CN112534692A - 具有内部编码器单元的马达 - Google Patents

Abstract

一种马达和一种操作马达的方法使用编码器盘和编码器读取器，所述编码器盘附接到所述马达的转子，所述编码器读取器定位成光学获得所述转子的旋转信息。所述编码器盘和所述编码器读取器位于所述马达的定子的内部区域内，所述转子定位在所述内部区域中以旋转。

Description

具有内部编码器单元的马达

相关申请的交叉引用

本申请要求2018年6月21日提交的美国临时专利申请序列号62/688,342的权益，其通过引用并入本文。

背景技术

步进马达是低成本且易于使用的马达，其通常用于低性能的运动控制应用，诸如三维(3D)打印机、单缸泵和业余爱好机器人中。步进马达成本低的主要原因是，与高端无刷伺服马达相比，这些马达具有更少数量的磁体，并且使用了低成本且高量友好型的层压金属板材。

与具有类似尺寸的其他类型的马达，诸如直流(DC)马达或无刷DC(BLDC)马达相比，步进马达具有高极数(两相步进马达有50极)并且在低速下产生高扭矩。在高速下，步进马达的扭矩显著下降，并且因此不可用于这种应用中。对于低速至中速应用而言，步进马达在成本和性能方面是理想的。

通常，使用低成本的开环步进马达驱动器以开环模式控制步进马达。开环控制的主要缺点是没有反馈，并且因此马达必须以大电流运行以确保位置控制，这通常会导致步进马达的过热。另外地，当以开环运行步进马达时，无法保证位置的精度。此外，更高的噪声也与以开环和高恒定电流运行步进马达相关联。

为了解决这些问题，最近的努力是通过将编码器单元附接到步进马达而使步进马达像闭环伺服马达一样运行。通过将编码器附接到步进马达并且以闭环运行，实现了下列特征：更准确的位置控制、更冷且更有效的运行以及更安静的操作。

即使具有编码器单元，由于这种步进马达的制造成本显著降低的事实，步进马达仍比BLDC马达更加便宜。然而，通过添加编码器单元，大幅降低了步进马达的成本优势。另外，在步进马达上添加编码器单元增加了马达的总体尺寸。

发明内容

一种马达和一种操作马达的方法使用编码器盘和编码器读取器，所述编码器盘附接到马达的转子，所述编码器读取器定位成光学获得转子的旋转信息。编码器盘和编码器读取器位于马达的定子的内部区域内，转子定位在该内部区域中以旋转。

根据本发明的一个实施例的一种马达包括具有内部区域的定子；转子组件，所述转子组件具有连接到轴的转子，转子定位在定子的内部区域内；附接到转子的编码器盘，编码器盘定位在定子的内部区域内；以及编码器读取器，编码器读取器定位在定子的面向编码器盘的内部区域内，以光学获得转子的旋转信息。

根据本发明的一个实施例的一种操作马达的方法包括向马达施加驱动信号以驱动马达的转子以在定子的内部区域内旋转；从编码器读取器向附接到转子的编码器盘发射光，编码器盘和编码器读取器定位在定子的内部区域内；以及当转子旋转时，在编码器读取器处接收来自编码器盘的光，其中接收到的光用于获得转子的旋转信息。

