CN108028589B - 具有改进粒度的无编码器电机及其使用方法 - Google Patents

具有改进粒度的无编码器电机及其使用方法 Download PDF

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Abstract

一种直流电动机，具有：定子，安装到基板，定子具有线圈组件，线圈组件具有磁芯；转子，安装到定子，转子具有围绕转子径向分布的永磁体，永磁体延伸超过磁芯；传感器，邻近于永磁体安装到基板。在电动机的操作期间，永磁体生成经过传感器上方生成了基本没有噪声和/或饱和的大致的正弦信号的变化电压，以允许在不需要使用编码器或位置传感器且不需要对所述信号降噪或滤波的情况下，根据正弦信号的线性部分确定转子相对于基板的角位置。

Description

具有改进粒度的无编码器电机及其使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年7月22日提交的标题为“Simple Centroid Implementationof Commutation and Encoding for DC Motor(直流电机的换向和编码的简单质心实现)”的第62/195,449号美国非正式申请的优先权的权益，该申请的全部内容通过引用并入本文。
本申请大体涉及：与本申请同时提交的标题为“Molecular Diagnostic AssaySystem(分子诊断测定系统)”的第[Arty Docket No.85430-1017042-011610US]号美国专利申请；于2013年3月15日提交的标题为“Honeycomb tube(蜂巢管)”的第13/843,739号美国专利申请；于2002年2月25日提交的标题为“Fluid Processing and Control(流体处理和控制)”的第8,048,386号美国专利；于2000年8月25日提交的标题为“Fluid Control andProcessing System(流体控制和处理系统)”的第6,374,684号美国专利；以上专利均出于所有目的通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明涉及电动机领域，具体地，涉及无刷直流电动机，并且涉及这种电动机的换向和编码。
背景技术
无刷直流(BLDC)电动机的换向可以使用霍尔效应传感器来感测电动机运转中永磁体的运动。然而，霍尔效应传感器尚未成功地并入以在不使用额外的位置传感器和/或编码器硬件的情况下将直流电机编码到高精确度和高粒度，因此在此背景下它们的有用性受限。在很多情况下，电机驱动元件的成功操作和应用在确定电机驱动元件的位置(和位置变化)方面需要高精度和高分辨率。这对于小型设备可能特别重要。一个这样的应用是在分析过程(例如，诊断程序)中驱动泵和注射器来操作流体样品。
因此，对于允许电机位移的系统和方法，例如，需要以非常高的分辨率和位置精度对BLDC电机进行编码。使用相对简单的硬件和软件来进行这一操作更为可取。
发明内容
在一个方面，本发明提供了用于以无需使用本文教导的任何附加编码器硬件就能够生成非常高的分辨率和位置精度的方式来对无刷直流电动机进行编码的系统和方法。所述系统和方法也可以提供电动机的换向。在一些实施方式中，系统允许在不使用硬件编码器或位置传感器并且不需要对测量的电压信号进行任何噪声滤波的情况下对无刷直流电机进行编码。
在一些实施方式中，本发明提供了一种电机系统，包括：定子，包括磁芯；转子，相对于定子可旋转地安装并具有围绕转子径向分布的多个永磁体；一个或多个电压传感器，位于相对于定子的固定位置处并且设置为邻近于多个永磁体在转子的旋转期间的路径。该系统还包括处理器模块，该与一个或多个传感器通信地联接并且被配置为：在不需要使用硬件编码器或基于位置的传感器的情况下和/或在不对所述信号降噪或者滤波的情况下，根据来自一个或多个传感器的电压信号来确定电机的位移。在一些实施方式中，多个永磁体延伸超过定子的磁芯达一定距离(例如，约1mm或更大)，使得来自传感器的信号基本没有噪声。
在一些实施方式中，该系统包括处理模块，被配置为：在转子的旋转期间，从一个或多个传感器中的每个传感器接收测量的电压信号，所述信号是在转子的旋转期间的大致的正弦信号的变化电压；根据正弦信号的线性部分确定电机的位移。在一些实施方式中，一个或多个传感器包括沿多个永磁体的路径分布的至少两个传感器，使得来自所述至少两个传感器的相邻传感器的正弦信号的线性部分相交，以向所述信号的组合线性部分提供用于确定电机位移的增加的分辨率和粒度。
