CN104165580A - 一种磁导式绝对角度检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁导式绝对角度检测系统，现有的环形变压器的体积较大，绕线工艺的复杂，制造成本高；本发明包括磁导式绝对角度检测装置和角度检测信号处理装置；所述的磁导式绝对角度检测装置，包括第一定子、第二定子、第一线圈组、第二线圈组、第三线圈组、第四线圈组、隔磁垫片、第一接线板、第二接线板、第一转子、第二转子；本发明可以保证在绝对角度信息可得的情况下，对于角度值进行细化，提高了检测精度。本发明相比于传统磁阻式旋转变压器测量精度高，结构上简单实用，发展前景较好。
Description
技术领域
本发明属于伺服电机位置检测技术领域，具体涉及一种磁导式绝对角度检测系统。
背景技术
伺服电机在目前的工业领域内有着十分广泛的应用，如各式数控机床、加工中心以及工业机器人等。伺服电机的主要功能便是可以实现高精度的定位，而其定位的能力很大程度上取决于安装在伺服电机中的位置检测装置。目前伺服电机中广泛使用的位置传感器为光电编码器，这种传感器可以实现较高精度的位置检测，然而这种位置传感器对于其工作环境的要求较高，密封性要求较高，以防止粉尘的进入而导致的故障，而且抗冲击，抗扰动的能力较差，已经成为伺服电机故障的一个主要因素。另外绝对式光电编码器的成本较高，也限制了此类传感器的使用。相对于光电编码器而言，旋转变压器有着耐热，耐冲击，抗扰动，成本低等一系列优点。但是早期的旋转变压器存在电刷和滑环，导致了旋转变压器的故障率较高。之后发展出的无刷式旋转变压器采用了环形变压器代替了电刷和滑环，从而实现了旋转变压器的无刷化。但是由于环形变压器的体积较大，同样限制了此类旋转变压器的使用场合。磁阻式旋转变压器将励磁绕组和输出绕组都安装在旋转变压器的定子上，以此在取消了环形变压器的情况下，实现了旋转变压器的无刷化，因此可以在一定程度上减小旋转变压器的体积。根据磁阻式旋转变压器的绕组形式，导致了绕线的加工工艺较为麻烦，也因此增加了变压器的制造成本。
发明内容
本发明针对现有旋转变压器技术的不足，设计一种磁导式绝对角度检测系统。
本发明磁导式绝对角度检测系统，包括磁导式绝对角度检测装置和角度检测信号处理装置；所述的磁导式绝对角度检测装置，包括第一定子、第二定子、第一线圈组、第二线圈组、第三线圈组、第四线圈组、隔磁垫片、第一接线板、第二接线板、第一转子、第二转子；
第一线圈组和第二线圈组通过第一接线板安装在第一定子上，第三线圈组和第四线圈组通过第二接线板安装在第二定子上；隔磁垫片夹在第一定子与第二定子之间；第一定子、第二定子通过隔磁垫片相互固定；第一转子与第二转子相互平行，并且不存在相互旋转；所述的第一定子与第一转子同轴设置；第二定子与第二转子同轴设置；第一线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第二线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第三线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；第四线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；
所述的第一定子与第二定子结构相同，都为圆筒形，圆筒内侧壁均布有16主齿，并且齿冠还开有均分的梯形副齿；梯形副齿的数量为16的整数倍；所述的第一转子采用硅钢片材料，外侧面呈齿槽结构；所述的第二转子采用实心导磁材料，其截面呈偏心圆的结构。第一转子上齿数为4的整数倍，且除以4的商为奇数。
第三线圈组和第四线圈组的绕组相差4个主齿槽距离，即相对于第三线圈组顺时针方向错开4个主齿槽的位置绕制第四线圈组。
第一线圈组和第二线圈组的绕组相差1个主齿槽距离，当转子齿数除以4的商再除以4的余数为1时，相对于第一线圈组顺时针方向错开1个主齿槽的位置绕制第二线圈组；当转子副齿数除以4的商再除以4的余数为3时，相对于第一线圈组逆时针方向错开1个主齿槽的位置绕制第二线圈组。
所述的角度检测信号处理装置，包括反馈信号选择模块、反馈信号调理模块、信号解析模块、激励信号调理模块和单片机；