通过以下结合附图的详细描述，本发明的其他方面和优点将变得显而易见，所述附图以本发明原理的示例的方式示出。

附图说明

图1A和图1B示出了根据现有技术的具有透射型编码器的步进马达；

图2示出了根据现有技术的具有反射型编码器的步进马达；

图3A和图3B为根据本发明的实施例的具有内部编码器的步进马达的立体图；

图4示出了拆装的图3A和图3B的步进马达；

图5示出了根据本发明的实施例的图3A和图3B的步进马达的反射式编码器盘；

图6A和图6B示出了根据本发明的实施例的具有附接到转子组件的转子的反射式编码器盘的图3A和图3B的步进马达的转子组件；

图7示出了不具有反射式编码器盘的图3A和图3B的步进马达的转子组件；

图8A示出了根据本发明的实施例的具有图3A和图3B的步进马达的编码器读取器的印刷电路板(PCB)；

图8B示出了根据本发明的实施例的附接到图3A和图3B的步进马达的后盖的图8A的PCB；

图9示出了不具有定子的图3A和图3B的步进马达；

图10为示出在定子的内部区域内的反射式编码器盘和编码器读取器的图3A和图3B的步进马达的图；

图11为根据本发明的实施例的操作马达的方法的过程流程图。

具体实施方式

如上所述，当前具有编码器的步进马达的制造成本相对较高，并且马达的整体尺寸显著增加。步进马达中使用的编码器是透射型编码器或反射型编码器。

图1A和图1B示出了具有透射型编码器的常规步进马达100。图1A是步进马达100的简图，而图1B则是步进马达100的更现实的图示。如图1A和图1B中所示，步进马达100包括编码器盘102，其附接到在主马达组件106外部的马达后部的马达的旋转轴104，该主马达组件106容纳马达的定子和转子(未示出)。另外，步进马达100包括编码器读取器108，其使用光发射器和光接收器(未示出)以使来自光发射器的光通过编码器盘102传输到达光接收器。在编码器读取器108的光接收器处接收到的光提供了关于编码器盘102的旋转运动的信息，其关于速度和位置与轴104的旋转相匹配。如图1B中所示，编码器盘102和编码器读取器108可以由在主马达组件106外部的罩子110包围。

图2示出了具有反射型编码器的常规步进马达200。图2是步进马达200的简图。如图2所示，步进马达200包括反射式编码器盘202，其附接到在主马达组件206外部的马达后部的马达的旋转轴204，该主马达组件206容纳定子和转子(未示出)。另外，步进马达200包括编码器读取器208，其使用光发射器212和光接收器214，光发射器212和光接收器214被定位成面向反射式编码器盘202的同一侧。因此，光接收器214用于从发光器212接收从反射式编码器盘202反射的光。再次地，在光接收器214接收到的光提供了关于编码器盘202的旋转运动的信息，其关于速度和位置与轴204的旋转相匹配。如图2中所示，编码器盘202和附接到印刷电路板(未示出)的编码器读取器208可以由在主马达组件206外部的罩子(未示出)包围。

如这些图中所示，具有任一类型的编码器的步进马达包括编码器组件，其位于主马达组件的外部。因此，所添加的编码器增加了步进马达的整体尺寸。此外，这些编码器组件和其他部件(例如罩子)会增加步进马达的总体制造成本。

参考图3A和图3B，描述了根据本发明的实施例的一种具有内部编码器的步进马达300。图3A和图3B为步进马达300的不同立体图。如图3A和图3B中所示，步进马达300不包括在主马达组件306外部的任何编码器组件。步进马达300被示为具有步进马达驱动线330和从主马达组件306出来的编码器信号线332。驱动线330和编码器信号线332可以从马达盖的一侧或马达盖的后部出来。如下面所解释的，步进马达300的编码器或编码器单元与主马达组件306内的马达相集成。因此，步进马达300的整体尺寸不会因为编码器单元增加。事实上，步进马达300的整体尺寸可以与不具有编码器单元的步进马达相同。

现在转向图4，步进马达300被描绘成拆装的以示出步进马达的各种常规组件。如图4所示，步进马达300包括前盖312、带有驱动绕组315的定子314、后盖318和转子组件320。在图4中未描绘步进马达200的编码器单元的组件。

如图4中所示，转子组件320包括具有齿的磁化转子322、前轴承324和后轴承326，它们连接到轴304。当组装时，转子组件320定位在定子314的内部区域328内，其中前盖312和后盖318附接到定子的前端和后端，这将转子322包围在定子的内部区域内，从而形成主马达组件306。定子314被示为带有从绕组315出来的马达驱动线330。这些线用于将驱动信号施加到绕组315，以在操作期间使转子322旋转，这将使轴304旋转。

如下所述，步进马达300的编码器单元的组件位于主马达组件306内，即，在定子314的内部区域328内。编码器单元的组件中的一个是反射式编码器盘302，其在图5中示出。反射式编码器盘可以是增量编码器盘和/或绝对编码器盘。如图6A和图6B所示，反射式编码器盘302附接到步进马达300的转子322。特别地，反射式编码器盘302安装在转子322的面向后轴承326的平坦表面上。在图7中更清楚地示出了其上安装有反射式编码器盘302的转子322的该平坦表面700，其示出了不具有反射式编码器盘的转子的面向后轴承的平坦表面。

如图8A中所示，根据本发明的一个实施例，步进马达300的编码器单元的另一个组件是编码器读取器308，其安装在印刷电路板(PCB)316上。编码器读取器308包括光发射器812，例如，发光二极管(LED)以及封装为半导体芯片的光接收器814，诸如光电检测器。类似于用于反射型编码器单元的编码器读取器，编码器读取器308的光发射器812被设计为在反射式编码器盘302处发射光，而光接收器814则被设计为接收从反射式编码器盘反射的所发射的光，以光学获得步进马达300的旋转信息，诸如位置和/或速度。因此，编码器读取器308需要被放置为面向反射式编码器盘302的同一侧。

