算，解算结果是电机的位置信号，对位置信号求导数可以得出被测电机的机械转速。

这三种方法是目前通用的电机测速方法，测速比（电机转速最小分辨率：最大可测转速）可以达到1：2000，在后两种方法中还可以采取一些方法适当提高测速比，因此能够满足大多数场合的需求。对于电机转速控制系统有两种需求：一是调速比，二是电机的低速性能。方法1在调速比要求较小的情况下，通过调整调理电路参数，能够进行低转速的测量，但由于存在模拟电路，其稳定性相对较差，同时每次均需要调试，不利于批量生产。方法2、3测速方法中低速测量（即最小测速分辨率）是基本上固定的，因此在低速性能要求较高的场合往往难以满足需求。

目前在各类文献中，大多数是将多极旋转变压器和单极旋转变压器组合在一起形成双通道旋转变压器，作为一种高精度位置测量传感器。例如，文献“双通道多极旋转变压器-数字转换器的设计与实现”（《微特电机》，2010年（1）:27-29,39）。采用单极与多极旋转变压器组合方式是提高位置测量精度的一种解决方案，但是这种组合体积较大，解算电路复杂，成本高，并且在电机转速测量中不需要全位置测量。

发明内容

针对以上现有技术中存在的不足，本发明提供一种电机测速传感器，用于满足电机转速测量中，电机控制宽调速比和低速性能要求高等需求。

为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种电机测速传感器，包括多极旋转变压器、激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路，其中，激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路印制在同一块电路板上，激励电源与RDC解算器电路连接，激励电源及RDC解算器电路通过导线与多极旋转变压器连接，RDC解算电路通过印制电路连接计算模块，计算模块通过印制电路连接输出驱动电路，输出驱动电路与电机控制器的导线连接。

本发明的测速传感器采用多极旋转变压器，辅以一套旋转变压器解算电路，对检测的位置微分处理，用于提高电机转速测量的精度。本发明可依据需求，通过选择旋转变压器的极对数，能够使得电机转速测量最小分辨率提高4、8、16倍等，而且结构简单。

附图说明

图1是本发明电机测速传感器组成示意图。

图2是本发明测速传感器中多极旋转变压器示意图。

图3是本发明中印制电路板示意图示意图。

图4是本发明实施例中位置增量码输出示意图。

图5是本发明实施例中对比单极旋转变压器和多极旋转变压器的增量码输出示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

旋转变压器的输出信号是两相正交的模拟信号，它们的幅值随着转角做正余弦变化。RDC解算器电路通过对旋转变压器输出信号幅值的解算测量旋转的角度，单极旋转变压器的旋转轴每旋转一周，输出的正余弦信号变换一周，RDC解算器解算的位置也变化一周，如12位RDC解算器，单极旋转变压器的旋转轴旋转一周时，12位RDC解算器输出的数据从0变换到4096；对于多极旋转变压器的旋转轴旋转一周，输出的正余弦信号则随着极对数不同变换数周，如：4对极旋转变压器，在旋转轴旋转一周时，输出的正余弦信号幅度变换4周，则12位RDC解算器输出的数据为0→4096→0→4096→0→4096→0→4096，数据也变化4次，因此，对此位置数据求导（求转速）时，速度分辨率相应提高,其测量精度提高4倍。同理，8对极、16对极…等，采用相同的RDC解算电路，速度测量精度提高至8、16倍等。本发明正是基于这个原理提高转速的测量精度及转角的测量精度。

图1是本发明测速传感器的组成原理示意图，包括多极旋转变压器、激励电源、RDC解算器电路、速度计算模块、速度输出驱动等。激励电源、RDC解算电路、速度计算模块、速度输出驱动等是设计在一块印制电路板上。RDC解算电路所需要的激励电源通过与印制板上的激励电源电路相连接来供给，同时激励电源通过导线连接至多极旋转变压器以提供其所需的激励电源，多极旋转变压器输出信号通过导线连接到RDC解算电路上。RDC解算电路将解算结果通过印制电路送给速度计算模块，速度计算模块将计算的速度通过印制电路传递给速度输出驱动电路，速度输出驱动电路同导线连接将最终结果送出（电机控制器）。

本发明传感器的另一种使用方式是用于高精度角度测量，如图1，包括多极旋转变压器、激励电源、RDC解算器电路和虚框中显示的角度计算模块、霍尔传感器、角度输出驱动，霍尔传感器用于检测旋转一周的绝对零点。

