CN103326515A

CN103326515A - 双磁路多信号模式位置传感器及其检测方法

Info

Publication number: CN103326515A
Application number: CN2013102306290A
Authority: CN
Inventors: 吕德刚; 高旭东; 邢丽
Original assignee: Harbin University of Science and Technology
Current assignee: Harbin University of Science and Technology
Priority date: 2013-06-10
Filing date: 2013-06-10
Publication date: 2013-09-25

Abstract

双磁路多信号模式位置传感器及其检测方法。光电器件使用寿命不长，限制了光电编码器的使用寿命。本发明组成包括 : 外壳（ 4 ），外壳（ 4 ）安装支架（ 2 ）上，外壳（ 4 ）端盖（ 9 ）下端安装有电路板（ 11 ），电路板（ 11 ）下方安装有线性霍尔传感器（ 8 ）和圆盘形铁芯（ 10 ），外壳（ 4 ）下端通过轴承（ 3 ）安装有中空轴（ 1 ），中空轴（ 1 ）上方安装有两极圆柱形磁钢（ 12 ），轴承（ 3 ）上端安装有磁屏蔽装置（ 13 ）， 磁屏蔽装置（ 13 ）外侧的 8 极环形磁钢（ 7 ）的外侧安装有环形铁芯（ 5 ）， 8 极环形磁钢（ 7 ）与环形铁芯（ 5 ）中间安装有开关霍尔传感器（ 6 ）。本发明用于电动机角位置及角速度检测。

Description

双磁路多信号模式位置传感器及其检测方法

技术领域：

本发明涉及一种双磁路多信号模式位置传感器及其检测方法。

背景技术：

在电机控制系统中，常用的位置传感器有旋转变压器和光电编码器。旋转变压器除了有体积大、精度不高的问题之外，还要求有激励信号，激励信号一般以转象差的形式出现。为保证反馈模拟信号精确性，必须精确调准激励信号的相位和振幅，并且要保证当随着温度和湿度的变化，出现振动和电子漂移时，保持激励信号不变，因此导致旋转变压器激励信号控制电路非常复杂，进而使成本大大增加。

光电编码器是一种集光、机、电一体的数字测角装置。因为其自身的缺点，还不能应用于振动剧烈、潮湿、有油污和灰尘的恶劣环境；由于光电器件使用寿命不长，限制了光电编码器的使用寿命；制造工艺复杂导致光电编码器的高成本。以上缺点，大大限制了光电编码器的应用范围，无法使用于恶劣环境和特殊环境，例如航天等领域。

发明内容：

本发明的目的是提供一种新型的位置传感器，可以提高电机控制系统抗恶劣环境的运行能力，减小了位置传感器的体积，降低了成本，极大限度地满足了控制系统对不同位置信号模式的要求，扩大了位置传感器的应用范围。

本发明的目的是这样实现的：

一种双磁路多信号模式位置传感器，其组成包括:外壳，所述的外壳安装支架上，所述的外壳端盖下端安装有电路板，所述的电路板下方安装有线性霍尔传感器和圆盘形铁芯，所述的外壳下端通过轴承安装有中空轴，所述的中空轴上方安装有两极圆柱形磁钢，所述的轴承上端安装有磁屏蔽装置，所述的磁屏蔽装置外侧的8极环形磁钢的外侧安装有环形铁芯，所述的8极环形磁钢与环形铁芯中间安装有开关霍尔传感器。

所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的外壳采用导磁材料，能够隔离外部环境的磁场干扰；所述的两极圆柱形磁钢平行充磁用于产生正弦波磁场；所述的径向充磁的8极环形磁钢用于产生4对极方波磁场，适用于4对极无刷直流电动机的位置检测；所述的电路板上空间相位差为120度电角度的三片垂直放置的开关霍尔传感器，用于感测8极环形磁钢产生的方波磁场；所述的线性霍尔传感器平行放置为4片空间相位差90度角，用于感测圆柱形磁钢产生的正弦波磁场。

所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的电路板设计有轴角变换电路，将平行焊接的4片线性霍尔传感器感测到的磁场信号，通过轴角变换转换为表示转轴位置的电压信号。

所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的磁屏蔽装置用于隔离圆柱形磁钢产生的正弦波磁场和环形磁钢产生的方波磁场，使两个独立的磁路互不干扰。

