CN103222020B - 一种旋转变压器 - Google Patents

Abstract

一种旋转变压器和运动编码器，该变压器包括传感器定子（100）和设于其内的传感器转子（200）。传感器定子的印制电路板（600）上装有一个环形软磁铁芯（300），在环形软磁铁芯的内壁上设由至少一个线性霍尔元件（400）、一个开关霍尔元件（500）和一个满极距的绕组元件（700）；霍尔元件测量旋转位置、绕组元件测量旋转速度，且位置信号与速度信号同相位。运动编码器包括包含该旋转变压器，其位置精度比传统电磁感应式旋转变压器更高，它不存在幅值误差和相位误差，对安装偏差不敏感，结构、制造工艺简单，还可构成多种输出形式的运动编码器。

Description

一种旋转变压器

技术领域

本发明涉及一种基于霍尔与电势检测的旋转变压器以及使用该变压器的运动编码器。

背景技术

传统的旋转变压器(resolver)是一种基于电磁原理测量角度用的可转动的位置传感器，用来测量旋转物体的转轴角位移，由传感器定子和传感器转子组成。霍尔旋转变压器是一种能够完成类似功能的位置传感器。它们的输出电压的幅值与传感器转子转角成正弦、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、空心轴传感器转子、传感器定子机壳、机壳后盖、传感器定子芯和霍尔集成电路的印制板，在传感器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，传感器转子中间有支撑传感器定子的二个滚珠轴承，传感器定子前端有联接用的弹簧片。这种方案中存在问题是：1、需采用特定的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、传感器定子机壳、传感器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：传感器定子芯呈圆环形，在传感器定子芯上间隔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，线性霍尔元件在传感器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，在安装孔中的上、下、左、右、前、后6个自由度存在位置偏差。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、传感器转子装配偏心，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。

在申请号为ZL200820207106.9的中国专利中的霍尔旋转变压器，增加了一个环形软磁铁芯，将三维空间磁场，约束为二维空间磁场，大大改进了装配造成的偏差。但现有霍尔旋转变压器需要至少2个90°正交的线性霍尔元件，或3个120°分布的线性霍尔元件，分布精度和线性霍尔元件的一致性都会直接导致霍尔旋转变压器的幅值误差和相位误差，导致位置检测偏差，且多个线性霍尔元件成本较高。

因此，现有霍尔旋转变压器的位置偏差只能达到0.5°-1°左右，而且性价比也不够高。另外，开关型霍尔转角编码器虽然是已有成熟技术，然而分辨率一般小于100线，精度更低。现有霍尔编码器无法直接检测旋转的速度，必须再增加Ω＝dθ/dt或相应的处理环节。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种旋转变压器和使用该变压器的运动编码器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：构造一种旋转变压器，包括传感器定子和设于所述传感器定子内的传感器转子，所述传感器定子包括环形的支撑架，所述环形支撑架包括外圈和嵌套在所述外圈内的内圈，所述外圈与内圈之间留有一定间隙，所述外圈的内壁上固设有环形的软磁铁芯，所述内圈的外壁上设有至少一个线性霍尔元件、一个开关霍尔元件和一个满极距的绕组元件，且所述线性霍尔元件、开关霍尔元件和绕组元件均紧贴于所述软磁铁芯的内壁；还包括印制电路板，所述线性霍尔元件、开关霍尔元件和绕组元件的引脚焊接在所述印制电路板上；在所述线性霍尔元件和所述开关霍尔元件中，有一个所述线性霍尔元件和一个所述开关霍尔元件在空间上的电角度为90°；且任意一个所述线性霍尔元件、开关霍尔元件和绕组元件的磁敏感面均与所述传感器转子的磁极表面相对。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述传感器转子包括传感器转子轴、以及固定在所述传感器转子轴外圆周面上的永磁体磁环。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述永磁体磁环由塑料粘结钕铁硼材料或铁氧体材料制成。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述软磁铁芯的厚度为1-5mm。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述永磁体磁环的磁极对数P＝N，所述线性霍尔元件的个数大于或等于1，所述开关霍尔元件的个数为1；则：

所述线性霍尔元件的理想输出为，所述开关霍尔元件的理想输出为，所述绕组元件的理想输出为，且所述绕组元件的符号函数为；其中，N为大于或等于1的自然数，是所述永磁体磁环的转速。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述线性霍尔元件的个数为2，且两个所述线性霍尔元件在所述内圈的外壁上呈180°分布，则两个所述线性霍尔元件的理想输出分别为和。