所述的反馈信号选择模块的正余弦信号输出端口与反馈信号调理模块的正余弦信号输入端口连接，反馈信号调理模块的信号输出端口与信号解析模块的正余弦信号输入端口连接，信号解析模块的激励信号输出端口与激励信号调理模块的激励信号输入端口连接，信号解析模块的信号解析结果输出端口与单片机信号解析结果输入端口连接，单片机的周期控制信号输出端口分别与反馈信号调理模块的周期控制信号输入端口和反馈信号选择模块的周期控制信号输入端口连接；
磁导式绝对角度检测装置中四个多周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的多周期正余弦信号输入接头连接，四个单周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的单周期正余弦信号输入接头连接，激励信号调理模块的正余弦激励信号输出接头与磁导式绝对角度检测装置中的八个正余弦激励信号输入接头连接。
所述的第一转子的一个齿顶中心线与第二转子的偏心圆对称轴线相重合。
本发明的第一定子和第一转子相配合实现多周期正余弦信号的输出功能，第二定子和第二转子相配合实现单周期正余弦信号的输出功能，由于两个功能之间互不干扰，第一定子和第二定子的结构在理论上可以根据功能的需要进行不同的设计，但考虑到生产实际的成本问题，将第一定子和第二定子设计成相同的结构，以降低生产成本。
第二定子主齿和第二转子的偏心圆结构相配合，定子结构的设计需要满足转子旋转一周，输出单周期正余弦信号的要求，可以实现该功能的最小线圈数为16，当线圈数为16的整数倍时也可以实现该功能，与此配合主齿数也应为16的整数倍，考虑到定子加工的难易程度问题，选择定子主齿数为16，每一个齿上绕有线圈。在16个主齿的结构下，每相邻两个齿对称中线之间的角度相差22.5度；
第一定子的副齿和第一转子的副齿结构相配合，定子结构的设计需要满足转子旋转一周，输出多周期信号，转子旋转一对齿槽所对应的角度，输出一个周期信号。可以实现该功能需要首先使定子副齿数和转子副齿数满足一定的数量要求。从定子副齿数来看，由于定子副齿是并不是在整个圆周上分布，而是在分布有主齿的地方才出现副齿，而主齿数量是16个，因此副齿的数量应该为16的整数倍，这样可以保证每个主齿上的副齿数量和齿槽对应情况完全相同。从转子副齿数来看，为了保证在定子主齿处产生相差90°的相位关系，需要转子副齿数为4的整数倍，并且除以4的商为奇数。
设计需要通过使用两套线圈组以相同的绕组连接方式、相隔一定角度来实现两组相位差90°的正余弦信号作为输出，假设相隔的这一角度为α，由定子16个齿的结构可以知道，α一定是22.5°的整数倍。首先分析第三线圈组和第四线圈组之间的角度关系，由偏心圆结构形成的定转子之间气隙结构和我们采用的绕组连接方式可知第三线圈组和第四线圈组之间的角度应相差90°，也就是相差4个主齿。接下来分析第一线圈组和第二线圈组之间的角度关系，当转子副齿数除以4的商再除以4的余数为1时，第一线圈组和第二线圈组之间的角度应相差22.5°，也就是相差1个主齿；当转子副齿数除以4的商再除以4的余数为3时，第一线圈组和第二线圈组之间的角度应相差67.5°，也就是相差3个主齿。考虑到第一绕组和第二绕组的绕组周期均是4，那么第一线圈组和第二线圈组之间顺时针相差3个齿和逆时针相差1个齿的结果是相同的。由这样的设计方法才可以实现齿槽相对、齿槽中心与槽相对和槽槽相对的情况，从而可以实现周期的正弦波形。
本发明有益效果如下：
本发明通过接线板，将定子绕组排列成电桥的结构，当转子旋转时，电桥中各部分的电抗会随着位置而发生变化,进而导致输出电压随着转子的位置呈周期的变化并检测到转子的位置。由于同时存在多周期的信号输出和单周期的信号输出，可以保证在绝对角度信息可得的情况下，对于角度值进行细化，提高了检测精度。本发明相比于传统磁阻式旋转变压器测量精度高，结构上简单实用，发展前景较好。
附图说明
图1为本发明定子的正视图
图2为两个定子与接线板、线圈组之间的安装示意图；
图3为第二转子的正视图；
图4为第一转子的正视图；
图5为两个转子的安装示意图；
图6为本发明第一定子上第一线圈组的连接图；
图7为本发明第二定子上第二线圈组的连接图；
图8为本发明配套的信号处理装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