在一些实施方式中，该系统包括具有安装到基板的定子和安装到定子的转子的直流电动机。定子包括线圈组件，线圈组件具有芯和电绕组，线圈组件具有外径、近端和远端。转子包括沿着外边缘设置的永磁体(例如，安装到圆筒形裙部)，转子具有外径、内径和远端边缘。在一些实施方式中，永磁体延伸超过定子的磁芯(即，线圈组件)的远端。该系统还包括邻近于永磁体安装到基板的一个或多个传感器。在一些实施方式中，转子是使用一系列分开的永磁体制造的，这些永磁体在裙部远端边缘处以相邻磁体的极性交替相反的图案进行布置。在一些实施方式中，转子被限定为带状、环状或盘状的单件磁性材料(例如，铁磁或亚铁磁材料)，然后被磁化以在裙部远端边缘处生成磁极性交替相反的图案。两种制造方法都适用于本发明。在一些实施方式中，作为磁性材料芯的所述芯通常是金属或其他顺磁性材料。适用于本发明的所述芯的非限制性示例性材料包括铁(特别是软铁)、钴、镍、硅、层压硅钢、硅合金、特殊合金(例如高导磁合金、坡莫合金、超透磁合金、铁硅铝磁合金)和非晶态金属(例如金属化玻璃)。所述芯还可以包括空气，并且在一些实施方式中，所述芯是空气芯。在电机的运行期间，通过一个或多个传感器上方的永磁体生成基本没有噪声和/或饱和的大致的正弦信号的变化电压，从而允许在不需要使用编码器硬件或位置传感器的情况下，根据正弦信号的线性部分确定转子相对于基板的角位置。因此，可以以高精度和高分辨率来确定和控制电机的位移。例如，本文所述的包括12个永磁体和9个极并且使用3个霍尔传感器和11位模数转换器作为处理模块的电机可以在不使用任何编码器硬件或位置传感器或噪声滤波的情况下，提供约0.01度机械旋转的分辨率。可通过改变极数、永磁体数量或使用更高或更低位的ADC来增加或降低系统的分辨率和精度。
在一些实施方式中，安装到基板的一个或多个传感器相对于永磁体的延伸边缘进行定位。该位置被限定为使得从永磁体的延伸边缘到一个或多个传感器的间隙足以提供基本没有噪声和/或饱和的直流电压信号。在一些实施方式中，永磁体的边缘延伸超过线圈组件的远端达约100微米。在一些实施方式中，根据电机的具体实施方式，永磁体延伸超过线圈组件的远端达小于100微米，例如90微米、80微米、70微米、60微米、50微米、40微米、30微米、20微米、10微米或更小。在一些实施方式中，根据电机的具体实施方式，永磁体延伸超过线圈组件的远端达大于100微米，例如200微米、300微米、400微米、500微米、600微米、700微米、800微米、900微米、1000微米，包括在约100微米和1000微米或更大值之间的所有值。在一些实施方式中，永磁体延伸超过线圈组件的远端达约1mm或更多，包括但不限于约1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm、10mm或更多。永磁体延伸超过线圈组件的远端的精确距离取决于电机的特定特性和实施方式，并且在普通技术人员的技能范围内而基于本文提供的指导进行确定。在一些实施方式中，所述一个或多个传感器是沿着转子的弧形路径以共同的弧长间隔开的线性霍尔效应传感器。
在一些实施方式中，电机包括围绕圆筒形裙部均匀间隔开的偶数个永磁体以及至少两个模拟电压传感器(典型地，为霍尔效应传感器)，其中，相邻的磁体在裙部的远端边缘处显示相反的极性，每个传感器生成以基本正弦图案变化的电压。在一些实施方式中，电机包括两个或更多模拟传感器，并且在一些实施方式中，模拟传感器的数量等于电机的相位。例如，可以使用三个模拟传感器按照本文描述的方式来控制三相电机。在一些实施方式中，不管电机的相位如何，电机仅包括一个模拟传感器。在提供三相电机的一些实施方式中，使用三个霍尔效应传感器，当电机运转时，每个传感器生成以基本正弦图案变化的电压，三个图案相位偏移了约120度。在一些实施方式中，可以使用附加的传感器，只要传感器的最小数量等于电机的相位即可。磁体的确切数量可以变化，只要磁体的数量是偶数即可。例如，在一些实施方式中，存在十二个磁体和以四十度机械旋转的增量间隔开的三个线性霍尔效应传感器。在一些实施方式中，相邻正弦图案的交点限定图案的线性部分。
在一些实施方式中，该设备被配置有包括电路的PCB，所述电路能够实现所述图案的所限定的线性部分中的电压值的模数转换(ADC)以及所述模拟电压图案的过零检测。在一些实施方式中，所述电路使用11位模数转换器(ADC)，而为所述图案的每个线性部分生成2048个等间隔的数字值。图案的线性部分的这些等间隔的数字值表示系统的分辨率。可以理解，根据特定电机的期望功能，通过使用具有更高或更低位数的ADC，可以实现更高或更低的分辨率。在一些实施方式中，所述电路在可编程片上系统(PSOC)中实施。还可理解，非PSOC芯片(例如，现场可编程门阵列(FPGA)等)可以用于实施所述电路。
