CN108400732A - 一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，包括设置在直流无刷电机或交流永磁同步电机外部的转子角位置双余度检测装置以及与转子角位置双余度检测装置连接的旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，以及与旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元连接的数字信号处理器，所述转子位置双余度检测装置由旋转变压器组件和磁旋编码器组件构成。与现有技术相比，本发明能够同时满足直流无刷电机和永磁同步电机转子位置的检测需求，同时具有无刷直流电机换相电平信号和高精度角位置分辨率及零位再调整能力。在一种传感器失效情况下，系统仍可获得正确的转子角度，提高了系统的可靠性。

Description

一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置
技术领域
本发明涉及伺服电机转子位置检测装置领域，特别是一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置。
背景技术
在电动执行机构领域，直流无刷电机和交流永磁同步电机已得到越来越广泛的应用。这两类伺服电机的控制系统，采用电子换相装置对绕组电流进行换相，因此必须获得转子相对于定子绕组的相对位置，通常通过角度传感器来检测。
三相六状态模式下的直流无刷电机通过内置于电机定子端面上均匀分布的三个霍尔元件来感知转子所处位置，在一个电周期内提供6种电平组合，对应不同的换相信号来控制三相绕组的导通与关断，实现最大转速和转矩输出。
交流永磁同步电机采用SVPWM控制技术使得三相绕组中的电流呈正弦波形状来获得更加平稳的工作特性。SVPWM的产生需要控制器实时精确获取转子磁场与定子电枢磁场的相对位置关系，通常利用旋转变压器进行测量。
中国专利公开号为CN102916635A的专利《无刷直流电机位置检测系统》提出一种利用霍尔元件和微处理器的构成无刷直流电机转子位置检测系统。该系统能够提供电机换相电平信号，但无法输出准确的角位置信息；中国专利公开号为CN202872710U的专利《一种交流无刷同步电机转子位置检测装置》利用磁盘和霍尔元件对电机转角进行细分，分辨率达到7.5°，但当转子磁极对数增多时该装置将无法使用。而且以上两种发明没有进行冗余设计，如果传感器发生故障，系统将无法正常运行。
从公开的文献看来，还没有一种具有冗余结构的测量装置能同时满足直流无刷电机或永磁同步电机转子位置的检测需求。
综述，目前存在的技术问题具体包括：a)没有一种检测装置能同时输出转子位置的电平信号和角位置信号，同时满足直流无刷电机或永磁同步电机换相控制需求；b)传感器没有冗余配置，一旦失效系统就无法正常工作；c)传感器通常集成在电机内部，受电机内部工作环境影响大，而且一旦电机加工完成，传感器零位难以进行再调整。
发明内容
本发明的目的是要解决现有技术中存在的不足，提供一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，能够同时满足直流无刷电机和永磁同步电机转子位置的检测需求，同时具有无刷直流电机换相电平信号和高精度角位置分辨率及零位再调整能力。在一种传感器失效情况下，系统仍可获得正确的转子角度，提高了系统的可靠性。
为达到上述目的，本发明是按照以下技术方案实施的：
一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，包括设置在直流无刷电机或交流永磁同步电机外部的转子角位置双余度检测装置以及与转子角位置双余度检测装置连接的旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，以及与旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元连接的数字信号处理器，所述转子位置双余度检测装置由旋转变压器组件和磁旋编码器组件构成，旋转变压器组件和磁旋编码器组件的输出分别接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，所述旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元的数字量角度输出分别通过SPI接口和SSI接口连接至数字信号处理器，同时直流无刷电机或交流永磁同步电机的换相电平信号UVW也连接至数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机驱动单元的输入端相连，电机驱动单元的输出端通过三相桥式功率单元连接直流无刷电机或交流永磁同步电机的U、V、W相。
进一步的技术方案为，所述转子角位置双余度检测装置包括直流无刷电机或交流永磁同步电机、盖罩、电机轴、磁编码器信号调理电路板、磁编码器芯片、圆柱形磁铁、橡胶垫、联轴套、旋转变压器转子、旋转变压器定子、旋转变压器定子卡环，联轴套与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机轴尾部固定连接，旋转变压器转子固定套设在联轴套外部，圆柱形磁铁固定在联轴套端部的圆形安装孔内；旋转变压器定子通过卡环压紧在直流无刷电机或交流永磁同步电机的端部，磁编码器芯片焊接在磁编码器信号调理电路板上且与圆柱形磁铁相对应，磁编码器信号调理电路板背后设有绝缘橡胶垫并通过螺钉将磁编码器信号调理电路板固定在盖罩的内侧，盖罩通过螺钉固定在直流无刷电机或交流永磁同步电机的端部，旋转变压器组件和磁编码器组件的输出引线通过盖罩侧壁的走线孔引出后分别连接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元。数字信号处理器同时接收这三种角位置信号并对其进行判断与融合处理，在两个传感器组件都正常或其中之一出现故障时都能得到正确的转子角度值，根据该角度值输出正确的换相控制信号控制三相桥式功率单元中功率管的开通与关断，保证电机正常运转。
