CN115459531A - 一种伺服电机以及伺服电机位置检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及伺服电机位置检测技术领域，尤其涉及一种伺服电机以及伺服电机位置检测方法。方法包括：在电机内安装扼磁环和多极磁环、圆环形磁传感检测单元；对圆环形磁传感检测单元施加交流正弦电压激励；通过圆环形磁传感检测单元感受磁场的正弦变化，并输出驻波信号；将各个圆环形磁传感检测单元输出的驻波信号叠加，得到行波信号；通过时栅信号处理系统检测行波信号，即可确定电机位置。本发明可增大输出信号，提高伺服电机的位置检测精度和测量的灵敏度；减少输出信号的谐波成份，提高测量精度；通过各磁传感器输出电信号直接相加，避免了前期基于时栅技术的电机位置检测方法里需采用乘法器，且测头数越多，乘法电路会越复杂的不足的问题。

Description

一种伺服电机以及伺服电机位置检测方法

技术领域

本发明涉及伺服电机位置检测技术领域，尤其涉及一种伺服电机以及伺服电机位置检测方法。

背景技术

目前，由于伺服电机所特有的紧凑型结构，以及电机内外部相对恶劣的工作环境，导致目前国内外没有任何一种精密位移传感器能直接嵌入到电机内部，直接检测电机转子的角度位置，基本都是采用与电机同轴安装或旁置安装外置的位置检测传感器的方式，如光栅等。这种外置安装不但破坏了电机原有紧凑结构且安装、调试困难，更使得电机的运行性能会因此受到影响。近年来国内外兴起的“无传感器检测技术”，其技术复杂且严重依赖于电机本身参数的准确性，而电机长时间运行后会产生参数的非线性变化，导致该方案目前只能作为电机检测的一种辅助手段。

针对上述问题，现有技术中存在基于时栅技术的嵌入式电机位置检测方式，通过在电机转子绕制线圈作为传感测头检测电机转子位置，但存在线圈绕制不方便，且信号传输效率低、频响低以及精度低等不足，进而开展了基于时栅技术和磁传感的永磁伺服电机位置检测技术，因伺服电机永磁阵列极对数和磁传感测头数太少，以及磁场交叉作用等，导致测量干扰大、精度低、分辨力低。为提高分辨力，采用多测头相位倍频来实现，然而根据时栅测量原理，还需提高插补脉冲时钟频率，导致此方法意义不大，且此方法需要用到乘法器，测头越多，乘法器就会越复杂。

为了针对基于时栅技术的伺服电机位置检测技术的不足，本发明提出一种新的伺服电机以及其位置检测方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种伺服电机以及伺服电机位置检测方法，用于解决背景技术中提到的基于时栅技术的伺服电机位置检测技术不足的问题，本发明方法通过增加永磁阵列的对极数，以及基于多传感测头的行波形成方法，提高伺服机电位置测量精度。

为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：

本发明提供一种伺服电机位置检测方法，包括以下步骤：

在电机的转轴1外侧且位于永磁阵列2的一侧位置处固定安装扼磁环3和多极磁环4，并在电机的电机端盖6处安装规律布置的圆环形磁传感检测单元5；

对圆环形磁传感检测单元5施加交流正弦电压激励；

电机转动时，多极磁环4随电机转轴1一起旋转，多极磁环4产生的磁场随之旋转，通过圆环形磁传感检测单元感受磁场的正弦变化，并输出驻波信号；

将各个圆环形磁传感检测单元输出的驻波信号叠加，得到行波信号；

通过时栅信号处理系统检测行波信号，即可确定电机位置。

进一步地，其中，将各个圆环形磁传感检测单元输出的驻波信号叠加，得到行波信号，主要包括：

设多极磁环的一对NS磁极的极距为W，一对NS磁极内布置4n对磁传感器测头，分别记为G_1i、G_2i、G_3i与G_4i，i＝1，2，3，......，n；且G_1i与G_2i对应空间正交放置、G_3i与G_4i对应空间正交放置；G_1i与G_2i分别施加余弦、正弦激励，对G_3i与G_4i施加负的余弦、正弦激励；

