CN104167874A - 一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法，该伺服电机转子磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，二者的位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，其夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。方法是：转子磁瓦旋转从而产生交变的磁场，第一霍尔元件和第二霍尔元件分别将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路，信号处理电路根据所采集的这两个信号的波形关系，将信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器。本发明实现了伺服电机和编码器的一体化，结构紧凑，体积小，同时结构强度和可靠性高。

Description

一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法

技术领域

本发明涉及伺服电机研究领域，特别涉及一种带有编码器功能的伺服电机及其位置检测方法。

背景技术

目前，传统的伺服电机为实现位置检测功能，一般是在电机本体外部加装一编码器，这种结构使得电机整体体积变大。同时，现有的编码器都是光电式和磁式，具有防护等级低、强度差、耐冲击性能差的缺点。

针对上面的两个问题，本领域研究人员提出了一些改进方法。例如针对电机体积大的问题，公开号为CN1815860A的专利公开了一种带编码器的小型电动机，该电动机通过设置驱动用磁体和信号用磁体来进行检测，从而实现小型化。针对编码器易于强度差、耐冲击性能差的缺点，授权公告号为CN203537182U的专利公开了一种伺服电机和伺服编码器一体结构，提出在编码器本体和电机壳体上分别设置相互配合的定位机构，从而使电机的电机轴发生沿其轴向窜动的状况时也不会伤害到编码器。公开号为CN102468714A的专利公开了一种带编码器的电动机及电动机用编码器，该编码器上设置了一凸部，在电动机轴的反负载侧的端部形成一凹部，通过二者结合，编码器固定在电动机轴上。

但是上述改进均仅仅是针对其中一个问题进行了改进，都无法同时克服上述两个问题，而上述两个问题是影响伺服电机正常运行的关键因素，因此，如何能够同时克服上述两个问题具有重要的研究意义。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种带有编码器功能的伺服电机，该电机利用转子磁瓦实现编码器功能，从而减少生产材料和工序，有效降低伺服电机的生产成本，同时大大提高伺服电机的抗冲出性能，显著提高伺服电机的结构强度和可靠性。

本发明提供了一种基于上述带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，该方法利用转子磁瓦实现编码器功能。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路；所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。从而用伺服电机转子磁瓦实现编码器的磁栅功能。

优选的，所述齿形结构为圆弧齿或矩形齿。

优选的，所述霍尔元件还包括零点霍尔元件，零点霍尔元件设置在与电机零点磁铁相对的位置。

优选的，所述转子磁瓦为金属磁栅式结构。所以抗冲击性能得到显著提高。

一种基于上述带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，步骤是：转子磁瓦旋转从而产生交变的磁场，第一霍尔元件和第二霍尔元件分别将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路，信号处理电路根据所采集的这两个信号的波形关系，将采集到的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器。

作为一种优选方案，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为圆弧齿，第一霍尔元件输出正弦信号，第二霍尔元件输出余弦信号，信号处理电路将上述正、余弦信号经细分算法处理成绝对式编码器位置信号输出给伺服驱动器。这种结构可应用与位置精度要求高的应用场合。

上述的细分算法是采用电子学细分方法对输出的正余弦信号进行插值细分来实现高精度和高分辨率，本发明采用反正切细分法，来实现电子细分。

作为另一种优选方案，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为矩形齿，第一霍尔元件和第二霍尔元件输出的为方波信号，信号处理电路直接将上述方波信号作为增量式编码器脉冲信号输出给伺服驱动器。这种结构可应用与位置精度要求不高的应用场合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、传统的伺服电机一般是由伺服电机本体和编码器构成，传统伺服电机转子磁瓦单体的边缘只是一条直线不具备磁栅的功能，本发明在转子磁瓦单体的边缘上做了多个齿形结构以作为编码器的磁栅，从而将伺服电机和编码器做成一体化，由于不用在伺服电机本体外部留编码器的安装位置，结构更紧凑，有效减少伺服电机的体积，以常用安装尺为130毫米，输出扭矩为7.5牛·米的电机为例，可减小25％的体积。同时，还省去伺服电机本体外部装配编码器的材料和工序，降低生产成本。

2、对比传统的编码器玻璃光栅码盘容易碎裂的缺点，本发明采用霍尔元件和转子金属磁栅式结构实现编码器功能，大大提高伺服电机的抗冲出性能，显著提高伺服电机的结构强度和可靠性。