在一些实施方式中，提供了在不需要使用额外的硬件编码器或基于位置的传感器的情况下和/或在不需要对用于控制电机位移的模拟信号进行噪声滤波的情况下，以高粒度对直流电动机编码的方法。这种方法可以包括：将定子安装到基板，定子具有线圈组件，线圈组件具有芯和电绕组，线圈组件具有外径、近端和远端；将转子安装到定子，转子具有安装到外周的永磁体，永磁体沿特定方向(例如，通常横向于转子沿其旋转的平面)延伸超过所述芯的远端。该方法还包括通过换向来操作直流电动机，使得永磁体在定位于基板上的、邻近于永磁体的一个或多个传感器上方经过。该操作生成基本没有噪声或饱和的一个或多个正弦图案的变化电压，使得不需要对模拟信号进行噪声滤波。该方法还需要基于正弦图案的线性部分来确定转子的位置。
在一些实施方式中，安装到基板的一个或多个传感器相对于转子的永磁体的延伸边缘进行定位，并且从延伸边缘到一个或多个传感器的间隙足以提供没有噪声和/或饱和的直流电压。在一些实施方式中，电压为从约2至约5伏的直流电。在一些实施方式中，永磁体的延伸边缘延伸超过线圈组件的远端达约1mm或更多。在一些实施方式中，一个或多个传感器是线性霍尔效应传感器。在一些实施方式中，传感器沿着转子的弧形路径以共同的弧长间隔开。在一些实施方式中，存在围绕圆筒形裙部均匀间隔开的偶数个永磁体以及三个霍尔效应传感器，其中，相邻的磁体在裙部的远端边缘处显示相反的极性，每个霍尔效应传感器生成以基本正弦图案变化的电压，三个图案相位偏移约120度。
在一些实施方式中，存在十二个磁体和以约二十度机械旋转的增量间隔开的三个线性霍尔效应传感器。在一些实施方式中，传感器通过一致的径向距离(诸如，0度与90度之间的任何径向距离(例如，约20度、约40度或约60度的机械旋转))彼此间隔开。在一些实施方式中，相邻的正弦图案的交点限定所述图案的线性部分，线性部分基本没有噪声。在一些实施方式中，基板是包括电路的印刷电路板(PCB)，所述电路配置为能够实现所述图案的所限定的线性部分中电压值的模数转换(ADC)以及所述模拟电压图案的过零检测。在一些实施方式中，所述电路使用11位模数转换器(ADC)来为所述图案的每个线性部分生成2048个等间隔的数字值。在一些实施方式中，所述电路在可编程片上系统(PSOC)中实施。
附图说明
图1是示出本发明示例性实施方式中的无刷直流电动机的元件的平面图。
图2A是图1所示电动机安装在基板上的局部剖视侧视图。
图2B是图2A的区域2b的放大正视图，示出本发明示例性实施方式中磁体和传感器之间的间距。
图3A是移除电机后图2B的基板(201)的平面图，示出本发明示例性实施方式中传感器的放置。
图3B示出转子中的永磁体在远端边缘处以极性交替的图案进行放置，并示出根据本发明示例性实施方式的相邻永磁体的边缘场。
图4示出在本发明示例性实施方式中通过第一霍尔效应传感器上方的电机转子的永磁体生成的基本正弦波动的电压图案。
图5示出通过第二霍尔效应传感器上方的转子的永磁体生成的正弦波动的电压图案，该图案叠加在图4的图案上。
图6示出通过第三霍尔效应传感器上方的转子的永磁体生成的正弦波动的电压图案，该图案叠加在图5的图案上。
图7是图6的电压图案的副本，并且附加标记示出以非常精确和细粒度的方式使用图案对直流电机进行编码的过程。
图8示出本发明示例性实施方式中图7的交点之间的直线段以用于确定位移。
图9是描绘本发明示例性实施方式中用于使用霍尔效应传感器的输出来控制直流电机的电路的图。
图10是使用PID控制来控制电机机构的PWM和驱动方向的控制示意图。
图11示出根据本发明一些实施方式的在操作期间确定电机的位移的方法。
具体实施方式
图1是以非限制性示例性原型示出无刷直流(BLDC)电动机100的元件的平面图。将理解，这样的电机可以用于各种各样的应用中，并且特别用于需要高水平精度和粒度的小型机械机构的操作。一些实施方式包括在不使用硬件编码器和/或噪声滤波的情况下在确定电机位移方面具有提高的分辨率的电机系统，例如，机械旋转约0.1度的分辨率，或优选地机械旋转约0.01度的分辨率，或者甚至机械旋转约0.001度或更少的分辨率。一种这样的应用是实现高精确的流体计量的注射器装置的操作，或者与样品盒连接以在对阀组件的运动微调时便于复杂的样品处理和/或分析程序的诊断测定系统的阀组件的操作。这样的应用的示例可以在以下文件中找到：与本申请同时提交的标题为“Molecular DiagnosticAssay System(分子诊断测定系统)”的第[Arty Docket No.85430-1017042-011610US]号美国专利申请；于2002年2月25日提交的标题为“Fluid Processing and Control(流体处理和控制)”的第8,048,386号美国专利；于2000年8月25日提交的标题为“Fluid Controland Processing System(流体控制和处理系统)”的第6,374,684号美国专利，以上专利的全部内容通过引用并入本文。
