CN102203545B - 霍尔旋转变压器及由其制成的霍尔转角编码器 - Google Patents

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Abstract

一种霍尔旋转变压器，包括旋转变压器定子(1)、线形霍尔元件(3)、印制电路板(4)以及永磁体磁环(5)，在印制电路板(4)上装有一个环形软磁铁芯(2)，在环形软磁铁芯(2)的内环面设有与线性霍尔元件(3)个数相同、并均匀分布的多个凹槽(8)，每个线性霍尔元件(3)装于与之对应的那一个凹槽(8)内、并焊接于印制电路板(4)上，每个线性霍尔元件(3)的磁敏感面与永磁体磁环(5)的磁极表面相互对齐。霍尔旋转变压器构成霍尔转角编码器。

Description

霍尔旋转变压器及由其制成的霍尔转角编码器
技术领域
本发明涉及电机控制技术，更具体地说，涉及一种霍尔旋转变压器及由其制成的霍尔转角编码器，可用于无刷直流伺服电动机。
背景技术
传统的旋转变压器(resolver)是一种电磁式传感器，又称同步分解器。它是一种测量角度用的可转动的传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移和角速度，由定子和转子组成。其中定子绕组作为变压器的原边，接受励磁电压，励磁频率通常用400、3000及5000HZ等。转子绕组作为变压器的副边，通过电磁耦合得到感应电压。旋转变压器的工作原理和普通变压器基本相似，区别在于普通变压器的原边、副边绕组是相对固定的，所以输出电压和输入电压之比是常数，而旋转变压器的原边、副边绕组则随转子的角位移发生相对位置的改变，因而其输出电压的大小随转子角位移而发生变化，输出绕组的电压幅值与转子转角成正弦、余弦函数关系，或保持某一比例关系，或在一定转角范围内与转角成线性关系。
在公告号为CN2565123Y的中国专利中，公开了一种霍尔旋转变压器，其中包括线性霍尔元件、永磁体磁环、空心轴转子、定子机壳、机壳后盖、定子芯和霍尔集成电路的印制板，在定子芯上安装有四个线性霍尔元件，相互错开90°电角度，并采用特定的多对极的永磁体磁环，转子中间有支撑定子的二个滚珠轴承，定子前端有联接用的弹簧片。这种方案中存在问题是：(1)需采用特定多对极的永磁体磁环，对磁极均匀性要求高，对不同极对数的电动机不能通用；(2)在一圈范围内，难于做到有确定的唯一零位，不方便绝对角位置的检测；(3)整体式结构和工艺复杂，难以实现小型化。
在公告号为CN200972824Y的中国专利中，公开了一种改进上述问题的霍尔旋转变压器，其中包括线性霍尔元件、永磁体磁环、空心轴、定子机壳、定子芯和联接霍尔元件的印制电路板，其永磁体磁环固定在空心轴上；其特殊之处在于：定子芯呈圆环形，在定子芯上间隔90°空间角度分布着至少二个安装孔，线性霍尔元件固定在安装孔内，以便限定线性霍尔元件的空间位置。然而，线性霍尔元件在定子芯上的安装孔中的位置会因为安装间隙、霍尔元件的外形尺寸等原因，而在安装孔中的上、下、左、右、前、后6个自由度都存在位置偏差。又由于永磁体磁环固定在空心轴上，存在位置偏差和垂直度偏差等，都会造成旋转变压器输出的幅值误差、相位误差、函数误差。另外，永磁体磁环的质量、安装也对误差有极大关系，传统霍尔旋转变压器误差大且误差的一致性很差。
若安装存在径向位置偏差0.1mm，设永磁体的外径12mm，那么0.1mm相对周长的相对位置偏差为：0.1/(π×12)=0.265%。这个偏差与1°/360°=0.278%相当，说明该霍尔旋转变压器中单一项位置偏差就会产生1°度的误差。所以前述技术方案中的霍尔旋转变压器技术的角度误差不可能优于1°。又例如，永磁体磁环固定在空心轴上，存在0.5°垂直度偏差，就相当于径向位置偏差为12sin0.5°=0.1mm，也会产生1°度的误差。