磁导式绝对角度检测系统由两部分组成，分别是磁导式绝对角度检测装置和角度检测信号处理装置。
如图1、图2、图5所示，本发明磁导式绝对角度检测系统包括磁导式绝对角度检测装置和角度检测信号处理装置；所述的磁导式绝对角度检测装置，包括第一定子1-1、第二定子1-2、第一线圈组2-1、第二线圈组2-2、第三线圈组2-3、第四线圈组2-4、隔磁垫片3、第一接线板4-1、第二接线板4-2、第一转子5-1、第二转子5-2；
第一线圈组2-1和第二线圈组2-2通过第一接线板4-1安装在第一定子1-1上，第三线圈组2-3和第四线圈组2-4通过第二接线板4-2安装在第二定子1-2上；隔磁垫片3夹在第一定子与第二定子之间，起到阻断磁路的作用；第一定子1-1、第二定子1-2通过隔磁垫片3相互固定；第一转子5-1与第二转子5-2相互平行，并且不存在相互旋转；所述的第一定子1-1与第一转子5-1同轴设置；第二定子1-2与第二转子5-2同轴设置；第一线圈组2-1上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第二线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第三线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；第四线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；
所述的第一定子与第二定子结构相同，都为圆筒形，圆筒内侧壁均布有16主齿，并且齿冠还开有144个梯形副齿；所述的第一转子采用硅钢片材料，外侧面呈齿槽结构；所述的第二转子采用实心导磁材料，其截面呈偏心圆的结构。第一转子上齿数为132。
第三线圈组和第四线圈组的绕组相差4个主齿槽距离，即相对于第三线圈组顺时针方向错开4个主齿槽的位置绕制第四线圈组。
第一线圈组和第二线圈组的绕组相差1个主齿槽距离，相对于第一线圈组顺时针方向错开1个主齿槽的位置绕制第二线圈组；
如图8所示，所述的角度检测信号处理装置，包括反馈信号选择模块、反馈信号调理模块、信号解析模块、激励信号调理模块和单片机；
所述的反馈信号选择模块的正余弦信号输出端口与反馈信号调理模块的正余弦信号输入端口连接，反馈信号调理模块的信号输出端口与信号解析模块的正余弦信号输入端口连接，信号解析模块的激励信号输出端口与激励信号调理模块的激励信号输入端口连接，信号解析模块的信号解析结果输出端口与单片机信号解析结果输入端口连接，单片机的周期控制信号输出端口分别与反馈信号调理模块的周期控制信号输入端口和反馈信号选择模块的周期控制信号输入端口连接；
磁导式绝对角度检测装置中两个多周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的多周期正余弦信号输入接头连接，两个单周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的单周期正余弦信号输入接头连接，激励信号调理模块的正余弦激励信号输出接头与磁导式绝对角度检测装置中的四个正余弦激励信号输入接头连接。
如图6所示，所述的第一线圈组2-1包括16个线圈，16个线圈都分别绕在第一定子的主齿上，并采用相同的绕线工艺，第一线圈L1的起始端与第二线圈L2的终止端连接并作为一个正余弦激励信号输入接头，第二线圈L2的起始端与第六线圈L6的终止端连接，第六线圈L6的起始端与第十线圈L10的终止端连接，第十线圈L10的起始端与第十四线圈L14的终止端连接，第十四线圈L14的起始端与第十六线圈L16的终止端连接并作为一个多周期正余弦信号输出接头，第四线圈L4的起始端和第三线圈L3的终止端连接并作为另一个正余弦激励信号输入接头，第三线圈L3的起始端与第七线圈L7的终止端连接，第七线圈L7的起始端与第十一线圈L11的终止端连接，第十一线圈L11的起始端与第十五线圈L15的终止端连接，第十五线圈L15的起始端与第十三线圈L13的终止端连接并作为另一个多周期正余弦信号输出接头，第十三线圈L13的起始端与第九线圈L9的终止端连接，第九线圈L9的起始端与第五线圈L5的终止端连接，第五线圈L5的起始端与第一线圈L1的终止端连接，第十六线圈L16的起始端第十二线圈L12的终止端连接，第十二线圈L12的起始端与第八线圈L8的终止端连接，第八线圈L8的起始端与第四线圈L4的终止端连接。
