CN111307025A - 一种霍尔式位置传感器及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种霍尔式位置传感器，包括PCB板和信号磁钢，所述PCB板和信号磁钢轴向布置且之间具有间隙，所述PCB板上固定有两个呈90度电角度分布的霍尔芯片，所述信号磁钢由偶数个扇形磁区构成，两个所述霍尔芯片检测信号磁钢的磁场变化不相同。本发明的优点在于控制精度高，能够消除信号采样过程中引入的误差，并且制作成本低。
Description
技术领域
本发明涉及霍尔式位置传感器领域。
背景技术
传统的霍尔式编码器是由双轨的磁环和霍尔芯片信号检测装置构成，磁环的一个内环轨道按照对应的电机极对数进行充磁，经过霍尔芯片检测磁场产生电机的转子磁极信号，外环轨道的磁环按照提高倍数的磁极对数充磁，经过霍尔芯片检测磁场产生电机的细分转子磁极位置信号，从而实现传统光电编码器的效果；或者由一个信号磁钢与两个开关型霍尔组成，信号磁钢上磁极为1对极或多对极，两个霍尔在空间上呈90度电角度分布。在旋转过程中通过霍尔波形的计数和逻辑过程来判定电机正反转方向、电机旋转的圈数，从而实现转子位置和转向的判断。
如图7所示，信号磁钢上磁极成N、S极空间均匀分布，霍尔芯片1、2空间呈90电角度分布。传感器使用时，磁钢与PCBA成如图1所示布置排列，当磁钢旋转时，磁场也随磁钢旋转，霍尔芯片随磁场的交替变化，开通或断开，从而产生电机的位置信号。
随着电动化、智能化及控制技术的不断发展，对控制精度的要求越来越高，这样就对传感器提出了更高的要求。如何消除信号采样过程中引入的误差，如何用最低的成本去达到需求，是当下面临的新的挑战。
传统的霍尔式传感器方案存在两个问题：
(1)计算圈数只能通过计算脉冲来间接计算，不能直接计数；
(2)由于信号传递过程中会存在干扰信号，ECU在对信号进行计数过程中可能会存在多计数或漏计数的情况，在这种情况下，如果没有一个圈数校准信号作为校准，将会导致位置信号产生累积误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是实现一种误差小、精度高的霍尔式位置传感器结构。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种霍尔式位置传感器，包括PCB板和信号磁钢，所述PCB板和信号磁钢轴向布置且之间具有间隙，所述PCB板上固定有两个呈90度电角度分布的霍尔芯片，所述信号磁钢由偶数个扇形磁区构成，两个所述霍尔芯片检测信号磁钢的磁场变化不相同。
两个所述霍尔芯片采用不同的磁密导通阈值霍尔芯片，其中一个为低磁密导通阈值霍尔芯片，另一个为高磁密导通阈值霍尔芯片。
两个所述霍尔芯片的磁密导通阈值相同，其中一个霍尔芯片固定在PCB板的正面，另一个霍尔芯片固定在PCB板的反面。
所述信号磁钢的磁区中，仅一个磁区的磁性强于或弱于其他磁区磁性，其他磁区磁性相同。
所述信号磁钢所有磁区磁性相同，其中一个磁区向PCB板方向凸出，该磁区与PCB板的间隙小于其他磁区与PCB板的间隙。
基于所述霍尔式位置传感器的控制方法：
通过检测低磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形数量，检测速度
通过检测高磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形加低磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形，通过两种波形在空间上的关系获得旋转的圈数和角度。
通过低磁密导通阈值霍尔芯片和高磁密导通阈值霍尔芯片输出的波形判断旋转的方向。
通过高磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形实现校零。
本发明的优点在于控制精度高，能够消除信号采样过程中引入的误差，并且制作成本低。
附图说明
下面对本发明说明书中每幅附图表达的内容及图中的标记作简要说明：
图1为实施例1霍尔位置传感器结构示意图；
图2为实施例2霍尔位置传感器结构示意图；
图3为实施例3霍尔位置传感器结构示意图；
图4为实施例1中信号磁钢结构示意图；
图5为实施例2中信号磁钢结构示意图；
图6为霍尔位置传感器波形图；
图7为背景技术霍尔位置传感器示意图；
上述图中的标记均为：1、霍尔芯片；2、PCB板；3、信号磁钢。
具体实施方式
下面对照附图，通过对实施例的描述，本发明的具体实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互位置及连接关系、各部分的作用及工作原理、制造工艺及操作使用方法等，作进一步详细的说明，以帮助本领域技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