在一个方面，BLDC包括转子、定子以及多个模拟电压传感器，所述多个模拟电压传感器被配置为在不需要任何滤波或降噪的情况下生成平滑变化的霍尔效应电压。在一些实施方式中，通过使用转子内延伸超过定子磁芯一定距离的永磁体提供该特征。在一些实施方式中，BLDC包括与电动机的相位一样多的模拟电压传感器，所述传感器定位成使得电动机可以基本上仅基于从所述传感器接收的所测量电压图案的线性部分而被控制。在一些实施方式中，这包括围绕定子径向地间隔开传感器，使得所测量电压波形的线性部分相交。例如，三相BLDC可以包括彼此径向间隔40度的三个霍尔效应传感器，由此允许系统以40度内的增量控制传感器的位置。
在前述说明书中，参照本发明的具体实施方式描述本发明，但是本领域技术人员将认识到，本发明不限于此。如整个本文中所使用的，术语“约”可以指所述值的±10％。上述发明的各个特征和方面可以单独或联合使用。可以理解，本文描述的实施方式的任何方面或特征可以被修改、组合或合并到本文描述的任何实施方式以及各种其他类型和配置中。此外，在不偏离本说明书的更宽泛的精神和范围的情况下，本发明可以用于超出本文所描述的那些环境和应用的任何数量的环境和应用中。因此，说明书和附图被认为是说明性的而不是限制性的。
在一些实施方式中，诸如，图1所示的实施方式，电机包括具有从中心径向延伸的九个极齿的内定子组件101，每个极齿终止于极靴(pole shoe)103中，并且每个极齿具有提供电磁线圈102的绕组。电机还包括具有外部圆筒形裙部105和十二个永磁体106的外转子104，十二个永磁体106围绕裙部105的内周以交替的极性进行布置。永磁体成形为给转子提供圆筒形内表面并紧邻极靴的外弯曲表面。本示例中的BLDC电机是三相十二极电机。设置有控制装置，但是图1中未示出，如本领域技术人员所知晓的，线圈102中的切换电流提供与永磁体106的电磁相互作用以驱动转子。虽然此处描述了内定子和外转子，但是可以理解，该方法也可以用于具有内转子和外定子的电机中。
应该注意的是，极齿和极性的数量以及实际上公开的内定子和外转子是示例性的，而不限于本发明，本发明可以使用各种不同设计的电机进行操作。
图2A是图1的电动机的局部剖视侧视图，电机被切开以示出九个极齿中的一个极齿和线圈，该极齿终止于极靴103中，极靴103紧邻围绕外转子104的圆筒形裙部105的内周布置的十二个永磁体106中的一个。定子组件101的极齿和极靴是磁芯的一部分，并且将磁芯远端限定为处于线204的高度。定子组件101在此实施方式中被支撑在基板201上，基板201在一些实施方式中是印刷电路板(PCB)，印刷电路板可以包括配置用于管理线圈102的电流切换以便提供与永磁体106的磁场相互作用而驱动转子的电磁场的控制单元和迹线。PCB基板还可以包括用于编码和换向的控制电路。转子104通过驱动轴107与定子101物理地接合，驱动轴107接合定子中的轴承组件以精确地引导转子旋转。轴承的细节未在图2A中示出，但是可以理解，有许多传统的方式可以实施这种轴承。驱动轴107在此实施方式中穿过PCB中用于一定目的的开口并且可以被接合以驱动机械装置。
图2A中示出三个线性霍尔效应传感器202a、202b和202c，它们由PCB 201支撑，并根据一些实施方式进行策略性地定位，以生成可用于对电机100进行编码并为其提供换向的过程的可变电压信号。在图2A中，转子104的裙部105的总高度由尺寸D表示。尺寸d1表示在线204处转子磁体的远端在磁芯远端下方的延伸量。在一些实施方式中，该延伸的方向是横向的，通常垂直于转子旋转所沿的平面。
图2B是图2A的区域2b的放大正视图，示出转子104的永磁体的远端边缘与PCB 201上的霍尔效应传感器202a、202b和202c的结构主体之间的间隙d2。