进一步的技术方案为，所述盖罩的端面上加工有六个均匀分布的环形条孔，相邻的环形条孔的夹角为30°。
进一步的技术方案为，所述联轴套通过φ1.5mm圆锥销钉与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机轴尾部固定连接。
进一步的技术方案为，所述旋转变压器转子内壁通过平键与联轴套相连，在联轴套端部设有将旋转变压器转子拧紧防止其轴向窜动的限位螺母。
进一步的技术方案为，所述旋转变压器信号调理电路单元为旋变数字转换器AD2S1210。
进一步的技术方案为，所述数字信号处理器采用TMS320F2812型DSP。
本发明的工作原理为：本发明针对现有直流无刷电机和交流永磁同步电机转子位置传感器无法做到通用，输出信息量少、可靠性较低、零位无法再调整等缺点，提出了一种外置式转子位置双余度检测装置和检测装置。首先，采用两种异类传感器构成非相似余度，两类传感器对恶劣环境都具有较强的耐受能力，而且角度信号通过数字信号处理器的融合处理达到单传感器故障容忍能力，有效提高系统可靠性。其次，检测装置能够提供的信息量丰富，同时包含直流无刷电机的换相电平信号和交流永磁同步电机换相所需的精确转子角度信号等。再次，检测装置采用外置安装方式，与电机本体互相独立，且具有零位再调整能力，这种安装方式也使得传感器不易受到电机工作时内部的电磁干扰、高温等影响。因此，本发明特别适用于电动执行机构中高可靠性大功率直流无刷电机和交流永磁同步电机的驱动控制场合。
与现有技术相比，本发明使得直流无刷电机或交流永磁同步电机的转子位置检测装置做到通用；通过双余度配置提高了系统可靠性，当一个传感器出现故障时控制系统仍能获得正确的转子角度值；检测装置安装在电机本体外部，受电机工作影响小，而且可以方便地实现零位再调整。
附图说明
图1为本发明的组成框图。
图2为本发明中转子位置双余度检测装置结构。
图3为本发明中转子位置双余度检测装置P向视图下的传感器组件盖罩结构。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，本实施例的一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，包括设置在直流无刷电机或交流永磁同步电机外部的转子角位置双余度检测装置以及与转子角位置双余度检测装置连接的旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，以及与旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元连接的数字信号处理器，所述转子位置双余度检测装置由旋转变压器组件和磁旋编码器组件构成，旋转变压器组件和磁旋编码器组件的输出分别接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，所述旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元的数字量角度输出分别通过SPI接口和SSI接口连接至数字信号处理器，同时直流无刷电机或交流永磁同步电机的换相电平信号UVW也连接至数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机驱动单元的输入端相连，电机驱动单元的输出端通过三相桥式功率单元连接直流无刷电机或交流永磁同步电机的U、V、W相。
本实施例中，所述转子角位置双余度检测装置包括直流无刷电机或交流永磁同步电机1、盖罩2、电机轴3、磁编码器信号调理电路板4、磁编码器芯片5、圆柱形磁铁6、橡胶垫7、联轴套8、旋转变压器转子9、旋转变压器定子10、旋转变压器定子卡环11，联轴套8与直流无刷电机或交流永磁同步电机1的电机轴3尾部固定连接，旋转变压器转子9固定套设在联轴套8外部，在所述旋转变压器转子9内壁通过平键与联轴套8相连，在联轴套8端部设有将旋转变压器转子9拧紧防止其轴向窜动的限位螺母12，圆柱形磁铁6固定在联轴套8端部的圆形安装孔内；旋转变压器定子10通过卡环11压紧在直流无刷电机或交流永磁同步电机1的端部，卡环11松开时旋转变压器定子10能够转动来进行调零，磁编码器芯片5焊接在磁编码器信号调理电路板4上且与圆柱形磁铁6相对应，磁编码器信号调理电路板4背后设有绝缘橡胶垫7并通过螺钉将磁编码器信号调理电路板4固定在盖罩2的内侧，盖罩2通过螺钉固定在直流无刷电机或交流永磁同步电机1的端部，旋转变压器组件和磁编码器组件的输出引线通过盖罩2侧壁的走线孔引出后分别连接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元；所述盖罩2的端面上加工有六个均匀分布的环形条孔13，相邻的环形条孔13的夹角为30°，使得盖罩2连同其上的磁编码器芯片5具有一定的旋转能力从而可以调整磁旋编码器零位。数字信号处理器同时接收这三种角位置信号并对其进行判断与融合处理，在两个传感器组件都正常或其中之一出现故障时都能得到正确的转子角度值，根据该角度值输出正确的换相控制信号控制三相桥式功率单元中功率管的开通与关断，保证电机正常运转。
