CN115211006A - 具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法 - Google Patents

具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115211006A
CN115211006A CN202180011833.6A CN202180011833A CN115211006A CN 115211006 A CN115211006 A CN 115211006A CN 202180011833 A CN202180011833 A CN 202180011833A CN 115211006 A CN115211006 A CN 115211006A
Authority
CN
China
Prior art keywords
ring
sensors
rotor
magnets
motor
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202180011833.6A
Other languages
English (en)
Inventor
潘天
小理查德·卡斯勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Cepheid
Original Assignee
Cepheid
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Cepheid filed Critical Cepheid
Publication of CN115211006A publication Critical patent/CN115211006A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/02Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors the DC motors being of the linear type
    • H02P7/025Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors the DC motors being of the linear type the DC motors being of the moving coil type, e.g. voice coil motors
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/06Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices
    • H02K29/08Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with position sensing devices using magnetic effect devices, e.g. Hall-plates, magneto-resistors
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/14Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage
    • G01D5/142Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices
    • G01D5/145Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing the magnitude of a current or voltage using Hall-effect devices influenced by the relative movement between the Hall device and magnetic fields
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01DMEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/12Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means
    • G01D5/244Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains
    • G01D5/245Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable using electric or magnetic means influencing characteristics of pulses or pulse trains; generating pulses or pulse trains using a variable number of pulses in a train
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/14Stator cores with salient poles
    • H02K1/146Stator cores with salient poles consisting of a generally annular yoke with salient poles
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2786Outer rotors
    • H02K1/2787Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/2789Outer rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2791Surface mounted magnets; Inset magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2793Rotors axially facing stators
    • H02K1/2795Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/20Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for measuring, monitoring, testing, protecting or switching
    • H02K11/21Devices for sensing speed or position, or actuated thereby
    • H02K11/215Magnetic effect devices, e.g. Hall-effect or magneto-resistive elements
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P6/00Arrangements for controlling synchronous motors or other dynamo-electric motors using electronic commutation dependent on the rotor position; Electronic commutators therefor
    • H02P6/14Electronic commutators
    • H02P6/16Circuit arrangements for detecting position
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02PCONTROL OR REGULATION OF ELECTRIC MOTORS, ELECTRIC GENERATORS OR DYNAMO-ELECTRIC CONVERTERS; CONTROLLING TRANSFORMERS, REACTORS OR CHOKE COILS
    • H02P7/00Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors
    • H02P7/02Arrangements for regulating or controlling the speed or torque of electric DC motors the DC motors being of the linear type

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Transmission And Conversion Of Sensor Element Output (AREA)

Abstract

一种DC电机,具有:定子,安装到基板上,定子具有线圈组件,线圈组件具有磁芯;转子,安装到定子上,转子具有围绕转子径向分布的第一组永磁体和在转子上的第二组永磁体,第一组永磁体便于转子的旋转,第二组永磁体便于确定转子的绝对位置。电机还包括用于检测内环和外环的磁体的第一组传感器和第二组传感器。在电机操作期间,永磁体在传感器之上的通道产生基本上没有噪声和/或饱和的变化电压的基本上正弦信号,允许从正弦信号确定转子相对于基板的绝对位置,而不需要使用编码器或位置传感器,并且不需要信号的降噪或滤波。