如图8B所示，具有编码器读取器308的PCB 316安装在后盖318的内部上，使得编码器读取器背离后盖。因此，当后盖318附接到定子314时，PCB 316定位在附接到转子322的反射式编码器盘302和在主马达组件306的内部的后盖之间。因此，编码器读取器308定位在定子314的内部区域328内。另外，编码器读取器308定位成面向反射式编码器盘302。在图9中示出了PCB316的位置，其示出了在没有定子314情况下组装的步进马达300。如图9所示，PCB316附接到后盖318，使得PCB位于主马达组件306内并且位于安装在转子322上的反射式编码器盘302和后盖318之间。

图10为根据本发明的实施例的组装的步进马达300的图。如图10所示，示出了定子314的内部区域328，其由前盖312和后盖318包围。转子322定位在定子314的内部区域328内。因此，附接到转子322的反射式编码器盘302也定位在定子314的内部区域328内。另外，安装在PCB 316上的编码器读取器308也定位在定子314的内部区域328内。因此，用于步进马达300的编码器单元的所有组件位于定子314的内部区域328内，该内部区域328可以被视为主马达组件306的内部区域。因此，与具有在其主马达组件外部的编码器组件的具有编码器单元的常规步进马达，诸如步进马达100和200不同的是，步进马达300具有在主马达组件306内部的所有编码器组件。因此，步进马达300明显小于那些具有外部编码器单元的常规步进马达。此外，步进马达300不需要用于外部编码器单元的罩子或其他组件，这降低了步进马达的整体制造成本。

在图10中，步进马达300被示为具有用于定子314的绕组315的线330。如上面所解释的，这些线330用于向绕组315提供驱动信号，以驱动磁转子322以期望的方式旋转。在图10中，步进马达300也被示为具有连接到编码器读取器308的附加线332。这些线332用于控制编码器读取器308的光发射器812以发射光并且响应在光接收器处所接收到的光来传输来自光接收器814的信号，该信号包括关于反射式编码器盘302的位置信息。

参考图11的过程流程图描述了根据本发明的实施例的操作马达，诸如步进马达300的方法。在框1102处，向马达施加驱动信号以驱动马达的转子以在定子的内部区域内旋转。在框1104处，光从编码器读取器发射到附接到转子的编码器盘。编码器盘和编码器读取器定位在定子的内部区域内。在框1106处，当转子旋转时，在编码器读取器处接收来自编码器盘的光，其中所接收到的光用于获得转子的旋转信息。

尽管已将根据本发明的实施例的马达描述和示为步进马达，但是所描述的将编码器放置在马达，即主马达组件内部的技术也可以适用于其他类型的马达。

如本文件中大概描述且在附图中示出的实施例的组件可以以多种不同的配置来布置和设计。因此，如附图所示，下面对各种实施例的更详细的描述并非旨在限制本发明的范围，而仅仅是各种实施例的代表。尽管在附图中示出了实施例的各个方面，但是除非特别指出，否则附图不必按比例绘制。

在不脱离其精神或基本特性的情况下，本发明可以以其他特定形式具体实施。所描述的实施例在所有方面仅应被认为是说明性的而非限制性的。因此，本发明的范围由所附权利要求而不是由该详细说明书表明。凡是在权利要求的含义和等同范围内进行的改变，都应包含在权利要求的范围内。

在整个说明书中对特征、优点或类似语言的提及并不意味着可以用本发明实现的所有特征和优点应该是本发明的任何单个实施例或在本发明的任何单个实施例内。而是，提及特征和优点的语言要理解为表示结合实施例描述的特定特征、优点或特性包括在本发明的至少一个实施例内。因此，在整个说明书对特征和优点以及类似语言的讨论可以但不一定指代相同的实施例。

此外，本发明的所述特征、优点和特性可以在一个或多个实施例中以任何合适的方式进行组合。根据本文的描述，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有特定实施例的特定特征或优点中的一个或多个的情况下实践本发明。在其他情况下，可以在某些实施例中认识到附加的特征和优点，这些特征和优点可能不存在于本发明的所有实施例中。

在整个说明书中对“一个实施例”、“实施例”或类似的语言的提及表示结合所示实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，整个说明书中的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”以及类似的语言可以但不一定都指代相同的实施例。

尽管以特定顺序示出和描述了本文中的方法的操作，但是可以改变每种方法的操作顺序，使得可以以相反的顺序执行某些操作，或者使得可以至少部分地与其他操作同时地执行某些操作。在另一个实施例中，不同操作的指令或子操作可以以间歇和/或交替的方式实施。