图3A是沿图2A的箭头3的方向截取的PCB 201的一部分的平面图，示出霍尔效应传感器202a、202b和202c相对于转子104的远端边缘的放置，转子104的远端边缘可以在图2中看到而在磁芯远端边缘下方延伸了尺寸d。在图3中，以虚线轮廓302示出包括十二个永磁体106的转子104的旋转轨迹。根据换向的具体细节，转子沿任一方向303旋转。可以理解，无论转子的旋转方向如何，都可以使用在此描述的方法。
如此非限制性示例性原型所示，霍尔效应传感器202a、202b和202c中的每一个被定位在转子磁体的远端边缘下方，正好朝向旋转磁体的中心轨迹的径向内侧。霍尔效应传感器202b定位为沿着转子磁体的旋转轨迹相对于霍尔效应传感器202a成四十度弧。类似地，霍尔效应传感器202c定位为围绕转子轨迹相对于霍尔效应传感器202b成另一个四十度。
图3B是此非限制性示例性原型中与两个霍尔效应传感器202a和202b相关的三个永磁体106的立体图。如图3B所示，转子中的永磁体以交替的极性放置，并且转子边缘场304的远端边缘显示在相邻的永磁体之间。在相邻的永磁体之间的这些边缘场中，模拟传感器(例如，霍尔效应传感器)被放置并间隔开以感测边缘场，并且永磁体的内表面的弯曲形状决定了霍尔效应传感器稍微放置在磁体旋转的中心轨迹的径向内侧。霍尔效应传感器可以根据装置的整体尺寸和所决定的磁场强度而放置在距内侧较小的距离，诸如1mm或更多(例如2mm、3mm、4mm)。为了基本上消除检测信号中的噪声，传感器和永磁体之间的间隔(即d2)被最小化是有利的。
返回参照图2A，尺寸d1指的是在线204处转子磁体的远端在磁芯远端下方的延伸距离。在常规电机中，没有理由或动机将该边缘延伸到磁芯远端下方，特别是因为这会增加电机的高度并且需要增加转子和基板之间的间隙。事实上，技术人员会限制尺寸D，使得不存在这样的延伸，这是因为增加的尺寸只会增加不必要的成本并使常规电机的体积增加。此外，在常规电机转子的远端处，在其处于磁芯远端的高度或高于磁芯远端的情况下，线圈102中电流的切换生成相当大的场效应，并且来自于布置为感测那个位置处的永磁体的霍尔效应传感器的信号将不会生成平滑变化的霍尔效应电压。更确切地，常规电机的霍尔效应基本上是被噪声损坏的。解决这种困境的常规方法是引入噪声滤波或者更常见的是利用编码器。
有利地，将转子磁体延伸到铁芯远端的下方避免了来自定子线圈的翻转磁场对来自霍尔效应传感器的信号的损坏作用。具体的延伸部分d1将取决于特定电机布置所特有的若干因素，并且在一些实施方式中d1将为1mm或更多(例如2mm、3mm、4mm、5mm、6mm或更大)，而在一些其他实施方式中延伸将小于1mm。在一些实施方式中，该距离是永磁体的尺寸和/或磁场强度的函数。在本文详细描述的示例性原型的一些实施方式中，1mm的延伸量足以生成没有噪声或饱和的正弦信号的变化电压。为生成霍尔效应电压而以间隔d2放置霍尔效应传感器生成平滑可变的电压且没有噪声。在一些实施方式中，霍尔效应传感器生成从约2伏到约5伏的范围内且没有噪声或饱和的平滑可变的直流电压。尺寸d2可以根据传感器的选择、转子的设计、转子中永磁体的强度以及本领域技术人员公知的其他因素而变化。为了避免传感器的饱和并生成基本上没有噪声的平稳变化的直流电压，对于任何特定情况都容易发现可行的间隔。
图4示出由三相BLDC电机中霍尔效应传感器202a上方的转子104的永磁体106生成的正弦波动电压图案401。0度的起点任意设定为处于最大电压点。在转子的一个完整的360度旋转中生成三个完整的正弦波形。
图5示出通过霍尔效应传感器202b上方的转子104的永磁体106生成的基本上无噪声的正弦波动电压图案501，其中图案501叠加在图4的图案401上。由于霍尔效应传感器202b被定位在距离霍尔效应传感器202a的位置为40度的弧长处，所以正弦图案501的相位相对于正弦图案401的相位偏移120度。
图6示出由转子104的永磁体106经过霍尔效应传感器202c的上方而生成的基本上无噪声的正弦波动电压图案601，其中图案601叠加在图5的图案401和501上。由于霍尔效应传感器202c被定位在距离霍尔效应传感器202b的位置为40度的弧长处，所以正弦图案501的相位相对于正弦图案501的相位偏移120度。转子每旋转360度，所述图案重复一次。
图7是图6的电压图案的副本，并且附加标记示出以非常精确和细粒度的方式使用图案对电机100进行编码的过程。由于霍尔效应传感器是相同的并且在相同的距离处感测相同的边缘磁场，所以三个电压图案401、501和601各自具有基本上相同的最大峰值和最小峰值。而且，图案401、501和601在多个点(例如，点701、702、703和704)处相交。值得注意的是，交叉点之间的图案段基本上是直线，并且这些直线段在图7中已经被重点标出，并且可以看出，这些直线段提供了连续不断的相连直线段序列。此外，可以感测并记录每个直线段的过零点以及每个图案的最大峰值和最小峰值。