参照图2，转子位置双余度检测单元由旋转变压器组件和磁旋编码器组件构成，两组件均由旋转部件和静止部件组成。旋转部件：联轴套8通过φ1.5mm圆锥销钉与电机尾部电机轴固连，联轴套上安装有旋转变压器转子9和圆柱形磁铁6。旋转变压器转子9通过平键与联轴套相连，在联轴套端部通过螺母将旋转变压器转子拧紧防止其轴向窜动。圆柱形磁铁6通过强力胶将其粘结在联轴套8端部的圆形安装孔内。静止部件：旋转变压器定子10通过卡环11将其压紧在电机本体端部。磁编码芯片5焊接在电路板4上，且位于圆形几何中心。电路板4背靠绝缘橡胶垫7并通过螺钉固定在盖罩2的内侧。参照图3，盖罩上加工有六个均匀分布的30°环形条孔，使得盖罩连同其上的磁编码芯片具有一定的旋转能力从而可以调整磁旋编码器零位。旋转变压器组件和磁编码器组件的输出引线通过盖罩2侧壁的走线孔引出，连接至信号调理电路。
旋转变压器信号调理电路单元以旋变数字转换器AD2S1210为核心，提供旋转变压器的激励信号和对旋变输出信号进行模数转换，通过SPI接口将角度值以数字量的形式送给处理器，角度分辨率小于0.5°。
磁旋编码器电平信号调理单元将磁旋编码器组件的5V数字电平信号转换为3.3V与处理器进行电压匹配。磁旋编码器组件提供两种角位置信息：一种是角度值，通过SSI接口送至处理器，角度分辨率为1°；二是直流无刷电机换相电平信号，连接至处理器的GPIO引脚。
数字信号处理器采用TMS320F2812型DSP，对接收的角度信号进行分析与融合，根据一定的算法甄别传感器是否发生故障：当两个传感器输出都正确时，角度值任取其一；当某一传感器出现故障时对错误角度信息进行屏蔽，只取无故障传感器的角度值。同时，处理器根据转子角位置进行正确的换相，控制三相桥式功率单元中功率管的开通与关断，保证电机持续旋转。
本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于，包括设置在直流无刷电机或交流永磁同步电机外部的转子角位置双余度检测装置以及与转子角位置双余度检测装置连接的旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，以及与旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元连接的数字信号处理器，所述转子位置双余度检测装置由旋转变压器组件和磁旋编码器组件构成，旋转变压器组件和磁旋编码器组件的输出分别接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元，所述旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元的数字量角度输出分别通过SPI接口和SSI接口连接至数字信号处理器，同时直流无刷电机或交流永磁同步电机的换相电平信号UVW也连接至数字信号处理器，所述数字信号处理器的输出端与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机驱动单元的输入端相连，电机驱动单元的输出端通过三相桥式功率单元连接直流无刷电机或交流永磁同步电机的U、V、W相。
2.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述转子角位置双余度检测装置包括直流无刷电机或交流永磁同步电机、盖罩、电机轴、磁编码器信号调理电路板、磁编码器芯片、圆柱形磁铁、橡胶垫、联轴套、旋转变压器转子、旋转变压器定子、旋转变压器定子卡环，联轴套与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机轴尾部固定连接，旋转变压器转子固定套设在联轴套外部，圆柱形磁铁固定在联轴套端部的圆形安装孔内；旋转变压器定子通过卡环压紧在直流无刷电机或交流永磁同步电机的端部，磁编码器芯片焊接在磁编码器信号调理电路板上且与圆柱形磁铁相对应，磁编码器信号调理电路板背后设有绝缘橡胶垫并通过螺钉将磁编码器信号调理电路板固定在盖罩的内侧，盖罩通过螺钉固定在直流无刷电机或交流永磁同步电机的端部，旋转变压器组件和磁编码器组件的输出引线通过盖罩侧壁的走线孔引出后分别连接至旋转变压器信号调理电路单元和磁旋编码器电平信号调理单元。
3.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述盖罩的端面上加工有六个均匀分布的环形条孔，相邻的环形条孔的夹角为30°。
4.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述联轴套通过φ1.5mm圆锥销钉与直流无刷电机或交流永磁同步电机的电机轴尾部固定连接。
5.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述旋转变压器转子内壁通过平键与联轴套相连，在联轴套端部设有将旋转变压器转子拧紧防止其轴向窜动的限位螺母。
6.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述旋转变压器信号调理电路单元为旋变数字转换器AD2S1210。
7.根据权利要求1所述的直流无刷电机或交流永磁同步电机转子位置检测装置，其特征在于：所述数字信号处理器采用TMS320F2812型DSP。
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