CN112152417A - 一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，包括安装支架、铁芯、激励线圈和响应线圈。本发明主要结构为，铁芯、激励线圈、与响应线圈组合成位置编码器本体并固定于安装支架上，该本体安装于定子无磁轨式直线电机定子的垂直方向，并与定子无磁轨式直线电机的定子之间保有一定气隙。本发明工作原理：激励线圈中通入激励信号后，铁芯与定子无磁轨式直线电机的定子在电机行进过程中相互作用，产生近似正弦变化的磁密，进而在响应线圈中产生响应信号。响应线圈通过串联或并联连接，重构响应信号，得到相互正交的正余弦信号，进而反映定子无磁轨式直线电机的实时动子位置。本发明具有体积小、结构可靠、精度高、成本低廉等优点。

Description

一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器

技术领域

本发明涉及的是永磁同步直线电机技术领域，具体涉及一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器。

背景技术

永磁同步直线电机伺服系统中，电机动子的位置检测为至关重要的一环，其所应用的位置检测技术直接影响着电机的控制性能。虽然目前的无位置传感器检测技术已经相对成熟，但这种技术的检测精度和稳定性都受到了制约，不适用于位置精度要求高的场合。在定子无磁轨式直线电机位移传感器领域，光栅尺、磁栅尺等直线位移传感器在应用过程中具有精度高的优点，但由于此类传感器造价高、体积大且对电机运行性能有影响，在工程应用中受到了一定程度的限制。为了满足定子无磁轨式直线电机位置检测低成本而高精度的需要，本发明设计了一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器。

发明内容

针对现有技术上存在的不足，本发明目的是在于提供一种适用于无磁轨直线电机的正余弦位置编码器，结构设计合理，无需光栅或磁栅作为检测器件，制造成本低廉，体积小而又可靠，易于推广使用。

为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，包括支座、铁芯、激励线圈和响应线圈。定子无磁轨式直线电机的定子采用凸极式结构，正余弦位置编码器中的铁芯采用两齿加一槽结构，同一元件中的激励线圈和响应线圈二者间的间距经尺寸优化，使电机运行过程中铁芯的磁密变化具有正弦性。所设计正余弦位置编码器中共有四个元件，其中，元件A与元件B构成一个元件组，A与B之间相位差为180°电角度，其响应线圈通过反向串联而得到差分输出信号。元件C与D同理。A与B所构成元件组与C与D所构成与元件组整体相位差为90°电角度，由此可产生正余弦响应信号。A、B、C、D四个元件的激励信号正向串联，以获得相同的励磁。此外通过改变所述元件的数量与位置可以产生多种变种形式，例如采用多个元件通过移相、串并联进而提高正弦度的改进方案。

作为优选，所述正余弦位置编码器可以通过多种形式反馈动子位置，反馈形式包括有旋转变压器式的正弦高频脉冲信号、正余弦编码器式的正余弦信号，以及其他类型具有正余弦特征的反馈形式。

作为优选，所述的铁芯采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明的正余弦位置编码器安装在定子无磁轨式直线电机动子行进方向的端面上，体积小质量轻，结构简单可靠，对电机运行性能影响小。

2、本发明通过从响应线圈中所获得的感应电动势信号解算出电机动子的位置信息，此种技术条件下，定子无磁轨式直线电机的定子上无需光栅磁栅，从而大大降低成本。

3、本发明通过将轴方向上两个相位差为180°的响应线圈中提取出的输出信号进行差分相减可以达到抑制信号中直流分量、防止干扰的效果。若增加轴方向上元件数目并进行移相、串并联可以进一步抑制信号中的谐波分量，获得更高的检测精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式来详细说明本发明；