本发明所述的旋转变压器，其中，所述永磁体磁环的磁极对数P＝1，所述线性霍尔元件的个数为1，所述开关霍尔元件的个数为1；则：

所述线性霍尔元件的理想输出为，所述开关霍尔元件的理想输出为，所述绕组元件的理想输出为，且所述绕组元件的符号函数为；其中，是永磁体磁环的转速。

本发明解决其技术问题采用的另一技术方案为：构造一种运动编码器，包括转角变换电路和速度变换电路，还包括如上述所述的旋转变压器；

所述转角变换电路包括用于将所述旋转变压器中的线性霍尔元件输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块

还包括基于所述A/D转换模块输出的数字量、所述开关霍尔元件提供的符号函数、以及所述绕组元件的符号函数±Sig|Ve|计算获得具有唯一性的数字量位置信号的位置确定模块；

所述速度变换电路包括用于将所述绕组元件的理想输出转换成模拟量或数字量的速度输出信号的信号滤波器或A/D转换模块。

本发明所述的运动编码器，其中，所述位置确定包括数字信号DSP或单片机MCU。

本发明所述的运动编码器，其中所述位置确定模块包括现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

实施本发明的旋转变压器以及运动编码器，具有以下有益效果：本发明仅用一个线性霍尔元件和一个开关霍尔元件，就可以确保360°位置检测的唯一性，从原理上克服了由于使用多个检测元件可能引起的幅值误差和相位误差，且线性霍尔元件和开关霍尔元件空间分布的位置偏差不会影响传感器检测精度。此外，由于线性霍尔元件紧贴环形软磁铁芯的内环壁，所以磁力线也就垂直穿过线性霍尔元件，抑制了漏磁场，改善了函数误差，提高了传感器检测精度。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明旋转变压器优选实施例的结构示意图；

图2是本发明旋转变压器优选实施例的剖面图；

图3是本发明旋转变压器优选实施例中霍尔元件的输出波形图；

图4是本发明旋转变压器优选实施例中绕组元件的输出波形图；

图5是本发明旋转变压器优选实施例中两个呈180°的线性霍尔元件的理想输出波形图；

图6是本发明旋转变压器优选实施例中图5两个理想输出相减后的输出波形图；

图7是本发明运动编码器优选实施例的原理图；

图8是本发明运动编码器优选实施例中运动编码器的转角输出数字量图；

图9是本发明运动编码器优选实施例中运动编码器的转角增量脉冲数字量图；

图10是本发明运动编码器优选实施例中运动编码器的模拟和数字量转速输出图；

图11是本发明运动编码器优选实施例中当运动编码器采用硬件模块时的电路图；

图12是本发明运动编码器优选实施例中图11的转角输出数字量图；

图13是本发明运动编码器优选实施例中同时采用硬件模块和软件模块时的电路图。

具体实施方式

如图1所示，同时参见图2。在本发明的优选实施例中，该旋转变压器，包括传感器定子100和设于传感器定子100内的传感器转子200。其中，传感器定子100包括环形支撑架，该环形支撑架包括外圈101和嵌套在外圈内的内圈102，且外圈101与内圈102之间留有一定间隙。外圈101和内圈102可以用塑料制成。外圈101的内壁上固设有环形的软磁铁芯300，该软磁铁芯300的厚度为1-5mm，由电工纯铁或者多片电机用硅钢片迭压制成；该软磁铁芯300可以约束气隙磁场，使传感器转子永磁体磁环产生的磁力线垂直进入软磁铁芯300。内圈102的外壁上设有至少一个线性霍尔元件400、一个开关霍尔元件500和一个满极距的绕组元件700，且线性霍尔元件400、开关霍尔元件500和绕组元件700均紧贴于软磁铁芯300的内壁，以使磁力线垂直穿过线性霍尔元件400，从而抑制漏磁场，改善函数误差，提高了传感器检测精度。值得注意的是，从图1中可以看出，线性霍尔元件400、开关霍尔元件500和绕组元件700除了紧贴于软磁铁芯300的内壁安装之外，还与内圈102的外壁紧贴，也就是说软磁铁芯300的厚度与线性霍尔元件400或开关霍尔元件500的厚度之和等于外圈101与内圈102之间的距离。

