CN112361945A - 一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器 - Google Patents

一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器，它涉及伺服电机技术领域。编码器与电机主轴的伸长部分相连，从而对电机主轴的运动情况检测。在电机主轴的外围安装一圈径向单对极磁钢进行径向充磁，同时安装径向编码器信号解算板用来检测径向磁场；在电机主轴的端部安装一个轴向单对极磁钢，同时与之相对安装一个轴向编码器信号解算板用来检测轴向磁场。本发明主要是针对电机主轴的轴向窜动进行检测，如果电机主轴出现轴向窜动的情况，编码器上的径向霍尔元件与径向磁钢的距离不变，理论上磁场也不会变换，因此径向并不是误差敏感方向；电机的轴向窜动会造成轴向磁钢与霍尔元件间的距离发生变化，从而霍尔元件检测到的磁场强度发生变化，由此来检测电机主轴的轴向窜动。

Description

一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器
所属技术领域
本发明属于磁电编码器技术领域，具体涉及一种电机主轴的轴向窜动检测的磁电编码器。
背景技术
磁电编码器是一种测量装置，其原理是采用磁阻或者霍尔元件对变化的磁性材料的角度或者位移值进行测量，磁性材料角度或者位移的变化会引起一定电阻或者电压的变化，通过放大电路对变化量进行放大，通过单片机处理后输出脉冲信号或者模拟量信号，达到测量的目的。磁电编码器具有抗振动、可靠性高的特点，尤其是在油污、灰尘等环境下，仍然能够保证高可靠性的工作，这种优良的特性令其在军工、航空航天领域得到广泛的应用。
常用的测量角度的传统磁电编码器一般包括定子、转子、永久磁铁、霍尔传感器和信号处理板。永久磁铁粘接在转子上，霍尔传感器固定在信号处理板上。在单对极磁钢的作用下，编码器信号解算板上的2个霍尔元件上产生相位相差90°的电压信号，通过模数转换就可以转换为标准的数字量，最后进行角度的正切值计算便可以得到当前的角度值。
在实际工作中，电机的理想工作状态是电机转轴始终沿径向方向旋转，但是由于尺寸安装偏差、轴向负载力以及轴承的疲劳损伤等原因，会造成电机转轴沿轴向方向窜动，电机转轴沿轴向方向的窜动会造成安全隐患，首先对控制系统的稳定工作带来不利环境，另一方面，当电机轴向窜动严重时会造成轴承失效，尤其是高速、超高速电机以及恶劣负载条件下，甚至直接导致电机转子脱离，十分危险，因此电机工作状态下电机转子沿轴向方向窜动的监测是十分必要的。针对该问题本发明提出了一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器，当电机主轴出现轴向窜动时，轴向霍尔元件接收到的磁场强度发生改变，但是沿径向方向充磁的永磁体与霍尔解算出的角度值不会因为轴向窜动而变化，通过比对轴向霍尔解算得到的角度值和径向霍尔解算得到的角度值，实现电机转轴的轴向窜动检测，当轴向窜动超出预期范围时，发出报警信息，避免轴向窜动过大导致的工程安全隐患。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器，本发明为解决上述问题所采取的方案为：
一种电机主轴轴向窜动检测方法，本方法应用于一种能够检测电机主轴轴向窜动的编码器；
一种电机主轴轴向窜动检测方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一，解算俩组单对极角度值；
径向单对极霍尔a 1-3、径向单对极霍尔b 1-4接受径向单对极磁钢1-5的磁场信号，转换为角度值模拟信号A+、A-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的径向单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ1，解算公式(1)如下：
Figure BDA0002751534860000021
轴向单对极霍尔a 1-10、轴向单对极霍尔b 1-11接受轴向单对极磁钢1-8的磁场信号，转换为角度值模拟信号B+、B-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的轴向单对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到单对极角度值θ2，解算公式(2)如下：
Figure BDA0002751534860000031
步骤二，以其中径向单对极角度值θ1为制表依据，对轴向单对极角度值θ2进行校正，俩组编码器计算得到角度值的相互获取采用串口双向通讯，保证了角度值计算值信息获取的同步性；
使俩组单对极角度值输出幅值及趋势一致，具体实施如下：