Description

具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年1月29日提交的题为“具有带绝对编码器的集成致动器的电机(MOTOR HAVING INTEGRATED ACTUATOR WITH ABSOLUTE ENCODER)”的第62/967,201号美国临时申请的优先权的权益,该美国临时申请的全部内容通过引用并入本文。
本申请一般涉及于2016年7月22日提交的题为“具有改进间隔尺寸的无编码器电机和使用方法(Encoderless Motor with Improved Granularity and Methods of Use)”的第15/217,893号美国专利申请;于2016年7月22日提交的题为“分子诊断分析系统(Molecular Diagnostic AssaySystem)”的第15/217,893号美国申请;于2013年3月15日提交的题为“蜂窝管(Honeycomb tube)”的第13/843,739号美国专利申请;于2002年2月25日提交的题为“流体处理与控制(Fluid Processing and Control)”的第8,048,386号美国专利;于2000年8月25日提交的题为“流体控制与处理系统(Fluid Control and ProcessingSystem)”的第6,374,684号美国专利;以及2021年1月13日提交的题为“具有改进的量化、使用方法和校准的无编码器电机(Encoderless Motor with Improved Quantization andMethods of Use and Calibration)”的第63/136,766号美国临时申请;出于所有目的,它们中的每个通过引用以其全文并入本文。
技术领域
本发明涉及运动控制和电机领域,特别是无刷直流电机,并且涉及用于这种电机的换向和编码。
背景技术
用于无刷DC(BLDC)电机的换向通常采用霍尔效应传感器来感测电机操作中永磁体的运动。然而,在没有使用附加的位置传感器和/或编码器硬件的情况下,霍尔效应传感器没有成功地结合到DC电机的高精度和间隔尺寸(granularity)编码中,因此,它们在这种情况下的有效性是有限的。在许多情况下,电机驱动元件的成功操作和应用要求在确定电机驱动元件的位置(和位置变化)时具有高度的精度和分辨率。这对于小型装置尤其重要,例如,驱动泵和注射器以在诊断系统中的分析过程中操纵流体样品。另一个困难是这种电机的精确控制的运动。通过结合用于位置反馈和速度控制的硬件编码器,无刷直流电机的运动控制在本领域是公知的。然而,当通过诸如电子、电机和/或光学编码器的常规装置实现运动控制时,这种电机的机械封装变得大、更复杂和昂贵。
因此,需要允许以非常高的分辨率和位置精度来确定电机的位移(例如BLDC电机的编码)的系统和方法。还希望在不使用附加的硬件编码器并且具有相对简单的硬件和控制软件的情况下提供用于这种电机的运动控制。
发明内容
在一个方面,本发明在本文中涉及BLDC电机和运动控制领域,具体地,涉及集成在小封装中的电机内的绝对编码器。在一些实施方式中,本发明涉及集成运动,其将电机与集成的绝对编码器和控制器功能结合在相对较小的封装中。因为其紧凑、性能、重量轻和价格有竞争力,这种方法能够实现新一代的机器人、人工增强、自动化设备、军事和空间飞行使用。
在一些实施方式中,该方法通过BLDC电机来实现,BLDC电机被修改为包括具有第一内磁环、第二外磁环和附加传感器(例如,模拟霍尔效应传感器)的转子,从而产生第二高分辨率编码器。第一编码器由磁体的“内环”产生,其也用于电机驱动的双重目的。第二编码器由“外环”上的第二磁环产生,其仅用于编码器。在一个方面,由于处理信号的方式,编码器在一个周期或电周期内是绝对的。从定位和换向的角度来看,这可以实现即时启动。因此,与具有增量编码器的电机相比,可以用最小的转子运动来确定电机的位置。类似地,第二编码器也是绝对的,但是在不同的周期上。通过使用两个绝对编码器之间的“游标”关系-每个绝对编码器在一段转子位移之上,可以导出单个转子旋转内的绝对位移。
在一些实施方式中,电机系统利用这种方法来产生高分辨率绝对(ABSOLUTE)编码器,该编码器允许通过利用由一个或多个传感器接收的传感器信号之间的几何和代数内插来确定转子的绝对位置,传感器信号在转子旋转时检测内磁环和外磁环的磁体的通过。在一个方面,电机系统仅分析来自内磁环和外磁环的传感器信号的线性部分。虽然关于具有可旋转安装的转子的电机描述了这些概念,但是应当理解,这些概念也可以应用于具有以线性方式运动的线性平台的线性电机。
在一些实施方式中,BLDC电机利用具有集成模数转换器(ADC)的通用微控制器来驱动三相半桥以执行电机换向。控制器可以通过正弦、梯形、同步或任何其它形式的换向和用于N个电机相位的电机驱动来驱动电机。
在一些实施方式中,BLDC电机利用相同的微控制器或集成到电机的附加微控制器来内插高分辨率增量或绝对编码器,并执行换向和电机驱动。在一些实施方式中,控制器还可以提供以下中的任一者:与主机系统通信;PID反馈控制;状态空间反馈和前馈控制;运动轨迹的执行。在一些实施方式中,主机与电机通信以根据预定轨迹运动,例如,具有恒定加速度、恒定速度和恒定加速度的预定“曲线”,或一些其它运动。这里,术语轨迹将被认为是指路径上的点的时间序列。
在一个方面,电机可以包括通信单元,该通信单元通过无线接口(例如,诸如蓝牙、BLE、Wi-Fi、2.4或900ISM频带、Zigbee或任何合适的通信装置)提供与该集成解决方案的无线通信。
在另一个方面,电机可以配置有电力线通信单元,该电力线通信单元配置用于在功率上的信号通信方案上与集成解决方案进行通信。在一些实施方式中,选择线(例如,两条或更多条)连接到电机,该电机用于给电机驱动桥以及运动控制电子装置供电。电压调整器可以用于获取用于电机驱动的较高电压,并且调整该电压以与处理电子设备一起使用。在一些实施方式中,由主机控制器使用专门设计的电路来调制电力线上的信号,并解调来自电力线的信号。在一些实施方式中,通过来自主机控制器和电机控制器的电力线之上实现双向通信。应当理解,上述特征中的每个都可以与一个或多个其它特征结合用于实施方式中。
以上描述的任何方面或特征可以与具有连接到单个电力线系统的多个电机的系统一起使用,例如,通过使用控制所有电机的单个主机控制器。一些这样的实施方式可以利用无线通信,其中使用附加的“同步”线来确保系统中所有电机的同步(“锁步”)运动。