永磁体磁环产生三维空间磁场，线性霍尔元件将受到切向磁场分量和径向磁场分量的作用产生电压输出。在公告号为CN200972824Y的中国专利中，使用四个线性霍尔元件，将180°布置的两个线性霍尔元件的输出电压相减，试图补偿定、转子装配偏心，但由于无法同时补偿径向和切向磁场分量，所以不能起到良好的补偿效果，而通常误认为是磁极均匀性问题。
由于上述原因，事实上现有霍尔旋转变压器的位置偏差只能达到2°-3°左右，且误差的一致性很差。
现有霍尔旋转变压器的精度和精度一致性都很差，其精度比传统电磁感应式旋转变压器的精度低一个数量级，所以只能在极低精度场合应用。
另外，开关型霍尔转角编码器虽然是已有成熟技术，然而它的精度和分辨率同样很低，一般只有100线，现有技术中的霍尔旋转变压器的精度则与之相当。
发明内容
针对现有技术的上述缺陷，本发明要解决现有霍尔旋转变压器的精度较差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种霍尔旋转变压器，其中包括旋转变压器定子、线性霍尔元件、印制电路板、以及永磁体磁环，其特征在于，在所述印制电路板上装有一个环形软磁铁芯，在所述环形软磁铁芯的内环面设有与线性霍尔元件个数相同、并均匀分布的多个凹槽，每个线性霍尔元件装于与之对应的那一个凹槽内、并焊接于所述印制电路板上；且每个线性霍尔元件的磁敏感面与所述永磁体磁环的磁极表面相互对齐。
本发明的霍尔旋转变压器中，所述环形软磁铁芯的厚度可为1-4mm，由电工纯铁或多片电机用硅钢片制成；所述环形软磁铁芯的轴向几何中心线与线性霍尔元件磁敏感面中心线基本重合，偏差不大于0.5mm。
本发明的霍尔旋转变压器中，所述环形软磁铁芯上的每个凹槽的尺寸正好供一个线性霍尔元件紧配合放入，且每个凹槽的深度尺寸为0.05-0.2mm。
本发明的霍尔旋转变压器中，所述永磁体磁环可由塑料粘结钕铁硼材料、或铁氧体材料、或钕铁硼材料制成的；所述永磁体磁环具有正弦分布的表面磁场，并通过轴套固定到电机轴上，在旋转时可产生正弦分布的旋转变压器转子气隙磁场；所述旋转变压器定子与转子间的气隙为5-25mm。
本发明的霍尔旋转变压器中，所述旋转变压器定子的外壳与所述环形软磁铁芯可为一体结构，用于安装所述永磁体磁环的所述轴套可通过轴承固定到所述旋转变压器定子的外壳上。
本发明的霍尔旋转变压器中，当所述永磁体磁环的磁极对数为P=1时，所述线性霍尔元件的个数为4个，在所述环形软磁铁芯的内环面相应设有4个间隔90°分布的凹槽，各个线性霍尔元件的理想输出分别为V1=V0+Vsinθ，V2=V0+Vcosθ，V3=V0－Vsinθ，V4=V0－Vcosθ。
本发明的霍尔旋转变压器中，当所述永磁体磁环的磁极对数为P=N，N为大于1的自然数时，所述线性霍尔元件的个数为3个，在所述环形软磁铁芯的内环面相应设有3个间隔120°电角度分布的凹槽，各个线性霍尔元件的理想输出分别为V1=V0+VsinNθ，V2=V0+VsinN(θ－120°)，V3=V0+VsinN(θ－240°)。还可增设3个附加的线性霍尔元件，相应地，在所述环形软磁铁芯的内环面上与原有的每个凹槽相对180°的位置各设有一个附加的凹槽，进而共有6个线性霍尔元件及6个凹槽，所述6个线性霍尔元件的理想输出分别为，V1=V0+VsinNθ，V2=V0+VsinN(θ－120°)，V3=V0+VsinN(θ－240°)，V4=V0－VsinNθ，V5=V0－VsinN(θ－120°)，V6=V0－VsinN(θ－240°)。
本发明还提供一种霍尔转角编码器，其包括转角变换电路，还包括前述霍尔旋转变压器，所述转角变换电路中包括：A/D转换模块，用于将霍尔旋转变压器输出的模拟输出电压转换成数字量，再通过运算获得两相带正负号的旋转变压器数字量；矢量旋转变换电路，用于对所述A/D转换模块的输出结果与反馈回来转角编码器输出信号Ф进行矢量旋转变换运算，产生矢量旋转变换电路的输出偏差信号；比例积分调节器，用于使偏差信号趋于零，达到编码器的输出信号Ф完全跟踪输入转角θ的目的；滤波器，用于获得速度输出信号ω；积分电路，用于获得编码器的输出信号Ф，且Ф=θ。