3、本发明能有效改善伺服电机防护结构，可提高伺服电机防护等级。传统的编码器防护等级一般为IP40，而且安装在伺服电机本体外部，需要安装编码器保护罩壳，来提高伺服电的防护等级，本发明的编码器功能部件安装在伺服电机本体内部，简化了伺服电机的防护结构，并可提高伺服电机的防护等级。

附图说明

图1是本发明伺服电机总体结构示意图。

图2是图1所示伺服电机内转子处的结构示意图。

图3是实施例1转子磁瓦的运动示意图。

图4是实施例1霍尔元件输出电压波形图。

图5是实施例1电路原理框图。

图6是霍尔元件的分布规则说明示意图。

图7是实施例2转子磁瓦齿形结构示意图。

图8是实施例2转子磁瓦的运动示意图。

图9是实施例2霍尔元件A输出电压波形图。

图10是实施例2霍尔元件B输出电压波形图。

图11是实施例2霍尔元件Z输出电压波形图。

图12是实施例2电路原理框图。

图13是实施例1中细分算法的正余切采样曲线图。

图14是实施例1中细分算法具体实例示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1、2、3所示，本实施例所述的带有编码器功能的伺服电机，包括传统电机的转子1和定子3，本发明提出在转子磁瓦11上设置齿形结构2，本实施例的齿形结构如图3中的21所示，为圆弧形。这里齿形结构作为编码器的磁栅。

伺服电机还包括第一霍尔元件4(本实例中霍尔元件A)、第二霍尔元件8(本实例中霍尔元件B)、零点霍尔元件7、PCB电路板5和零点磁铁6，其中第一霍尔元件4、零点霍尔元件7、PCB电路板5、零点磁铁6、与转子磁瓦11的位置关系如图1、2、3所示，零点磁铁6在电机的位置如图2所示。

如图6所示，本实施例第一霍尔元件4、第二霍尔元件8设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，且符合相邻霍尔元件的夹角为(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。第一霍尔元件4、第二霍尔元件8所设位置的延长线相交于电机转子轴心P。

上述带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，如图5所示，步骤是：

(1)转子旋转，会使转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移，从而产生交变的磁场；

(2)霍尔元件将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路(集成在PCB电路板5上)，

(3)信号处理电路对信号进行AD转换，然后采用正余弦细分处理、位置算法处理后得到绝对式编码器位置信号，将此位置信号经总线输出接口输出到伺服驱动器。

设霍尔元件A与转子磁瓦的位置如图4中所示，霍尔元件A输出电压波形如图中A信号，此时霍尔元件B与转子磁瓦的位置如图4中所示，霍尔元件B输出电压波形如图中B信号。零点霍尔元件只有转子转过电机零点时才会工作，而且转子每旋转一周，零点霍尔元件才会工作一次，用以区分别电机的起点位置。

信号处理电路对上述霍尔元件输出电压波形采用正余弦细分处理得到绝对式编码器位置信号，本实施例具体是采用反正切细分法来实现电子细分，步骤如下：

(1)对磁瓦上的每个磁栅进行编号。由于电压的一个微小变化均可产生较大的角度，易带来较大的角度误差。为减少误差，根据下式将霍尔元件A和霍尔元件B输出的正余弦信号曲线转化为正余切采样曲线，其采样曲线u按下列原则转换：

根据函数的性质，此时将一个磁栅周期T内的曲线均分成8个区间，每个区间的角度均为T/8。这样正余切采样曲线如图13所示，在图中横坐标代表查表得到的当前位置的细分值，纵坐标代表采样曲线u的值。AD采样到sinθ和cosθ的值后，在横坐标在：0～T/8、T/4～3/8T、T/2～5T/8、3T/4～7T/8的递增区间取|tanθ|值，在其他递减区间取|cotθ|值。

对于0～T/4周期内的信号可以分为：正程的(0～T/8)的信号tan和反程的(T/8～T/4)的信号cot，在该区间内tan和cot是相对称的，0～T一个周期的范围内都可按上述方法来推导。表1给出了细分算法区间划分表，表中1表示“是”，0表示“否”。

表1 细分算法区间划分表

区间	+sinθ＞-sinθ	+cosθ＞-cosθ	|sinθ|＞|cosθ|
				0～T/8	1	1	0
T/8～T/4	1	1	1
				T/4～3T/8	1	0	1
3T/8～T/2	1	0	0
				T/2～5T/8	0	1	0
5T/8～3T/4	0	1	1
				3T/4～7T/8	0	0	1
7T/8～T	0	0	0

(2)采样曲线u和细分角度值之间有已知的对应表可以查询。采集的每个电压值根据上述公式得到相应的细分角度值。用所得到的细分角度值为低位，加上目前磁栅所在的周期序号数为高位，即为绝对式编码器位置信号。