所述的第二线圈组2-2，相对于第一线圈组顺时针方向错开1个主齿槽的位置进行绕制。
如图7所示，所述的第三线圈组2-3包括16个线圈，16个线圈都分别绕在第二定子的主齿上，并采用相同的绕线工艺，第十七线圈L17的起始端与第三十一线圈L31的终止端连接，第三十一线圈L31的起始端与第三十线圈L30的起始端连接，第三十线圈L30的终止端与第二十八线圈L28的起始端连接，第二十八线圈L28的终止端与第二十五线圈L25的终止端连接并作为一个多周期正余弦激励信号输出接头，第二十五线圈L25的起始端与第二十三线圈L23的终止端连接，第二十三线圈L23的起始端和第二十二线圈L22的起始端连接，第二十二线圈L22的终止端和第二十线圈L20的起始端连接，第二十线圈L20的终止端与第二十四线圈L24的终止端连接并作为一个正余弦激励信号输入接头，第二十四线圈L24的起始端与第二十六线圈L26的终止端连接，第二十六线圈L26的起始端与第二十七线圈L27的起始端连接，第二十七线圈L27的终止端与第二十九线圈L29的起始端连接，第二十九线圈L29的终止端与第三十二线圈L32的终止端连接并作为另一个多周期正余弦信号输出接头，第三十二线圈L32的起始端与第十八线圈L18的终止端连接，第十八线圈L18的起始端第十九线圈L19的起始端连接，第十九线圈L19的终止端与第二十一线圈L21的起始端连接，第二十一线圈L21的终止端与第十七线圈L17的终止端连接并作为另一个正余弦激励信号输入接头。
所述的第四线圈组2-2，相对于第三线圈组顺时针方向错开4个主齿槽的位置进行绕制。
本发明工作过程如下：
本发明中的第二转子5-2起到使第二定子1-2和第二转子5-2之间的气隙磁导不对称的功能，当第二转子5-2旋转一周时，空间的磁导变化一周期，从而造成第三线圈组2-3和第四线圈组2-4中的电抗随着第二转子5-2位置的变化而变化，当第三线圈组2-3和第四线圈组2-4均通过第二接线板4-2连接成图4所示时，根据电桥分压原理可以测出随着位置而变化近似正余弦信号，进而可以计算出较为粗略的转子绝对位置信息；第一转子5-1起到使第一定子1-1和第一转子5-1之间的气隙磁导呈多周期变化的功能，当第一转子5-1旋转一周时，空间的磁导变化多个周期，周期数与第一转子5-1中的齿数相关，从而造成第一线圈组2-1和第二线圈组2-2中的电抗随着第一转子5-1位置的变化而成多周期变化，当第一线圈组2-1和第二线圈组2-2均通过第一接线板4-1连接成图3所示时，根据电桥分压原理可以测出随着位置而变化的多周期近似正余弦信号，可以将之前所测出的绝对位置信息进行进一步的细化，提高测量精度。
Claims (2)
1. 一种磁导式绝对角度检测系统，包括磁导式绝对角度检测装置和角度检测信号处理装置；所述的磁导式绝对角度检测装置，包括第一定子、第二定子、第一线圈组、第二线圈组、第三线圈组、第四线圈组、隔磁垫片、第一接线板、第二接线板、第一转子、第二转子；
第一线圈组和第二线圈组通过第一接线板安装在第一定子上，第三线圈组和第四线圈组通过第二接线板安装在第二定子上；隔磁垫片夹在第一定子与第二定子之间；第一定子、第二定子通过隔磁垫片相互固定；第一转子与第二转子相互平行，并且不存在相互旋转；所述的第一定子与第一转子同轴设置；第二定子与第二转子同轴设置；第一线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第二线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个多周期正余弦信号输出接头；第三线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；第四线圈组上设有4个接头，为两个正余弦激励信号输入接头和两个单周期正余弦信号输出接头；
所述的第一定子与第二定子结构相同，都为圆筒形，圆筒内侧壁均布有16主齿，并且齿冠还开有均分的梯形副齿；梯形副齿的数量为16的整数倍；所述的第一转子采用硅钢片材料，外侧面呈齿槽结构；所述的第二转子采用实心导磁材料，其截面呈偏心圆的结构；第一转子上齿数为4的整数倍，且除以4的商为奇数；