一种所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，磁钢连接轴为中空，安装时直接套接在电机转子轴上，并加以固定；轴的内端部设计一个外径略大于圆柱形磁钢外径、深度为磁钢高度三分之二的凹槽，圆柱形磁钢粘贴在凹槽之中；线性霍尔传感器焊接在圆形电路板的中心位置，以保证4个霍尔传感器的对称中心与圆柱形磁钢中心在同一轴线上；通过 A/D转换器将圆柱形磁钢产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；磁屏蔽装置外侧套装一个8极环形磁钢，磁屏蔽装置的作用是避免内外两个磁场的互相干扰，同时起到对两极磁场的整定作用；开关霍尔传感器在电路板同一圆周上间隔120度电角度排列，感测8极磁环产生的磁场，输出相差120度电角度的三相无刷直流电机换相信号，开关霍尔传感器表面与磁环外表面法线垂直；两极磁钢与8极磁钢同轴旋转；双磁路多信号模式位置传感器设计成全封闭结构，外壳本身就是一个磁屏蔽装置，可以屏蔽掉外部磁场对位置传感器内部磁场的干扰。

所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，所述的8极环形磁钢采用在磁钢外侧放置环形铁芯的方案对产生的磁场进行整定，所述的霍尔传感器敏感磁场分量的误差会得到有效的控制。

所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，通过A/D转换器将圆柱形磁钢产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；角位置信号以三种不同的模式输出：增量模式、PWM模式、同步串口模式；由开关霍尔传感器感测8极环形磁钢产生的方波磁场信号，并输出无刷直流电机换相信号。

所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，所述的线性霍尔传感器输出的正余弦模拟电压信号，通过A/D转换器转换为数字量，A/D转换器为12位，0～5V对应着数字量0～4095，通过极性变换进一步转化为符号数，利用矢量旋转数字算法得到位置跟踪偏差，将输入矢量旋转

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角度，生成一个偏差矢量，将其虚轴分量作为偏差信号进行PI调节，使其趋向于0，达到完全跟踪状态，此时PI调解器的输出信号正比于电机旋转角速度。

上述双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，绝对角位置的采样频率为10kHz，0.4秒读取360度圆周内全部4096个位置，并且没有任何位置遗漏，此时达到最大转速150rpm；当转速等于或低于150rpm时，分辨率可达到12位。

有益效果：

1.本发明结构简单，大大降低位置传感器的成本，生产成本较同等精度的光电编码器大约降低三分之一。

2.本发明体积小，与旋转变压器相比，大大简化了结构，缩小了体积。

3.本发明恶劣环境适应能力强，由于采用永磁体结构，对振动剧烈、潮湿、有油污和灰尘的恶劣环境的适应能力强，扩大了位置传感器的应用范围。

4.本发明能够提供多种模式的位置信号：增量模式、PWM模式、同步串口模式和无刷直流电机换相信号。

5.本发明通过永磁体结构，省去了光电器件，与光电编码器相比，大大延长了使用寿命。

6.本发明精度高，位置信号精度可达到10位。本发明的其他优点记载在对应的实施例中，不再复述。

附图说明：

附图1 是本发明的结构示意图。图中，1为中空轴，2为支架，3为轴承，4为外壳，5为环形铁芯，6为开关霍尔传感器，7为8极环形磁钢，8为线性霍尔传感器，9为端盖，10为圆盘形铁芯，11为电路板，12为两极圆柱形磁钢，13为磁屏蔽装置。

附图2是本发明的圆柱形磁钢与霍尔元件位置图。图中，1为X轴霍尔元件，2为Y轴霍尔元件，3为磁钢，4为轴，5为磁钢座，6为圆盘形铁芯。

附图3是本发明铁芯与8极磁环及霍尔元件位置图。图中，1为开关霍尔元件，2为铁芯，3为8极环形磁钢。

附图4是本发明的绝对角位置同步串口输出时序图。图中，1为角位置数据位，2为状态位。

附图5是本发明的数据处理流程图。图中，1为线性霍尔传感器，2为开关霍尔传感器，3为同步串口模式接口，4为增量模式接口，5为PWM模式接口，6为XC164。

具体实施方式：

实施例1：

一种双磁路多信号模式位置传感器，其组成包括:外壳4，所述的外壳4安装支架2上，所述的外壳4端盖9下端安装有电路板11，所述的电路板11下方安装有线性霍尔传感器8和圆盘形铁芯10，所述的外壳4下端通过轴承3安装有中空轴1，所述的中空轴1上方安装有两极圆柱形磁钢12，所述的轴承3上端安装有磁屏蔽装置13，所述的磁屏蔽装置13外侧的8极环形磁钢7的外侧安装有环形铁芯5，所述的8极环形磁钢7与环形铁芯5中间安装有开关霍尔传感器6。