4n个磁传感器输出的4n个驻波信号为：

i＝1，2，3，......，n

将u_1i、u_2i、u_3i、u_4i信号分别叠加，可得到4个驻波信号u₁、u₂、u₃、u₄，表达式为：

将u₁、u₂信号相加就可得到一个行波信号u_N：

同时，将u₃、u₄信号直接叠加就可得到另一个行波信号u_S：

将两个行波信号相加得到最终的行波信号u：

本发明还提供一种方便位置检测的伺服电机，包括电机转轴以及固定安装在电机转轴上的永磁阵列，还包括电机端盖，所述电机转轴上还固定安装有扼磁环和多极磁环；

所述扼磁环和多极磁环位于永磁阵列与电机端盖之间，且扼磁环靠近永磁阵列固定；

所述电机端盖一侧还安装有圆环形磁传感检测单元。

进一步地，所述扼磁环为导磁材料，其宽度大于电机永磁阵列的厚度。

进一步地，所述多极磁环为NS交替布置的永磁体薄片，且其磁环沿磁体厚度方向充磁。

进一步地，所述圆环形磁传感检测单元由多个GMR磁传感阵列组成，且采用微电子打印技术一体化制备。

本发明至少具备以下有益效果：

本发明通过增加永磁阵列的对极数，以及在一对极内增加传感检测单元测头数，均可增大输出信号，提高伺服电机的位置检测精度和测量的灵敏度；同时，通过控制安装的多极磁环永磁阵列和测头的加工精度即控制空间位置精度，减少输出信号的谐波成份，提高测量精度。

另外，本发明通过永磁阵列轴向充磁方向，以增强在电机端盖安装的磁传感器感受到的磁场强度，同时可避免电机永磁体和电机定子绕组磁场交叉作用，使作用磁场更单一，提高信号质量从而提高测量精度。

本发明方法在提高伺服电机检测精度的同时，提供了一种新的时栅形波信号形成方法，此行波形成方法将各磁传感器输出电信号直接相加，避免了前期基于时栅技术的电机位置检测方法里需采用乘法器，且测头数越多，乘法电路会越复杂的不足。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例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获得其他的附图。

图1为伺服电机位置检测装置爆炸图；

图2为永磁阵列磁场强度与空间位置对应关系图；

图3为基于永磁阵列和时栅技术的一对测头伺服电机位置检测原理图；

图4为基于永磁阵列和时栅技术的N对测头伺服电机位置检测原理图；

图5为传感测头数与行波信号幅值关系图；

图6为伺服电机位置检测装置安装图；

图7为基于永磁阵列和时栅技术的6对测头伺服电机位置检测原理图

图8为旋转电机永磁阵列与传感测头的对应关系图(一周4对极24对传感测头)；其中，(a)为永磁阵列示意图；(b)为一对极内传感测头激励与输出放大图；(c)为传感测头布置及激励与输出引线图。

图中：1、电机转轴；2、永磁阵列；3、扼磁环；4、多极磁环；5、圆环形磁传感检测单元；6、电机端盖。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明针对伺服电机普遍采用的位置传感技术无法突破高效集成的技术瓶颈，在前期时栅技术研究基础上，提出一种基于时栅技术与磁传感的高精度、易集成的位置传感新方法。时栅位移传感器是在一对极内布置一对传感测头，极对数越多，测头数越多，精度越高。但在一些极对数有限的场合，比如永磁伺服电机，一般为个位数，有限的测头数量感应出的信号弱，对安装的空间位置提出了更高的要求，比如安装的间隙、平行度，及安装面的平面度等。为此，提出一种既可通过增加永磁体阵列数以提高对极数，也可通过增加传感测头数以提高测量信号幅值和质量来提高测量精度的方法。这两种办法根据实际情况可同时采用，也可单独采用。

为增加阵列数，同时避免电机定子线圈磁场和永磁体磁场的交叉作用影响，提高测量精度，在电机端面设计了扼磁环3和多极磁环4结构。通过在一对永磁体(即一对极)范围内增加测头数，提出一种新的形波信号形成方法，这种方法可应用于在阵列极数较少的情况下提高输出信号强度。

如图1所示，旋转伺服电机位置检测装置包括扼磁环3，多极磁环4，圆环形磁传感检测单元5，另有电机自身的转轴1，永磁阵列2，端盖6。扼磁环3为导磁材料，宽度大于电机永磁阵列2的厚度；多极磁环4为NS交替布置的永磁体薄片，磁环沿磁体厚度方向充磁，即轴向充磁。扼磁环3和多极磁环4粘接在一起与电机转轴1刚性连接，随着转轴的转动而转动，如图6所示。圆环形磁传感检测单元5由GMR磁传感阵列组成，为保证各传感器的空间位置精度，采用微电子打印技术一体化制备，以提高测量精度。