图8示出图7的交点701、702和703之间的两条直线段。作为非限制性示例，交点701和702之间的线段被示为分成20个等长段，这可以通过感测交点701和702处的电压并简单分割来方便地完成。因为转子从一个图案交点到另一图案交点的物理旋转是电机旋转二十度，所以每个电压改变计算量就表示20/20，即转子旋转1.00度。这只是说明该方法的一个示例。在本发明一些实施方式中，PCB 201上的电路感测交点并在交点之间通过11位模数转换器(ADC)进行分割，这提供2048个计数。在此实施方式中，每个计数下转子205的机械旋转平移约为0.0098度。系统的分辨率可以通过使用具有更高(或更低)位分辨率的ADC来增加(或降低)。例如，使用8位ADC可将每个计数解析为约0.078度，16位ADC可将每个计数解析为0.00031度，而使用20位ADC则可将每个计数解析为约0.00002度。或者，增加或减少极数将相应地增加或减少系统的分辨率。
在一些实施方式中，本文描述的方法为电机100所驱动的机构提供高度的准确度和精确度。在上述使用11位ADC的非限制性示例中，电机位置可以被控制为机械的0.0005度。加上对机构的平移和旋转进行齿轮减速极其精细的控制可以达到。在一些实施方式中，电机100联接到用于注射泵单元的平移驱动装置以在分析化学过程中吸入和排出流体。
图9是描绘本发明的一个实施方式中的电路的图，该电路通过使用霍尔效应传感器的输出并通过使用仅分析传感器生成的相分离曲线的线性部分的独特方法来控制电机100，线性部分如上所述分割成等分段。霍尔效应传感器202a、202b的输出被提供给比例-积分-微分(PID)动作控制电路而进行换向(commutation)，并且由转子磁体与霍尔效应传感器相互作用生成的波形被提供给图9所示的多路复用器电路。在一些实施方式中，电机的位移可以基于从由电机的两个或更多传感器所测量的两个或更多正弦曲线电压所获得的线性部分(例如之字形)来控制。
图10是描绘通过使用PID控制器来调整电机的脉宽调制(PWM)和驱动方向而进行控制的控制示意图。PID控制器包括电机位移的期望位置以及测量位置的输入。在常规设备中，测量的编码器位置由硬件编码器或基于位置的传感器提供，在一些实施方式中，该输入可以由来自模拟传感器的测量电压的线性部分提供，而不需要使用任何硬件传感器或基于位置的传感器。因此，本文描述的方法允许确定通常由硬件编码器提供的输入，而不改变控制配置。然而，可以理解，处理单元将适用于确定编码器位置输入。
图11示出根据一些实施方式的方法。该方法包括：操作具有转子和定子的直流电机，转子具有围绕外周分布的永磁体，定子具有磁芯。在电机的运转期间，系统从相对于定子为固定位置处的至少两个模拟传感器中的每一个接收模拟正弦信号，传感器彼此间隔开使得正弦信号彼此偏移。该系统可以包括沿着电机的旋转路径的至少一部分均匀分布的多个模拟传感器(诸如，霍尔效应传感器)。在一些实施方式中，如图3A所示，这样的配置包括彼此分开约40度的至少三个这样的传感器。该系统然后基于偏移的正弦信号的线性部分来确定电机的位移。电机的位移可被系统用于通知系统的各种其他过程或功能，或者可以用于通过使用控制回路来控制电机，控制回路包括电机位移作为控制器(例如，PID控制器)的输入。在一些方面，该方法可用于使得诊断测定系统或其他此类流体处理系统中的小型阀机构或注射器驱动机构的操作便利或对该操作进行微调。
如上所述，在非限制性示例性实施方式中，使用ADC来进行电机100的相分离波形的线性部分的分割，并且电机100可以通过例如DRV83 13'Texas Instalments(德州仪器)电机驱动电路进行驱动。可以理解，在这种方法的范围内还可以使用其他电路布置。在一些实施方式中，用于感测霍尔效应传感器并提供电机编码的电路和编码指令可以在PCB上的可编程片上系统(PSOC)中实现。
可以理解，在不偏离本发明的范围的情况下，本文描述的实施方式可以进行各种改变。例如，在本发明的替代实施方式中，可包括不同设计的电动机并且可通过放置传感器以生成基本上正弦的相分离波形来控制所述电动机，使得：电路仅考虑所得的交叉曲线的大致线性部分，并且具有通过根据电机的机械设计将线性部分分割成等长分段从而将电压增量有效地分割成相等的、待与转子或定子旋转的小部分相关联的已知分段而提供的额外的分辨率。
