CN104748768A - 转角位置检测装置及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种转角位置检测装置及其检测方法，本发明在位置信号发生部分设置了屏蔽环，能够有效屏蔽外界磁场，使外界磁场不进入磁感应元件所在区域，同时保证此区域内的磁场稳定性，有效保证装置的可靠性和角位置检测精度；针对温度变化等因素下，信号发生部分产生的原始信号会产生漂移，并且各相信号漂移量不相等的情况，本发明提出了新的信号处理方法：根据每相信号得出各自的角位置数据，再根据差值和对应相的信号值，计算出每相信号各自的修正系数，能够适应各相信号漂移量的差异，从而得到更高的温度适应性和角位置检测精度。

Description

转角位置检测装置及其检测方法

技术领域

本发明涉及角位置传感器(俗称编码器)领域，尤其是一种用于检测电机转角位置的装置及其检测方法。

背景技术

在电机控制领域中应用的位置检测装置主要是编码器，编码器一种是将电机旋转角位置、角速度等物理量转换为电信号的位置传感器，编码器的制造以及信号处理水平直接影响到自动化水平。

目前，工程技术领域中应用的编码器主要是光电式编码器，然而，光电编码器存在一些难以克服的缺点：光电编码器由玻璃物质通过刻线而成，其抗震动和冲击能力不强，不适用于尘埃、结露等恶劣环境，并且结构和定位组装复杂；刻线间距有极限，要提高分辨率必须增大码盘，从而难以做到小型化；在生产中必须保证很高的装配精度，直接影响到生产效率，最终影响产品成本。

磁电式编码器可以解决这些不足。中国专利ZL200910137761.0提出了一种磁电编码器，包括磁钢环、导磁环和磁感应元件，其中，导磁环由两段或多段同半径、同圆心的弧段构成，相邻两弧段留有缝隙，磁感应元件置于该缝隙内，当磁钢环与导磁环发生相对旋转运动时，磁感应元件将感测到的磁信号转换为电压信号，并将该电压信号传输给相应的信号处理装置。但是该磁电编码器的不能够屏蔽外界磁场的干扰，可靠性和精度不高；另外此编码器的信号处理方法会受温度、零点漂移等外界因素影响，从而影响检测精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种转角位置检测装置及其检测方法，不仅简化了生产工艺，而且提高了信号精度，减少了产品成本，更好的提高了性价比。

本发明所采用的技术方案为：一种转角位置检测装置，包括信号发生部分和信号处理部分；所述的信号发生部分包括固定在转子上并与转子同轴设置的磁钢环、作为定子的定位支架、固定在定位支架上的多个磁感应元件以及能够屏蔽外界磁场进入的屏蔽环；所述的屏蔽环为一个软磁材料制成的闭合的圆环；所述的多个磁感应元件均匀分布在以转子轴心为圆心的圆周上；所述的屏蔽环设置在磁感应元件的外圈；所述的磁钢环与屏蔽环之间形成磁路区域；所述的定位支架使得所述的磁钢环和屏蔽环的中心横截面为同一个平面，多个磁感应元件的感应区中心均分布在此平面上，感应面均朝向轴心；

所述的信号处理部分包括模拟信号处理模块、模数转换模块、数据处理模块以及数据输出模块；所述的模拟信号处理模块、模数转换模块、数据处理模块以及数据输出模块依次连接；所述的模拟信号处理模块的输入端连接信号发生部分；所述的信号发生部分输出对应转子位置的模拟信号至模拟信号处理模块；所述的模数转换模块将模拟信号转换为数字信号输出至数据处理模块；所述的数据处理模块包括区间划分角度计算模块以及修正系数计算模块；所述的模数转换模块输出的数字信号进入区间划分角度计算模块后再根据修正系数计算模块进行各自的的温漂修正系数进行修正。