一些实施方式可以利用控制器,该控制器通过数字通信接口,例如以太网、工业以太网(EtherCAT)(用于控制自动化技术的以太网)、SPI、i2c、UAR、RS232、RS485、或任何其它合适的现场总线或数字通信接口,同步多个集成的电机、编码器、控制和驱动解决方案以相互协同工作。在具有多个电机单元的一些实施方式中,控制器可以配置用于同步多个集成电机单元(具有编码器和控制以及驱动器)。
在另一方面,电机包括使用两个或更多模拟霍尔效应传感器和“标准”线性致动器磁阵列的高分辨率线性电机编码器。在一些实施方式中,电机使用与已经存在的用于线性电机的电机驱动相同的磁体。在一些实施方式中,具有集成的ADC和控制器的硅器件用于执行测量、计算和到主机的通信。
在又一方面,本发明涉及一种线性电机,其包括单独或组合的以上描述的任何特征。在又一方面,本发明涉及旋转和线性电机的组合,其包括单独或组合的上述任何特征。在一些实施方式中,具有旋转电机和线性电机的组合的这种电机全部由单个控制器芯片控制。
在一些实施方式中,处理模块被配置为通过利用矩阵变换来处理来自至少两个传感器的信号,从矩阵变换确定电机位移(例如转子的角位移)。有利地,利用来自至少两个传感器的信号的矩阵变换消除了由采用数学近似的解码方法引起的速度波动。速度波动可能不利地影响来自单个传感器的信号的精度,并且在传动系统中引入振动和不稳定性。当解码纯正弦或其它确定性、周期信号模型时使用数学变换为确定电机位移提供了增加的分辨率和保真度。在一些实施方式中,编码器包括处理器,处理器通信地联接到n个磁场传感器的处理器,并且配置为通过利用变换矩阵处理n个信号,基于来自n个磁场传感器的n个信号来确定可移动元件的位移。
在又一方面中,可针对多速度机电系统修改编码器方法。这种编码器系统可以包括:可移动元件,应用空间变化场、第一应用周期S1的场和第二应用周期S2的场中的至少两个,其中周期S2是周期S1的整数倍;固定支承件,具有布置在周期S1内的n1个传感器和布置在周期S2内的n2个传感器,其中,n1和n2各自大于或等于2,所述传感器配置为测量所述可移动元件的磁场。该系统还可以包括处理器,该处理器从传感器获得信号并且应用变换矩阵以确定场角φ1和场角φ2。在一些实施方式中,处理器配置为:处理来自n1个传感器的n1个传感器信号和n2个传感器的n2个传感器信号;应用数学变换分别计算场角φ1和场角φ2的正弦和余弦;以及以与φ1基本上相等的分辨率计算φ2。以上描述的方法可与前述绝对编码器配置一起使用。
在多速度方法的一些实施方式中,S1和S2中的每个可以是旋转位移,而在其它实施方式中,S1和S2中的每个可以是线性位移。数学变换可以配置为使得每个场角φ的计算独立于所述磁场传感器的幅值和偏置。磁场传感器均匀分布在每个周期S1和周期S2内。在一些实施方式中,系统配置为使得施加的磁场由一次谐波和至少一个高阶谐波的和表示。在一些实施方式中,控制单元的处理器可以存储由表示场角S1和场角S2中的每个的真实场角和感测的场角之间的差的空间变化信号表示的跳动,并且利用所述跳动来补偿所述差,从而消除任何跳动误差。
以上描述的编码器可以用在BLDC电机中,该BLDC电机配置用于诊断测定系统内的机电系统的操作。在一些实施方式中,诊断测定系统的机电系统包括注射器、阀或门机构中的任一个。处理器可以配置为仅处理信号的基本上线性部分或者可以处理整个信号。
附图说明
图1A至图1B示出本发明的示例性实施方式中的BLDC电机的立体图。
图2A至图2B分别示出图1A的BLDC电机的俯视图和侧视图。
图3示出图1A的BLDC电机的分解图。
图4示出根据一些实施方式的具有编码器的BLDC电机的顶部示意图。
图5A至图5B示出根据一些实施方式的具有编码器的BLDC电机的顶部示意图。
图6示出根据一些实施方式的具有编码器的BLDC电机的顶部示意图。
图7至图8示出来自根据一些实施方式的具有编码器的示例性BLDC电机的传感器的电压信号的波形。
图9示出根据一些实施方式的具有编码器的BLDC电机的闭环控制。
图10至图11示出根据一些实施方式的具有集成的绝对编码器的BLDC电机的磁体的内环和外环之间的关系。
具体实施方式
在前面的说明书中,参考本发明的特定实施方式描述了本发明,但是本领域的技术人员将认识到本发明不限于此。如全文所用的,术语“约”可以指所述值的±10%。上述发明的各种特征和方面可以单独或联合使用。应当理解,本文描述的实施方式的任何方面或特征可以被修改、组合或结合到在本文描述的任何实施方式中,以及在各种其它类型和配置中。此外,在不脱离本说明书的更宽的精神和范围的情况下,本发明可以被用于除本文描述的那些环境和应用之外的任何数量的环境和应用中。
图1A和图1B分别是根据一些实施方式的具有集成的绝对编码器的无刷DC(BLDC)电机100的立体俯视图和仰视图。图2A和图2B分别示出BLDC电机100的俯视图和正视图,并且图3示出分解图。如图所示,电机100包括:块状基座1、可旋转地支撑转子组件的轴承组件2;基板3,通常为印刷电路板(PCB);定子4,具有多个极(每个极具有极齿和极靴);以及外壳盖10。PCB基板可以包括用于编码和换向的控制器和控制电路。转子组件包括环形框架5、外磁体6、内磁体7和包括盖8和轴9的转子部分。在该实施方式中,定子具有12个磁极(每个磁极具有极齿和极靴),而转子环5具有20个外磁体6和14个内磁体7。
基板3可以包括传感器组,传感器组布置成用于在电机操作期间检测内磁环和外磁环的磁体。在该实施方式中,PCBA基板3包括一系列三个外部传感器11a、11b、11c和一系列三个内部传感器12a、12b、12c,它们沿着围绕中心开口的部分弧分布,用于分别检测内部磁体和外部磁体,可旋转轴9延伸穿过该中心开口。另外的外部传感器13a、13b、13c(部分可见)也可以包括在开口的相对侧上,尽管这种传感器是可选的。可选的附加传感器补偿转子跳动、磁滞和外部磁体的放置公差,这反过来提高了位置精度。
转子组件通过驱动轴9与定子物理接合,驱动轴9与定子的轴承组件2接合以精确地引导转子的旋转。轴承组件2包括从PCB基板的相对侧可旋转地接合轴的两个部件。轴承的细节未示出,尽管可以理解,存在许多可以实现这种轴承的常规方式。驱动轴9穿过盖10中的开口,并可以接合以驱动机械装置或扭矩传递机构。根据换向的细节,转子在任一方向上旋转。可以理解,无论转子的旋转方向如何,都可以使用本文描述的方法。