还应当注意，可以使用存储在计算机可用存储介质上以由计算机执行的软件指令来实施用于方法的操作中的至少一些。作为一个示例，计算机程序产品的实施例包括用于存储计算机可读程序的计算机可用存储介质，当在计算机上执行时，计算机可读程序使计算机执行操作，如本文所述。

此外，本发明的至少部分的实施例可以采取可从计算机可用或计算机可读介质访问的计算机程序产品的形式，该计算机可用或计算机可读介质提供了程序代码以由计算机或任何指令执行系统使用或与其相结合地使用。为了本描述的目的，计算机可用或计算机可读介质可以是可以包含、存储、通信、传播或传送程序以由指令执行系统、设备或装置使用或与其相结合地使用的任何设备。

计算机可用或计算机可读介质可以是电子、磁、光、电磁、红外或半导体系统(或设备或装置)、或传播介质。计算机可读介质的示例包括半导体或固态存储器、磁带、可移除计算机磁盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、刚性磁盘和光盘。光盘的当前示例包括具有只读存储器的光盘(CD-ROM)、具有读/写的光盘(CD-R/W)、数字视频光盘(DVD)和蓝光光盘。

在上面的描述中，提供了各种实施例的特定细节。然而，可以在少于所有这些特定细节的情况下来实践一些实施例。在其他情况下，为了简洁和清楚起见，某些方法，过程，组件，结构和/或功能的描述仅比实现本发明的各种实施例更详细。

尽管已经描述和示出了本发明的特定实施例，但是本发明不限于如此描述和示出的部件的特定形式或布置。本发明的范围由其所附的权利要求及其等同物限定。

Claims (18)

1.一种马达，其包括：

具有内部区域的定子；

转子组件，所述转子组件具有连接到轴的转子，所述转子定位在所述定子的所述内部区域内；

附接到所述转子的编码器盘，所述编码器盘定位在所述定子的所述内部区域内；以及

编码器读取器，所述编码器读取器定位在所述定子的面向所述编码器盘的所述内部区域内，以光学获得所述转子的旋转信息。

2.根据权利要求1所述的马达，其还包括包围所述内部区域的前盖和后盖。

3.根据权利要求2所述的马达，其中所述编码器盘在所述包围的内部区域内定位在所述转子和所述后盖之间。

4.根据权利要求3所述的马达，其中所述编码器读取器安装在印刷电路板上，所述印刷电路板附着至所述后盖。

5.根据权利要求2所述的马达，其中所述编码器盘附接到所述转子的面向所述后盖的平坦表面。

6.根据权利要求1所述的马达，其中所述编码器盘是反射式编码器盘，并且其中所述编码器读取器被配置为向所述反射式编码器盘发射光以及接收从所述反射式编码器盘反射的所述光。

7.根据权利要求1所述的马达，其中所述编码器盘是绝对编码器盘或增量编码器盘。

8.根据权利要求1所述的马达，其中所述马达是步进马达并且所述马达包括齿。

9.根据权利要求8所述的马达，其中所述定子包括多个绕组，所述多个绕组用于使所述转子旋转。

10.一种操作马达的方法，所述方法包括：

向所述马达施加驱动信号以驱动所述马达的转子以在定子的内部区域内旋转；

从编码器读取器向附接到所述转子的编码器盘发射光，所述编码器盘和所述编码器读取器定位在所述定子的所述内部区域内；以及

当所述转子旋转时，在所述编码器读取器处接收来自所述编码器盘的所述光，其中接收到的所述光用于获得所述转子的旋转信息。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述马达包括包围所述内部区域的前盖和后盖。

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述编码器盘在所述包围的内部区域内定位在所述转子和所述后盖之间。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述编码器读取器安装在印刷电路板上，所述印刷电路板附着至所述后盖。

14.根据权利要求11所述的方法，其中所述编码器盘附接到所述转子的面向所述后盖的平坦表面。

15.根据权利要求10所述的方法，其中所述编码器盘是反射式编码器盘，并且其中所述编码器读取器被配置为向所述反射式编码器盘发射光以及接收从所述反射式编码器盘反射的所述光。

16.根据权利要求10所述的方法，其中所述编码器盘是绝对编码器盘或增量编码器盘。

17.根据权利要求10所述的方法，其中所述马达是步进马达并且所述马达包括齿。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述定子包括多个绕组，所述多个绕组用于响应所述驱动信号来使所述转子旋转。

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