图1为本发明的立体结构示意图；

图2为本发明的仰视示意图；

图3为本发明的工作示意图；

图4为本发明的响应线圈信号示意图；

图5为本发明的输出信号示意图。

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

参照图1-5，本具体实施方式采用以下技术方案：一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，其结构至少包括支座1、铁芯2、激励线圈3和响应线圈4，正余弦位置编码器本体安装在定子无磁轨式直线电机动子的行进方向一端，铁芯2与安装在铁芯2上的激励线圈3、响应线圈4组合成一个完整元件并固定在支座1上。铁芯2采用两齿加一槽结构，同一元件中的激励线圈3和响应线圈4二者间的间距经尺寸优化，使电机运行过程中铁芯2的磁密变化具有正弦性。所述元件在正余弦位置编码器中共有四个(A、B、C、D), 在轴方向上元件A和B的相位差与元件C和D的相位差均为180°电角度，而在轴方向上元件A和C的相位差以及元件B和D的相位差均为90°电角度。此种正余弦位置编码器可以通过改变元件的数量与位置产生多种变种形式，例如采用多个元件通过移相、串并联进而提高正弦度。

值得注意的是，所述的正余弦位置编码器可以通过多种形式反馈动子位置，反馈形式包括有旋转变压器式的正弦高频包络信号和正余弦编码器式的正余弦信号。

此外，所述的铁芯2采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

本具体实施方式提出的正余弦位置编码器安装在定子无磁轨式直线电机动子的行进方向一端，其工作示意图如图3所示，电机运行过程中，正余弦位置编码器跟随动子在定子上方作直线运动，每一个元件中铁芯与定子间的磁阻由于齿槽交替而周期变化，经过尺寸优化，铁芯中的磁密变化呈现正弦性。在一定磁场强度范围内，响应线圈在高频信号激励下感应出的电压信号幅值与被检测区域磁密呈线性关系。在轴方向上将相位差为180°的元件A和元件B中的响应线圈输出的高频信号进行差分相减从而达到抑制信号中直流分量、防止干扰的效果。同理轴方向上的元件C和元件D经过相同的操作可以得到另一路输出信号。为了检测出电机动子的位置以及运动方向，轴方向上的元件A和C以及元件B和D的相位差均设置为90°电角度，将这两路信号进行处理并通过反三角函数可以解算出电机动子的位置信息。若在轴方向上增加元件数目并进行移相、串并联可以进一步抑制信号中的谐波分量，获得更高的检测精度。

在有限元软件中搭建正余弦位置编码器的模型进行仿真，激励线圈的示意图波形如图4所示，将正余弦位置编码器中A与B两个元件响应信号经过差分处理得到波形如图5所示，为具有正弦包络线的高频脉冲信号。C与D两个元件响应信号经过差分处理得到波形与图5所示差90°电角度。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (5)

1.一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，其中，所述正余弦位置编码器至少包括安装支架(1)、铁芯(2)、激励线圈(3)和响应线圈(4)，其特征在于，正余弦位置编码器本体安装在定子无磁轨式直线电机动子的行进方向一端，铁芯(2)与安装在铁芯(2)上的激励线圈(3)、响应线圈(4)组合成一个完整元件并固定在安装支架(1)上，铁芯(2)采用两齿加一槽结构，同一元件中的激励线圈(3)和响应线圈(4)二者间的间距经尺寸优化，使电机运行过程中铁芯(2)的磁密变化具有正弦性。

2.权利要求1所述的一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，共有四个元件(A、B、C、D)，在轴方向上元件A和B的相位差与元件C和D的相位差均为180°电角度，而在轴方向上元件A和C的相位差以及元件B和D的相位差均为90°电角度。

3.根据权利要求2所述的一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，其特征在于：可以通过改变所述元件的数量与位置产生的变种形式来提高正弦度。

4.根据权利要求1所述的一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，其特征在于，所述的正余弦位置编码器可以通过多种形式反馈动子位置，反馈形式包括有旋转变压器式的正弦高频脉冲信号和正余弦编码器式的正余弦信号，以及其他类型具有正余弦特征的反馈形式。

5.根据权利要求1所述的一种适用于定子无磁轨式直线电机的正余弦位置编码器，其特征在于，所述的铁芯(2)采用导磁材料制成，导磁材料包括有硅钢片、纯铁、电工钢、坡莫合金。

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