本发明的霍尔转角编码器可采用数字信号处理器DSP或单片机MCU来实现，或者采用纯硬件的FPGA或ASIC来实现。
由于采取了上述技术方案，本发明中，环形软磁铁芯校正了气隙磁场的波形，且各个霍尔元件的位置能良好固定，整个霍尔旋转变压器的精度比传统电磁感应式旋转变压器更高，它的幅值误差、相位误差、函数误差很小，对安装偏差不敏感，一致性好，不仅结构、制造工艺简单，还可构成多种输出形式的转角编码器。
附图说明
图1A是本发明一个实施例中霍尔旋转变压器的局部结构示意图；
图1B是图1A的C向视图，其中省略了一些次要部件；
图2是本发明一个实施例中四个线性霍尔元件的模拟输出的波形图；
图3是图2所示的模拟输出相减后的波形图；
图4本发明一个实施例中霍尔转角编码器的原理框图；
图5是图4所示霍尔转角编码器的360°输出数字量；
图6是本发明一个实施例中霍尔转角编码器的增量脉冲数字量。
图中，1是旋转变压器定子，2是环形软磁铁芯，3是线性霍尔元件，4是印制电路板，5是永磁体磁环，6是轴套，7是电机轴，8是小凹槽，4个线性霍尔元件H0、H90、H180、H270。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。如图1A和图1B所示，本实施例的霍尔旋转变压器包括：旋转变压器定子1、线性霍尔元件3、联接霍尔元件的印制电路板4、安装在旋转变压器转子轴套6上的永磁体磁环5。其中，永磁体磁环5具有正弦分布的表面磁场，磁极对数为P=1，通过轴套6固定到电机轴7上，电机旋转时就可产生正弦分布的旋转变压器转子气隙磁场。在印制电路板4上装有一个环形软磁铁芯2，环形软磁铁芯上有2P=4个间隔90°分布的小凹槽8，2P=4个线性霍尔元件H0、H90、H180、H270互差90°焊在印制电路板4上，并且靠紧小凹槽内。线性霍尔元件3的磁敏感面与永磁体磁环5的磁极表面相互对齐，并保持旋转变压器定子与转子间具有均匀气隙。2P=4个线性霍尔元件的理想输出分别为：V1=V0+Vsinθ，V2=V0+Vcosθ，V3=V0－Vsinθ，V4=V0－Vcosθ。图2是四个线性霍尔元件的模拟输出的波形图。
其中，利用装在印制电路板4上的环形软磁铁芯2的聚磁作用，将永磁体磁环5产生的转子气隙磁场中的切向分量都转换成径向分量；环形软磁铁芯的几何形状决定了气隙磁场的波形，因此环形软磁铁芯上间隔90度的四个小凹槽的正交性，决定线性霍尔元件输出信号的正交性，而与线性霍尔元件在印制电路板上的焊接偏差基本无关；每个小凹槽的槽宽尺寸以正好放下线性霍尔元件为准，这样一来，霍尔旋转变压器的相位误差会很小。其中的永磁体磁环采用塑料粘结钕铁硼材料。
本实施例中，利用环形软磁铁芯2的聚磁作用，使线性霍尔元件3磁敏感面至永磁体磁环5的极面的距离为15毫米，由于气隙磁场的高次谐波的幅值与谐波次数成高次幂衰减，因此气隙磁场的正弦性与永磁体磁环5的质量关系不大，于是本实施例中霍尔旋转变压器的函数误差极小，且与定、转子轴向安装尺寸无关。
其中，环形软磁铁芯2的厚度为3.5mm，采用电工纯铁，环形软磁铁芯2的轴向几何中心线与线性霍尔元件3磁敏感面中心线应基本重合，轴向安装偏差不大于0.5mm。其中，旋转变压器定子与转子间的气隙可在5-25mm之间，与采用不同材料的永磁体磁环、线性霍尔元件的饱和磁密有关，永磁体磁环的磁能越高、气隙越大，线性霍尔元件的饱和磁密越高、气隙越大，本实施例中取15毫米。
将上述霍尔旋转变压器与转角变换电路组合，可构成转角编码器，其中，四个线性霍尔元件的输出与转角变换电路相连，该转角变换电路通过A/D转换模块，将四个线性霍尔元件的模拟输出电压V1、V2、V3、V4(如图2所示)，换成数字量DV1、DV2、DV3、DV4；再进行Dcosθ=DV1－DV3和Dsinθ=DV2－DV4数字运算，获得Dcosθ与Dsinθ两相带正负号的旋转变压器数字量。由于环形软磁铁芯的作用和消除了极大部分转子气隙磁场中的切向分量，所以转子相对定子存在少量径向、轴向安装偏差，不会产生Dcosθ与Dsinθ两相信号的幅值和相位偏差。