进一步的说，本发明所述的磁感应元件的感应区中心在同一平面上且每个磁感应元件到转子中心的距离相等。

同时，本发明还提供了一种转角位置检测装置的检测方法，包括以下步骤：

1)信号发生部分产生包含转子角度信息的多路模拟信号，经过模拟信号处理模块处理，进入模数转换模块，转换成多相数字信号；

2)各相数字信号根据上一检测周期计算出的各自的修正系数进行修正，消除信号漂移；

3)修正后的各相数字信号，通过数据处理模块中储存的信号与转角对应关系的数据得出角位置数据并输出；

4)根据各相信号得出角位置数据之间的差值和各相信号值，计算每一相下一个检测周期所需要的修正系数；

5)在一定时间周期内，重复执行以上1)-4)步。

具体的说，本发明所述的步骤1)中，各相数字信号的幅值在不同的环境因素影响下会有不同幅度的变化；所述的步骤4)中，根据已知数据计算每一相信号的修正系数，并分别对步骤2)中每一相信号的漂移进行消除。

本发明的有益效果是：本发明增加了屏蔽环，能够有效屏蔽外界磁场，使外界磁场不进入磁感应元件所在区域，保证磁感应元件只感应转子磁钢环发出的磁场，有效保证装置的可靠性和精度，得到更高的角位置检测精度；并且本发明根据每个信号得出各自的角位置数据，再根据差值，计算出各自的修正系数，能够适应每个信号之间漂移量的差异，从而得到更高的角位置检测精度。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1(a)-(b)是现有技术的结构示意图；

图2是本发明的装置结构分解示意图；

图3(a)-(b)是本发明的信号发生部分的剖视图；

图4是本发明信号处理部分的原理框图；

图5是本发明信号与角度对应曲线图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

图1为现有技术的结构示意图，图中103/142为磁钢环，其固定于转子轴上，两者以同一轴线旋转，130、131、132、133、134、135为磁感应元件，被置于136、137、138、139、140、141几个呈圆周分布的扇形导磁体之间的气隙中，感应面朝向圆周切线方向，感应气隙中的磁场，气隙中的磁场即是几个扇形导磁体形成的环形磁路中的磁场。导磁体对外部干扰磁场有一定的“收集”作用，外部干扰磁场很容易进入一个或几个扇形导磁体并在其形成的圆周方向形成磁路，因此几个导磁体形成的环形磁路中不仅包含磁钢环产生的磁场，也会包含干扰磁场。因此，外部干扰磁场很容易被引入磁感应元件所感应的气隙，从而对编码器的精度和可靠性造成严重影响。

如图2、3所示，101为磁钢环，其固定于转子轴上，两者以同一轴线旋转，111、112、113、114为磁感应元件，分布于以转子轴心为中心的同一圆周上，102为屏蔽环，其轴线与磁钢环101重合，能够屏蔽外界磁场，使外界磁场不进入磁钢环101与屏蔽环102之间的磁路区域，103为定位支架，用来固定磁感应元件111、112、113、114和屏蔽环102，并使磁感应元件111、112、113、114的感应区中心与磁钢环101与屏蔽环102的轴向中心在同一平面上。

以上描述中磁感应元件111、112、113、114的数量为特例，可以是2、3、4、5、6等多种数量，其在圆周上的分布位置根据数量不同和做相应变化，此处不做一一举例。

如图4所示，信号发生部分输出对转子应角位置的四路模拟信号，分为两组，进入模拟信号处理电路，进行共模抑制、差分、放大等处理。处理后的模拟信号模拟信号a、b，经过模数转换器，变为数字信号A、B。以上过程只是一种实现形式，模拟信号处理部分可以不做差分，在模数转换完成后，把数字信号进行差分处理，同样可得到数字信号A、B。

两路数字信号要根据各自修正系数进行修正，以消除温度变化、转子磁场强度等因素引起的信号漂移。修正后的信号根据正负、绝对值大小关系等信息划分区间(每个区间内，信号大小与角位置有一一对应关系)，数据处理模块中储存有各个区间内信号A、B与角位置对应关系的数据。因此，由两个信号各得出一个角位置数据θA和θB。根据区间信息，选择精度较高的一个数据作为最终角位置数据输出。

同时，θA和θB的差值，包含了信号漂移量的信息(如果没有漂移，或者修正过后的信号已经完全消除了漂移量，θA和θB应该相等)，可以计算出(一般采用递推、滤波等算法，不断逼近)信号A、B各自的修正系数KA和KB。