第三线圈组和第四线圈组的绕组相差4个主齿槽距离，即相对于第三线圈组顺时针方向错开4个主齿槽的位置绕制第四线圈组；
第一线圈组和第二线圈组的绕组相差1个主齿槽距离，当转子齿数除以4的商再除以4的余数为1时，相对于第一线圈组顺时针方向错开1个主齿槽的位置绕制第二线圈组；当转子副齿数除以4的商再除以4的余数为3时，相对于第一线圈组逆时针方向错开1个主齿槽的位置绕制第二线圈组；
所述的角度检测信号处理装置，包括反馈信号选择模块、反馈信号调理模块、信号解析模块、激励信号调理模块和单片机；
所述的反馈信号选择模块的正余弦信号输出端口与反馈信号调理模块的正余弦信号输入端口连接，反馈信号调理模块的信号输出端口与信号解析模块的正余弦信号输入端口连接，信号解析模块的激励信号输出端口与激励信号调理模块的激励信号输入端口连接，信号解析模块的信号解析结果输出端口与单片机信号解析结果输入端口连接，单片机的周期控制信号输出端口分别与反馈信号调理模块的周期控制信号输入端口和反馈信号选择模块的周期控制信号输入端口连接；
磁导式绝对角度检测装置中四个多周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的多周期正余弦信号输入接头连接，四个单周期正余弦信号输出接头与反馈信号选择模块的单周期正余弦信号输入接头连接，激励信号调理模块的正余弦激励信号输出接头与磁导式绝对角度检测装置中的八个正余弦激励信号输入接头连接。
2.根据权利要求1所述的一种磁导式绝对角度检测系统，其特征在于：所述的第一转子的一个齿顶中心线与第二转子的偏心圆对称轴线相重合。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C41 | Transfer of patent application or patent right or utility model | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yan Gangfeng Inventor after: Song Sumian Inventor after: Tang Chong Inventor after: Lin Zhibin Inventor before: Yan Gangfeng Inventor before: Tang Chong Inventor before: Song Sumian Inventor before: Lin Zhibin |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| TA01 | Transfer of patent application right |
Effective date of registration: 20160810 Address after: 310027 Hangzhou, Zhejiang Province, Xihu District, Zhejiang Road, No. 38, No. Applicant after: Zhejiang University Applicant after: HUANAN INDUSTRIAL TECHNOLOGY RESEARCH INSTITUTE OF ZHEJIANG UNIVERSITY Applicant after: Guangzhou Kuznetsov Robot Technology Co Ltd Address before: 310027 Hangzhou, Zhejiang Province, Xihu District, Zhejiang Road, No. 38, No. Applicant before: Zhejiang University Applicant before: Hangzhou Jingwei Automation Co., Ltd. |
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20160914 Termination date: 20200725 |