实施例2：

根据实施例1所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的外壳4采用导磁材料，能够隔离外部环境的磁场干扰；所述的两极圆柱形磁钢12平行充磁用于产生正弦波磁场；所述的径向充磁的8极环形磁钢7用于产生4对极方波磁场，适用于4对极无刷直流电动机的位置检测；所述的电路板11上空间相位差为120度电角度的三片垂直放置的开关霍尔传感器6，用于感测8极环形磁钢7产生的方波磁场；所述的线性霍尔传感器8平行放置为4片空间相位差90度角，用于感测圆柱形磁钢产生的正弦波磁场。

实施例3：

根据实施例1和2所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的电路板11设计有轴角变换电路，将平行焊接的4片线性霍尔传感器8感测到的磁场信号，通过轴角变换转换为表示转轴位置的电压信号。

实施例4：

根据实施例1和2和3所述的双磁路多信号模式位置传感器，所述的磁屏蔽装置13用于隔离圆柱形磁钢产生的正弦波磁场和环形磁钢产生的方波磁场，使两个独立的磁路互不干扰。

实施例5：

一种双磁路多信号模式位置传感器检测方法，磁钢连接轴为中空，安装时直接套接在电机转子轴上，并加以固定；轴的内端部设计一个外径略大于圆柱形磁钢外径、深度为磁钢高度三分之二的凹槽，两极圆柱形磁钢12粘贴在凹槽之中；线性霍尔传感器焊接在圆形电路板的中心位置，以保证4个霍尔传感器的对称中心与圆柱形磁钢中心在同一轴线上；通过 A/D转换器将圆柱形磁钢产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；磁屏蔽装置13外侧套装一个8极环形磁钢，磁屏蔽装置13的作用是避免内外两个磁场的互相干扰，同时起到对两极磁场的整定作用；开关霍尔传感器6在电路板同一圆周上间隔120度电角度排列，感测8极磁环产生的磁场，输出相差120度电角度的三相无刷直流电机换相信号，开关霍尔传感器6表面与磁环外表面法线垂直；两极磁钢与8极磁钢同轴旋转；双磁路多信号模式位置传感器设计成全封闭结构，外壳本身就是一个磁屏蔽装置，可以屏蔽掉外部磁场对位置传感器内部磁场的干扰。

实施例6：

根据实施例5所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，所述的8极环形磁钢7采用在磁钢外侧放置环形铁芯的方案对产生的磁场进行整定，所述的霍尔传感器敏感磁场分量的误差会得到有效的控制。

实施例7：

根据实施例5或6所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，通过A/D转换器将圆柱形磁钢12产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；角位置信号以三种不同的模式输出：增量模式、PWM模式、同步串口模式；由开关霍尔传感器感测8极环形磁钢产生的方波磁场信号，并输出无刷直流电机换相信号。

实施例8：

根据实施例5或6或7所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，所述的线性霍尔传感器8输出的正余弦模拟电压信号，通过A/D转换器转换为数字量，A/D转换器为12位，0～5V对应着数字量0～4095，通过极性变换进一步转化为符号数，利用矢量旋转数字算法得到位置跟踪偏差，将输入矢量旋转

实施例9：

实施例5或6或7或8所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，绝对角位置的采样频率为10kHz，0.4秒读取360度圆周内全部4096个位置，并且没有任何位置遗漏，此时达到最大转速150rpm；当转速等于或低于150rpm时，分辨率可达到12位。

实施例10：

实施例5或6或7或8或9所述双磁路多信号模式位置传感器检测方法，如附图4所示：当片选信号CSn由逻辑高电平变为逻辑低电平时，数据输出信号DO将由高阻态变为逻辑高电平并开始读出数据。经过一段极短的时间，数据在时钟信号第一个下降沿来临时写入转换寄存器，每个后续时钟信号上升沿来临时输出一位数据。连续的数据包括16位，前12位为角度信息D[0：11]，D[12：14]为状态位，最后一位为奇偶校验位。

D12为线性警报位，逻辑高电平表示磁场超出线性临界范围，因此，只有当此位为低电平时，D0～D11的数据才准确地表示转子角位置。如果磁钢安装位置在允许范围内，则此警报位将始终保持低电平。D13位处于高电平，指示磁场强度增加，D14位处于高电平，指示磁场强度减小。D13、D14同为高电平，指示磁场超出允许范围，此时D0～D11数据无效。D15为奇偶校验位，校验D0～D14数据的传输错误。

绝对角位置的采样频率为10kHz， 0.4秒读取360度圆周内全部4096个位置，并且没有任何位置遗漏，此时达到最大转速150rpm。提高转速将减少每转绝对角位置的数量，当转速等于或低于150rpm时，双磁路多信号模式位置传感器的分辨率可达到12位。此时，CSn信号频率应达到最高频率10KHz，CLK信号周期应小于CSn信号低电平持续时间的1/16。同步串口信号模式下，双磁路多信号模式位置传感器要达到12位分辨率，电机必须在低于150rpm的转速范围内运行，即同步串口信号模式只适用于150rpm以内的低速范围。