为了说明环形软磁铁芯的聚磁作用，设径向安装偏差产生V1、V2、V3、V的偏差为±ΔV，于是：
V1=V0+（V+ΔV）sinθ
V2=V0+（V+ΔV）cosθ
V3=V0－（V－ΔV）sinθ
V4=V0－（V－ΔV）cosθ
V1－V3=2Vsinθ
V2－V4=2Vcosθ
图3是本实施例中的四个线性霍尔元件的模拟输出相减后的波形图，它们与安装偏差无关。
如图4所示，然后将V2－V4=2Vcosθ和V1－V3=2Vsinθ的数字量Dcosθ与Dsinθ两相带正负号的旋转变压器数字量送到矢量旋转变换（CORDIC算法）电路，与反馈到该电路中的转角编码器的输出信号φ做矢量旋转变换运算，产生矢量旋转变换电路的输出Ksin(θ－φ)偏差信号；再送到比例积分（PI）调节器，调节器的作用使偏差信号趋于零，达到编码器的输出信号φ完全跟踪输入转角θ的目的，比例积分（PI）调节器的输出正比θ的变化；然后再送到滤波器获得速度输出信号ω；再同时送到积分电路获得编码器的输出信号φ，且φ=θ。在图5中示出了霍尔转角编码器360°数字量信号φ与360°机械转角的关系。
本实施例的霍尔转角编码器中，转角变换电路采用内含A/D模块的单片机MCU来实现，积分电路获得编码器的输出信号Ф，是数字量，通过数字口输出；也可利用片选，选择片内D/A变换模块以模拟量输出。
其中，所述转角变换电路可采用纯硬件的FPGA来实现，还可采用纯硬件的ASIC来实现，所述积分电路获得编码器的输出信号Ф，是数字量，通过数字口输出；也可利用片内D/A变换模块以模拟量输出。
本实施例中，转子磁极对数为P=1，可以检测360°机械转角，所以是绝对值霍尔旋转变压器和霍尔转角编码器；为了扩大其应用领域，可将检测到的360°绝对值机械转角信号用数字的方法下降其信息量，转换为增量形式的转角信号并通过数字口输出。图6是霍尔转角编码器增量脉冲数字量输出信号波形，其中Uz是Z脉冲信号，Ua、Ub是两相增量脉冲信号。
本实施中，旋转变压器的定子外壳与环形软磁铁芯2是一体的，安装永磁体磁环5的旋转变压器转子轴套6通过轴承固定到定子外壳上，形成组装式旋转变压器。本实施例霍尔旋转变压器的精度可达1-3角分；霍尔转角编码器的精度可达1-3角分，分辨率可高达16位以上。
本发明的另一实施例是一个多极霍尔旋转变压器，其中的永磁体磁环具有正弦分布的表面磁场，磁极对数为P=N=4，为8极霍尔旋转变压器；永磁体磁环通过轴套固定到电机轴上，电机旋转时就可产生正弦分布的旋转变压器转子气隙磁场；在印制电路板上装有一个环形软磁铁芯，环形软磁铁芯上有3个间隔120°电角度分布的小凹槽，3个线性霍尔元件互差120°电角度焊在印制电路板上、并且靠紧小凹槽内；线性霍尔元件的磁敏感面与磁极表面相互对齐，并保持旋转变压器定子与转子间具有均匀气隙；3个线性霍尔元件的理想输出分别为，V1=V0+VsinNθ，V2=V0+VsinN(θ－120°)，V3=V0+VsinN(θ－240°)。
为了补偿转子相对定子存在少量径向安装偏差对输出的影响，在环形软磁铁芯3个小凹槽相对的180°机械位置，再增加3个小凹槽，相应再增加3个线性霍尔元件，于是6个线性霍尔元件的理想输出分别为，V1=V0+VsinNθ，V2=V0+VsinN(θ－120°)，V3=V0+VsinN(θ－240°)，V4=V0－VsinNθ，V5=V0－VsinN(θ－120°)，V6=V0－VsinN(θ－240°)。本实施例多极霍尔旋转变压器的精度可达1-3角分；霍尔转角编码器的精度可达1-3角分，分辨率可高达16位以上。