根据本发明的直流电动机的一些非限制性示例性用途和应用包括以下：
诊断应用：随着越来越多地使用机器人技术来用于流体样品的高通量处理并进行诊断测定，机械机构的高分辨率控制已经变得非常有用。尤其，随着诊断设备趋于小型和微型设备(这种设备更加高效且需要的样品尺寸更小)，对小范围运动的控制特别有意义。
医疗应用：随着越来越多地使用机器人技术用于远程手术技术，对远程控制实现的运动进行极佳控制变得至关重要。例如，在眼科手术或神经科手术中，对视网膜细胞或神经末梢的操纵需要显微分辨率的运动。为了实现这些运动(这些运动比人手和眼睛协调的运动可能更精细)，使用计算机使致动器与来自合适的传感器的反馈相呼应地移动。本文所公开的具有高分辨率位置编码能力的电机可以帮助计算机并因此帮助外科医生执行这些精妙的手术。
半导体制造：用于制造半导体器件的系统依赖于硅晶圆和机械臂的精细运动。这些运动是通过位置反馈来调节的。本文所公开的具有高分辨率位置编码能力的电机适用于这些应用。
航天和卫星遥测：高分辨率角度位置反馈可以用于精确指引和天线定位。特别地，蝶形卫星通信天线需要精确跟踪轨道卫星。卫星轨道结合来自安装到天线的本文所述电机的精确角度反馈和来自天线的功率谱可以辅助精确跟踪。另外，因为本文描述的电机小巧、廉价且强健，所以将其用于卫星和本领域技术人员所熟知的其他外太空应用中是理想的选择。
遥控车辆：本文公开的小尺寸和低成本电机使其适用于遥控车辆应用(包括无人驾驶飞机)。特别是电机的高分辨率位置编码特征使其成为遥控车辆的商业和娱乐用途中转向(方向控制)和加速(功率控制)的理想选择。对于本领域的普通技术人员来说，其他用途将是显而易见的。
除上述之外，本领域技术人员将认识到，存在多种方式可以将电路布置成为如此设置和感测的电机提供粒度控制。本发明仅受限于所附权利要求。

Claims (24)

1.一种直流电动机，包括：
定子，安装到基板，所述定子包括线圈组件，所述线圈组件具有磁性材料芯和电绕组，所述线圈组件具有外径、近端和远端；
转子，安装到所述定子，所述转子包括安装到圆筒形裙部的永磁体，所述转子具有外径、内径和远端边缘，其中，当所述转子为水平定向时，所述永磁体在垂直方向上延伸超过所述磁性材料芯的远端；以及
多个传感器，邻近于所述永磁体安装到所述基板，所述多个传感器安装在所述基板面向所述永磁体的一侧，并且所述多个传感器中的每个传感器与所述永磁体之间具有间隔，其中所述直流电动机的位移能够从来自所述多个传感器的信号而确定；
其中，每个所述永磁体的延伸的远端边缘和所述多个传感器之间的间隙被设置为使得在所述直流电动机的操作期间，所述永磁体在所述多个传感器中的每个传感器上方经过时生成没有噪声和饱和的多个相交的正弦信号的变化电压；以及
控制单元，配置为通过以下操作使用来自所述多个传感器的输出来控制所述直流电动机：
在所述转子的旋转期间从所述多个传感器接收多个电压信号，每个电压信号具有与交点之间的直线段对应的线性部分；以及
仅根据包括所述线性部分的正弦信号、而不使用硬件编码器也不对电压信号进行噪声消减和滤波，来确定所述电动机的位移。
2.如权利要求1所述的直流电动机，其中，安装到所述基板的所述多个传感器相对于所述永磁体的延伸边缘进行定位，并且从所述永磁体的延伸边缘到所述多个传感器的间隙足以提供从2伏至5伏且没有噪声和/或饱和的直流电压。
3.如权利要求2所述的直流电动机，其中，所述永磁体的延伸边缘延伸超过所述线圈组件的远端达1mm或更多。
4.如权利要求1所述的直流电动机，其中，所述多个传感器是沿着所述转子的弧形路径以共同的弧长间隔开的线性霍尔效应传感器。
5.如权利要求4所述的直流电动机，包括：
偶数个永磁体，围绕所述圆筒形裙部均匀间隔开，并且相邻的永磁体在所述裙部的远端边缘处显示相反的极性；以及
三个线性霍尔效应传感器，每个线性霍尔效应传感器生成以正弦图案变化的电压，从而在所述直流电动机工作时生成相位偏移120度的三个图案。
6.如权利要求5所述的直流电动机，包括：
十二个永磁体；以及
三个线性霍尔效应传感器，以四十度机械旋转的增量间隔开。
7.如权利要求5所述的直流电动机，其中，所述三个图案中相邻的正弦图案的交点限定所述三个图案的线性部分。
8.如权利要求6所述的直流电动机，其中，所述三个图案是三个模拟电压图案，所述基板是包括这样的电路的印刷电路板，所述电路能够在所述三个模拟电压图案的所限定的线性部分中实现电压值的模数转换以及能够实现所述三个模拟电压图案的过零检测。
9.如权利要求8所述的直流电动机，其中，所述电路使用11位模数转换器，从而为所述三个线性霍尔效应传感器生成的三个图案的每个线性部分生成2048个等间隔的数字值。