同步输出俩组单对极角度值θ1，θ2，为了使轴向单对极角度值θ2与径向单对极角度值θ1变化趋势一致，将俩组角度值进行比较，得到俩者间角度差值，并将角度值误差θerr存储在单片机的内存中作为补偿表格，当前计算周期角度值补偿误差值θerr(i)可以表示为：
θerr(i)＝θ1(i)-θ2(i) (3)
上式(3)中i为第i个采样点；
最终，经过补偿的轴向编码器单对极角度值输出θ2f(i)可以表示为：
θ2f(i)＝θ2(i)+θerr(i) (4)
此时经过补偿修正，单对极角度值θ1与θ2f角度值，输出趋势一致。
步骤三，依据径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间差值范围判断电机主轴的轴向窜动距离，电机主轴允许的轴向窜动距离范围在1～3mm，在该轴向窜动条件下，径向编码器单对极角度值θ1不受影响，但是轴向编码器单对极角度值θ2f受到影响，在最大允许窜动距离3mm的工况下，此时径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err可以表示为：
θ12err＝θ1-θ2f (5)
当|θ12err|＜ξ时，电机主轴轴向窜动引起的角度值在3mm以内，ξ为在编码器转轴轴向窜动3mm条件下，径向编码器角度值与轴向编码器角度值的偏差，经过实测，当轴向窜动达到3mm条件下，ξ＝635；
当ξ＜＝635时电机主轴认为在合理轴向窜动条件下工作，此时的径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err可以看出此时|θ12err|＜635，电机主轴的轴向窜动在合理范围内工作；
当径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err，|θ12err|＞635时，电机主轴的轴向窜动超出合理范围3mm，此时需要将报警信号发送给主控系统，避免造成工程事故。
本发明的有益效果是：
1.采用轴向霍尔元件对轴向磁钢的磁场强度进行检测，把电机主轴产生轴向窜动时轴向霍尔板与轴向磁钢的距离变化转化成轴向霍尔元件接收到的磁场强度的变化，利用径向磁场强度不受电机转子轴向窜动影响的特性，比较径向霍尔解算角度值与轴向霍尔解算角度偏差范围，实现对电机转子轴向窜动的检测。
2.在轴向充磁磁电编码器结构的基础上，在中间过度轴段增加径向磁电编码器，没有额外增加体积要求，就可以实现编码器的安装使用，使整个系统结构简单，而且节省空间。
3.轴向窜动故障判断方法依据减法计算判断，判断流程简单、迅速，适用于故障情况下的紧急报警。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施及附图作以详细描述。
附图1：本发明结构整体结构示意图；
附图2：本发明编码器结构示意图；
附图3：本发明编码器部分结构拆分示意图；
附图4：本发明中同步输出俩组单对极角度值θ1，θ2图；
附图5：本发明中周期角度值补偿误差值θerr(i)图；
附图6：本发明中经过补偿修正后单对极角度值θ1与θ2f的输出图；
附图7：本发明中ξ＜＝635时电机主轴在合理的轴向窜动条件下的工作情况图；
附图8：本发明中|θ12err|＜635时电机主轴在合理的轴向窜动条件下的工作情况图；
附图9：本发明中|θ12err|＞635时电机主轴的的轴向窜动超出合理范围3mm的工作情况图；
图中：1、磁电编码器，1-1、编码器外壳，1-2、径向编码器信号解算板，1-3、径向单对极霍尔a，1-4、径向单对极霍尔b，1-5、径向单对极磁钢，1-6、轴承内圈，1-7、轴承外圈，1-8、轴向单对极磁钢，1-9、轴向编码器信号解算板，1-10、轴向单对极霍尔a，1-11、轴向单对极霍尔b，2、电机主轴，3、电机，4、固定板，5、弹性支架，6、螺栓a，7、螺栓b。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图中示出的具体实施例来描述本发明。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
以下结合附图进一步说明本发明的具体结构及实施方式。
本发明的结构组成如图1、图2、图3。