霍尔位置传感器包含了PCB、两个霍尔芯片1和信号磁钢3，及相关外围电路，其中信号磁钢3磁路为轴向磁路，磁极为2的倍数，如4极、6极、8极、10极等2的倍数，且由N、S极交替排列，均匀分布，信号磁钢3通过同一磁钢采用不同磁性材料的设计或磁钢结构设计实现磁场的非均匀分布，两个霍尔芯片1通过选择不同的磁密导通阈值霍尔芯片1或选择相同导通阈值霍尔芯片1采用不同的空间分布(PCB正反面布置)实现一个霍尔芯片1检测强化磁场的变化产生圈数信号，另一个霍尔芯片1检测整个信号磁钢3磁场的变化产生角度信号。
实施例1如图1、4所示，两个霍尔芯片1固定在PCB板2的同一侧，两个霍尔芯片1在空间分布上呈90度电角度分布，其中一个霍尔芯片1为低磁密导通阈值霍尔芯片1，另一个高磁密导通阈值霍尔芯片1，信号磁钢3由两种磁性材料组成，一种磁性材料磁性较强，一种磁性材料磁性较弱，只有一极为强磁材料，其它磁极由另一种磁性材料组成。
实施例2如图2、5所示，两个霍尔芯片1固定在PCB板2的同一侧，两个霍尔芯片1在空间分布上呈90度电角度分布，其中一个霍尔芯片1为低磁密导通阈值霍尔芯片1，另一个高磁密导通阈值霍尔芯片1，信号磁钢3由一种磁性材料组成，其中一个磁极凸出平面一定距离,其它磁极在同一平面。
实施例1和实施例2中，低磁密导通阈值霍尔芯片1机构每旋转一周输出与磁极对数一致的脉冲波形，机构每旋转一周高磁密导通阈值霍尔芯片1输出一个脉冲波形。
实施例3如图3所示，两个霍尔芯片1选择相同导通阈值霍尔芯片1，采用不同的空间分布，即一个固定在PCB板2正面，另一个固定在PCB板2反面，两个霍尔芯片1在空间分布上仍呈90度电角度分布，信号磁钢3由两种磁性材料组成，一种磁性材料磁性较强，一种磁性材料磁性较弱，只有一极为强磁材料，其它磁极由另一种磁性材料组成。
霍尔位置传感器可以检测速度，通过检测低磁密导通阈值霍尔芯片1脉冲波形数量，直接检测速度。
霍尔位置传感器可以检测绝对位置，通过检测高磁密导通阈值霍尔芯片1脉冲波形加低磁密导通阈值霍尔芯片1脉冲波形，通过两种波形在空间上的逻辑关系，判断机构的旋转的圈数和角度。
霍尔位置传感器可以判断正反转，通过两种霍尔芯片1输出的波形的逻辑关系，判断机构的正反转。
霍尔位置传感器具有校零功能通过高磁密导通阈值霍尔芯片1脉冲波形校零，减少脉冲计数的累计误差。
霍尔位置传感器的工作原理如下：磁场设计方面，通过不同的气隙或磁场强度的设计，在同一工作平面上，磁场强度呈非均匀分布，在圆周某一区域上会变强；本方案在信号感应设计方面，采用两个不同开通与关断阈值的开关型霍尔传感器来做感应元器件，两个霍尔芯片1在空间分布上，呈90度电角度分布，开关阈值高的霍尔芯片1在信号磁钢3旋转一周时会导通一次，产生一个脉冲，作为传感器的圈数信号；开关阈值低的霍尔芯片1在信号磁钢3旋转一周时生成与信号磁钢3极数对应的脉冲，这样的设计方案可以通过其中一个霍尔芯片1计圈数，每圈校零一次，减少累计误差；通过另一个霍尔芯片1检测电机一圈中旋转的角度，实现电机精确的速度和位置测量；通过两个霍尔芯片1产生的信号组合逻辑顺序，实现电机正反转的判断。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种霍尔式位置传感器，包括PCB板和信号磁钢，所述PCB板和信号磁钢轴向布置且之间具有间隙，所述PCB板上固定有两个呈90度电角度分布的霍尔芯片，所述信号磁钢由偶数个扇形磁区构成，其特征在于：两个所述霍尔芯片检测信号磁钢的磁场变化不相同。
2.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器，其特征在于：两个所述霍尔芯片采用不同的磁密导通阈值霍尔芯片，其中一个为低磁密导通阈值霍尔芯片，另一个为高磁密导通阈值霍尔芯片。
3.根据权利要求1所述的霍尔式位置传感器，其特征在于：两个所述霍尔芯片的磁密导通阈值相同，其中一个霍尔芯片固定在PCB板的正面，另一个霍尔芯片固定在PCB板的反面。
4.根据权利要求1、2或3所述的霍尔式位置传感器，其特征在于：所述信号磁钢的磁区中，仅一个磁区的磁性强于或弱于其他磁区磁性，其他磁区磁性相同。
5.根据权利要求1、2或3所述的霍尔式位置传感器，其特征在于：所述信号磁钢所有磁区磁性相同，其中一个磁区向PCB板方向凸出，该磁区与PCB板的间隙小于其他磁区与PCB板的间隙。
6.基于权利要求1-5中任一所述霍尔式位置传感器的控制方法，其特征在于：
通过检测低磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形数量，检测速度
通过检测高磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形加低磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形，通过两种波形在空间上的关系获得旋转的圈数和角度。
7.根据权利要求6所述的霍尔式位置传感器的控制方法，其特征在于：通过低磁密导通阈值霍尔芯片和高磁密导通阈值霍尔芯片输出的波形判断旋转的方向。
8.根据权利要求6或7所述的霍尔式位置传感器的控制方法，其特征在于：通过高磁密导通阈值霍尔芯片脉冲波形实现校零。
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