10.如权利要求8所述的直流电动机，其中，所述电路在可编程片上系统中实现。
11.用于对直流电动机编码的方法，包括：
将定子安装到基板，所述定子包括具有磁性材料芯和电绕组的线圈组件，所述线圈组件具有外径、近端和远端；
将转子安装到所述定子，所述转子包括安装到圆筒形裙部的永磁体，所述转子具有外径、内径和远端边缘，其中，当所述转子为水平定向时，每个所述永磁体在垂直方向上延伸超过所述磁性材料芯的远端；
将多个传感器邻近于延伸超过所述磁性材料芯的远端的所述永磁体定位到所述基板；
通过换向来操作所述直流电动机，使得所述永磁体在所述多个传感器上方经过，从而生成没有噪声和饱和的多个正弦图案的变化电压，每个正弦图案具有与交点之间的直线段对应的线性部分；以及
用所述直流电动机的控制单元在不使用硬件编码器并且不对信号进行噪声消减或滤波的情况下仅根据包括所述线性部分的所述多个正弦图案的变化电压确定所述转子的位置。
12.如权利要求11所述的方法，其中，安装到所述基板的多个传感器相对于所述转子的永磁体的延伸边缘进行定位，并且从所述延伸边缘到所述多个传感器的间隙足以提供从2伏至5伏且没有噪声和/或饱和的直流电压。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述永磁体的延伸边缘延伸超过所述线圈组件的远端达1mm或更多。
14.如权利要求11所述的方法，其中，所述多个传感器是沿着所述转子的弧形路径以共同的弧长间隔开的线性霍尔效应传感器。
15.如权利要求14所述的方法，包括：
偶数个永磁体，围绕所述圆筒形裙部均匀间隔开，并且相邻的永磁体在所述裙部的远端边缘处显示相反的极性；以及
三个线性霍尔效应传感器，其中，每个线性霍尔效应传感器生成以正弦图案变化的电压，从而生成相位偏移120度的三个图案。
16.如权利要求15所述的方法，包括：
十二个永磁体；以及
三个线性霍尔效应传感器，以二十度机械旋转的增量间隔开。
17.如权利要求15所述的方法，其中，所述三个图案中相邻的正弦图案的交点限定所述三个图案的线性部分。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述三个图案是三个模拟电压图案，所述基板是包括这样的电路的印刷电路板，所述电路能够在所述三个模拟电压图案的所限定的线性部分中实现电压值的模数转换以及能够实现所述三个模拟电压图案的过零检测。
19.如权利要求18所述的方法，其中，所述电路使用11位模数转换器，从而为所述三个线性霍尔效应传感器生成的三个图案的每个线性部分生成2048个等间隔的数字值。
20.如权利要求18所述的方法，其中，所述电路在可编程片上系统中实现。
21.一种电机，包括：
定子，包括具有磁芯的芯组件；
转子，相对于所述定子可旋转地安装，所述转子具有围绕所述转子径向分布的多个永磁体；
多个传感器，位于相对于所述定子的固定位置处并且设置为邻近于所述多个永磁体在所述转子的旋转期间的路径，其中，当所述转子为水平定向时，所述永磁体在垂直方向上延伸超过所述定子的所述磁芯达一定距离，其中，所述多个永磁体的远端边缘和所述多个传感器中的每个传感器之间的间隙被设置为使得在所述电机的操作期间，所述永磁体在所述多个传感器中上方经过时生成没有噪声和饱和的具有变化电压的多个相交的正弦信号；以及
处理器模块，与所述多个传感器通信地联接并且配置为：
在所述转子的旋转期间从所述多个传感器接收测量的多个电压信号，每个电压信号具有与交点之间的直线段对应的线性部分；以及
仅根据来自所述多个传感器的包括所述线性部分的正弦信号、而不使用硬件编码器也不对电压信号进行噪声消减和滤波，来确定所述电机的位移。
22.如权利要求21所述的电机，其中，所述多个传感器包括沿所述多个永磁体的路径分布的至少两个传感器，使得来自所述至少两个传感器的相邻传感器的正弦信号的线性部分相交，以向所述正弦信号的组合线性部分提供用于确定电机位移的增加的分辨率。
23.如权利要求21所述的电机，还包括小型机械机构，其中，所述电机被配置为对所述小型机械机构进行微调操作，所述电机具有0.1度或更小的分辨率的机械旋转。
24.如权利要求21所述的电机，还包括诊断测定系统，所述诊断测定系统具有注射器驱动或阀组件，其中，所述电机被配置为操作所述注射器驱动以实现精确流体计量，或者被配置操作所述阀组件以在所述阀组件的运动微调时利于复杂样品处理。
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