通过参考图3,可以进一步理解各个部件,图3示出集成致动器的分解图。在该实施方式中,该设计包括20W电机、真16+位绝对编码器、以及在相对较小的封装内的控制电子装置。上盖10位于顶部,其中盖中心的开口允许电机与接口设备耦合。在该实施方式中,中心开口相对较小(例如10至50mm,20至40mm,35mm)。转子轴9向上延伸穿过中心开口以与设备连接(OD和轴长度可以根据需要变化)。转子盖8包括用于与内环和/或外环的磁体对准的精确间隔件。
环5被计算成适当的厚度以适应内磁体和外磁体的磁通密度。如图所示,内磁体和外磁体安装在环5上。然而,可以理解的是,内磁体和外磁体可以包括在分开的环上,该分开的环与一个或多个环接合,或者可以与一个或多个环集成在一起。在一些实施方式中,外磁环6和内磁环7各自都包括任何偶数的磁体。在一些实施方式中,内磁环7中的磁体的数量不同于外磁环的数量。在该实施方式中,外磁环具有20个磁体,而内磁环具有14个磁体。外部磁体和内部磁体的组合对于产生本文所述的绝对编码器至关重要。
还示出定子芯4。在一些实施方式中,包括绕组的定子的堆叠长度(例如,定子的高度)小于或等于内环6的磁体的长度。该尺寸允许产生无噪声正弦波。在一些实施方式中,传感器与磁体隔开一小段距离。在小型装置中,取决于装置的总体尺寸和磁场强度,这种间隔通常小于5mm,例如4mm、3mm、2mm或1mm或更小。为了基本上消除检测信号中的噪声,使传感器和永久磁体之间的空间最小化是有利的。可以理解,例如,在关于磁体相对于转子或磁芯的布置和尺寸的题为“具有改进间隔尺寸的无编码器电机和使用方法(Encoderless Motorwith Improved Granularity and Methods of Use)”的第15/217,893号美国专利申请中描述的任何方面都可以用于内磁环或外磁环,以提供无噪声信号。
在转子操作期间,一个或多个传感器邻近磁体的路径设置。转子包括一个或多个用于检测来自内部磁体的信号的内部传感器环和一个或多个用于检测来自外部磁体的信号的外部传感器。通常,转子包括沿着内环和外环的路径设置的多个传感器组,它们间隔开并且可以偏移以提供改进的分辨率。在一些实施方式中,传感器内的间距计算如下:
S=120/P
其中:
S:霍尔传感器之间的间隔,度。
P:极对
在一个方面,内部传感器是粗编码器信号并且还用作电机换向,而外部传感器是细编码器信号,其与粗信号结合以允许确定绝对位置。该实施方式包括两组,每组三个传感器。将两组以90°电气和180°机械分开放置以提高分辨率和位置精度。可以理解,可以使用附加的传感器或传感器布置。
上述传感器通常安装在PCB基板3上,用于检测磁体,但是也可以放置在任何合适的表面上。PCB还实现了具有集成的ADC和微控制器的硅器件,其可用于执行运动控制、测量、计算和与主机系统的通信。
根据上述应用,应当注意,本文描述的绝对编码器特征允许整个电机具有相当小的尺寸。例如,本文描述的实施方式可以具有大约小于4平方英寸(长度和宽度,如图2A所示)和小于2英寸高度(如图2B所示)的尺寸。在一些实施方式中,这种设计允许具有集成致动器的电机小于2平方英寸(长度和宽度)、在高度上是2英寸或小于2英寸。可以理解的是,本文描述的概念不限于这些特定的尺寸或小型的机构,并且可以用于任何尺寸的用于各种应用的各种其它电机设计中。
在另一方面,控制单元(图1A中未示出)可以切换线圈102中的电流,从而提供与永磁体106的电磁相互作用以驱动转子,如BLDC电机领域的技术人员所知。控制单元可以通过连接器14连接,诸如图2A至图2B所示的12针连接器。如前所述,连接器可以提供用于通信以及为电机供电的装置。可以理解,控制单元可以单独提供或集成在电机的PCB内。
应当理解,该实施方式是非限制性的示例性原型。应该注意的是,极齿和极的数量以及实际上内部定子和外部转子的公开是示例性的,而不是对本发明的限制,本发明可以用各种不同设计的电机操作。例如,虽然这里描述了内部定子和外部转子,但是应当理解,这种方法也可以用于具有内部转子和外部定子的电机中。
这种电机可用于各种应用中,并且特别用于需要高水平的精度和间隔尺寸的小型机械机构的操作。一些实施方式包括在不使用硬件编码器和/或噪声滤波的情况下在确定转子位置和/或位移时具有改进的分辨率(例如,约0.1度的机械旋转、或优选地约0.01度的机械旋转、或甚至约0.001度的机械旋转或更小的分辨率)的电机系统。一种这样的应用是注射器驱动器的操作,以实现高精度流体计量,或者与样品盒接口的诊断化验系统的阀组件的操作,以便在阀组件的微调运动时促进复杂的样品处理和/或分析过程。这种应用的实例可以在题为“分子诊断测定系统(Molecular Diagnostic Assay System)”的第15/217,893号美国专利申请中找到;题为“流体加工和控制(Fluid Processing and Control)”的第8,048,386号美国专利;以及题为“流体控制与处理系统(Fluid Control andProcessing System)”的第6,374,684号美国专利,其通过引用并入本文中。
图4示出具有转子和定子设计以及指示三个传感器H(例如霍尔效应传感器)的位置的PCB布局的示例性电机400。根据典型的BLDC电机,电机400包括定子410,定子410具有在铁齿上的固定绕组,而转子420包括具有永磁体的旋转护罩。在该实施方式中,传感器以0、120和240“电角度”隔开,其中360电角度等于一个极对的角度。
例如,对于具有12个极的电机,霍尔效应传感器间隔为:
A(度)
A+20+(N*60)(度)
A+40+(M*60)(度)
其中:
A是围绕磁转子的圆周的任意位置
N是一定数量的“电循环”以抵消霍尔效应传感器
M是第二数量的电循环以补偿霍尔效应传感器
在一些实施方式中,对于具有任何数量的磁极的电机转子,有利的是,如果三个传感器(例如霍尔效应传感器)围绕转子磁体的圆周如下放置:
A(度)
A+120/P+(N*180/P)(度)
A+240/P+(M*180/P)(度)
其中P是转子中的极数。
在一些实施方式中,对于具有任何数量的磁极和任何数量的传感器(例如霍尔效应传感器)的电机转子,传感器如下放置(角度以度为单位):
Figure BDA0003772075550000101
其中:
N是迭代次数
H是霍尔效应传感器的数量
A是某个起始角(度)
P是总磁极数(磁极对/2)
X是允许霍尔效应传感器间隔开的任意值(这可以等于N,但是如果需要非常大的霍尔效应传感器或非常多的极,则可以更大)。如果霍尔效应传感器足够小并且极足够大,则X可以为零。在示例性情况下X=N)。