图5为信号与角度对应曲线的局部放大图。霍尔传感器、模拟信号处理电路受温度变化等因素的影响，输出信号幅值会发生漂移。信号与角位置对应关系的标准数据曲线为A和B，产生漂移后的信号曲线为A′和B′。没有温漂时，根据两相电压信号UA和UB在数据曲线A、B上查找到的对应角度应该相同，为θ；产生温漂后，根据两相电压U′A和U′B，在数据曲线A、B上查到的角度不同，分别设为θA，θB。可以利用θA和θB之间的差值和两相信号U′A和U′B的值来计算两相各自的温漂修正系数KA和KB，用修正系数来修正采样信号，从而消除温漂对检测精度的影响。以下给出利用θA和θB之间的差值和两相信号U′A和U′B的值来计算两相各自的温漂修正系数的一种方式。

计算方式如下：

两个角度之间的差值：Δθ＝θ_A－θ_B，K_A、K_B计算公式：

K_A＝Δθ×(U′_A ²+U′_B ²)^1/2×cos[(θ_A+θ_B)/2]×U′_A ²/(U′_A ²+U′_B ²)；

K_B＝Δθ×(U′_A ²+U′_B ²)^1/2×sin[(θ_A+θ_B)/2]×U′_B ²/(U′_A ²+U′_B ²)。

本发明信号处理部分，与现有技术的差别在于根据每个信号得出各自的角位置数据，再根据差值，计算出各自的修正系数。相比现有技术中，多路信号共用一个修正系数的算法，能够适应每个信号之间漂移量的差异，从而得到更高的角位置检测精度。

以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。

Claims (5)

1.一种转角位置检测装置，其特征在于：包括信号发生部分和信号处理部分；所述的信号发生部分包括固定在转子上并与转子同轴设置的磁钢环、作为定子的定位支架、固定在定位支架上的多个磁感应元件以及能够屏蔽外界磁场进入的屏蔽环；所述的屏蔽环为一个软磁材料制成的闭合的圆环；所述的多个磁感应元件均匀分布在以转子轴心为圆心的圆周上；所述的屏蔽环设置在磁感应元件的外圈；所述的磁钢环与屏蔽环之间形成磁路区域；所述的定位支架使得所述的磁钢环和屏蔽环的中心横截面为同一个平面，多个磁感应元件的感应区中心均分布在此平面上，感应面均朝向轴心；

所述的信号处理部分包括模拟信号处理模块、模数转换模块、数据处理模块以及数据输出模块；所述的模拟信号处理模块、模数转换模块、数据处理模块以及数据输出模块依次连接；所述的模拟信号处理模块的输入端连接信号发生部分；所述的信号发生部分输出对应转子位置的模拟信号至模拟信号处理模块；所述的模数转换模块将模拟信号转换为数字信号输出至数据处理模块；所述的数据处理模块包括区间划分角度计算模块以及修正系数计算模块；所述的模数转换模块输出的数字信号进入区间划分角度计算模块后再根据修正系数计算模块进行各自的的温漂修正系数进行修正。

2.如权利要求1所述的转角位置检测装置，其特征在于：所述的磁感应元件的感应区中心在同一平面上且每个磁感应元件到转子中心的距离相等。

3.一种如权利要求1所述的转角位置检测装置的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)信号发生部分产生包含转子角度信息的多路模拟信号，经过模拟信号处理模块处理，进入模数转换模块，转换成多相数字信号；

2)各相数字信号根据上一检测周期计算出的各自的修正系数进行修正，消除信号漂移；

3)修正后的各相数字信号，通过数据处理模块中储存的信号与转角对应关系的数据得出角位置数据并输出；

4)根据各相信号得出角位置数据之间的差值和各相信号值，计算每一相下一个检测周期所需要的修正系数；

5)在一定时间周期内，重复执行以上1)-4)步。

4.如权利要求3所述的转角位置检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤1)中，各相数字信号的幅值在不同的环境因素影响下会有不同幅度的变化。

5.如权利要求3所述的转角位置检测装置的检测方法，其特征在于：所述的步骤4)中，根据已知数据计算每一相信号的修正系数，并分别对步骤2)中每一相信号的漂移进行消除。