所述的一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器，它包括磁电编码器1、电机主轴2、电机3、固定板4、弹性支架5、螺栓a 6、螺栓b 7几个部分，其特征在于：所述的编码器1焊接在弹性支架5上，弹性支架5用螺栓b7紧固在固定板4上，固定板4通过螺栓a 6紧固在电机3上，电机主轴2穿过固定板4与弹性支架5中心的孔使其末端延伸至编码器内部；所述的磁电编码器1由编码器外壳1-1、径向编码器信号解算板1-2、径向单对极霍尔a 1-3、径向单对极霍尔b 1-4、径向单对极磁钢1-5、轴承内圈1-6、轴承外圈1-7、轴向单对极磁钢1-8、轴向编码器信号解算板1-9、轴向单对极霍尔a 1-10、轴向单对极霍尔b 1-11组成，其中轴承内圈1-6采用压入配合在电机主轴2上，径向编码器信号解算板1-2胶接在轴承外圈1-7上，径向单对极霍尔a 1-3和径向单对极霍尔b 1-4采用焊锡焊接在径向编码器信号解算板1-2上，径向单对极磁钢1-5胶接在电机主轴2上，轴向单对极磁钢1-8胶接在电机主轴2上，轴向编码器信号解算板1-9胶接在编码器外壳1-1上，轴向单对极霍尔a 1-10和轴向单对极霍尔b 1-11采用焊锡焊接在轴向编码器信号解算板1-9上；所述的电机主轴2在编码器内的部分采用压入配合的方式与轴承内圈1-6相配合；
如果电机主轴2出现轴向窜动的情况，径向单对极霍尔a 1-3、径向单对极霍尔b1-4与径向单对极磁钢1-5的距离不变，理论上磁场也不会变换，因此径向并不是误差敏感方向；电机的轴向窜动会造成轴向单对极磁钢1-8与轴向单对极霍尔a 1-10、轴向单对极霍尔b 1-11间的距离发生变化，从而霍尔元件检测到的磁场强度发生变化，由此来检测电机主轴的轴向窜动。
综上，实现电机主轴轴向窜动的检测。
一种电机主轴轴向窜动检测方法，本方法应用于一种能够检测电机主轴轴向窜动的编码器；
一种电机主轴轴向窜动检测方法，所述方法的具体实现过程为：
步骤一，解算俩组单对极角度值；
径向单对极霍尔a 1-3、径向单对极霍尔b 1-4接受径向单对极磁钢1-5的磁场信号，转换为角度值模拟信号A+、A-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的径向单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ1，解算公式(1)如下：
Figure BDA0002751534860000071
轴向单对极霍尔a 1-10、轴向单对极霍尔b 1-11接受轴向单对极磁钢1-8的磁场信号，转换为角度值模拟信号B+、B-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的轴向单对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到单对极角度值θ2，解算公式(2)如下：
Figure BDA0002751534860000081
步骤二，以其中径向单对极角度值θ1为制表依据，对轴向单对极角度值θ2进行校正，俩组编码器计算得到角度值的相互获取采用串口双向通讯，保证了角度值计算值信息获取的同步性；
使俩组单对极角度值输出幅值及趋势一致，具体实施如下：
同步输出俩组单对极角度值θ1，θ2，如图4所示：
为了使轴向单对极角度值θ2与径向单对极角度值θ1变化趋势一致，将俩组角度值进行比较，得到俩者间角度差值，并将角度值误差θerr存储在单片机的内存中作为补偿表格，当前计算周期角度值补偿误差值θerr(i)可以表示为，如图5所示；
其中可得：
θerr(i)＝θ1(i)-θ2(i) (3)
上式(3)中i为第i个采样点；
最终，经过补偿的轴向编码器单对极角度值输出θ2f(i)可以表示为：
θ2f(i)＝θ2(i)+θerr(i) (4)
此时经过补偿修正，单对极角度值θ1与θ2f角度值，输出趋势一致，如图6所示；
步骤三，依据径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间差值范围判断电机主轴的轴向窜动距离，电机主轴允许的轴向窜动距离范围在1～3mm，在该轴向窜动条件下，径向编码器单对极角度值θ1不受影响，但是轴向编码器单对极角度值θ2f受到影响，在最大允许窜动距离3mm的工况下，此时径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err可以表示为：
θ12err＝θ1-θ2f (5)
当|θ12err|＜ξ时，电机主轴轴向窜动引起的角度值在3mm以内，ξ为在编码器转轴轴向窜动3mm条件下，径向编码器角度值与轴向编码器角度值的偏差，经过实测，当轴向窜动达到3mm条件下，ξ＝635；
当ξ＜＝635时电机主轴认为在合理轴向窜动条件下工作，如图7所示；
此时的径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err如图8所示，可以看出此时|θ12err|＜635，电机主轴的轴向窜动在合理范围内工作；
当径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err，|θ12err|＞635时，如图9所示，电机主轴的轴向窜动超出合理范围3mm，此时需要将报警信号发送给主控系统，避免造成工程事故。
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。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (1)

