CN111446821B - 一种磁编码多霍尔冗余装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种磁编码多霍尔冗余装置，应用于伺服电机的位置检测中；包括：AMR芯片、控制器MCU和四个霍尔传感器；在原两个霍尔传感器的基础上，增加两个霍尔传感器，霍尔传感器夹角保证90，每路霍尔到AMR元件正中心距离相同，各霍尔传感器各自定位，并相互辅助。本发明的有益效果是：本发明所提出的技术方案相比现有的AMR磁编码器方案，增加了两个霍尔作为冗余设计后，能在霍尔出现故障时快速排除有故障的霍尔，有效的解决故障，提升了磁编码器的可靠度，提高了电机的工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及伺服电机控制领域，尤其涉及一种磁编码多霍尔冗余装置。
背景技术
伺服电机具有精度高、转速稳、响应快等优点，现广泛应用于机床纺织等工业领域。伺服电机的控制需要精确获得转子的实时位置，编码器作为位置反馈的重要部分，被广泛安装在各伺服电机上。
准确的转子位置对于伺服电机的控制十分重要，编码器的精度和准确性直接影响到电机的运行状态。近年来，磁编码器，特别是基于AMR技术的磁编码器在伺服电机控制领域的应用逐渐增多，AMR磁编码器是在转子上安装一个两极径向充磁的磁铁，随着转子的转动，AMR元件根据磁场的强弱和方向不同，阻抗值发生变化来得出转子的位置。由于AMR只感应磁场强弱，不感应磁场极性，所以需要霍尔元件来配合判断转子的具体位置。
现有的AMR磁编码器，基本是以一个AMR元件为中心两个互为90°夹角摆放的霍尔器件来进行角度计算，AMR元件负责半圈内的具体位置，霍尔元件则给出转子处于一个整圈哪个半圈。
一般来说，通过两个互为90°的霍尔，可以很准确的判断出转子所处于的半圈，然而，当两个霍尔中的一个或者两个出现故障时，电机转子的反馈位置会出现半圈的偏差，对电机的运行有着极大的影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种磁编码多霍尔冗余装置，应用于伺服电机的位置检测中；包括：AMR芯片、MCU、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第三霍尔传感器和第四霍尔传感器；
所述AMR芯片、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均与所述MCU电性连接；
所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置，所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置；且四个霍尔传感器距离所述AMR芯片的距离相等，所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角，所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角；
所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别是所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器的备用霍尔传感器，当所述第一霍尔传感器出现故障时，所述第二霍尔传感器替代所述第一霍尔传感器；当所述第三霍尔传感器出现故障时，所述第四霍尔传感器替代所述第三霍尔传感器，以保证伺服电机转子的反馈位置的正确性。
进一步地，所述MCU为带有模数转换模块的单片机。
进一步地，所述AMR芯片通过所述单片机自带的模数转换模块与所述单片机电性连接，所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别通过所述单片机的四个I/O口与所述单片机电性连接。
进一步地，所述AMR芯片、所述MCU、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均安装于电路板上。
进一步地，所述一种磁编码多霍尔冗余装置的使用原理为：
所述AMR芯片将测量的角度位置发送至所述单片机，由所述单片机自带的模数转换模块将接收到的角度位置转换为数字量角度位置；所述单片机通过四个霍尔传感器各自的输出电平判断伺服电机的转子的半圈位置，再结合所述数字量角度位置得出伺服电机的转子的具体位置；
所述第一霍尔传感器故障时，由所述第二霍尔传感器替代所述第一霍尔传感器；所述第三霍尔传感器故障时，由所述第四霍尔传感器替代所述第三霍尔传感器。
进一步地，故障判定方法为：
以AMR芯片反馈的角度位置为基准，所述MCU记录每个霍尔传感器跳变时AMR芯片反馈的角度位置；对于每一个霍尔传感器，当伺服电机的转子第三次到达该霍尔传感器对应的AMR芯片反馈的角度位置时，若其电平没有跳变，则所述MCU将其标记为故障霍尔传感器，暂停使用；再经过一个周期，若被标记的霍尔传感器有跳变，则所述MCU将该霍尔传感器标记为正常，且重新启用该霍尔传感器；若从被标记为故障开始，经过两个周期，该霍尔传感器的电平仍未发生跳变，则判定该霍尔传感器为故障霍尔传感器，停止使用该霍尔传感器，由与其对应的备用霍尔传感器替代它。
