CN112510927A - 一种电感式编码器组件和电机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电感式编码器组件和电机控制器，包括相对转子固定设置的PCB板，与PCB板固定连接的发射线圈，与PCB板固定连接且交错设置的第一接收线圈和第二接收线圈，与转子同步转动的转盘，转盘由导电材料构成，设置于PCB板的数据处理电路，数据处理电路被配置成：控制发射线圈发射高频信号，从第一线圈和第二线圈分别接收感应高频信号产生的第一感应电压信号和第二感应电压信号，其中第一感应电压信号和第二感应电压信号受转动的转盘的间歇遮挡而变化，根据第一感应电压信号和第二感应电压信号计算以确定转子的位置。本发明具有成本低、整体结构小、安装形式多样、对环境要求低以及稳定性高等优势。

Description

一种电感式编码器组件和电机控制器

技术领域

本发明涉及感应供电技术领域，更具体地说，涉及一种电感式编码器组件和电机控制器。

背景技术

现有的技术中主要为低成本高稳定性的电感式编码器电路。通过LC谐振回路发射电磁波，同时采用PCB板上的线圈进行电磁波接收。利用固定尺寸的金属块进行电磁波的屏蔽，从而改变线圈接收的电磁波的量级，确定金属块相对位置，进而确认电机的中轴的实际位置。

现有技术以光电式编码器、磁编码器和旋转变压器为主。采用光电式编码器具有采样精度高等优势，但存在对安装环境要求高，且价格不便宜等不足；采用磁编码器也同样具有采样精度高等优势，但也同样对安装环境要求较高，且价格相对不便宜等问题；采用旋转变压器具有采样精度取决于算法解析能力，对环境要求低，价格便宜等优势，但也存在整体结构体积较大，安装形式单一等问题。

因此，针对上述缺陷，亟需研发出能够降低对使用环境的要求，减少成本与整机结构体积大小，安装形式更加多样以及适应性更强的编码器结构。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出了一种电感式编码器组件，用于检测电机的转子的位置，包括：

相对转子固定设置的PCB板；

与PCB板固定连接的发射线圈；

与PCB板固定连接且交错设置的第一接收线圈和第二接收线圈；

与转子同步转动的转盘，转盘由导电材料构成；

设置于PCB板的数据处理电路，发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈分别与数据处理电路电连接，

数据处理电路被配置成：

控制发射线圈发射高频信号；

从第一线圈和第二线圈分别接收感应高频信号产生的第一感应电压信号和第二感应电压信号，其中第一感应电压信号和第二感应电压信号受

转动的转盘的间歇遮挡而变化；

根据第一感应电压信号和第二感应电压信号计算以确定转子的位置。

在一些实施例中，数据处理电路包括检测芯片和数据处理器；

检测芯片分别与发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈分别与数据处理电路电连接，检测芯片的输出端与数据处理器电连接；

检测芯片根据第一感应电压信号和第二感应电压信号输出差分的正弦信号和余弦信号，数据处理器对正弦信号和余弦信号进行计算以确定转子的位置。

在一些实施例中，发射线圈包括分布于PCB板异侧的第一发射线圈和第二发射线圈；第一接收线圈和第二接收线圈分布于PCB板异侧。

在一些实施例中，第一发射线圈、第二发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈以及转盘均位于同一中心线上，且第一发射线圈与第二发射线圈结构相同且在PCB板上呈圆形，第一接收线圈与第二接收线圈结构相同且在PCB板上呈“五角星”形。

在一些实施例中，PCB板包括线圈安装部和处理电路安装部，线圈安装部与处理电路安装部连接，数据处理电路设于处理电路安装部上，第一发射线圈、第二发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈均设置在线圈安装部上，线圈安装部的中心设于中心线上。

在一些实施例中，数据处理器为独立的AD转换芯片和通用处理器的组合；或者数据处理器为内置AD转换模块的处理器。

在一些实施例中，转盘沿中心线的周向布置有一个旋转叶片，旋转叶片呈弧形结构，转盘用于固定外套在驱动转轴上，线圈安装部设于驱动转轴上远离电机的一端的侧部，驱动转轴的轴线与中心线重合。

在一些实施例中，转盘沿中心线的周向均匀布置至少两个旋转叶片，转盘用于固定外套在驱动转轴上，绕驱动转轴轴线的周向设有至少线圈安装部的部分，且驱动转轴的轴线与中心线重合。

