CN109323646A - 一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统 - Google Patents

一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，包括：磁轨、动子以及位置传感器，位置传感器包括外壳、电路板以及电缆，电路板包括：第一磁阻传感器至第三磁阻传感器、PCB板、辅助电路以及DSP控制器，第一磁阻传感器的相位与所述动子的U相线圈的相位相同，第一磁阻传感器、第二磁阻传感器与第三磁阻传感器相互之间的相位差为120°。由于传感器直接感应直线电机的磁轨，具有极高的性价比。由于直线电机磁轨都是采用铝铁棚材料的永磁铁，磁场强度很强，所以传感器感应距离很大，故对安装要求很低，安装间隙较大。由于本发明没有用到像光栅、磁栅的齿条，且由于位置传感器采用全封装，故防护等级可达到IP68，能够完全防水、防尘。

Description

一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统
技术领域
本发明涉及电机领域，尤其涉及一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统。
背景技术
目前直线电机上应用的位置传感器主要是光栅位置传感器与磁栅位置传感器，其中光栅位置传感器由光源、透镜、光栅副(标尺光栅和指示光栅)和光电接收元件组成，当标尺光栅相对于指示光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。
其中磁栅位置传感器通过磁敏感元件磁阻传感器沿着磁栅尺移动，感应磁栅尺磁场变化并将其转化为电信号，位置的变化产生正弦和余弦输出信号，经过全差分运放进行信号放大与滤波，然后进入DSP的AD模块，通过DSP的内部软件进行解码得到位置角。
目前的光栅位置传感器与磁栅位置传感器具有以下几个缺点：
1、光栅、磁栅由于间隙小，对安装精度的要求很高；
2、因为光栅怕震动、粉尘、烟雾等，因而对环境的要求较高；
3、光栅位置传感器、磁栅位置传感器的精度高，但是价格贵，在某些特殊的应用场合，对精度要求较低的场合使用光栅位置传感器、磁栅位置传感器时性价比很低。
因此，现有技术存在缺陷，需要改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统。
本发明的技术方案如下：提供一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，包括：磁轨、设于所述磁轨上的动子以及设于所述磁轨上的位置传感器，所述位置传感器包括：外壳、电路板以及电缆，所述电路板包括：第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器、PCB板、辅助电路以及DSP控制器，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器分别与PCB板电性连接，所述DSP控制器与所述PCB板电性连接，所述辅助电路与所述DSP控制器电性连接，所述第一磁阻传感器的相位与所述动子的U相线圈的相位相同，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器与第三磁阻传感器相互之间的相位差为120°。
进一步地，所述PCB板包括：偏置电路、放大电路以及有源滤波电路。
进一步地，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器的输入输出电压为正余弦波形，其感应到磁场强度为-1000GS-1000GS时对应输出的模拟量电压为1V-4V。
进一步地，所述偏置电路产生的偏置电压与参考电压之间的电压差为1V。
进一步地，所述有源滤波电路的时间常数为100微秒，截止频率为1600HZ。
进一步地，所述DSP控制器包括DSP芯片，所述DSP芯片包括AD模块。
进一步地，所述DSP芯片的型号为STM32L432。
进一步地，所述辅助电路包括长线差分输出电路。
进一步地，所述电路板还包括接口电路。
进一步地，所述位置传感器采用全封装，所述磁轨采用铝铁棚材料的永磁铁。
采用上述方案，本发明具有如下有益效果：
(1)由于传感器直接感应直线电机的磁轨，相对于光栅、磁栅的成本及其低廉，具有极高的性价比；
(2)由于直线电机磁轨都是采用铝铁棚材料的永磁铁，磁场强度很强，所以传感器感应距离很大，故对安装要求很低，安装间隙较大，在±2mm范围均可正常工作；
(3)由于本发明没有用到像光栅、磁栅的齿条，且由于位置传感器采用全封装，故防护等级可达到IP68，能够完全防水、防尘，其防护等级远远高于光栅位置传感器与磁栅位置传感器。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明位置传感器的结构示意图。
图3为第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器的电路图。
图4为第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器产生的正余弦波的示意图。
图5为DSP控制器、辅助电路以及接口电路的电路图。
图6为PCB板的电路图。
图7为电压偏置后第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器产生的正余弦波的示意图。
图8为译码时第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器的区域分块示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。
请参阅图1，本发明提供一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，包括：磁轨1、设于所述磁轨1上的动子2(直线电机线圈)以及设于所述磁轨1上的位置传感器3，通过位置传感器3感应磁轨1磁场的相对运动，从而产生正余弦模拟量信号，其信号周期等于磁场相对运动的周期，1个周期等于直线电机的一个磁极对距离，相当于电角度360度，通过正余弦信号进行解码计算出当前的位置角度(注意在当前周期内是绝对位置角度)。随着位置移动，产生多个正余弦周期，即相当于旋转编码器的多圈计数，从而完全解码移动的位置，信号周期的频率即对应运动的速度。
所述磁轨1采用铝铁棚材料的永磁铁，磁场强度很强。