在电机轴向端面与电机轴刚性同轴安装扼磁环3和多极磁环4，扼磁环3将伺服电机永磁阵列2产生的磁场约束在扼磁环3内，多极磁环4紧贴扼磁环3安装，在电机端盖6处安装按一定规律布置的圆环形磁传感检测单元5，并对其施加交流正弦电压激励。

多极磁环4周围产生如图2所示按正弦规律变化的磁场，电机转动，多极磁环4随着电机转轴1一起旋转，在电机和端盖间隙产生如图2所示的交替变化的磁场也随之旋转，端盖处安装的圆环形磁传感检测单元5感受磁场的正弦变化，输出随磁场变化而变化的驻波信号，将各圆环形磁传感检测单元5输出的驻波信号叠加，则可得到行波信号输出，再通过已有的时栅信号处理系统检测行波信号相位信息即可确定电机位置。

具体的原理如下：

基于永磁阵列的行波信号形成方法如图3所示，一对NS磁极为一个极距W，在空间相差90°位置即相距W/4处分别布置两个磁传感器G₁、G₂，磁极周围产生交变磁场如图2所示。给G₁、G₂施加交流激励电压cosωt、sinωt，随着永磁阵列的左右移动即电机转动或直线电机移动，磁传感器感受按正弦规律交替变化的磁场，G₁、G₂分别输出u₁₁、u₂₁的调制驻波信号，u₁₁、u₂₁经叠加后即可得到电行波信号

式中，K为磁感应系数，x为位移量。

根据时栅测量原理，将行波信号进行放大、滤波、整形、比相、高频时钟脉冲插补，即可实现电机位置检测。

因伺服电机的永磁阵列数量偏少，为提高测量信号强度，提出在一对NS永磁体范围内布置4n对传感测头，其行波形成原理如图4所示。

在一对永磁体范围内即一个极距内等间隔布置4n个磁传感器，位置如图4所示，磁传感器G_1i与G_2i(i＝1,2,3，......，n)为对应空间正交放置，G_3i与G_4i(i＝1,2,3，......，n)为对应空间正交放置，G_1i与G_2i分别施加余弦、正弦激励，对G_3i与G_4i施加负的余弦、正弦激励。4n个磁传感器G_1i与G_2i，G_3i与G_4i对应的第2个下标相同的为空间正交关系，如G₁₂与G₂₂，G₃₃与G₄₃分别空间正交。

旋转电机转动或直线电机移动，4n个磁传感器输出的4n个驻波信号为：

i＝1，2，3，......，n

将u_1i、u_2i、u_3i、u_4i信号分别叠加，可得到4个驻波信号u₁、u₂、u₃、u₄，表达式为：

将u₁、u₂信号相加就可得到一个行波信号u_N：

同时，将u₃、u₄信号直接叠加就可得到另一个行波信号u_S：

最后将两个行波信号相加得到最终的行波信号u：

通过用matlab拟合多传感测头的行波信号幅值

得到如图5所示的传感测头数与信号幅值的对应关系，如图可知，测头数越多，信号幅值越大，得到行波信号越强，就越利于信号处理。由行波信号产生原理可知，相应地，如果永磁阵列对极数越多，信号强度也越强，信号幅值与永磁阵列对极数具有直接倍数对应关系。

实施例1：

此例为在一对NS永磁体对极范围内，即一个极距W内，安装6对共12个GMR传感测头为例进行具体说明：

12个传感测头的分布如图7所示，对其分别施加如图7所示交流正弦电压激励，电机转动，多极磁环随着电机轴一起旋转，在电机和端盖间隙产生按正弦规律交替变化的磁场，端盖处安装的磁传感器感受磁场的变化，输出随磁场变化而变化的驻波信号，将各传感器输出的驻波信号相加，则可得到行波信号输出，再经时栅信号处理系统处理即可确定电机位置。进一步具有说明行波形成过程如下：

如图7所示，12个传感测头分为4组，每组3个，分别是G₁₁、G₁₂、G₁₃、G₂₁、G₂₂、G₂₃、G₃₁、G₃₂、G₃₃、G₄₁、G₄₂、G₄₃，其中传感测头G_1i与G_3i(i＝1，2，3)为正弦信号传感测头，G_2i与G_4i(i＝1，2，3)为余弦信号传感测头。G₁₁与G₂₁空间正交放置为一对，即间隔W/4，G_1i(i＝1，2，3)等间隔分布，相邻传感器测头间隔W/4÷3，即为W/12，G_2i(i＝1，2，3)分布方式与G_1i相同。分别向G_1i与G_2i添加余弦、正弦激励，就可以得到6个驻波信号：

