CN109831073B - 一种直线电机位置反馈装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直线电机位置反馈装置，包括磁位移编码器、信号适配器和连接线；磁位移编码器、信号适配器和伺服驱动器之间依次通过连接线连接。所述磁位移编码器包括依次连接的磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；所述信号适配器包括细分处理电路及分别与其连接的电源电路、外部EEPROM存储电路、SPI串行调试接口电路、错误状态指示电路、幅值相位校准电路以及差分驱动电路。本发明通过磁阻芯片检测磁场变化输出模拟量正余弦信号，对模拟量正余弦信号分别进行模数转换、细分、差分输出处理，信号反馈至伺服驱动器，实现直线电机位置检测，省略了光栅、磁栅尺，结构简单、安装方便，且非接触无摩擦，抗污染等级高，成本大大降低。

Description

一种直线电机位置反馈装置

技术领域

本发明涉及电机位置检测，特别涉及一种直线电机位置反馈装置。

背景技术

随着科学技术的进步、自动化水平的提高，直线电机作为一种将电能直接转换成直线运动机械能的传动装置，在自动控制领域得到极其广泛的应用，国内关于直线电机及其伺服驱动系统的研究也逐步深入。目前，直线电机系统中主要通过光传感或磁感应作为动子的位置反馈方式，光传感位置反馈装置主要由光栅尺配合光编码器读数头组成，精度较高，但是由于生产工艺的原因，测量长度受限制，光栅尺长度越长，生产制造困难越大，成本也越高，多适用2m以下的行程，且其受温度、灰尘、油污影响较大，安装较困难。磁感应位置反馈装置主要由磁栅尺配合磁编码器读数头组成，其工作时会产生较大的噪声，安装时有工艺要求，且直线电机越长，磁栅尺越长，进而增加了成本。综上所述，直线电机位置反馈装置需要继续研究与不断优化。

发明内容

本发明目的是：提供一种直线电机位置反馈装置，不再采用栅尺作为位置检测媒介，仅采用磁位移编码器作为位置反馈的读数头，将其安装在直线电机动子上，磁位移编码器内部胶装第一PCB板上的磁阻芯片可跟随动子移动实时检测直线电机定子磁场变化，由读数头内第二PCB板分压输出模拟量信号，经过信号适配器内第三PCB板上的细分芯片处理以及差分驱动电路输出数字量信号，进而实现位置反馈，该设计方案大大降低了成本，且安装方便、设计坚固、非接触无摩擦、抗污染等级高，其位置反馈精度可满足绝大部分应用场合精度要求。

本发明的技术方案是：

一种直线电机位置反馈装置，包括磁位移编码器、信号适配器和连接线；所述磁位移编码器包括依次连接的磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；所述信号适配器包括细分处理电路及分别与其连接的电源电路、外部EEPROM存储电路、SPI串行调试接口电路、错误状态指示电路、幅值相位校准电路以及差分驱动电路；磁位移编码器、信号适配器和伺服驱动器之间依次通过连接线连接。

优选的，所述磁位移编码器胶装在编码器机构件中，编码器机构件安装在直线电机动子上，跟随动子移动实时检测直线电机定子磁场变化；

磁位移编码器内部包括第一PCB板和第二PCB板，所述第一PCB板和第二PCB板分别覆磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；第一PCB板上集成设有磁阻芯片，用于检测直线电机定子磁场；第二PCB板与第一PCB板上的磁阻芯片引脚具备电气连接，由第二PCB板分压处理输出模拟量正余弦信号。

优选的，所述信号适配器的各电路模块覆于第三PCB板上，胶装在单独的适配器机构件中；所述信号适配器的输入输出机构采用公母端子配对，信号适配器机构件上使用螺纹孔与端子固定。

优选的，所述细分处理电路采用16位正余弦模数转换插补算法芯片，可提供增量式信号，用来将一个完整的正余弦信号细分为指定个数的数字量脉冲信号。

优选的，所述SPI串行调试接口电路采用四线制SPI协议，用于通过16位正余弦插补算法芯片的上位软件编程系统进行芯片内部寄存器配置，细分参数写入以及实时调试。

优选的，通过SPI通讯口进行参数配置、修改写入操作完成后，为避免参数异变情况发生，在MISI和SCLK两个接口处分别接一个0欧姆的电阻R1、R2到地，锁住SPI通讯接口，关闭SPI功能。

优选的，所述幅值相位校准电路通过芯片内寄存器配置实现软校准，或通过外部按键实现硬校准，用来对磁位移编码器输出至信号适配器的模拟量正余弦信号进行校准，确保其幅值一致，相位相差90度。

优选的，所述差分驱动电路采用AM26LV31 EIDR芯片，用来将A/B/Z信号差分输出至伺服驱动器，实现位置信息的检测。

优选的，所述连接线采用ETFE绝缘PUR护套编码器电缆，用来连接磁位移编码器和信号适配器，兼用作信号适配器和伺服驱动器的编码器反馈线。

优选的，所述磁位移编码器和信号适配器的机构件顶底材料均采用透磁材料，封胶材料均采用E P05-C高性能结构胶。

本发明的优点是：

1.本发明通过磁阻芯片检测磁场变化输出模拟量正余弦信号，对模拟量正余弦信号分别进行模数转换、细分、差分输出处理，信号反馈至伺服驱动器，实现直线电机位置检测，省略了光栅、磁栅尺，结构简单、安装方便，且非接触无摩擦，抗污染等级高，成本大大降低。