在一个方面,在内环和外环上使用相同数量的传感器的附加好处是换向周期将与霍尔效应传感器的电气周期相匹配。例如,当转子移动时,驱动电机绕组的电角度以与霍尔效应传感器相同的速率循环。这降低了为了换向的目的期望处理电力,这将在下面进一步描述。
霍尔效应传感器的定向
在另一个方面,有利的是将传感器(例如霍尔效应传感器)相对于转子定向,使得相邻传感器的位置与相邻磁体对应,如图5A至图6所示。
图5A示出另一示例性BLDC电机500,其示出传感器H相对于转子的磁体的位置(注意传感器H和内环521上的磁体的位置)。图5B示出去掉定子以更好地说明磁体和传感器H的相对位置的详细视图。根据典型的BLDC电机,电机500包括定子510,定子510在铁齿上具有固定绕组,而转子520包括环520,环520具有带永磁体的内磁环521以及带永磁体的外磁环522。在该实施方式中,存在一系列内部传感器Hinner沿着内部磁体的路径设置或邻近内部磁体的路径设置,并且存在一系列外部传感器Houter沿着外部磁体的路径设置或邻近外部磁体的路径设置。图6示出与图5基本上相同的示例性电机,其中壳体盖10和转子盖8以及轴9示为透明的。
在一个方面,BLDC电机500的换向可以仅使用三个传感器来执行。这里描述的具体实施方式是用于三相十四极无刷直流电机。应当理解,本文描述的本发明的概念不限于该具体实施方式。这种相同的方法可以用于编码器内插和许多不同类型的电机以及许多不同的电机极的换向。在一些实施方式中,用于编码/位置检测的磁体可以是与用于电机驱动的磁体相同的磁体,这减少了系统中期望磁体总数,从而允许附加的集成。
霍尔效应波形
下面示出的图7至图8显示了从逻辑组的适当偏置的模拟霍尔效应传感器输出的模拟电压信号波形,逻辑组的适当偏置的模拟霍尔效应传感器被适当地隔开,使得电机中的永磁体产生相隔60°的波形。图7描绘顺时针运动的转子,而图8示出逆时针运动。
在该实施方式中,对于被5V电力断电的模拟霍尔效应传感器,过零点(其中霍尔效应传感器没有经历磁感应霍尔效应)非常接近2.5V,这对于大多数霍尔效应传感器是典型的。过零点可以被用于划分采样的霍尔效应传感器数据。在一个方面,可以使用其他算法(例如,“质心(Center of mass)”或“形心(Centroid)”算法)以比过零点甚至更精细的间隔尺寸来内插转子位置。
在一个方面,控制单元可以利用记录在其可读存储器上的操作指令,该操作指令包括这种算法。例如,在一些实施方式中,控制单元被配置为执行基于形心的内插,内插可以是被编程到示例性电机系统中的ASIC中的固件。在以下代码中提供了这种算法的示例,以下代码用ANSI C编写:
Figure BDA0003772075550000131
Figure BDA0003772075550000141
可以理解,这样的算法可以通过使用任何合适的编程语言来利用相同或类似的方法。
以上例程以1/Δts的采样率执行。其中Δts是离散时间实现中采样之间的时间间隔。霍尔效应传感器的所有三个通道在该周期内被采样。在示例性情况下,三个霍尔效应传感器以100ksps速率采样,并通过模拟多路复用器操作。片上DMA资源可用于将样本从ADC传送到处理器的SRAM存储器,其终止于称为“ADC_SAR_Seq_final Array”的阵列。在示例性情况下,Δts可编程为低至100μs。该函数提供两个不同的输出。一个输出是称为“换向轮”的参数。换向轮是转子位于A-F电换向循环内的位置的512计数(9比特)表示。另一个输出是称为“编码器”的参数。“编码器”是连续的编码器(在这种情况下是64位),连续的编码器随着每个电周期继续递增。在这种情况下,“编码器”每个电周期具有3072个分辨率计数和数十亿个综合分辨率(integrated resolution)的计数。
简单质心方法
在一些实施方式中,控制单元可以被配置为利用“简单质心”方法来单独利用每个AH波形的模拟电平来内插硬件编码器。例如,在换向状态100中,注意波形B和C在该换向部分内以近似线性的方式相互交叉。在本节中使用以下算法将附加的编码器分辨率添加到已经操作的硬件编码器。硬件编码器已经具有每极六(6)个分辨率计数:任何附加分辨率(AR)可以用于通过“简单质心”算法来增加该分辨率。
EP=((He)*(AR)/2)+{[(B*AR)+(C*AR*2)]/AR}-AR
其中:
EP=编码器位置
He=硬件编码器
Ar=附加分辨率
B=模拟B相位AH波形的ADC
C=模拟C相位AH波形的ADC
附加功能
除了换向和编码之外,该特定实施方式执行转子位置的闭环PID控制、电流测量以及命令和控制。在该实施方式中,控制可以包括用于蜗杆驱动器的浮点旋转平移,该蜗杆驱动器在UART接口上具有每转284转子转数。
以上描述的硬件系统允许固件在某种程度上与低级电机驱动功能隔离。可以理解的是,PID控制可以用于控制电机,如本领域技术人员容易理解的那样。然而,只要说固件可以简单地驱动实例化的硬件系统的方向和PWM就足够了。在图9中示出这种PID控制的示例。这种控制方法可以包括以下步骤:1.测量编码器位置。2.将其与期望位置进行比较。3.将这些期望位置和实际位置输入到PID控制系统中。4.基于PID控制的输出调整电机控制方向和PWM。除了PID控制之外,可以利用基于Δ∑(Delta Sigma)的(低通滤波)ADC来测量电流。该电流可以通过UART接口被请求并被报告给控制单元。
“外磁环”
为了在设计中包括绝对编码器,可以使用第二“外环”。在一些实施方式中,磁体的外环利用霍尔效应传感器进行测量,霍尔效应传感器以与以上描述的内环相同的计算隔开。
外环可以利用相同的ADC技术和算法来产生用于外环的“换向轮”和“编码器”参数。在一些实施方式中,与以上描述的内环一起使用的相同数学方法可以与外环一起使用。
精确地控制磁体在转子上的机械布置以及磁体与霍尔效应传感器的竖直关系。在该实施方式中,外环磁体在竖直方向上靠近霍尔效应传感器20密耳放置。
内环中极数和外环中极数之间的关系是需要考虑的另一个因素。在一个方面中,内环的磁极对的数目和外环的磁极对的数目不能具有公分母。在一些实施方式的一个方面中,位于内环和外环上的磁体的位置不应该重复一圈,这意味着外极对除以内极对的值不是整数。在示例性实施方式中,内环具有7个极对,并且外环具有10个极对。
绝对编码器计算