请参阅图2，所述位置传感器3包括：外壳31、电路板32以及电缆33，将其装配好后进行全胶封装，防护等级可达到IP68，能够完全防水、防尘。所述电路板32是位置传感器3的核心组件，其包括：第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV、第三磁阻传感器HW、PCB板321、辅助电路322、DSP控制器323以及接口电路324。所述第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV、第三磁阻传感器HW分别与PCB板321电性连接，图3为三个磁阻传感器的电路图。三个磁阻传感器的位置非常关键，否则输出信号不正常，其中第一磁阻传感器HU的相位必须与所述动子2的U相线圈的相位相同，即第一磁阻传感器HU的位置必须在动子2的U相线圈的中心线上，第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV与第三磁阻传感器HW相互之间的相位差为120°。第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV与第三磁阻传感器HW是线性传感器，其输入输出电压为正余弦波形，当其感应到磁场强度为-1000GS-1000GS时对应输出的模拟量电压为1V-4V。如图4所示，当位置传感器在磁场中匀速移动时，第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV与第三磁阻传感器HW输出为相差120度的正弦波形，其幅值为3V，正弦波的中心为2.5V。
请参阅图5，所述DSP控制器323与所述PCB板321电性连接，所述DSP控制器323包括DSP芯片，所述DSP芯片包括AD模块，第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV、第三磁阻传感器HW的感应电压经过调理后进入AD模块，由AD模块进行采样后转换到数字量。其中，DSP芯片的型号为STM32L432，该芯片功率极低，且外围电路简单，只需要电源即可工作。
请参阅图6，所述PCB板321包括：偏置电路3211、放大电路以及有源滤波电路3212。请参阅图7，所述偏置电路3211产生的偏置电压与参考电压之间的电压差为1V，通过1V偏置电压的设置，把输出正弦波的中心调整到1.5V，与AD模块的中心对齐，其峰峰幅值为3V，为AD模块的采样范围。
请参阅图6，所述有源滤波电路3212的时间常数为100微秒，截止频率为1600HZ，对本系统的带宽要求已经足够。
请参阅图5，所述辅助电路322与所述DSP控制器323电性连接，辅助电路322包括长线差分输出电路3221，其由芯片DS9638构成，符合RS422标准。
所述接口电路324与所述长线差分输出电路3221电性连接，该接口电路324与外界接口连接。
第一磁阻传感器HU、第二磁阻传感器HV、第三磁阻传感器HW的感应电压经过调理后进入AD模块，由AD模块进行采样后转换到数字量，然后通过算法进行位置角度译码。如图8所示，分为6个区域，其中第一、第四区域使用第一磁阻传感器HU的反正弦函数进行译码，第二、第五区域使用第二磁阻传感器HV的反正弦函数进行译码，第三、第六区域使用第三磁阻传感器HW的反正弦函数进行译码。相比于传统的相位差为90°进行编码精度更高，因为传统的相位差为90°时采用反正切函数，在两个区域的相交处，正余弦曲线的斜率过大，译码角度误差会很大，因此本发明相位差为120°精度会更高。角度译码完成后，进行当前增量角度计算，通过设定的比例系数进行等比例转换到脉冲数量。
综上所述，本发明具有如下有益效果：
(1)由于传感器直接感应直线电机的磁轨，相对于光栅、磁栅的成本及其低廉，具有极高的性价比；
(2)由于直线电机磁轨都是采用铝铁棚材料的永磁铁，磁场强度很强，所以传感器感应距离很大，故对安装要求很低，安装间隙较大，在±2mm范围均可正常工作；
(3)由于本发明没有用到像光栅、磁栅的齿条，且由于位置传感器采用全封装，故防护等级可达到IP68，能够完全防水、防尘，其防护等级远远高于光栅位置传感器与磁栅位置传感器。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，包括：磁轨、设于所述磁轨上的动子以及设于所述磁轨上的位置传感器，所述位置传感器包括：外壳、电路板以及电缆，所述电路板包括：第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器、PCB板、辅助电路以及DSP控制器，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器分别与PCB板电性连接，所述DSP控制器与所述PCB板电性连接，所述辅助电路与所述DSP控制器电性连接，所述第一磁阻传感器的相位与所述动子的U相线圈的相位相同，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器与第三磁阻传感器相互之间的相位差为120°。
2.根据权利要求1所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述PCB板包括：偏置电路、放大电路以及有源滤波电路。
3.根据权利要求2所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述第一磁阻传感器、第二磁阻传感器、第三磁阻传感器的输入输出电压为正余弦波形，其感应到磁场强度为-1000GS-1000GS时对应输出的模拟量电压为1V-4V。
4.根据权利要求3所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述偏置电路产生的偏置电压与参考电压之间的电压差为1V。
5.根据权利要求2所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述有源滤波电路的时间常数为100微秒，截止频率为1600HZ。
6.根据权利要求1所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述DSP控制器包括DSP芯片，所述DSP芯片包括AD模块。
7.根据权利要求6所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述DSP芯片的型号为STM32L432。
8.根据权利要求1所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述辅助电路包括长线差分输出电路。
9.根据权利要求2所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述电路板还包括接口电路，所述接口电路与所述辅助电路连接。
10.根据权利要求1所述的应用于直线电机矢量控制的位置传感器系统，其特征在于，所述位置传感器采用全封装，所述磁轨采用铝铁棚材料的永磁铁。
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