本发明又一实施例中，也是一个多极霍尔旋转变压器，其永磁体磁环具有正弦分布的表面磁场，磁极对数为P=180，为360极霍尔旋转变压器；于是6个线性霍尔元件的理想输出分别为，V1=V0+VsinNθ，V2=V0+VsinN(θ－120°)，V3=V0+VsinN(θ－240°)，V4=V0－VsinNθ，V5=V0－VsinN(θ－120°)，V6=V0－VsinN(θ－240°)。本实施例多极霍尔旋转变压器的精度可达1-3角秒。本多极霍尔转角编码器的精度可达1-3角秒，分辨率可高达21位。

Claims (9)

1.一种霍尔旋转变压器，其中包括旋转变压器定子(1)、线性霍尔元件(3)、印制电路板(4)、以及永磁体磁环(5)，其特征在于，在所述印制电路板(4)上装有一个环形软磁铁芯(2)，在所述环形软磁铁芯的内环面设有与线性霍尔元件个数相同、并均匀分布的多个凹槽(8)，每个线性霍尔元件装于与之对应的那一个凹槽内、并焊接于所述印制电路板上；且每个线性霍尔元件的磁敏感面与所述永磁体磁环的磁极表面相互对齐；所述永磁体磁环是由塑料粘结钕铁硼材料、或铁氧体材料、或钕铁硼材料制成的；所述永磁体磁环具有正弦分布的表面磁场，并通过轴套固定到电机轴上，在旋转时可产生正弦分布的旋转变压器转子气隙磁场；所述旋转变压器定子与转子间的气隙为5-25mm，所述转子包括旋转变压器转子轴套(6)和安装在旋转变压器转子轴套(6)上的永磁体磁环(5)。
2.根据权利要求1所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，所述环形软磁铁芯的厚度为1-4mm，由电工纯铁或多片电机用硅钢片制成；所述环形软磁铁芯的轴向几何中心线与线性霍尔元件磁敏感面中心线基本重合，偏差不大于0.5mm。
3.根据权利要求2所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，所述环形软磁铁芯上的每个凹槽的尺寸正好供一个线性霍尔元件紧配合放入，且每个凹槽的深度尺寸为0.05-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，所述旋转变压器定子(1)的外壳与所述环形软磁铁芯是一体结构，用于安装所述永磁体磁环的所述轴套通过轴承固定到所述旋转变压器定子(1)的外壳上。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，所述永磁体磁环的磁极对数为P＝1，所述线性霍尔元件的个数为4个，在所述环形软磁铁芯的内环面相应设有4个间隔90°分布的凹槽。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，所述永磁体磁环的磁极对数为P＝N，N为大于1的自然数；所述线性霍尔元件的个数为3个，在所述环形软磁铁芯的内环面相应设有3个间隔120°电角度分布的凹槽。
7.根据权利要求6所述的霍尔旋转变压器，其特征在于，还包括3个附加的线性霍尔元件，相应地，在所述环形软磁铁芯的内环面上与原有的每个凹槽相对180°的位置各设有一个附加的凹槽，进而共有6个线性霍尔元件及6个凹槽。
8.一种霍尔转角编码器，其包括转角变换电路，其特征在于，还包括权利要求1-7中任一项所述的霍尔旋转变压器，所述转角变换电路中包括：A/D转换模块，用于将霍尔旋转变压器输出的模拟输出电压转换成数字量，再通过运算获得两相带正负号的旋转变压器数字量；矢量旋转变换电路，用于对所述A/D转换模块的输出结果与反馈回来转角编码器输出信号Ф进行矢量旋转变换运算，得到输出偏差信号；比例积分调节器，用于使偏差信号趋于零，达到编码器的输出信号Ф完全跟踪输入转角θ的目的；滤波器，用于获得速度输出信号ω；积分电路，用于获得编码器的输出信号Ф，且Ф＝θ。
9.根据权利要求8所述的霍尔转角编码器，其特征在于，所述转角变换电路采用数字信号处理器DSP或单片机MCU来实现，或者采用纯硬件的FPGA或ASIC来实现。
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