2.本发明的优选方案中，采用30mm磁极距的800mm行程直线电机模组进行测试，测试其重复定位精度小于10um，成本相比磁栅尺配合磁编码器读数头装置下降了50％。同时该发明可以适应更加复杂和恶劣的工作环境，更大程度的保证了直线电机位置反馈装置的可靠性和适用性，具有很大的实用价值和经济效益。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明直线电机位置反馈装置结构示意图；

图2为磁位移编码器的磁阻磁场检测电路原理图；

图3为磁位移编码器的模拟量正余弦信号输出电路；

图4为信号适配器的直线电机反馈装置连接示意图；

图5为信号适配器的硬件电路框架图；

图6为信号适配器的细分处理电路原理图；

图7为信号适配器的差分驱动电路原理图；

图8为直线电机位置反馈流程示意图；

图9为模拟量正余弦输出信号波形图；

图10为数字量差分输出信号波形图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的直线电机位置反馈装置，包括磁位移编码器、信号适配器和连接线；磁位移编码器、信号适配器和伺服驱动器之间依次通过连接线连接。

所述磁位移编码器胶装在编码器机构件中，编码器机构件安装在直线电机动子上，跟随动子移动实时检测直线电机定子磁场变化；如图2-3所示，磁位移编码器内部包括第一PCB板和第二PCB板，所述第一PCB板和第二PCB板分别覆磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；第一PCB板上集成设有磁阻芯片，用于检测直线电机定子磁场；第二PCB板与第一PCB板上的磁阻芯片引脚具备电气连接，由第二PCB板分压处理输出模拟量正余弦信号。

如图4、5所示，所述信号适配器的各电路模块覆于第三PCB板上，胶装在单独的适配器机构件中；所述信号适配器包括细分处理电路及分别与其连接的电源电路、外部EEPROM存储电路、SPI串行调试接口电路、错误状态指示电路、幅值相位校准电路以及差分驱动电路；所述信号适配器输入输出机构设计中采用公母端子配对，在机构设计中同时考虑端子应力，信号适配器机构上使用螺纹孔与端子固定，避免震动带来的位置检测误差。优选方案中，信号适配器输入输出端子采用DB9端子，模拟信号输入使用母端子，数字信号输出使用公端子，公母配对并通过螺纹孔锁紧固定。

本发明的信号适配器胶装在单独的适配器机构件中，具有两个作用：(1)信号适配器质量相对较大，可以只将磁位移编码器固定在动子上，由此动子带载相对较小。(2)可以增加用途，一是可以接信号适配器使用，即模数转换、细分后反馈A/B/Z信号到伺服驱动器；二是不接信号适配器也可以正常使用，即直接模拟量信号(sin+，sin-，cos+，cos-)反馈到伺服驱动器，可由伺服驱动器内核处理模拟量信号；对两种用途，不同场合的兼容性较好。

如图6所示，所述细分处理电路采用16位正余弦模数转换插补算法芯片，可提供增量式信号，用来将一个完整的正余弦信号细分为指定个数的数字量脉冲信号。

所述电源电路无需单独供电，通过伺服驱动器编码器连接端口提供5V电源，并配以储能电容保证电源电压稳定。所述外部EEPROM存储电路采用I2C串口协议的AT24C02存储器芯片，用于存储配置参数。所述SPI串行调试接口电路采用四线制SPI协议，用于通过16位正余弦插补算法芯片的上位软件编程系统进行芯片内部寄存器配置，细分参数写入以及实时调试。SPI四线制协议(SCS、MISI、MISO、SCLK)，在MISI和SCLK两个接口处分别接了一个0欧姆的电阻到GND，其作用在于：首先可以在不焊接两个0欧姆电阻(R1、R2)的前提下，通过SPI通讯口进行参数配置、修改写入等操作。写入操作完成后，为避免参数异变等情况发生，焊接上两个电阻接地，锁住SPI通讯接口，关闭SPI功能，避免误改动。

所述幅值相位校准电路通过芯片内寄存器配置实现软校准，或通过外部按键实现硬校准，用来对磁位移编码器输出至信号适配器的模拟量正余弦信号进行校准，确保其幅值一致，相位相差90度。

如图7所示，所述差分驱动电路采用AM26LV31EIDR芯片，但不局限于该款芯片，亦可采用同功能的其他芯片。用来将A/B/Z信号差分输出至伺服驱动器，实现位置信息的检测。

所述连接线采用高柔性的线缆，优选方案中采用ETFE绝缘PUR护套编码器电缆，其特殊的结构设计及材料增加了耐磨和耐弯曲性，具有优异的电磁兼容性能。用来连接磁位移编码器和信号适配器，兼用作信号适配器和伺服驱动器的编码器反馈线。