1.一种电机主轴轴向窜动检测的磁电编码器，它包括磁电编码器(1)、电机主轴(2)、电机(3)、固定板(4)、弹性支架(5)、螺栓a(6)、螺栓b(7)几个部分；其特征在于：所述的编码器(1)焊接在弹性支架(5)上，弹性支架(5)用螺栓b(7)紧固在固定板(4)上，固定板(4)通过螺栓a(6)紧固在电机(3)上，电机主轴(2)穿过固定板(4)与弹性支架(5)中心的孔使其末端延伸至编码器内部；所述的磁电编码器(1)由编码器外壳(1-1)、径向编码器信号解算板(1-2)、径向单对极霍尔a(1-3)、径向单对极霍尔b(1-4)、径向单对极磁钢(1-5)、轴承内圈(1-6)、轴承外圈(1-7)、轴向单对极磁钢(1-8)、轴向编码器信号解算板(1-9)、轴向单对极霍尔a(1-10)、轴向单对极霍尔b(1-11)组成，其中轴承内圈(1-6)采用压入配合在电机主轴(2)上，径向编码器信号解算板(1-2)胶接在轴承外圈(1-7)上，径向单对极霍尔a(1-3)和径向单对极霍尔b(1-4)采用焊锡焊接在径向编码器信号解算板(1-2)上，径向单对极磁钢(1-5)胶接在电机主轴(2)上，轴向单对极磁钢(1-8)胶接在电机主轴(2)上，轴向编码器信号解算板(1-9)胶接在编码器外壳(1-1)上，轴向单对极霍尔a(1-10)和轴向单对极霍尔b(1-11)采用焊锡焊接在轴向编码器信号解算板(1-9)上；所述的电机主轴(2)在编码器内的部分采用压入配合的方式与轴承内圈(1-6)相配合；
其特征在于：所述方法的具体实施过程为：
步骤一，解算俩组单对极角度值；
径向单对极霍尔a 1-3、径向单对极霍尔b 1-4接受径向单对极磁钢1-5的磁场信号，转换为角度值模拟信号A+、A-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HA+、HA-，再对得到的径向单对极角度值数字信号HA+、HA-进行解算，得到单对极角度值θ1，解算公式(1)如下：
Figure FDA0002751534850000021
轴向单对极霍尔a 1-10、轴向单对极霍尔b 1-11接受轴向单对极磁钢1-8的磁场信号，转换为角度值模拟信号B+、B-，模拟信号通过单片机内的模数转换模块得到角度值数字信号HB+、HB-，再对得到的轴向单对极角度值数字信号HB+、HB-进行解算，得到单对极角度值θ2，解算公式(2)如下：
Figure FDA0002751534850000022
步骤二，以其中径向单对极角度值θ1为制表依据，对轴向单对极角度值θ2进行校正，俩组编码器计算得到角度值的相互获取采用串口双向通讯，保证了角度值计算值信息获取的同步性；
使俩组单对极角度值输出幅值及趋势一致，具体实施如下：
同步输出俩组单对极角度值θ1，θ2，为了使轴向单对极角度值θ2与径向单对极角度值θ1变化趋势一致，将俩组角度值进行比较，得到俩者间角度差值，并将角度值误差θerr存储在单片机的内存中作为补偿表格，当前计算周期角度值补偿误差值θerr(i)可以表示为：
θerr(i)＝θ1(i)-θ2(i) (3)
上式(3)中i为第i个采样点；
最终，经过补偿的轴向编码器单对极角度值输出θ2f(i)可以表示为：
θ2f(i)＝θ2(i)+θerr(i) (4)
此时经过补偿修正，单对极角度值θ1与θ2f角度值，输出趋势一致；
步骤三，依据径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间差值范围判断电机主轴的轴向窜动距离，电机主轴允许的轴向窜动距离范围在1～3mm，在该轴向窜动条件下，径向编码器单对极角度值θ1不受影响，但是轴向编码器单对极角度值θ2f受到影响，在最大允许窜动距离3mm的工况下，此时径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err可以表示为：
θ12err＝θ1-θ2f (5)
当|θ12err|＜ξ时，电机主轴轴向窜动引起的角度值在3mm以内，ξ为在编码器转轴轴向窜动3mm条件下，径向编码器角度值与轴向编码器角度值的偏差，经过实测，当轴向窜动达到3mm条件下，ξ＝635；
当ξ＜＝635时电机主轴认为在合理轴向窜动条件下工作，此时的径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err可以看出此时|θ12err|＜635，电机主轴的轴向窜动在合理范围内工作；
当径向编码器单对极角度值θ1与轴向编码器单对极角度值θ2f间的角度值偏差θ12err，|θ12err|＞635时，电机主轴的轴向窜动超出合理范围3mm，此时需要将报警信号发送给主控系统，避免造成工程事故。
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