图10-图11示出外环和内环的绝对位置和换向之间的关系。利用绝对位置和内环的“换向轮”与外环的“换向轮”之间的关系来确定电机在旋转中的“P/2”个电循环中的哪一个电循环。例如,在具有“P”极的电机中,存在“P/2”个电循环,使得每转内环上有7个电循环并且外环上有10个电循环。如图所示,通过利用由磁体限定的不同数量的磁极对,来自内磁环和外磁环的信号的线性部分相互交叉,从而提供改进的间隔尺寸。可以理解,外环的磁体和磁极对的数量可以大于内环(例如,如图10所示的10比7),或者小于内环(例如,如图11所示的2比7)。
在图10和图11中示出两个示例性电机实施方式的整个旋转的电循环关系。值得注意的是,对于每个电循环中的每个位置,内环和外环之间的关系将确定转子在整个旋转中所处的电循环。以下算法可用于进行这种确定。(这每个电循环中利用512个计数。这个数字不是正确运算所必需的,但是使用它是因为它是一个方便的二进制值,用于在二进制补码中相乘和相除。)
对于内换向轮的每个值,存在如下所示的可能的IPP个外换向轮值:
Figure BDA0003772075550000171
其中:
N=迭代次数
IW=对应于内环上的电位置的“换向轮”值
OW=对应于外环上的电位置的“换向轮”值
IPP=内环极对数
OPP=外环极对数
在一个方面,内环和外环不能具有每个环的极对的公分母。如果内环和外环具有公分母,则级数OW[N]将具有两个或更多个相等数量的值。然后将不可能确定围绕绝对旋转的位置。因此,所有有效的内环和外环极对组合的集合是无限集合,其中IPP%[OPP]!=0。
在给定足够的处理能力的情况下,可以通过每次迭代测量来计算上述级数。然而,为了获得绝对编码器输出的益处,加速该等式是有利的。这是通过下面的ANSI C等式来实现的。
Figure BDA0003772075550000172
modulationValueTable表中的值由下式给出:
Figure BDA0003772075550000181
其中:
IPP是内环中的极对。
R是换向轮的分辨率
N是迭代次数
Figure BDA0003772075550000182
modulationIndexTable中的值由下式给出:
Figure BDA0003772075550000183
其中:
IPP是内环中的极对。
R是换向轮的分辨率
N是迭代次数
i是调制索引表值
int absBotTable[512]=…
absBotTable表中的值由下式给出:
Figure BDA0003772075550000191
其中:
IPP是内环中的极对。
OPP是外环中的极对。
R是换向轮的分辨率
N是迭代次数
Figure BDA0003772075550000201
其中commutationWheelOutside和commutationWheelInside是内部和外部换向轮参数,并且“extremeAbsoluteResolution”是由与前面相同的简单形心算法给出的内部换向轮的较高分辨率版本(准确地说是12288计数)。如果内环和外环不是完全对准的,则可以利用替代的表来补偿环之间的偏移。这可以通过增加与内环换向轮和外环换向轮之间的偏移成比例的偏移来实现。在外部换向轮计数中可以测量外部换向轮计数和内部换向轮计数之间的偏移。然后可以从上面的行中减去这些计数,如所示:
Figure BDA0003772075550000211
如以上在非限制性示例性实施方式中所描述的,ADC被用于产生相分离的波形的直线、线性部分和电机100的划分,其可以由任何合适的驱动器电路(例如,DRV83 13德州仪器电机驱动器电路)来驱动。应当理解,在仍然落入该方法的范围内的同时,还可以使用其它电路布置。在一些实施方式中,用于感测霍尔效应传感器并提供电机编码的电路和编码指令可以在PCB上的可编程片上系统(PSOC)中实现。
上述方法是通过查看霍尔效应正弦波的基本上线性部分中的相移来确定绝对编码器值的一种方式。然而,应当理解,也可以使用矩阵变换方法。利用矩阵变换方法,分别计算内环和外环上的绝对位置,然后利用游标效应在一个转子旋转内确定绝对位置。这是与以上描述相同的概念,因为内环和外环之间的相移提供了确定绝对位置的明确方式。
应当理解,在不脱离本发明的范围的情况下,可以对本文描述的实施方式进行各种改变。例如,在本发明的可选实施方式中,根据电机的机械设计,可以通过放置传感器来结合和控制不同设计的电机,以这样的方式产生基本上正弦的相分离的波形,即电路只考虑所得到的相交曲线的基本上直的、线性部分,通过将直的部分分成相等长度的段、有效地将电压增量分成与转子或定子旋转的分数相关联的相等已知段来提供附加的分辨率。
根据本发明的DC电机的一些非限制性示例性用途和应用包括以下:
诊断应用:随着机器人技术越来越多地用于流体样品的高通量处理和诊断分析的执行,机械机构的高分辨率控制已经变得非常有用。特别地,由于诊断设备趋向于小型和微型设备,它们更有效并且需要更小的样本尺寸,因此对小型移动的控制是特别感兴趣的。
医疗应用:随着机器人技术越来越多地用于远程外科手术技术,极好控制的远程控制工具的运动已经变得至关重要。例如,在眼科或神经科手术中,其中视网膜细胞或神经末梢的操作需要具有显微分辨率的运动。为了实现这些运动,其远比具有眼睛协调的人手可能的运动更精细,计算机被用于与来自适当传感器的反馈相一致地移动致动器。如本文所公开的具有高分辨率位置编码能力的电机可帮助计算机,并且因此帮助外科医生执行这些精细的外科手术。
半导体制造:用于制造半导体器件的系统依赖于硅晶片和操作臂的精细移动。通过位置反馈来调整这些运动。如本文所公开的具有高分辨率位置编码能力的电机适用于这些应用。
航天和卫星遥测:高分辨率的角位置反馈可以用于精确的瞄准和天线定位。特别地,卫星通信天线盘需要精确地跟踪轨道卫星。与来自安装在天线上的如本文所述的电机的精确角度反馈和来自天线的功率谱相结合的卫星轨迹可以帮助精确跟踪。此外,因为本文所描述的电机是小型的、廉价的和坚固的,所以它是用于卫星和本领域技术人员将熟知的其它地面外应用的理想选择。
遥控车辆:在此公开的电机的小尺寸和降低的成本使得其适合用于遥控车辆应用,包括无人机(drone)。特别地,电机的高分辨率位置编码特征使其在远程控制车辆的商业和娱乐使用中对于转向(方向控制)和加速(功率控制)是理想的。另外的用途对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。
此外,如上所述,本领域技术人员将认识到,有多种方式可以布置电路,以便为如此装备和感测的电机提供精细控制。本发明仅由所附权利要求限定。

