CN104977033A - 光栅编码器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于检测电机的转速和／或位置的光栅编码器，一种用于检测电机的转速和／或位置的光栅编码器，包括光栅码盘，与所述电机的转子连接，其内码道上设置一圈等角度分布的明码道和暗码道，与所述电机转子凸极对应；相位盘，与所述电机的定子连接，其内码道分布多个透射光栅块，分别放置对应于所述电机定子的光电检测元件；发光电路和接收电路；通过所述电机旋转带动所述光栅码盘旋转，当发光电路透过相位盘及光栅码盘时，接收电路用于接收到所述发光电路的光信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅编码器，特别涉及一种在开关磁阻电机中用于检测转子位置的光栅编码器。
背景技术
电机的性能是影响电动汽车性能的重要因素，目前，电动汽车中常采用的电机主要有永磁直流电机、交流异步电机和开关磁阻电机3大类型。开关磁阻电机是一种新型电机，为定子转子双凸极结构，电机转子上没有线圈，也不需要用永磁材料，只需在定子上加集中绕组。其可以设计成不同的绕组相数和不同的定转子级数，如三相6／4极、三相12／8极、四相8／6极等。它的结构比任何一种电机结构都要简单，成本较其它电机低廉，其可靠性高、效率高、调速范围宽、控制灵活且可以保证在很广的范围内保持高效率，更加适合电动汽车的要求。
光栅编码器是开关磁阻电机中不可或缺的部分，需要利用光栅编码器来检测开关磁阻电机的转子相对于定子的位置信号和转速信号，通过位置信号可以为驱动电路和控制电路提供准确的开通、关断信号，合理的控制电机旋转，转速信号可以实时的检测电机的转速，保证电机可以安全的、稳定的运行。因此，光栅编码器的检测信号的准确性、精度及其稳定性，都对开关磁阻电机的运转起着至关重要的作用。
现有技术的光栅编码器基本工作原理都是一样的，即利用光电对管检测码盘圆周上刻划的明暗相同的条纹，当码盘转动时，光电对管间的光路被暗条纹周期性地切断。在光电三极管的信号输出端产生高低电平的变化，输出脉冲，从而达到检测转速与位置的目的。
现有技术的12／8极开关磁阻电机的光栅编码器的光栅码盘包括8组由内而外三圈沿圆周方向均匀分布的圆弧状码道100，用于对应8个转子凸极，每圈码道对应三相绕组，如图1所示。其中两两码道之间有位置重合部分，用于在A、B、C三相绕组换相时不产生死区。并且其相位盘包括1个发光光道。当电机转子转动时，发光装置透过光栅码盘和相位盘产生高低电平的位置信号，通过接收装置可以检测到转子所处的位置。
但是由于这种结构的光栅码盘的圆弧状码道之间的位置在径向上有重叠部分，当12／8极开关磁阻电机A、B、C三相轮流导通时，其重合部分的位置信号会产生噪声；并且这种结构的光栅编码器的发光装置体积大、底座厚重，从而增大了整个光栅编码器的体积。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种适用于开关磁阻电机的光栅编码器。
为达到上述目的，本发明提供了一种用于检测电机的转速和／或位置的光栅编码器，包括：
光栅码盘，与所述电机的转子连接，其内码道上设置一圈等角度分布的明码道和暗码道，与所述电机转子凸极对应；
相位盘，与所述电机的定子连接，其内码道分布多个透射光栅块，分别放置对应于所述电机定子的光电检测元件；
发光电路和接收电路；通过所述电机旋转带动所述光栅码盘旋转，当发光电路透过相位盘及光栅码盘时，接收电路用于接收到所述发光电路的光信号。
其中，
所述底座进一步包括第一凸台，与开关磁阻电机的外壳相连，第二凸台用于放置发光电路及接收电路；第三凸台，用于粘贴光栅编码器中的相位盘；
其中，
所述电机为三相12／8极开关磁阻电机；
所述光栅码盘包括8个明码道和8个暗码道，每个码道为22.5°；
所述相位盘包括三个相差15°的透射光栅块，其上分别对应放置3个光电检测元件。
其中，
所述电机为三相6／4极开关磁阻电机；
所述光栅码盘包括4个明码道和4个暗码道，每个码道为45°；
所述相位盘包括相隔30°的投射光栅块，其上分别对应放置4个光电检测元件。
其中，