在一些实施例中，线圈安装部呈扇形结构设置。

本发明还提出了一种电机控制器，电机控制器设置有上述的电感式编码器组件。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1是根据本发明实施例的电感式编码器组件的结构示意图；

图2是本发明的检测芯片的一种电路示意图。

图3是本发明的数据处理器的一种电路示意图。

图4是本发明的数据处理器的另一种电路示意图。

图5是本发明的数据处理器的另一种电路示意图。

图6是本发明的转盘与PCB板的结构示意图。

图7是本发明的电感式编码器组件与驱动转轴的安装结构示意图。

附图标记：

PCB板1，线圈安装部11，处理电路安装部12，

第一发射线圈2，

第二发射线圈3，

第一接收线圈4，

第二接收线圈5，

转盘6，

中心线7，

电机8，驱动转轴81。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明的，而不能理解为对本发明的限制。

下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的可应用于性和/或其他材料的使用。

下面参考图1至图7描述根据本发明实施例的一种电感式编码器组件。

如图1和图7所示所示，该电感式编码器组件，用于检测电机8的装置的位置，也即驱动转轴81的实际位置，包括：相对所述转子固定设置的PCB板1，与所述PCB板1固定连接的发射线圈，与所述PCB板1固定连接且交错设置的第一接收线圈4和第二接收线圈5，与所述转子同步转动的转盘6，所述转盘6由导电材料构成，设置于所述PCB板1的数据处理电路，所述发射线圈、所述第一接收线圈4和所述第二接收线圈5分别与所述数据处理电路电连接，所述数据处理电路被配置成：控制所述发射线圈发射高频信号；从所述第一线圈和第二线圈分别接收感应所述高频信号产生的第一感应电压信号和第二感应电压信号，其中所述第一感应电压信号和第二感应电压信号受所述转动的转盘6的间歇遮挡而变化；根据所述第一感应电压信号和第二感应电压信号计算以确定所述转子的位置。其中PCB板1、发射线圈、第一接收线圈4和第二接收线圈5相对装置固定不动，可固定于电机8的定子或者壳体上，转盘6为金属材料制成如铝制材料，转盘6可固定在转子上以与转子同步转动。其中发射线圈、第一接收线圈4和第二接收线圈5以及PCB板1上的电路组成LC谐振电路，在发射线圈发射高频信号时，由于被转动的金属转盘6间歇遮挡，使得第一接收线圈4和第二接收线圈5的电磁场的磁通量发生规律的变化，进而使得这两个接收线圈收到的感应电压信号产生周期性的变化，并且第一接收线圈4和第二接收线圈5错开设置，使得第一接收线圈4和第二接收线圈5接收到的第一感应电压信号和第二感应电压信号在相位上相差固定的角度，根据这些第一感应电压信号和第二感应电压信号的这些变化数据，通过数据处理电路上的处理器的计算，即可计算输出电机8转子的位置信息如转速、当前转子的位置等，以方便对电机8的运行进行控制。

本发明实施例的电感式编码器组件采用LC谐振原理，通过发射线圈发射高频信号，并被与转子同步转动的转盘6的间歇遮挡，从而在第一接收线圈4和第二接收线圈5上产生变化的第一感应电压信号和第二感应电压信号，且由于第一接收线圈4和第二接收线圈5位置错开，使得第一感应电压信号和第二感应电压信号的相位相差固定角度，从而根据这些变化的第一感应电压信号和第二感应电压信号，计算出电机8转子的位置信息，方便对电机8的运行控制。相比现有技术采用光电式编码器、磁编码器和旋转变压器作为电机8位置的检测装置，具有成本低、整体结构小、安装形式多样、对环境要求低以及稳定性高等优势。

在本发明的一些实施例中，所述数据处理电路包括检测芯片和数据处理器；所述检测芯片分别与所述发射线圈、所述第一接收线圈4和所述第二接收线圈5分别与所述数据处理电路电连接，所述检测芯片的输出端与所述数据处理器电连接；所述检测芯片根据所述第一感应电压信号和第二感应电压信号输出差分的正弦信号和余弦信号，所述数据处理器对所述正弦信号和余弦信号进行计算以确定所述转子的位置。通过检测芯片控制发射线圈发射固定频率的高频信号，其产生的电磁场被转动的转盘6周期性的遮挡收到影响，以此使得第一接收线圈4和第二接收线圈5产生的感应电压信号产生变化，通过控制发射的高频信号大小，使得第一感应电压信号和第二感应电压信号呈现正弦或者余弦的周期性变化，并通过将这两个接收线圈交错设置，二者不重叠，以此使得二者的相位相差固定的角度。从而通过计算接收到的正弦信号和余弦信号的变化规律可推算出装置的位置信息。