将u_1i信号全部相加，可得到驻波信号u₁，即：

将u_2i信号全部相加，可得到另一个驻波信号u₂，即：

将两驻波信号相加得到一行波信号u_N：

G_3i与G_4i(i＝1，2，3)测头的分布和G_1i与G_2i相同，G₁₁与G₃₁间隔W/2，G₃₁与G₄₁正交放置，间隔为W/4，G_3i等间隔分布，相邻传感器测头间隔W/4÷3，即为W/12,G_4i分布方式与G_3i相同，再分别向G_3i与G_4i添加负的余弦、正弦激励，就可以得到相同的6个驻波信号：

同理：

将u_3i信号全部相加，可得到一个新的驻波信号u₃，即：

将u_4i信号全部相加，可得到一个新的驻波信号u₄：

将两驻波信号相加得到一行波信号u_S：

最后将两个行波信号相加得到最终的行波信号u：

此例扩展到一周4对永磁阵列如图8(a)所示，一对永磁阵列即一个极距范围内布置6对测头，其磁传感测头的空间均匀分布位置关系及信号的输入输出如图8(b)所示，一周24对测头的空间位置关系以及激励信号输入和产生的行波信号输出如图8(c)所示。如图所示，每一对NS永磁阵列范围内布置相同的传感测头数，且位置相同，4对永磁阵列相对于1对的输出是4次重复，信号幅值为1对的4倍，输出的行波信号表达式为：

实际应用中，一对永磁体范围内布置的测头对数不局限于此例的6对，可根据永磁阵列的对数，空间位置情况以及实际需要，布置1对，2对，......n对均可。

此方法不仅适用于旋转永磁伺服电机，也可适用于直线永磁伺服电机和其他电机的位置检测方案的施行。

以上显示和描述了本发明的基本原理、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的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种伺服电机位置检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

在电机的永磁阵列的端面位置处固定安装扼磁环和多极磁环，且扼磁环靠近永磁阵列，并在电机的电机端盖处安装规律布置的圆环形磁传感检测单元；

对圆环形磁传感检测单元施加交流正弦电压激励；

电机转动时，多极磁环随电机转轴一起旋转，多极磁环产生的磁场随之旋转，通过圆环形磁传感检测单元感受磁场的正弦变化，并输出驻波信号；

将各个圆环形磁传感检测单元输出的驻波信号叠加，得到行波信号；

通过时栅信号处理系统检测行波信号，即可确定电机位置。

2.根据权利要求1所述的一种伺服电机位置检测方法，其特征在于，其中，将各个圆环形磁传感检测单元输出的驻波信号叠加，得到行波信号，主要包括：

设多极磁环的一对NS磁极的极距为W，一对NS磁极内布置4n对磁传感器测头，分别记为G_1i、G_2i、G_3i与G_4i，i＝1,2,3,……,n；且G_1i与G_2i对应空间正交放置、G_3i与G_4i对应空间正交放置；G_1i与G_2i分别施加余弦、正弦激励，对G_3i与G_4i施加负的余弦、正弦激励；

4n个磁传感器输出的4n个驻波信号为：

将u_1i、u_2i、u_3i、u_4i信号分别叠加，可得到4个驻波信号u₁、u₂、u₃、u₄，表达式为：

将u₁、u₂信号相加就可得到一个行波信号u_N：

同时，将u₃、u₄信号直接叠加就可得到另一个行波信号u_S：

将两个行波信号相加得到最终的行波信号u：

3.一种方便位置检测的伺服电机，包括电机转轴以及固定安装在电机转轴上的永磁阵列，还包括电机端盖，其特征在于，所述电机转轴上固定安装有扼磁环和多极磁环；

所述扼磁环和多极磁环位于永磁阵列与电机端盖之间，且扼磁环靠近永磁阵列固定；

所述电机端盖一侧还安装有圆环形磁传感检测单元。

4.根据权利要求3所述的一种方便位置检测的伺服电机，其特征在于，所述扼磁环为导磁材料，其宽度大于电机永磁阵列的厚度。

5.根据权利要求3所述的一种方便位置检测的伺服电机，其特征在于，所述多极磁环为NS交替布置的永磁体薄片，且其磁环沿磁体厚度方向充磁。

6.根据权利要求3所述的一种方便位置检测的伺服电机，其特征在于，所述圆环形磁传感检测单元由多个GMR磁传感阵列组成，且采用微电子打印技术一体化制备。

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