Claims (55)

1.一种DC电机系统,包括:
定子,安装到基板上,所述定子包括线圈组件,所述线圈组件具有磁性材料芯和电绕组;
转子,安装到所述定子上,所述转子包括:
内磁环,具有与所述磁性材料芯相邻的第一组永磁体,所述第一组永磁体布置成便于所述转子的旋转;
外磁环,具有第二组永磁体,所述第二组永磁体布置成便于基于所述第一组永磁体和所述第二组永磁体的相对位置来确定所述转子的位移;
一个或多个传感器,安装在所述基板上并且绕所述转子的圆周设置,其中,所述一个或多个传感器布置成在所述转子的旋转期间从所述第一组磁体和所述第二组磁体获得电压信号,所述电压信号与所述第一组永磁体的位置和所述第二组永磁体的位置对应。
2.根据权利要求1所述的系统,其中,所述转子包括公共环,其中,所述第一组磁体安装在所述公共环的内表面上,从而限定所述内磁环,并且所述第二组磁体安装在所述公共环的外表面上,从而限定所述外磁环。
3.根据权利要求1所述的系统,其中,所述转子包括以下中的任一个:
环,具有限定所述内磁环的磁化极,同时所述外磁环由安装在所述环上的所述第二组磁体限定;
环,具有限定所述外磁环的磁化极,同时所述内磁环由安装在所述环上的所述第一组磁体限定。
4.根据权利要求1所述的系统,其中,所述转子包括:
第一环,具有限定所述内磁环的磁化极,以及
第二环,与所述第一环同心并且具有限定所述外磁环的磁化极。
5.根据权利要求1所述的系统,其中,所述内磁体和所述外磁体各自包括偶数个磁体。
6.根据权利要求5所述的系统,其中,所述内磁环包括与所述外磁体不同数量的磁体。
7.根据权利要求6所述的系统,其中,所述内磁环包括比所述外磁体少的磁体。
8.根据权利要求6所述的系统,其中,所述外磁环包括比所述内磁环少的磁体。
9.根据权利要求1所述的系统,其中,所述内磁环和所述外磁环中的每个包括一个或多个极对,其中所述内磁环和所述外磁环的极对的数量不具有公分母。
10.根据权利要求1所述的系统,其中,所述定子安装在基板上,并且所述一个或多个传感器安装在所述基板上并且沿着所述内磁环和/或所述外磁环的磁体的路径布置。
11.根据权利要求1所述的系统,其中,所述一个或多个传感器包括:
第一组传感器,布置成用于检测所述内磁环;以及
第二组传感器,布置成用于检测所述外磁环。
12.根据权利要求11所述的系统,其中,所述第一组传感器包括两个或更多个传感器,所述两个或更多个传感器沿着所述内磁环的内磁体的路径设置或邻近所述内磁环的内磁体的路径设置。
13.根据权利要求11所述的系统,其中,所述第一组传感器包括间隔开并且设置在所述转子的旋转的一个象限内的至少三个传感器,并且所述第二组传感器包括间隔开并且设置在所述转子的旋转的一个象限内的至少三个传感器。
14.根据权利要求11所述的系统,其中,所述内磁环具有偶数个磁体,所述偶数个磁体具有两个或更多个极对。
15.根据权利要求14所述的系统,其中,所述第一组传感器间隔开,其中,间隔=120/P,其中P是极对的数量。
16.根据权利要求11所述的系统,其中,所述第二组传感器包括两个或更多个传感器,所述两个或更多个传感器沿着所述内磁环的外磁体的路径设置或邻近所述内磁环的外磁体的路径设置。
17.根据权利要求11所述的系统,其中,所述外磁环具有偶数个磁体,所述偶数个磁体具有两个或更多个极对。
18.根据权利要求17所述的系统,其中,所述第二组传感器间隔开,其中,间隔=120/P,其中P是所述外磁环的极对的数量。
19.根据权利要求11所述的系统,还包括:
控制器,配置成用于基于所述转子的绝对位置来操作电机,其中,所述控制器还配置为通过以下方式确定位移:
从所述第一组传感器获得第一组正弦信号;
从所述第二组传感器获得第二组正弦信号;
分析所述第一组信号和所述第二组信号以确定绝对位置。
20.根据权利要求19所述的系统,其中,所述控制器还配置成:
利用所述控制器接收所述转子的期望位置;
将所述期望位置与确定的绝对位置或位移进行比较;以及
基于所述比较来调整所述电机的脉冲宽度调制和驱动方向,以实现所述转子的所述期望位置。
21.根据权利要求19所述的系统,其中,所述控制器是比例积分微分(PID)控制器。
22.根据权利要求19所述的系统,其中,所述控制单元还配置有记录在所述控制单元的存储器上的可编程指令,所述指令配置成在算法中应用以分析所述第一组信号和所述第二组信号的线性部分。
23.根据权利要求22所述的系统,其中,所述控制单元还配置成使得所述算法利用质心内插。
24.根据权利要求22所述的系统,其中,所述控制单元还配置成使得所述算法利用形心内插。
25.根据权利要求22所述的系统,其中,所述控制单元还配置成使得所述算法利用矩阵变换方法。
26.根据权利要求19所述的系统,其中,所述基板是印刷电路板(PCB),所述印刷电路板包括能够对来自所述第一组传感器和所述第二组传感器的所述信号的限定的线性部分中的电压值进行模数转换(ADC)的电路。
27.根据权利要求19所述的系统,其中,所述电路在可编程片上系统(PSOC)中实现。
28.根据权利要求1所述的系统,其中,所述外磁环具有单个极对,并且所述内磁环具有两个或更多个极对。
29.根据权利要求28所述的系统,其中,所述外磁环是连续环,所述连续环的每一半被磁化成所述单个极对的极。
30.一种用于对DC电机进行编码的方法,所述方法包括:
通过给电机的定子的线圈组件供电来操作所述电机,所述线圈组件具有磁性材料芯和电绕组,从而旋转具有内磁环的转子,所述内磁环具有邻近所述磁性材料芯的第一组永磁体,其中,所述转子还包括具有第二组永磁体的外磁环;以及
通过以下方式确定所述转子的绝对位置:
利用所述电机的一个或多个传感器,在所述转子的旋转期间,从经过所述一个或多个传感器的所述第一组永磁体获得第一信号;
利用所述电机的一个或多个传感器,在所述转子的旋转期间,从经过所述一个或多个传感器的所述第二组永磁体获得第二信号;
分析所述第一信号和所述第二信号,并且与所述转子的位置相关联。
31.根据权利要求30所述的方法,还包括:
基于确定的所述转子的绝对位置来调整所述电机的操作。
32.根据权利要求31所述的方法,其中,调整操作包括调整所述电机的脉冲宽度调制和/或驱动方向。
33.根据权利要求30所述的方法,其中,所述电机经由控制器操作,所述方法还包括:
利用所述控制器接收所述转子的期望位置;
将所述期望位置与确定的绝对位置进行比较;以及
基于比较调整脉冲宽度调制和驱动方向以实现所述转子的所述期望位置。
34.根据权利要求33所述的方法,其中,所述控制器是比例积分微分(PID)控制器。
35.根据权利要求33所述的方法,其中,所述控制器采用状态空间确定的反馈控制器。
36.根据权利要求33所述的方法,其中,所述控制器还采用前馈控制。
37.根据权利要求30所述的方法,其中,所述定子安装在基板上,并且所述一个或多个传感器分别沿着所述内磁环和所述外磁环的磁体的路径安装在所述基板上。
38.根据权利要求30所述的方法,其中,所述转子包括公共环,其中,所述第一组磁体安装在所述公共环的限定所述内磁环的内表面上,并且所述第二组磁体安装在所述公共环的限定所述外磁环的外表面上。
39.根据权利要求30所述的方法,其中,所述转子包括以下中的任一个:
环,具有限定所述内磁环的磁化极,同时所述外磁环由安装在所述环上的所述第二组磁体限定;以及
环,具有限定所述外磁环的磁化极,同时所述内磁环由安装在所述环上的所述第一组磁体限定。
40.根据权利要求30所述的方法,其中,所述内磁体和所述外磁体各自包括偶数个磁体。
41.根据权利要求40所述的方法,其中,所述内磁环包括与所述外磁体不同数量的磁体。
42.根据权利要求30所述的方法,其中,所述内磁环和所述外磁环中的每个包括一个或多个极对,其中,所述内环和所述外环的极对的数量不具有公分母。
43.根据权利要求30所述的方法,其中,确定所述转子的绝对位置包括仅分析来自所述一个或多个传感器的信号的线性部分。
44.根据权利要求43所述的方法,其中,分析包括应用基于质心或形心的内插。
45.一种用于机电系统的编码器,所述编码器包括:
可移动元件,应用空间变化场、第一应用周期S1的场和第二应用周期S2的场中的至少两个,其中周期S2是周期S1的整数倍;
固定支承件,具有布置在周期S1内的n1个传感器和布置在周期S2内的n2个传感器,其中,n1和n2各自大于或等于2,所述传感器配置为测量所述可移动元件的磁场;以及
处理器,配置为:
处理来自所述n1个传感器的n1个传感器信号和所述n2个传感器的n2个传感器信号;
应用数学变换分别计算场角φ1和场角φ2的正弦和余弦;以及
以与φ1基本上相等的分辨率计算φ2。
46.根据权利要求45所述的编码器,其中,通过使用由S1和S2之间的差产生的游标效应,在大于S1或S2的周期内确定绝对位移。
47.根据权利要求45所述的编码器,其中,S1和S2中的每个是旋转位移。
48.根据权利要求45所述的编码器,其中,S1和S2中的每个是线性位移。
49.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述数学变换配置为使得每个场角φ的计算独立于磁场传感器的幅值和偏置。
50.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述磁场传感器均匀分布在每个周期S1和周期S2内。
51.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述系统配置为使得施加的磁场由一次谐波和至少一个高阶谐波的和表示。
52.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述处理器配置为:
存储由表示场角S1和场角S2中的每个的真实场角和感测的场角之间的差的空间变化信号表示的跳动,并且利用所述跳动来补偿所述差,从而消除任何跳动误差。
53.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述编码器用在BLDC电机中,所述BLDC电机配置成用于诊断测定系统内的机电系统的操作。
54.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述诊断测定系统的所述机电系统包括注射器、阀、门或盒装载机构中的任一个。
55.根据权利要求45所述的编码器,其中,所述处理器配置成仅处理所述信号的基本上线性部分。
CN202180011833.6A 2020-01-29 2021-01-29 具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法 Pending CN115211006A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202062967201P 2020-01-29 2020-01-29
US62/967,201 2020-01-29
PCT/US2021/015877 WO2021155263A1 (en) 2020-01-29 2021-01-29 Motor having integrated actuator with absolute encoder and methods of use