Claims

1.一种双磁路多信号模式位置传感器，其组成包括:外壳，其特征是：所述的外壳安装支架上，所述的外壳端盖下端安装有电路板，所述的电路板下方安装有线性霍尔传感器和圆盘形铁芯，所述的外壳下端通过轴承安装有中空轴，所述的中空轴上方安装有两极圆柱形磁钢，所述的轴承上端安装有磁屏蔽装置，所述的磁屏蔽装置外侧的8极环形磁钢的外侧安装有环形铁芯，所述的8极环形磁钢与环形铁芯中间安装有开关霍尔传感器。

2.根据权利要求1所述的双磁路多信号模式位置传感器，其特征是：所述的外壳采用导磁材料，能够隔离外部环境的磁场干扰；所述的两极圆柱形磁钢平行充磁用于产生正弦波磁场；所述的径向充磁的8极环形磁钢用于产生4对极方波磁场，适用于4对极无刷直流电动机的位置检测；所述的电路板上空间相位差为120度电角度的三片垂直放置的开关霍尔传感器，用于感测8极环形磁钢产生的方波磁场；所述的线性霍尔传感器平行放置为4片空间相位差90度角，用于感测圆柱形磁钢产生的正弦波磁场。

3.根据权利要求1和2所述的双磁路多信号模式位置传感器，其特征是：所述的电路板具有轴角变换电路，将平行焊接的4片线性霍尔传感器感测到的磁场信号，通过轴角变换转换为表示转轴位置的电压信号。

4.根据权利要求1和2和3所述的双磁路多信号模式位置传感器，其特征是：所述的磁屏蔽装置用于隔离圆柱形磁钢产生的正弦波磁场和环形磁钢产生的方波磁场，使两个独立的磁路互不干扰。

5.一种利用权利要求1或2或3或4所述的双磁路多信号模式位置传感器进行的检测方法，其特征是：磁钢连接轴为中空，安装时直接套接在电机转子轴上，并加以固定；轴的内端部设计一个外径大于圆柱形磁钢外径、深度为磁钢高度三分之二的凹槽，圆柱形磁钢粘贴在凹槽之中；线性霍尔传感器焊接在圆形电路板的中心位置，以保证4个霍尔传感器的对称中心与圆柱形磁钢中心在同一轴线上；通过 A/D转换器将圆柱形磁钢产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；磁屏蔽装置外侧套装一个8极环形磁钢，磁屏蔽装置的作用是避免内外两个磁场的互相干扰，同时起到对两极磁场的整定作用；开关霍尔传感器在电路板同一圆周上间隔120度电角度排列，感测8极磁环产生的磁场，输出相差120度电角度的三相无刷直流电机换相信号，开关霍尔传感器表面与磁环外表面法线垂直；两极磁钢与8极磁钢同轴旋转；双磁路多信号模式位置传感器设计成全封闭结构，外壳本身就是一个磁屏蔽装置，屏蔽掉外部磁场对位置传感器内部磁场的干扰。

6.根据权利要求5所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，其特征是：所述的8极环形磁钢采用在磁钢外侧放置环形铁芯的方案对产生的磁场进行整定，所述的霍尔传感器敏感磁场分量的误差会得到有效的控制。

7.根据权利要求5或6所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，其特征是：通过A/D转换器将圆柱形磁钢产生的相位正交的正余弦电压模拟信号转换成数字信号，由XC164对信号进行误差补偿并计算角位置信息；角位置信号以三种不同的模式输出：增量模式、PWM模式、同步串口模式；由开关霍尔传感器感测8极环形磁钢产生的方波磁场信号，并输出无刷直流电机换相信号。

8.根据权利要求5或6或7所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，其特征是：所述的线性霍尔传感器输出的正余弦模拟电压信号，通过A/D转换器转换为数字量，A/D转换器为12位，0～5V对应着数字量0～4095，通过极性变换进一步转化为符号数，利用矢量旋转数字算法得到位置跟踪偏差，将输入矢量旋转角度，生成一个偏差矢量，将其虚轴分量作为偏差信号进行PI调节，使其趋向于0，达到完全跟踪状态，此时PI调解器的输出信号正比于电机旋转角速度。

9.根据权利要求5或6或7或8所述的双磁路多信号模式位置传感器检测方法，其特征是：绝对角位置的采样频率为10kHz，0.4秒读取360度圆周内全部4096个位置，此时达到最大转速150rpm；当转速等于或低于150rpm时，分辨率达到12位。