进一步地，伺服电机的转子转动一周，即360°，记为一个周期。
进一步地，故障判定时，四个霍尔传感器独立判定。
进一步地，备用霍尔传感器替代故障霍尔传感器时，将备用霍尔传感器的角度位置超前180°。
本发明提供的技术方案带来的有益效果是：本发明所提出的技术方案相比现有的AMR磁编码器方案，增加了两个霍尔作为冗余设计后，能在霍尔出现故障时快速排除有故障的霍尔，有效的解决故障，提升了磁编码器的可靠度，提高了电机的工作效率。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例中一种磁编码多霍尔冗余装置的装置图；
图2是本发明实施例中一种磁编码多霍尔冗余装置的安装位置示意图；
图3是AMR芯片和霍尔传感器的测量原理示意图；
图4是本发明实施例中四个霍尔传感器的电平跳变示意图；
霍尔A1和A1均表示第一霍尔传感器，霍尔A2和A2均表示第二霍尔传感器，霍尔B1和B1均表示第三霍尔传感器，霍尔B2和B2均表示第四霍尔传感器。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
本发明的实施例提供了一种磁编码多霍尔冗余装置，应用于伺服电机的位置检测中；
请参考图1，图1是本发明实施例中一种磁编码多霍尔冗余装置的装置图，包括：AMR芯片、MCU、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第三霍尔传感器和第四霍尔传感器；所述AMR芯片、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均与所述MCU电性连接；
请参考图2，图2是本发明实施例中一种磁编码多霍尔冗余装置的安装位置示意图；所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置，所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置；且四个霍尔传感器距离所述AMR芯片的距离相等，所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角，所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角；
所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别是所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器的备用霍尔传感器，当所述第一霍尔传感器出现故障时，所述第二霍尔传感器替代所述第一霍尔传感器；当所述第三霍尔传感器出现故障时，所述第四霍尔传感器替代所述第三霍尔传感器，以保证伺服电机转子的反馈位置的正确性。
所述MCU为带有模数转换模块的单片机。
所述AMR芯片通过所述单片机自带的模数转换模块与所述单片机电性连接，所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别通过所述单片机的四个I/O口与所述单片机电性连接。
所述AMR芯片、所述MCU、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均安装于一块电路板上；使用时，所述AMR芯片位于所述伺服电机的磁铁正中心。
使用原理：
所述AMR芯片将测量的角度位置发送至所述单片机，由所述单片机自带的模数转换模块将接收到的角度位置转换为数字量角度位置；所述单片机通过四个霍尔传感器各自的输出电平判断伺服电机的转子的半圈位置，再结合所述数字量角度位置得出伺服电机的转子的具体位置；
当所述第一霍尔传感器故障时，由所述第二霍尔传感器替代所述第一霍尔传感器；当所述第三霍尔传感器故障时，由所述第四霍尔传感器替代所述第三霍尔传感器，反之亦然。
请参考图3，图3是AMR芯片和霍尔传感器的测量原理示意图；伺服电机的转子转动一周为360°，那么每转动180°，霍尔传感器的电平会转换一次，四个霍尔传感器的电平跳变如图4所示。因此，伺服电机的转子每转一圈，正常的霍尔传感器必有一次跳变。因此，霍尔传感器的故障判定方法为：
以AMR芯片反馈的角度位置为基准，所述MCU记录每个霍尔传感器跳变时AMR芯片反馈的角度位置；对于每一个霍尔传感器，当伺服电机的转子第三次到达该霍尔传感器对应的AMR芯片反馈的角度位置时，若其电平没有跳变，则所述MCU将其标记为故障霍尔传感器，暂停使用；再经过一个周期，若被标记的霍尔传感器有跳变，则所述MCU将该霍尔传感器标记为正常，且重新启用该霍尔传感器；若从被标记为故障开始，经过两个周期，该霍尔传感器的电平仍未发生跳变，则判定该霍尔传感器为故障霍尔传感器，停止使用该霍尔传感器，由与其对应的备用霍尔传感器替代它。
伺服电机的转子转动一周，即360°，记为一个周期。故障判定时，四个霍尔传感器独立判定。
备用霍尔传感器替代故障霍尔传感器时，将备用霍尔传感器的角度位置超前180°。
本发明的有益效果是：本发明所提供的技术方案在原两个霍尔传感器的基础上，增加两个霍尔传感器，霍尔传感器夹角保证90°，每路霍尔传感器到AMR元件正中心距离相同。各霍尔传感器各自定位，并相互辅助。
伺服电机的转子转动一整圈，霍尔传感器会出现两根据磁铁的NS极出现高低两种电平，AMR芯片在两种电平周期出现反馈的位置角度完全重复，得到AMR芯片反馈的角度位置后，读取各霍尔传感器的电平，即可知道伺服电机的转子处于哪个半圈。由于霍尔传感器的迟滞效应，在切换点附近会存在滞后，所以需要一个霍尔传感器来辅助判断。由于知道两个霍尔之间相邻的夹角，通过另外一个霍尔传感器来辅助判断伺服电机转子所处的半圈。成90°设计，刚好使一个霍尔传感器的切换点处于相邻霍尔传感器的电平周期的正中。四个霍尔传感器两两成90°设计，判断到一个霍尔传感器故障后，可由其他相邻霍尔传感器继续工作。能在霍尔出现故障时快速排除有故障的霍尔，有效的解决故障，提升了磁编码器的可靠度，提高了电机的工作效率。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种磁编码多霍尔冗余装置，应用于伺服电机的位置检测中；其特征在于：所述磁编码多霍尔冗余装置包括：AMR芯片、MCU、第一霍尔传感器、第二霍尔传感器、第三霍尔传感器和第四霍尔传感器；
所述AMR芯片、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均与所述MCU电性连接；
所述第一霍尔传感器和所述第二霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置，所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器以所述AMR芯片中心对称设置；且四个霍尔传感器距离所述AMR芯片的距离相等，所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角，所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器与所述AMR芯片的连线呈90°角；
所述第二霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别是所述第一霍尔传感器和所述第三霍尔传感器的备用霍尔传感器，当所述第一霍尔传感器出现故障时，所述第二霍尔传感器替代所述第一霍尔传感器；当所述第三霍尔传感器出现故障时，所述第四霍尔传感器替代所述第三霍尔传感器，以保证伺服电机转子的反馈位置的正确性。
2.如权利要求1所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：所述MCU为带有模数转换模块的单片机。
3.如权利要求2所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：所述AMR芯片通过所述单片机自带的模数转换模块与所述单片机电性连接，所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器分别通过所述单片机的四个I/O口与所述单片机电性连接。
4.如权利要求1所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：所述AMR芯片、所述MCU、所述第一霍尔传感器、所述第二霍尔传感器、所述第三霍尔传感器和所述第四霍尔传感器均安装于电路板上。
5.如权利要求1所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：故障判定方法为：
以AMR芯片反馈的角度位置为基准，所述MCU记录每个霍尔传感器跳变时AMR芯片反馈的角度位置；对于每一个霍尔传感器，当伺服电机的转子第三次到达该霍尔传感器对应的AMR芯片反馈的角度位置时，若其电平没有跳变，则所述MCU将其标记为故障霍尔传感器，暂停使用；再经过一个周期，若被标记的霍尔传感器有跳变，则所述MCU将该霍尔传感器标记为正常，且重新启用该霍尔传感器；若从被标记为故障开始，经过两个周期，该霍尔传感器的电平仍未发生跳变，则判定该霍尔传感器为故障霍尔传感器，停止使用该霍尔传感器，由与其对应的备用霍尔传感器替代它。
6.如权利要求5所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：伺服电机的转子转动一周，即360°，记为一个周期。
7.如权利要求5所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：故障判定时，四个霍尔传感器独立判定。
8.如权利要求5所述的一种磁编码多霍尔冗余装置，其特征在于：备用霍尔传感器替代故障霍尔传感器时，将备用霍尔传感器的角度位置超前180°。
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