在本发明的一些实施例中，所述发射线圈包括分布于所述PCB板1异侧(即正反两面)的第一发射线圈2和第二发射线圈3；所述第一接收线圈4和第二接收线圈5分布于所述PCB板异侧。具体来说，第一接收线圈4通过蚀刻工艺设于该PCB板1的上表面或下表面，而第二接收线圈5通过蚀刻工艺设于该PCB板1上对应的下表面或上表面，使得第一接收线圈4和第二接收线圈5不位于PCB板1的同侧即可，第一发射线圈2采用相同的蚀刻工艺设于PCB板1的上表面或下表面，第二发射线圈3采用相同的蚀刻工艺设于PCB板1的下表面或上表面，使得第一发射线圈2和第二发射线圈3不位于PCB板1的同侧即可，第一接收线圈4位于第一发射线圈2与PCB板1之间以及第二接收线圈5位于第二发射线圈3与PCB板1之间，或者第一接收线圈4位于第二发射线圈3与PCB板1之间以及第二接收线圈5位于第一发射线圈2和PCB板1之间。这样设置有助于第一接收线圈4和第二接收线圈5接收到第一发射线圈2和第二发射线圈3发送的高频信号而产生较强的感应电压信号。

作为一种优选实施方式，如图1所示，本发明实施例通过第一发射线圈2、第二发射线圈3、第一接收线圈4、第二接收线圈5以及转盘6的中心均位于同一中心线7上，且第一发射线圈2与第二发射线圈3结构相同且在PCB板1上呈圆形，第一接收线圈4与第二接收线圈5结构相同且在PCB板1上呈“五角星”形，该第一接收线圈4与第二接收线圈5在PCB板1上呈“五角星”图样布置即第一接收线圈4上的“五角星”结构的每个角与第二接收线圈5上的“五角星”结构的每个角相互错开，用于第一接收线圈4与第二接收线圈5之间可以将围绕在PCB板1周围的整个磁场划分成强磁场区与弱磁场区，便于后续产生不同大小的电流，第一发射线圈2与第二发射线圈3在PCB板1上呈圆形结构布置。通过将第一发射线圈2、第二发射线圈3、第一接收线圈4、第二接收线圈5以及转盘6采用同心设置，用于保证各线圈在形成的磁场区域内不产生干涉，便于保障检测精度。

作为一种优选实施方式，如图1所示，本发明实施例中，PCB板1包括线圈安装部11和处理电路安装部12，线圈安装部11与处理电路安装部12连接，数据处理电路设于处理电路安装部12上，第一发射线圈2、第二发射线圈3、第一接收线圈4以及第二接收线圈5均设置在线圈安装部11上，线圈安装部11的中心设于中心线7上。

作为一种优选实施方式，如图1所示，数据处理电路包括检测芯片13和数据处理器；检测芯片13分别与第一发射线圈2和第二发射线圈3电连接，用于向第一发射线圈2和第二发射线圈3输入输出高频信号；检测芯片13还分别与第一接收线圈4与第二接收线圈5电连接，用于接收第一接收线圈4和第二接收线圈5输出的所述输入高频信号；数据处理器根据输出高频信号与输入高频信号计算出解调后的正弦/余弦信号，检测芯片13用于向外部输出正弦/余弦信号。

在本发明的一些实施例中，如图2和图3所示，检测芯片13采用瑞萨电子的IPS2200，数据处理器采用20bit delta-sigma ADC的MCU。

在本发明的一些实施例中，如图4所示，数据处理器采用由外置Delta-sigma芯片与通用型MCU的组合。

在本发明的一些实施例中，如图5所示，数据处理器采用12bit SAR ADC与集成有DSP功能的MCU的组合。通过SAR ADC对差分输出的正弦/余弦信号进行采集和利用MCU的DSP的高速数据运算，实现高精度的数据解析。