还包括印制电路板600，上述线性霍尔元件400、开关霍尔元件500和绕组元件700的引脚均焊接在印制电路板600上。且在线性霍尔元件400和开关霍尔元件500中，有一个线性霍尔元件400和一个开关霍尔元件500在空间上的电角度为90°，其中，电角度＝极对数×机械角度。且任意一个线性霍尔元件400、开关霍尔元件500和绕组元件700的磁敏感面均与传感器转子的磁极表面相对，以便在运动时，霍尔元件敏感永磁体磁场位置、绕组元件产生反电动势来敏感运动速度。进一步地，传感器转子包括传感器转子轴200、以及固定在传感器转子轴200外圆周面上的永磁体磁环800，其中，所永磁体磁环800可以由塑料粘结钕铁硼材料或铁氧体材料制成。此外，根据磁环材料的不同和霍尔元件对气隙磁场的幅值要求，传感器定子100和传感器转子间的气隙为1-15mm。

如图3和图4所示，本发明仅用一个线性霍尔元件400和一个开关霍尔元件500，就可以确保360°位置检测的唯一性，从原理上克服传统旋转变压器由于使用多个检测元件可能引起的幅值误差和相位误差。更重要的特点是，线性霍尔元件400和开关霍尔元件500空间分布的位置偏差不会影响传感器得检测精度。且由于软磁铁芯300的聚磁作用，可以约束气隙磁场，使传感器转子永磁体磁环800产生的磁力线垂直进入软磁铁芯300，又由于线性霍尔元件400紧贴软磁铁芯300的内环壁，所以磁力线也就垂直穿过线性霍尔元件400，从而抑制了漏磁场，改善了函数误差，提高了传感器检测精度。本发明的旋转变压器不存在幅值误差和相位误差，所以检测精度优于0.05°～0.5°。

进一步地，定义上述永磁体磁环800的磁极对数P＝N，线性霍尔元件400的个数大于或等于1，开关霍尔元件500的个数为1；则：

线性霍尔元件400的理想输出为Vh＝V0+VsinNθ，开关霍尔元件500的理想输出为Vk＝±Sig|sinN(θ+90°)|，绕组元件700的理想输出为Ve＝ΩKsinθ，且绕组元件700的符号函数为±Sig|Ve|；其中，N为大于或等于1的自然数，是永磁体磁环800的转速。于是通过这些量，可以确定N360°范围内，位置和转速的唯一性。

当永磁体磁环800的磁极对数P＝1，且线性霍尔元件400和开关霍尔元件500的个数均为1个时，线性霍尔元件400的理想输出为Vh＝V0+Vsinθ，开关霍尔元件500的理想输出为Vk＝±Sig|sin(θ+90°)|，绕组元件700的理想输出为Ve＝ΩKsinθ，且绕组元件700的符号函数为±Sig|Ve|；其中，是永磁体磁环的转速。由于仅使用一个线性霍尔元件400，因此从原理上，不存在多个检测元件可能产生的幅值误差和相位误差，因而构成了绝对位置传感器和转速传感器。可以理解的，当P＝2时，由电角度＝极对数×机械角度可知，线性霍尔元件400与开关霍尔元件500之间的空间分布角度为45°；当P＝4时，线性霍尔元件400与开关霍尔元件500之间的空间分布角度为22.5°，以此类推。

如图5所示，当永磁体磁环800的磁极对数P＝N，上述线性霍尔元件400的个数为2，且两个线性霍尔元件400在内圈102的外壁上呈180°分布时，两个线性霍尔元件400的理想输出分别为Vh1＝V0+VsinNθ和Vh2＝V0-VsinNθ。因此，Vh1-Vh2＝2VsinNθ(如图6所示)。通过这些量可以确定N360°范围内，位置和转速的唯一性，由于仅使用一对呈180°机械角度分布的线性霍尔元件，因此从原理上，不存在多个检测元件可能产生的幅值误差和相位误差，因而可以构成N段绝对位置传感器和转速传感器。

如图7所示，在本发明的另一具体实施方式中，一种运动编码器，包括转角变换电路和速度变换电路，还包括如上述所述的旋转变压器。其中，转角变换电路包括用于将旋转变压器中的线性霍尔元件400输出的正弦波模拟输出电压转换成数字量的A/D转换模块