下面结合图14，举例说明采用细分方式算出当前角度位置的方法，图14中的Max表示|tanθ|、|cotθ|的幅值。

设本编码器分辨率为2¹⁴(简称14位编码器)，且转子的齿形结构一周有64个磁栅，大数为；10进制的0～2⁶，16进制(0X00～0X2F)即大数为6位，细分值为：2⁸，是10进制的0～255，16进度的(0X00～0XFF)细分值为8位，共14位。

例1：假设当前电机转子旋转到第14个磁栅周期，并且在图14的A点上，由于A点在0～T/8的区间内，为递增区间，所以AD采样到sinθ、cosθ值后，计算|tanθ|值，|tanθ|＝210，查表得细分值0X0F，第14个磁栅周期转为16进度的0X0E，将磁栅周期序号为高位，细分值为低位，合并：0X0E&0X0F＝0X0E0F,所以A点当前的绝对位置值为0X0E0F。

例2：假设当前电机转子旋转到第60个磁栅周期，并且在图14的B点上，由于B点在5T/8～3T/4的区间内，为递减区间，所以AD采样到sinθ、cosθ值后，计算|cotθ|值，|cotθ|＝105，查表得细分值0XB6，第60个磁栅周期转为16进度的0X3C，将磁栅周期序号为高位，细分值为低位，合并：0X3C&0XB6＝0X3CB6,所以B点当前的绝对位置值为0X3CB6。

实施例2

本实施例除下述特征外其他结构同实施例1：如图7、8所示，本实施例中，转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构如图8中的22所示，为矩形齿。

本实施例中，第一霍尔元件(霍尔元件A)、第二霍尔元件(霍尔元件B)和零点霍尔元件Z的位置关系同实施例1，均如图6所示。图9给出了霍尔元件A与转子磁瓦的相对位置以及处于该相对位置时，霍尔元件A输出的电压波形图。图10给出了霍尔元件B与转子磁瓦的相对位置以及处于该相对位置时，霍尔元件B输出的电压波形图。图11给出了零点霍尔元件Z与转子零点磁铁的相对位置以及处于该相对位置时，零点霍尔元件Z输出的电压波形图。

本实施例中，霍尔元件A和霍尔元件B输出的信号均为方波信号，其电路原理如图12所示，信号处理电路对方波信号进行方波整形，然后进行信号放大处理，最后将信号作为增量式编码器脉冲信号输出给伺服驱动器。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种带有编码器功能的伺服电机，包括转子、定子、霍尔元件，以及用于将霍尔元件输出的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器的信号处理电路；其特征在于，所述转子的磁瓦的单体边缘上设置齿形结构，齿形结构作为磁栅；在转子旋转时，转子磁瓦和霍尔元件之间产生相对位移；所述霍尔元件包括第一霍尔元件和第二霍尔元件，第一霍尔元件、第二霍尔元件的设置位置均正对着转子磁栅运动的圆周轨迹，二者之间的夹角符合(n±1/4)T的规则，其中n为整数，T代表磁栅的一个周期。

2.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述齿形结构为圆弧齿或矩形齿。

3.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述霍尔元件还包括零点霍尔元件，零点霍尔元件设置在与电机零点磁铁相对的位置。

4.根据权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机，其特征在于，所述转子磁瓦为金属磁栅式结构。

5.一种基于权利要求1所述的带有编码器功能的伺服电机的位置检测方法，其特征在于，步骤是：转子磁瓦旋转从而产生交变的磁场，第一霍尔元件和第二霍尔元件分别将交变的磁场转换成交变的电压信号输出到信号处理电路，信号处理电路根据所采集的这两个信号的波形关系，将采集到的波形电压信号转换成位置信号或脉冲信号后输出给伺服驱动器。

6.根据权利要求5所述的位置检测方法，其特征在于，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为圆弧齿，第一霍尔元件输出正弦信号，第二霍尔元件输出余弦信号，信号处理电路将上述正、余弦信号经细分算法处理成绝对式编码器位置信号输出给伺服驱动器。

7.根据权利要求6所述的位置检测方法，其特征在于，所述细分算法采用反正切细分法。

8.根据权利要求5所述的位置检测方法，其特征在于，所述转子磁瓦的单体边缘上设置的齿形结构为矩形齿，第一霍尔元件和第二霍尔元件输出的为方波信号，信号处理电路直接将上述方波信号作为增量式编码器脉冲信号输出给伺服驱动器。