所述磁位移编码器和信号适配器的机构顶底材料均采用透磁材料，以免影响检测。在优选方案中采用6061铝板。

所述磁位移编码器和信号适配器的封胶材料均采用高性能结构胶。优选方案中采用EP05-C高性能结构胶，室温快速固化，粘连强度高，具有良好的耐震动性能，可有效避免震动带来的位置检测误差。

工作原理及流程说明，如图8所示：

①磁位移编码器安装在直线电机动子上，跟随动子移动实时检测磁场变化，磁场的变化通过霍尔效应转化成模拟量正余弦信号输出至信号适配器，磁场越强，电压越大，则一个磁极距恰好对应一个周期的正弦波。模拟量正余弦输出信号波形见图9所示。

②信号适配器的作用主要有：一、通过对16位正余弦模数转换插补算法芯片进行SPI通信调试，在上位软件编程端配置寄存器参数，使能内部时钟，设置细分个数等，并可将参数写入外部EEPROM中，信号适配器一上电，16位正余弦插补算法芯片会首先读取外部EEPROM存的配置参数，并按照配置进行操作。将模拟量正余弦信号模数转换成数字信号，同时细分精度，将一个周期的模拟量正余弦信号细分为指定个数的数字量脉冲信号(A/B/Z)，细分个数可以通过SPI调试接口进行配置。二、差分驱动电路接收精度细分后的数字量脉冲信号(A/B/Z)，经过差分驱动芯片处理，输出数字量差分信号(A+/A-/B+/B-/Z+/Z-),并进一步增强其驱动能力，通过编码器接口输出至伺服驱动器。数字量差分输出信号波形见图10所示。

③直线电机上安装一个光电开关或行程开关标记原点，通过输出数字量脉冲信号的相位提前或延后来确定直线电机运行方向，正向移动或负向移动；通过接收到的脉冲个数来确定直线电机移动的行程。一个磁极距输出一个完整的正余弦周期，所以细分值设置的越大，单个数字脉冲所表示的行程也就越小，位置反馈的精度也就越高。在本发明的优选方案中，采用30mm磁极距的800mm行程直线电机模组进行测试，细分个数配置为7500，测试其重复定位精度小于10um。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直线电机位置反馈装置，其特征在于，包括磁位移编码器、信号适配器和连接线；所述磁位移编码器包括依次连接的磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；所述信号适配器包括细分处理电路及分别与其连接的电源电路、外部EEPROM存储电路、SPI串行调试接口电路、错误状态指示电路、幅值相位校准电路以及差分驱动电路；磁位移编码器、信号适配器和伺服驱动器之间依次通过连接线连接；

所述磁位移编码器胶装在编码器机构件中，编码器机构件安装在直线电机动子上，跟随动子移动实时检测直线电机定子磁场变化；

磁位移编码器内部包括第一PCB板和第二PCB板，所述第一PCB板和第二PCB板分别覆磁阻磁场检测电路和模拟量正余弦信号输出电路；第一PCB板上集成设有磁阻芯片，用于检测直线电机定子磁场；第二PCB板与第一PCB板上的磁阻芯片引脚具备电气连接，由第二PCB板分压处理输出模拟量正余弦信号；

所述SPI串行调试接口电路采用四线制SPI协议，分别为SCS、MISI、MISO、SCLK，用于通过16位正余弦插补算法芯片的上位软件编程系统进行芯片内部寄存器配置，细分参数写入以及实时调试；

所述幅值相位校准电路通过芯片内寄存器配置实现软校准，或通过外部按键实现硬校准，用来对磁位移编码器输出至信号适配器的模拟量正余弦信号进行校准，确保其幅值一致，相位相差90度；

所述信号适配器的各电路模块覆于第三PCB板上，胶装在单独的适配器机构件中；所述信号适配器的输入输出机构采用公母端子配对，信号适配器机构件上使用螺纹孔与端子固定。

2.根据权利要求1所述的直线电机位置反馈装置，其特征在于，所述细分处理电路采用16位正余弦模数转换插补算法芯片，可提供增量式信号，用来将一个完整的正余弦信号细分为指定个数的数字量脉冲信号。

3.根据权利要求2所述的直线电机位置反馈装置，其特征在于，通过SPI通讯口进行参数配置、修改写入操作完成后，为避免参数异变情况发生，在MISI和SCLK两个接口处分别接一个0欧姆的电阻R1、R2到地，锁住SPI通讯接口，关闭SPI功能。

4.根据权利要求2所述的直线电机位置反馈装置，其特征在于，所述差分驱动电路采用AM26LV31EIDR芯片，用来将A/B/Z信号差分输出至伺服驱动器，实现位置信息的检测。

5.根据权利要求1所述的直线电机位置反馈装置，其特征在于，所述连接线采用ETFE绝缘PUR护套编码器电缆，用来连接磁位移编码器和信号适配器，兼用作信号适配器和伺服驱动器的编码器反馈线。

6.根据权利要求1所述的直线电机位置反馈装置，其特征在于，所述磁位移编码器和信号适配器的机构件顶底材料均采用透磁材料，封胶材料均采用EP05-C高性能结构胶。