本实施例中的多极旋转变压器（西安微电机研究所产品）选择4对极的多极旋转变压器，RDC解算器电路选择AD公司的AD2S1210,将RDC解算器电路AD2S1210的设置为16BIT位转换(AD2S1210的RES0、RES1管脚设置为高电平)，激励电源选择AD公司的AD2S99，ADS1210芯片中已涵盖了速度计算模块及角度计算模块，选用一片26LS31（4路差分输出）作为速度角度输出驱动模块，26LS32（4路差分接收）作为差分接收芯片。

图2是本发明高精度测速传感器中多极旋转变压器示意图。多极旋转变压器1需要和激励电源及RDC解算器电路连接, 旋转变压器输出的信号以及激励电源信号依据信号原理连接关系通过导线2和插头XP1相连，XP1和图3中XS1是相互匹配的插头和插座，插头XP1和图3中XS1相连，实现多极旋转变压器1的输出信号及激励电源信号和图3的印制电路板3连接。

图3中激励电源、RDC解算器电路、速度计算模块、角度计算模块、速度输出驱动和角度输出驱动等是设计在一块圆形的印制电路板3上，通过XS1将多极旋转变压器1的输出信号连接到RDC解算器上（AD2S1210），同时通过XS1将激励电源（AD2S99）连接到多极旋变的激励信号上，在印制电路板3上，激励电源（AD2S99）同时通过印制电路连接到RDC解算器上（AD2S1210）的激励信号上，为RDC解算器提供激励电源；速度输出形式采用增量码的形式，将RDC解算器电路AD2S1210中输出信号A、B通过速度输出驱动模块26LS31（A、B占用两路差分输出）驱动后输出，速度解算及角度解算结果通过速度角度驱动模块驱动后连接到图3中的插座XS2输出。

图4中，A、B信号是相位相差90度的位置增量信号，定时对位置增量信号进行计数，即可以计算电机的转速，A、B信号上升沿的前后用于分辨转速的方向。图5中，给出了提高转速分辨率的示意说明，其中CA、CB信号为单极旋转变压器的增量输出信号，JA、JB信号为多极（本实施例为4对极）旋转变压器的增量输出信号。在电机转速相同的情况下，在△T采样时间内，单极旋转变压器的增量输出信号CA、CB只有一个脉冲，而多极旋转变压器1的增量输出信号JA、JB有4个脉冲信号，因此速度分辨率提高至4倍。同理，8对极、16对极等多极旋转变压器的速度分辨率分别提高至8倍和16倍等。

本发明的一个辅助功能是进行高精度角度测量，角度输出形式采用SPI接口输出，RDC解算器电路AD2S1210中和角度输出相关的信号有SDO、SDI、SOE、SCLK，其中SDO是SPI通讯的数据输出信号，在此输出角度信号，通过26LS31作差分输出角度，SDI、SOE、SCLK信号是输入信号，其中SDI是SPI通讯的数据输入信号，在此作为控制命令输入，SCLK是SPI通讯的同步时钟信号，SOE是RDC解算器电路AD2S1210的逻辑选通信号；SDI、SOE、SCLK通过26LS32作差分接收。

通过以上步骤可完成高精度速度和高精度角度的测量，利用多极旋转变压器的旋转轴旋转一周，输出的正余弦信号随着极对数不同变换数周，达到提高速度、角度测量精度的目的。需要说明是，应用这种高精度速度角度传感器时需要注意控制轴的最大转速与RDC解算芯片的匹配。

虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但它们并不是用来限定本发明。任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种电机测速传感器，包括多极旋转变压器、激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路，其特征在于：所述激励电源、RDC解算器电路、计算模块和输出驱动电路印制在同一块电路板上，多极旋转变压器输出信号通过导线连接到RDC解算器电路上；激励电源与所述RDC解算器电路连接，并通过导线与所述多极旋转变压器连接， RDC解算器电路通过印制电路连接所述计算模块，计算模块通过印制电路连接所述输出驱动电路，输出驱动电路与电机控制器的导线连接。

2.根据权利要求1所述的一种电机测速传感器，其特征在于：所述计算模块为速度计算模块，所述输出驱动电路为速度输出驱动电路。

3.根据权利要求1所述的一种电机测速传感器，其特征在于：所述计算模块为角度计算模块，所述输出驱动电路为角度输出驱动电路。

4.根据权利要求3所述的一种电机测速传感器，其特征在于：还包括霍尔传感器，霍尔传感器连接所述角度计算模块。