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115211006A true CN115211006A (zh) 2022-10-18

Family

ID=74673437

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202180011833.6A Pending CN115211006A (zh) 2020-01-29 2021-01-29 具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法

Country Status (7)

Country Link
US (2) US11876479B2 (zh)
EP (1) EP4097832A1 (zh)
KR (1) KR20220148179A (zh)
CN (1) CN115211006A (zh)
AU (1) AU2021214782A1 (zh)
CA (1) CA3166273A1 (zh)
WO (1) WO2021155263A1 (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552809A (zh) * 2022-01-20 2022-05-27 张建恒 一种双编码器微型高精度直流减速电机

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20220148179A (ko) * 2020-01-29 2022-11-04 세페이드 앱솔루트 인코더를 구비한 통합식 액츄에이터를 구비한 모터 및 이용 방법
US20230155467A1 (en) * 2020-04-08 2023-05-18 Nidec Servo Corporation Single-phase brushless dc motor
CN117203501A (zh) * 2021-01-13 2023-12-08 塞弗德公司 n相位置编码器及相关的信号处理方法和校准方法
CN114089231A (zh) * 2021-11-02 2022-02-25 湖南大学 一种磁传感器模组、印制永磁同步电机及其应用方法
CN114865853B (zh) * 2022-04-12 2024-03-08 西北工业大学 一种有限转角电机转子角度检测方法

Family Cites Families (27)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4562399A (en) * 1983-06-14 1985-12-31 Kollmorgen Technologies Corporation Brushless DC tachometer
JPH04208090A (ja) 1990-11-30 1992-07-29 Sony Corp 位置制御モータ装置
US5408153A (en) * 1991-07-05 1995-04-18 Canon Denshi Kabushiki Kaisha Index position detecting apparatus for an electromagnetic rotary machine
JP3192319B2 (ja) * 1994-05-17 2001-07-23 株式会社三協精機製作所 ブラシレスモータの回転検出装置
US6522130B1 (en) 1998-07-20 2003-02-18 Uqm Technologies, Inc. Accurate rotor position sensor and method using magnet and sensors mounted adjacent to the magnet and motor
US8048386B2 (en) 2002-02-25 2011-11-01 Cepheid Fluid processing and control
US6374684B1 (en) 2000-08-25 2002-04-23 Cepheid Fluid control and processing system
DE60237974D1 (de) * 2001-07-27 2010-11-25 Delphi Tech Inc Tachometervorrichtung und verfahren zur motorgeschwindigkeitsmessung
US6856054B2 (en) 2001-09-25 2005-02-15 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd Brushless DC motor, pump, and electronic apparatus
JP2006025537A (ja) 2004-07-08 2006-01-26 Matsushita Electric Ind Co Ltd ブラシレスモータ
JP4428163B2 (ja) 2004-07-20 2010-03-10 株式会社デンソー バルブ位置制御装置
KR100761810B1 (ko) * 2005-12-29 2007-09-28 엠텍비젼 주식회사 브러쉬리스 직류모터 구동장치
EP1974227B1 (en) 2006-01-17 2012-09-05 Raytheon Company System and method for determining angular position and controlling rotor orientation
FR2931598B1 (fr) 2008-05-23 2010-05-14 Valeo Equip Electr Moteur Dispositif de determination de la position angulaire d'un rotor d'une machine electrique tournante polyphasee et machine electrique tournante comprenant un tel dispositif
US20090315493A1 (en) 2008-06-24 2009-12-24 Hsia-Yuan Hsu Single-phase brushless forward and reverse turn control circuit device
CN201860242U (zh) 2010-11-10 2011-06-08 浙江方德机电制造有限公司 电机转子位置及速度的检测装置
JP2015114209A (ja) 2013-12-12 2015-06-22 セイコーエプソン株式会社 エンコーダー及び電気機械装置
US9325262B2 (en) 2014-04-09 2016-04-26 Woodward, Inc. Brushless motors with linear hall sensors
WO2016140032A1 (ja) * 2015-03-02 2016-09-09 株式会社ブレイド モータ駆動機構の状況判定方法
CA2992787C (en) * 2015-07-22 2024-01-30 Cepheid Encoderless motor with improved granularity and methods of use
WO2017064767A1 (ja) * 2015-10-14 2017-04-20 三菱電機株式会社 電動機及び空気調和機
JP2017135950A (ja) 2016-01-29 2017-08-03 株式会社マキタ 電動作業機
WO2017141411A1 (ja) * 2016-02-19 2017-08-24 株式会社日立製作所 モータ制御システム
WO2018044141A1 (ko) * 2016-09-05 2018-03-08 엘지이노텍 주식회사 로터 위치 감지장치 및 이를 포함하는 모터
JP2018053776A (ja) * 2016-09-28 2018-04-05 ヤマハ発動機株式会社 エンジンユニット及び鞍乗型車両
KR102583066B1 (ko) * 2018-04-10 2023-09-27 엘지이노텍 주식회사 모터
KR20220148179A (ko) * 2020-01-29 2022-11-04 세페이드 앱솔루트 인코더를 구비한 통합식 액츄에이터를 구비한 모터 및 이용 방법

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552809A (zh) * 2022-01-20 2022-05-27 张建恒 一种双编码器微型高精度直流减速电机

Also Published As

Publication number Publication date
KR20220148179A (ko) 2022-11-04
AU2021214782A1 (en) 2022-09-22
WO2021155263A1 (en) 2021-08-05
US11876479B2 (en) 2024-01-16
CA3166273A1 (en) 2021-08-05
US20210257943A1 (en) 2021-08-19
EP4097832A1 (en) 2022-12-07
US20240178774A1 (en) 2024-05-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN115211006A (zh) 具有带绝对编码器的集成致动器的电机和使用方法
US11689125B2 (en) Encoderless motor with improved granularity and methods of use
US7508154B1 (en) Integrated motor and resolver including absolute position capability
US7579799B2 (en) System and method for determining angular position and controlling rotor orientation
Wekhande et al. High-resolution absolute position Vernier shaft encoder suitable for high-performance PMSM servo drives
US20240372491A1 (en) Encoderless motor with improved quantization and methods of use and calibration
JP7414481B2 (ja) モータ駆動装置
JP2019070644A (ja) 変調波レゾルバ装置
TW202118997A (zh) 無刷馬達用磁性編碼器
CN118868675A (zh) 马达驱动系统
WO2023068932A1 (en) Motor system, stepper motor and rotor
CN118648234A (zh) 电动机组件
Kester SECTION 6 POSITION AND MOTION SENSORS

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination