CN111969796A - 电机测速装置及电机 - Google Patents

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韦水明
朱建荣
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Abstract

本发明公开了一种电机测速装置及电机，其设置在电机上，其包括设置在电机转子上并具有多个间隔设置N或S极的磁环、设置在电机定子上且通过巨磁阻效应感知磁场变化的传感器、以及固定传感器并电性相连的线路板。本发明优点是：温漂极小、高精度测速、分辨率高、工作稳定、重复性好、寿命长、造价低。

Description

电机测速装置及电机
技术领域
本发明涉及一种电机测速装置及电机。
背景技术
现有的电机测速装置大都采用光电或霍尔等非接触式结构来检测，然而由于这些传感器的体积大，使得检测分辨率很低，使测量不精确。
发明内容
本发明目的是：提供一种电机测速装置及电机，通过巨磁阻效应，比光栅编码器或者其他编码器控制更为精确，温漂极小、高精度测速、分辨率高。
本发明的第一技术方案是：一种电机测速装置，其设置在电机上，其包括设置在电机转子上并具有多个间隔设置N或S极的磁环、设置在电机定子上且通过巨磁阻效应感知磁场变化的传感器、以及固定传感器并电性相连的线路板。
在上述技术方案的基础上，进一步包括如下附属技术方案：
优选地，所述线路板位于磁环和电机定子之间。
优选地，所述磁环、电机转子、电机定子的中心轴线在同一直线上，且所述电机定子的直径小于电机转子的直径，并大于磁环的直径。
优选地，所述磁环与电机定子的外边缘相邻。
本发明的第二技术方案是：一种电机，其包括外转子、电机定子、内转子组件、以及电机测速装置，其中所述磁环设置在外转子上，且所述内转子组件至少部分收容电机定子并包括穿过电机定子和外转子中心的转轴，而电机测速装置包括设置在电机转子上并具有多个间隔设置N或S极的磁环、设置在电机定子上且通过巨磁阻效应感知磁场变化的传感器、以及固定传感器并电性相连的线路板。
优选地，所述线路板包括与传感器电性相连的控制电路，其中所述控制电路包括单片机，且所述传感器由至少两组惠斯通电桥构成，其中一组为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元，而另一组为反映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。
优选地，所述单片机支持至少以下三种协议：增量式接口协议、同步串行通信协议、脉冲宽度调制协议。
优选地，所述控制电路还包括一端与VX、VY巨磁阻感应单元输出相连而另一端与单片机输入相连的模数转换放大模块、与单片机输出相连的编码脉冲生成器、与编码脉冲生成器相连的编码输出单元、向模数转换放大模块、单片机、编码脉冲生成器、编码输出单元提供电力的电源单元、以及与编码输出单元相连的接口单元。
本发明优点是：温漂极小、高精度测速、分辨率高、工作稳定、重复性好、寿命长、造价低，电路以及机械结构设计简单，成本低，空间小，相比于光电编码器，还具有不易受灰尘、油污等优点。
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是本发明第一实施例的结构图；
图2是本发明第一实施例中传感器的内部结构图；
图3是本发明第一实施例中传感器的工作波形图；
图4是本发明第二实施例的分解图；
图5是本发明第二实施例的剖视图；
图6是本发明第二实施例中控制电路的功能方块图。
具体实施方式
实施例：如图1-3所示，本发明揭示一种电机测速装置的第一实施例，其设置在电机上，其包括设置在电机转子上并具有多个间隔设置N或S极的磁环500、设置在电机定子上且通过巨磁阻效应感知磁场变化的传感器410、以及固定传感器410并电性相连的线路板400。在本实施例中，传感器410与单片机合成一巨磁阻芯片。
磁阻效应是指导体或半导体在磁场作用下其电阻值发生变化的现象，巨磁阻效应在1988年由彼得·格林贝格(PeterGrünberg)和艾尔伯·费尔(AlbertFert)分别独立发现，具体是在磁性多层膜如Fe/Cr和Co/Cu中，铁磁性层被纳米级厚度的非磁性材料分隔开来。在特定条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值约高10余倍，这一现象称为“巨磁阻效应”。如图2所示，传感器410由两组惠斯通电桥构成，分别为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元和反映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。VX和VY巨磁阻感应单元结构类似，只是参考层磁化方向不同，使用全桥结构以获得两倍信号幅值以及消除温度效应影响。
磁环500具有360度均分的N-S间隔设置20对巨磁铁磁极，且中心半径以1-5mm间隙覆盖传感器410的感应面。当旋转磁环500时，参考图3，巨磁阻芯片A/BMode-A输出一组频率与速度对应的方波，B输出一组与A方波滞后90度角的方波，以此来检测速度。根据A相位是否超前B相位来判定电机转动方向。C代表零点位置，可以通过协议内的配置，确定电机的与编码器的零点位置。当转轴带动磁环500旋转后，使得磁场N-S界面线交替扫描传感器410的惠斯通巨磁阻，巨磁阻得到的阻值变化转换成正弦和余弦电压，利用硬启动以及IIF启动特性经巨磁阻芯片内坐标旋转数字计算机输出连续的A-B方波脉冲如图4。磁环500采用铁氧体材料，若有高温度要求，则可以使用如钐钴或者钕铁硼等，表磁强度优选为1000G以上，以加大传感器410和磁环500的工作间隙，对整个电机装配设计有很大的活动性。单圈输出的脉冲数越多，相当于单位角度内的脉冲数就多。这样对电机可以精准定位和控制。普通的磁编根据接触一对极4096脉冲，一圈磁环外转子电机一般可以做到94对极以上，相当于电机转动一圈，脉冲可以做到0～192512脉冲(以94对极为例)，这样可以达到192512/360＝534个脉冲一度。既能计算出电机所转的角度、圈数，也能测出速度。由此本实施例具备极其精确的角度分辨率(15bit)以及快速的信号处理能力和较短的延时/更新率，极其适合精确测定高动态应用中的转子位置。
巨磁阻芯片采用IIF(IncrementalInterface增量式接口)协议为A/BMode，其中IFA输出增量信号代表角度信息，IFB代表方向信息，而IFC代表零点位置。芯片内部集成14位计数器(IIF_CNT)可用于增量编码计数，能够记录一整圈从0到16383个脉冲，可用于单片机和传感器之间数据同步。当电路上电后，电机还没有开始转动，芯片IIF脚会输出一定脉冲数，此为启动特性，单片机通过计算脉冲数可获得芯片的起始位置绝对角度信息。即：起始位置绝对角度＝脉冲数*180°/211起始位置脉冲最大数目在180°位置，此时有2048个脉冲。如果IFA相位在IFB相位之前，则该角度在0°和180°之间。如果IFB相位在IFA相位之前，则角度在180°和360°之间。起始位置脉冲结束后，芯片进入正常工作模式。巨磁阻芯片还支持SSC(SynchronousSerialCommunication同步串行通信)协议、PWM(Pulse-Width-Modulation脉冲宽度调制)协议、SPC(Short-PWM-Code)协议、以及HSM(HallSwitchMode)模式。SSC数据传输方式为半双工，SSC传输信息包含命令，数据以及安全信息，其中安全信息包括CRC校验，每一组新的数据传输都会产生新的CRC校验。而CRC校验基于J1850总线规范，需要注意的是进行CRC校验时需要包含发送的命令以及接收到的数据。PWM协议为单向通讯方式，有四种工作频率，即：0.2KHz，0.5KHz,1KHz以及2KHz，可通过SSC接口配置工作频率。占空比代表角度信息，其中占空比在0-6.25％以及93.75-100％区间用于诊断。SPC协议允许双向通讯，且通讯时单片机需要发送一个触发信号以唤醒其传输角度信息，除角度信息外，还可传输温度信息。HSM模式可模拟三个霍尔开关，用于电机换向。
如图4-5所示，本发明在第一实施例的基础上，揭示一种电机的第二实施例，其包括电机定子100、外转子200、内转子组件300，其中磁环500设置在外转子200上，且内转子组件300至少部分收容电机定子100并包括穿过电机定子100和外转子200中心的转轴310。线路板400位于磁环500和电机定子100之间。磁环500、外转子200、内转子组件300、电机定子100的中心轴线在同一直线上，且电机定子100的直径小于内转子组件300的直径，并大于磁环500的直径。磁环500与电机定子100的外边缘相邻。内转子组件300的直径小于外转子200的直径。
如图6所示，线路板包括与传感器电性相连的控制电路，传感器包括VX巨磁阻感应单元(A相)4001、VY巨磁阻感应单元(B相)4002，而控制电路包括与VX、VY巨磁阻感应单元4001、4002输出相连的模数转换放大模块4010、与模数转换放大模块4010输出相连且处理数字信号的单片机4020、与单片机4020相连的编码脉冲生成器4030、与编码脉冲生成器4030相连的编码输出单元4040、向模数转换放大模块4010、单片机4020、编码脉冲生成器4030、编码输出单元4040提供电力的电源单元4040、以及与编码输出单元4040相连的接口单元4050。
由此本发明中电路以及机械结构设计简单，成本低，空间小。相比于光电编码器，还具有不易受灰尘、油污等优点。
对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (8)

1.一种电机测速装置，其设置在电机上，其特征在于其包括设置在电机转子上并具有多个间隔设置N或S极的磁环、设置在电机定子上且通过巨磁阻效应感知磁场变化的传感器、以及固定传感器并电性相连的线路板。
2.如权利要求1所述的一种电机测速装置，其特征在于：所述线路板位于磁环和电机定子之间。
3.如权利要求2所述的一种电机测速装置，其特征在于：所述磁环、电机转子、电机定子的中心轴线在同一直线上，且所述电机定子的直径小于电机转子的直径，并大于磁环的直径。
4.如权利要求3所述的一种电机测速装置，其特征在于：所述磁环与电机定子的外边缘相邻。
5.一种具有如权利要求1或2或3或4所述电机测速装置的电机，其特征在于其包括外转子、电机定子、内转子组件，其中所述磁环设置在外转子上，且所述内转子组件至少部分收容电机定子并包括穿过电机定子和外转子中心的转轴。
6.如权利要求5所述的电机，其特征在于：所述线路板包括与传感器电性相连的控制电路，其中所述控制电路包括单片机，且所述传感器由至少两组惠斯通电桥构成，其中一组为反映外界磁场余弦变化的VX巨磁阻感应单元，而另一组为反映外界磁场正弦变化的VY巨磁阻感应单元。
7.如权利要求6所述的电机，其特征在于：所述单片机支持至少以下三种协议：增量式接口协议、同步串行通信协议、脉冲宽度调制协议。
8.如权利要求6所述的电机，其特征在于：所述控制电路还包括一端与VX、VY巨磁阻感应单元输出相连而另一端与单片机输入相连的模数转换放大模块、与单片机输出相连的编码脉冲生成器、与编码脉冲生成器相连的编码输出单元、向模数转换放大模块、单片机、编码脉冲生成器、编码输出单元提供电力的电源单元、以及与编码输出单元相连的接口单元。
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN104567974A (zh) * 2013-10-17 2015-04-29 英飞凌科技股份有限公司 用于检测量测量中的误差的装置和方法
CN107925315A (zh) * 2016-03-09 2018-04-17 日立汽车系统株式会社 电动驱动装置及电动动力转向装置

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