使所述开关磁阻电机A、B、C三相轮流导通，A→AB→B→BC→C→CA，所述接收电路接收到的三个位置信号分别代表A、B、C三相开通信号：011、001、101、100、110、010，其中0为开通信号，1为关断信号。
其中，
所述发光电路包括对应位置信号的发光二极管和对应速度信号的发光二极管；
所述对应位置信号的发光二极管与所述对应速度信号的发光二极管之间采用并联方式连接。
其中，
所述接收电路包括对应所述发光电路的光电二极管，用于接收所述发光二极管的光信号；
滞回比较器单元，用于滤除干扰噪声；
放大电路单元，用于放大光电二极管的输出信号。
其中，
所述放大电路单元采用共集电极放大器。
其中，
所述接收电路的输出信号为15V。
本发明所提供的光栅编码器能够精确检测开关磁阻电机的位置并且体积小，且不会产生噪声。
附图说明
图1为现有技术的光栅编码盘的结构图；
图2为根据本发明的实施例的光栅编码器的工作原理图；
图3为根据本发明的实施例的光栅编码器的机械结构图；
图4为根据本发明的实施例的光栅编码器的发光电路图；
图5为根据本发明的实施例的光栅编码器的底座设计图；
图6为根据本发明的实施例的光栅编码器的接收电路图；
图7为根据本发明的实施例的光栅码盘结构图；
图8为根据本发明的实施例的相位盘结构图；
图9为根据本发明的实施例的光栅码盘和相位盘叠加结构；
图10为根据本发明的实施例的电机转子转动45°角对应的状态图；
图11为根据图10所示状态的位置信号波形图。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
本发明的光栅编码器是以12／8极开关磁阻电机为例，对转子相对于定子的三相位置信号和速度信号进行检测。光栅编码器需要通过旋转来获得3相位置信号及速度信号的变化，本发明的光栅编码器的工作原理如图2所示，包括光栅码盘4、相位盘5、发光电路8、接收电路9、电机转子10。
其中，光栅码盘4与开关磁阻电机的转子10连接，相位盘5与开关磁阻电机的定子(未示出)连接。通过开关磁阻电机转子10带动光栅码盘4转动，与相位盘5产生相对角位移，发光电路8发出的光路通过明暗光栅可以使输出信号呈现高低电平，接收电路9接收到发光电路8发来的信号从而进行位置和速度检测。
图3是根据本发明的实施例的光栅编码器的结构图。包括连接环1，轴2，光栅压盘3，光栅码盘4，相位盘5，轴承6，底座7。其中，轴2和电机转子(图中未示出)通过挤压的方式连接。
其中，如图4所示，光栅编码器的底座7进一步包括3个凸台，第一凸台71，例如，最底部的凸台，与开关磁阻电机的外壳相连，通过螺丝与螺母将底座连接在开关磁阻电机的外壳上；第二凸台72，例如中间的凸台，用于放置发光电路板和接收电路板，通过设置螺纹孔用于连接发光电路8和接收电路9；其中，发光电路8上设置发光元件，例如，红外发光二极管；接收电路9上设置多个接收单元，例如光电二极管；第三凸台73，例如最上面的凸台，用于粘贴光栅编码器中的相位盘5。
电机转子和光栅码盘4保持连接并同时旋转，相位盘5与电机定子连接。由此，通过电机旋转带动光栅码盘4旋转，当发光元件，例如，红外发光二极管，透过相位盘5及光栅码盘4时，接收元件，例如，光电二极管可以接收到光信号。
具体地，发光电路如图5所示。
其中，DS1、DS2和DS3分别对应三相位置信号的红外发光二极管，DS4、DS5则是对应速度信号的红外发光二极管。本发明的发光电路采用并联发光方式，这样，当位置信号对应的红外发光二极管损坏时并不影响速度信号对应的红外发光二极管的工作。
具体地，接收电路如图6所示。
接收电路包括15V供电电源Vcc；光电二极管单元20，用于在接收到红外发光二极管信号时输出信号；滑动变阻器RL1，用于调节比较器正输入端的基准电压，以达到不同光电二极管的要求；上拉电阻单元21；滞回比较器单元22，用于滤除干扰噪声；放大电路单元23，用于放大光电二极管的输出信号以便于被检测。
由于光电二极管的输出光电流很小，驱动能力很弱，因此放大电路采用共集电极电路输出作为接收电路的输出方式。如上所述，该接收电路的位置信号U、V、W和速度信号A、B的输出电压为15V，其抗干扰能力强。
如图7所示为本发明的光栅码盘结构。
由于12／8极开关磁阻电机转子为8个凸极，每个凸极对应的角度为22.5°，因此光栅码盘4的内码道设计为具有一圈等角度分布的8个明码道和8个暗码道，每个码道为22.5°(360°／16)，与电机转子凸极对应，从而检测开关磁阻电机的位置信号。其外码道用于检测开关磁阻电机的速度信号，由于速度检测不是本发明的要点，这里不再赘述。
相位盘5与电机定子连接，由于12／8极开关磁阻电机的定子有12个凸极，每两个凸极之间相差30°(360°／12)，在光电检测部中，可以相隔15°同圆周放置3个光电检测元件11、12、13(360°／8-360°／12)，例如，透射光栅块，达到代表定子的目的，如图8所示。图9为光栅码盘4和相位盘5叠加结构。
如图10所示，通过3个相差15°的接收电路，例如，红外发光二极管，在45°(即码盘中的一个明码道和一个暗码道)角度内呈现6种不同的状态，代表转子的六个不同位置。
使12／8极开关磁阻电机A、B、C三相轮流导通，(即A→AB→B→BC→C→CA)接收电路接收到的三个位置信号分别代表A、B、C三相开通信号，假设正转时0为开通信号，1为关断信号；反转时1为开通信号，0为关断信号；则正转时3个位置信号在45°内的变化为011、001、101、100、110、010，由此能够准确地检测开关磁阻电机的位置，如图11所示。由于本发明旨在对位置信号的检测，因此图11中仅示意地示出位置信号波形。
本领域技术人员可以理解，本发明的光栅编码器并不局限于12／8极开关磁阻电机中，还可以用于其它类型的开关磁阻电机，例如三相6／4极，则光栅编码盘的码道可以设置为4个，对应4个转子凸极，每个码道为45°，其相位盘包括相隔30°放置4个光电检测元件，达到代表定子的目的。并且，以此类推可以适用于其它开关磁阻电机。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用以限定本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于检测电机的转速和／或位置的光栅编码器，包括：
光栅码盘，与所述电机的转子连接，其内码道上设置一圈等角度分布的明码道和暗码道，与所述电机转子凸极对应；
相位盘，与所述电机的定子连接，其内码道分布多个透射光栅块，分别放置对应于所述电机定子的光电检测元件；
发光电路和接收电路；通过所述电机旋转带动所述光栅码盘旋转，当发光电路透过相位盘及光栅码盘时，接收电路用于接收到所述发光电路的光信号。
2.根据权利要求1所述的光栅编码器，其特征在于：
还包括底座，其进一步包括第一凸台，与开关磁阻电机的外壳相连，第二凸台用于放置所述发光电路及接收电路；第三凸台，用于粘贴光栅编码器中的相位盘。
3.根据权利要求1所述的光栅编码器，其特征在于：
所述电机为三相12／8极开关磁阻电机；
所述光栅码盘包括8个明码道和8个暗码道，每个码道为22.5°；
所述相位盘包括三个相差15°的透射光栅块，其上分别对应放置3个光电检测元件。
4.根据权利要求1所述的光栅编码器，其特征在于：
所述电机为三相6／4极开关磁阻电机；
所述光栅码盘包括4个明码道和4个暗码道，每个码道为45°；
所述相位盘包括相隔30°的投射光栅块，其上分别对应放置4个光电检测元件。
5.根据权利要求3所述的光栅编码器，其特征在于：
使所述开关磁阻电机A、B、C三相轮流导通，A→AB→B→BC→C→CA，所述接收电路接收到的三个位置信号分别代表A、B、C三相开通信号：011、001、101、100、110、010，其中0为开通信号，1为关断信号。
6.根据权利要求1所述的光栅编码器，其特征在于：
所述发光电路包括对应位置信号的发光二极管和对应速度信号的发光二极管；
所述对应位置信号的发光二极管与所述对应速度信号的发光二极管之间采用并联方式连接。
7.根据权利要求1所述的光栅编码器，其特征在于：
所述接收电路包括对应所述发光电路的光电二极管，用于接收所述发光二极管的光信号；
滞回比较器单元，用于滤除干扰噪声；
放大电路单元，用于放大光电二极管的输出信号。
8.根据权利要求7所述的光栅编码器，其特征在于：
所述放大电路单元采用共集电极放大器。
9.根据权利要求8所述的光栅编码器，其特征在于：
所述接收电路的输出信号为15V。
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