还包括基于所述A/D转换模块输出的数字量、开关霍尔元件提供的符号函数、以及绕组元件的符号函数±Sig|Ve|计算获得具有唯一性的数字量位置信号的位置确定模块；

速度变换电路包括用于将绕组元件700的理想输出转换成模拟量或数字量的速度输出信号的信号滤波器或A/D转换模块。原理为：

转角变换电路中的A/D转换模块将线性霍尔元件400输出的正弦波浓密输出电压转换成16位的数字量，再通过开关霍尔元件500提供的符号函数来区分正弦波按90°为周期的多值性，然后利用满极距的绕组元件700的符号函数确定转角和速度的方向，最后通过位置确定模块运算在查表及单值处理中获得唯一性的数字量位置信号。以永磁体磁环800的磁极对数P＝1为例，可以检测360°的机械转角，所以此时是绝对值霍尔旋转编码器和霍尔转角编码器。图8所示的是16位绝对位置编码器输出信号，如图9所示，速度变换电路利用满极距的绕组元件700的理想输出，经信号滤波或A/D转换成数字量，即获模拟量或数字量的速度输出信号Ω。

在本发明的另一具体实施例中，上述的位置确定模块包括数字信号DSP或单片机MCU，也可以采用现场可编程门阵列FPGA或专用集成电路ASIC。

如果采用软件模块运算，在查表及单值处理中获得唯一性的数字量位置信号，则可以将如图8所示的数字量位置信号，变换为如图10所示的增量位置编码器输出信号，其中Uz是Z脉冲信号，Ua、Ub是两相增量脉冲信号。

如果采用硬件模块运算，例如采用一个10位A/D变换电路和一个12位的EPROM，则线性霍尔元件400的输出Vh＝V0+Vsinθ经滤波后送至10位A/D变换电路模拟输入端，变换后的10位数字信号D0～D9顺序地接至12位EPROM的A0～A9地址输入端，如图11和图12所示；开关霍尔元件Vk＝±Sig|sinN(θ+90°)|符号函数信号，连接到12位EPROM的A10地址端，满极距的绕组元件700输出Ve＝ΩKsinθ，符号函数为±Sig|Ve|，连接到12位EPROM的A11地址端；用高精度位置发生装置产生10位分辨率的线性变化的位置，线性霍尔元件400的输出Vh被变换成与之对应的10位数字信号D(D0～D9)，将10位数字信号D(D0～D9)，赋值给12位EPROM的A0～A9地址空间；连同A10地址端的电平来确定Vh的相位，由于A/D变换电路的输出与EPROM输出对应相连，这就将Vh变换成了随位置线性变化的锯齿波数字输出信号，A11地址端的电平用来确定位移和速度的发向。如图13所示，也可以采用DSP、MCU、FPGA、ASIC共同构成本发明的运动编码器。

以上实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据此实施，并不能限制本发明的保护范围。凡跟本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，均应属于本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种旋转变压器，其特征在于，包括传感器定子(100)和设于所述传感器定子(100)内的传感器转子，所述传感器定子(100)包括环形的支撑架，所述环形支撑架包括外圈(101)和嵌套在所述外圈(101)内的内圈(102)，所述外圈(101)与内圈(102)之间留有一定间隙，所述外圈(101)的内壁上固设有环形的软磁铁芯(300)，所述内圈(102)的外壁上设有至少一个线性霍尔元件(400)、以及一个开关霍尔元件(500)和一个满极距的绕组元件(700)，且所述线性霍尔元件(400)、开关霍尔元件(500)和绕组元件(700)均紧贴于所述软磁铁芯(300)的内壁；还包括印制电路板(600)，所述线性霍尔元件(400)、开关霍尔元件(500)和绕组元件(700)的引脚焊接在所述印制电路板(600)上；在所述线性霍尔元件(400)和所述开关霍尔元件(500)中，有一个所述线性霍尔元件(400)和一个所述开关霍尔元件(500)在空间上的电角度为90°；且任意一个所述线性霍尔元件(400)、开关霍尔元件(500)和绕组元件(700)的磁敏感面均与所述传感器转子的磁极表面相对。

2.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，所述传感器转子(200)包括传感器转子轴(200)、以及固定在所述传感器转子轴(200)外圆周面上的永磁体磁环(800)。

3.根据权利要求2所述的旋转变压器，其特征在于，所述永磁体磁环(800)由塑料粘结钕铁硼材料或铁氧体材料制成。

4.根据权利要求1所述的旋转变压器，其特征在于，所述软磁铁芯(300)的厚度为1-5mm。