在本发明的一些实施例中，如图6和图7所示，转盘6沿中心线7的周向布置有一个旋转叶片61，旋转叶片61呈弧形结构，转盘6用于固定外套在驱动转轴81上，线圈安装部11设于驱动转轴81上远离电机8的一端的侧部，驱动转轴8的轴线与中心线7重合。

在本发明的一些实施例中，如图6和图7所示，转盘6沿中心线7的周向均匀布置至少两个旋转叶片61，转盘6用于固定外套在驱动转轴81上，绕驱动转轴81轴线的周向设有至少线圈安装部11的部分，且驱动转轴8的轴线与中心线7重合。

在本发明的一些实施例中，如图7所示，线圈安装部11呈扇形结构设置。如图7中最右边的示意图所示，相比图7中中间的示意图，将线圈安装部采用扇形结构，绕驱动转轴轴线的周向布置，使得PCB板1的体积进一步减小，成本进一步降低，更易于在该PCB板上进行电子元器件的集成和维修。

本发明还提出一种电机控制器，电机控制器设置有上述实施例提到的电感式编码器组件。相对现有技术的电机控制器的检测位置的方式，本发明的电机控制器具有成本低、体积小且检测稳定性高的优势。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种电感式编码器组件，用于检测电机的转子的位置，其特征在于，包括：

相对所述转子固定设置的PCB板；

与所述PCB板固定连接的发射线圈；

与所述PCB板固定连接且交错设置的第一接收线圈和第二接收线圈；

与所述转子同步转动的转盘，所述转盘由导电材料构成；

设置于所述PCB板的数据处理电路，所述发射线圈、所述第一接收线圈和所述第二接收线圈分别与所述数据处理电路电连接，

所述数据处理电路被配置成：

控制所述发射线圈发射高频信号；

从所述第一线圈和第二线圈分别接收感应所述高频信号产生的第一感应电压信号和第二感应电压信号，其中所述第一感应电压信号和第二感应电压信号受所述转动的转盘的间歇遮挡而变化；

根据所述第一感应电压信号和第二感应电压信号计算以确定所述转子的位置。

2.根据权利要求1所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述数据处理电路包括检测芯片和数据处理器；

所述检测芯片分别与所述发射线圈、所述第一接收线圈和所述第二接收线圈分别与所述数据处理电路电连接，所述检测芯片的输出端与所述数据处理器电连接；

所述检测芯片根据所述第一感应电压信号和第二感应电压信号输出差分的正弦信号和余弦信号，所述数据处理器对所述正弦信号和余弦信号进行计算以确定所述转子的位置。

3.根据权利要求1所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述发射线圈包括分布于所述PCB板异侧的第一发射线圈和第二发射线圈；所述第一接收线圈和第二接收线圈分布于所述PCB板异侧。

4.根据权利要求3所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述第一发射线圈、第二发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈以及所述转盘均位于同一中心线上，且所述第一发射线圈与所述第二发射线圈结构相同且在所述PCB板上呈圆形，所述第一接收线圈与所述第二接收线圈结构相同且在所述PCB板上呈“五角星”形。

5.根据权利要求4所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述PCB板包括线圈安装部和处理电路安装部，所述线圈安装部与所述处理电路安装部连接，所述数据处理电路设于所述处理电路安装部上，所述第一发射线圈、所述第二发射线圈、第一接收线圈和第二接收线圈均设置在所述线圈安装部上，所述线圈安装部的中心设于所述中心线上。

6.根据权利要求2所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述数据处理器为独立的AD转换芯片和通用处理器的组合；或者所述数据处理器为内置AD转换模块的处理器。

7.根据权利要求5所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述转盘沿所述中心线的周向布置有一个旋转叶片，所述旋转叶片呈弧形结构，所述转盘用于固定外套在所述驱动转轴上，所述线圈安装部设于所述驱动转轴上远离电机的一端的侧部，所述驱动转轴的轴线与所述中心线重合。

8.根据权利要求5所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述转盘沿所述中心线的周向均匀布置至少两个旋转叶片，所述转盘用于固定外套在所述驱动转轴上，绕所述驱动转轴轴线的周向设有至少所述线圈安装部的部分，且所述驱动转轴的轴线与所述中心线重合。

9.根据权利要求8所述的电感式编码器组件，其特征在于，所述线圈安装部呈扇形结构设置。

10.一种电机控制器，其特征在于，所述电机控制器设置有如权利要求1至9任意一项所述的电感式编码器组件。

Images